Primo studio per quantificare gli effetti del cambiamento climatico del sottosuolo sulle infrastrutture civili — ScienceDaily

Un nuovo studio della Northwestern University ha, per la prima volta, collegato il cambiamento climatico sotterraneo al terreno in movimento sotto le aree urbane. Man mano che il terreno si riscalda, si deforma. Questo fenomeno fa sì che le fondamenta dell’edificio e il terreno circostante si muovano eccessivamente (a causa di espansioni e contrazioni) e addirittura si crepino, il che in ultima analisi influisce sulle prestazioni operative e sulla durabilità a lungo termine delle strutture. I ricercatori riferiscono anche che i danni agli edifici del passato potrebbero essere stati causati da tali temperature in aumento e si aspettano che questi problemi continuino per gli anni a venire.

Sebbene l’aumento delle temperature rappresenti una minaccia per la nostra infrastruttura, i ricercatori lo considerano anche una potenziale opportunità. Catturando il calore disperso emesso nel sottosuolo dai sistemi di trasporto sotterranei, parcheggi e seminterrati, gli urbanisti potrebbero mitigare gli effetti del cambiamento climatico sotterraneo e riutilizzare il calore in una risorsa di energia termica non sfruttata.

Lo studio sarà pubblicato l’11 luglio in Ingegneria delle comunicazioni, una rivista Nature Portfolio. Segna il primo studio per quantificare le deformazioni del suolo causate dalle isole di calore del sottosuolo e il loro effetto sulle infrastrutture civili.

“Il cambiamento climatico sotterraneo è un pericolo silenzioso”, ha affermato Alessandro Rotta Loria della Northwestern, che ha guidato lo studio. “Il terreno si sta deformando a causa delle variazioni di temperatura e nessuna struttura o infrastruttura civile esistente è progettata per resistere a queste variazioni. Sebbene questo fenomeno non sia necessariamente pericoloso per la sicurezza delle persone, influenzerà le normali operazioni quotidiane di fondazione sistemi e infrastrutture civili in generale.

“L’argilla di Chicago può contrarsi quando viene riscaldata, come molti altri terreni a grana fine. A causa dell’aumento della temperatura nel sottosuolo, molte fondamenta del centro stanno subendo assestamenti indesiderati, lenti ma continui. In altre parole, non è necessario vivere a Venezia per vivere in una città che sta affondando, anche se le cause di tali fenomeni sono completamente diverse”.

Rotta Loria è assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso la McCormick School of Engineering della Northwestern.

Cos’è il cambiamento climatico sotterraneo?

In molte aree urbane in tutto il mondo, il calore si diffonde continuamente dagli edifici e dai trasporti sotterranei, provocando un riscaldamento del suolo a una velocità allarmante. Precedenti ricercatori hanno scoperto che il sottosuolo poco profondo sotto le città si riscalda da 0,1 a 2,5 gradi Celsius per decennio.

Conosciuto come “cambiamento climatico sotterraneo” o “isole di calore sotterranee”, questo fenomeno è noto per causare problemi ecologici (come l’acqua sotterranea contaminata) e problemi di salute (tra cui l’asma e il colpo di calore). Ma, fino ad ora, l’effetto del cambiamento climatico sotterraneo sulle infrastrutture civili è rimasto non studiato e poco compreso.

“Se pensi a scantinati, parcheggi, tunnel e treni, tutte queste strutture emettono continuamente calore”, ha detto Rotta Loria. “In generale, le città sono più calde delle zone rurali perché i materiali da costruzione intrappolano periodicamente il calore derivato dall’attività umana e dalla radiazione solare e poi lo rilasciano nell’atmosfera. Questo processo è stato studiato per decenni. Ora, stiamo esaminando la sua controparte sotterranea, che è principalmente guidato dall’attività antropogenica.”

Chicago come laboratorio vivente

Negli ultimi anni, Rotta Loria e il suo team hanno installato una rete wireless di oltre 150 sensori di temperatura lungo il Chicago Loop, sia sopra che sotto terra. Ciò includeva il posizionamento di sensori negli scantinati di edifici, tunnel della metropolitana, parcheggi sotterranei e strade sotterranee come Lower Wacker Drive. Per fare un confronto, il team ha anche seppellito i sensori nel Grant Park, uno spazio verde situato lungo il lago Michigan, lontano da edifici e sistemi di trasporto sotterranei.

I dati della rete di rilevamento wireless hanno indicato che le temperature sotterranee sotto il Loop sono spesso 10 gradi più calde delle temperature sotto Grant Park. Le temperature dell’aria nelle strutture sotterranee possono essere fino a 25 gradi più alte rispetto alla temperatura del suolo indisturbata. Quando il calore si diffonde verso il suolo, pone uno stress significativo sui materiali che si espandono e si contraggono al variare delle temperature.

“Abbiamo usato Chicago come un laboratorio vivente, ma il cambiamento climatico sotterraneo è comune a quasi tutte le aree urbane dense del mondo”, ha affermato Rotta Loria. “E tutte le aree urbane che soffrono di cambiamenti climatici sotterranei tendono ad avere problemi con le infrastrutture”.

Affondando lentamente

Dopo aver raccolto dati sulla temperatura per tre anni, Rotta Loria ha costruito un modello di computer 3D per simulare l’evoluzione della temperatura del suolo dal 1951 (l’anno in cui Chicago ha completato i tunnel della metropolitana) ad oggi. Ha trovato valori coerenti con quelli misurati sul campo e ha utilizzato la simulazione per prevedere come si evolveranno le temperature fino al 2051.

Rotta Loria ha anche modellato il modo in cui il terreno si deforma in risposta all’aumento delle temperature. Mentre alcuni materiali (argilla morbida e rigida) si contraggono quando riscaldati, altri materiali (argilla dura, sabbia e calcare) si espandono.

Secondo le simulazioni, temperature più calde possono far gonfiare il terreno ed espandersi verso l’alto fino a 12 millimetri. Possono anche far sì che il terreno si contragga e sprofondi verso il basso, sotto il peso di un edificio, fino a 8 millimetri. Anche se questo sembra sottile ed è impercettibile per l’uomo, la variazione è più di quanto molti componenti dell’edificio e sistemi di fondazione possano gestire senza compromettere i loro requisiti operativi.

“Sulla base delle nostre simulazioni al computer, abbiamo dimostrato che le deformazioni del suolo possono essere così gravi da portare a problemi per le prestazioni delle infrastrutture civili”, ha affermato Rotta Loria. “Non è che un edificio crolli improvvisamente. Le cose stanno sprofondando molto lentamente. Le conseguenze per la funzionalità di strutture e infrastrutture possono essere molto negative, ma ci vuole molto tempo per vederle. È molto probabile che il cambiamento climatico sotterraneo abbia già causato crepe ed eccessivi cedimenti di fondazioni che non abbiamo associato a questo fenomeno perché non ne eravamo consapevoli”.

Raccolta del calore

Poiché gli urbanisti e gli architetti hanno progettato la maggior parte degli edifici moderni prima che emergessero i cambiamenti climatici sotterranei, non hanno progettato strutture per tollerare le variazioni di temperatura che sperimentiamo oggi. Tuttavia, gli edifici moderni se la caveranno meglio delle strutture di epoche precedenti, come il Medioevo.

“Negli Stati Uniti, gli edifici sono tutti relativamente nuovi”, ha detto Rotta Loria. “Le città europee con edifici molto antichi saranno più suscettibili ai cambiamenti climatici del sottosuolo. Gli edifici in pietra e mattoni che fanno ricorso a pratiche progettuali e costruttive del passato sono generalmente in un equilibrio molto delicato con le perturbazioni associate alle attuali operazioni delle città. le perturbazioni legate alle isole di calore sotterranee possono avere impatti dannosi per tali costruzioni”.

Andando avanti, Rotta Loria ha affermato che le future strategie di pianificazione dovrebbero integrare le tecnologie geotermiche per raccogliere il calore di scarto e consegnarlo agli edifici per il riscaldamento degli ambienti. I progettisti possono anche installare l’isolamento termico su edifici nuovi ed esistenti per ridurre al minimo la quantità di calore che entra nel terreno.

“L’approccio più efficace e razionale è isolare le strutture sotterranee in modo che la quantità di calore disperso sia minima”, ha affermato Rotta Loria. “Se questo non può essere fatto, allora le tecnologie geotermiche offrono l’opportunità di assorbire e riutilizzare in modo efficiente il calore negli edifici. Quello che non vogliamo è usare le tecnologie per raffreddare attivamente le strutture sotterranee perché questo consuma energia. Attualmente, ci sono una miriade di soluzioni che può essere implementato”.

Lo studio, “L’impatto silenzioso del cambiamento climatico sotterraneo sulle infrastrutture civili”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation (numero di concessione 2046586). La rete di rilevamento wireless alla base di questo lavoro, che funge anche da laboratorio vivente per un corso tenuto da Rotta Loria, è stata parzialmente supportata dalla Murphy Society e dagli Alumnae della Northwestern University.

Video: https://youtu.be/_8IaNoTDxgM