En un nuevo enfoque para la protección contra marejadas ciclónicas, un equipo de Princeton creó un diseño preliminar para paraguas cinéticos de doble propósito que proporcionarían sombra durante el buen tiempo y podrían inclinarse antes de una tormenta para formar una barrera contra inundaciones. Los investigadores utilizaron modelos computacionales para comenzar a evaluar la capacidad de los paraguas para resistir una marejada ciclónica aguda. Esta representación artística muestra cómo se podría desplegar una hilera de paraguas para proteger una comunidad costera. Crédito:Mauricio Loyola
Una tormenta se acerca a la costa, agitando el viento y las olas. A lo largo del malecón que bordea la playa, una fila de sombrillas de hormigón de gran tamaño comienza a inclinarse hacia abajo, transformándose de un toldo conveniente en un escudo contra el ataque inminente.
En un nuevo enfoque para la protección contra marejadas ciclónicas, Un equipo de Princeton ha creado un diseño preliminar para estos paraguas cinéticos de doble propósito. En un estudio publicado el 28 de marzo en la revista Journal of Structural Engineering, los investigadores utilizaron modelos computacionales para comenzar a evaluar la capacidad de los paraguas para resistir una marejada ciclónica aguda.
A medida que aumenta el nivel del mar y las tormentas se hacen más fuertes, Las comunidades costeras están construyendo más diques para ayudar a proteger a las personas y las propiedades de las inundaciones extremas. Estas barreras pueden resultar poco atractivas y restringir el acceso a las playas, pero los paraguas del equipo de Princeton proporcionarían sombra durante el buen tiempo y podrían inclinarse antes de una tormenta para formar una barrera contra inundaciones.
"Esto es mucho más que la típica estructura defensiva costera, "dijo el autor principal del estudio, Shengzhe Wang, un doctorado estudiante de ingeniería civil y ambiental. "Es la primera vez que alguien realmente ha intentado integrar la arquitectura como un componente inherente a una contramedida costera".
Los paraguas propuestos son conchas de hormigón armado de unas 4 pulgadas de espesor, construido en forma de paraboloide hiperbólico (abreviado como hypar), una estructura en forma de silla de montar que se curva hacia adentro a lo largo de un eje y hacia afuera a lo largo del otro. La estructura se inspira en la obra del arquitecto español Félix Candela, quien diseñó cientos de edificios con techos de hypar de caparazón delgado en México en las décadas de 1950 y 1960.
La coautora del estudio, Maria Garlock, profesor de ingeniería civil y ambiental, ha estudiado durante mucho tiempo los diseños de Candela; ella coescribió un libro sobre Candela y ayudó a crear un archivo y una exposición explorando su trabajo. En el otoño de 2017, ella y el coautor Branko Glišić, un profesor asociado de ingeniería civil y ambiental, estaban considerando un proyecto para estudiar el potencial de los paraguas hypar como estructuras "inteligentes" para capturar energía y agua de lluvia. Luego, se le ocurrió una nueva idea:además de agregar sensores, "¿Por qué no darles una propina y usarlos de una manera completamente diferente, como una especie de rompeolas?" ella preguntó.
En clima soleado, una hilera de sombrillas de hormigón de gran tamaño formaría un dosel para los peatones a lo largo de la playa. Crédito:Universidad de Princeton
Garlock y Glišić obtuvieron fondos del Proyecto X, lo que permite a los miembros de la facultad de ingeniería seguir ideas no convencionales. Wang asumió la tarea de probar si los paraguas serían una estrategia viable para la protección costera.
Wang analizó la geometría y la resistencia estructural de los paraguas propuestos, conchas delgadas de concreto que miden 8 metros (aproximadamente 26 pies) en cada lado y soportadas por 10 pies de altura, Columnas cuadradas de 20 pulgadas. En estas simulaciones, también probó la funcionalidad de una bisagra en el vértice donde la columna se encuentra con el medio del paraguas.
Para investigar cómo les iría a los paraguas durante una marejada ciclónica costera, el equipo compiló datos de marejadas ciclónicas de los huracanes entre 1899 y 2012 a lo largo de la costa este de EE. UU., luego modeló una altura de marejada ciclónica de 18 pies, abarcando todas las marejadas ciclónicas excepto la más alta del conjunto de datos. Adaptar métodos numéricos establecidos para modelar interacciones fluido-estructura para estudiar estructuras hypar, demostraron que los paraguas permanecerían estables cuando se enfrentaran a una pared de agua alrededor del 75% de su altura desplegada.
"Estos caparazones son tan delgados que cualquiera que mire esto no se sentiría inclinado a creer que estas estructuras serían capaces de detener fuerzas tan grandes del agua". ", dijo Wang." Pero podemos aprovechar la geometría de la forma hypar que le da a la estructura la resistencia adicional que se requiere ".
Wang ahora ha construido modelos físicos de los paraguas (que miden alrededor de 6 pulgadas de ancho) para validar los resultados del enfoque numérico. y está comenzando a probar las respuestas de los modelos a las fuerzas dinámicas de los flujos turbulentos dentro de un canal de agua de 10 pies de largo. Las fuerzas del viento características de los huracanes que tocan tierra también se capturarán mediante pruebas en el túnel de viento.
"En realidad, no vas a tener simplemente un montón de agua estática. Vas a tener olas vas a tener viento que genere esas olas, ", dijo." Eso es lo que estamos tratando de capturar en nuestro próximo paso:¿Cómo simulamos físicamente estas ondas y cómo estas ondas afectarían nuestras estructuras? "
Los investigadores calcularon que los paraguas propuestos permanecerían estables cuando se enfrentaran a una pared de agua de aproximadamente el 75% de su altura desplegada de 26 pies. Crédito:Universidad de Princeton
Wang señaló que la mayoría de los estudios anteriores han evaluado la capacidad de las paredes verticales o las barreras inclinadas para resistir tormentas. pero la compleja geometría del hypar requería que el equipo "elaborara un conjunto completamente nuevo de reglas que gobiernen cómo funcionará la estructura". Debido a la complejidad de la solución, otro estudiante de posgrado, Vanessa Notario, estudiará el flujo de fuerzas en el caparazón como parte de su M.S.E. tesis.
Además de optimizar las estructuras para resistir fuertes vientos y olas, los diseños para la protección costera deben tener en cuenta otras consideraciones prácticas. La altura de 10 pies de las columnas, Garlock dijo:es bueno para dar sombra a los peatones mientras restringe el acceso a las bisagras de los paraguas y previene el vandalismo.
El equipo planea investigar el potencial de utilizar materiales más sostenibles, además de agregar sensores y actuadores para controlar los paraguas, e incorporar sistemas de captación de energía solar y aguas pluviales.
"Los sensores verificarían que los paraguas funcionan correctamente antes, durante y después del despliegue, mientras que los actuadores permitirían no solo el despliegue automático, sino también el seguimiento del sol y el viento para los mejores propósitos de recolección de energía y aguas pluviales, "dijo Glišić, que tiene experiencia en monitoreo de salud estructural y estructuras inteligentes.
"Esta es una forma completamente nueva de pensar sobre las estructuras de defensa costera, "dijo Garlock." Avanzando, Nuestro objetivo es hacer que estos paraguas formen parte de una comunidad sostenible ".
Para ayudar a integrar el nuevo diseño en planes holísticos para la resiliencia costera, los investigadores colaborarán con Ning Lin, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en Princeton cuyo equipo produjo recientemente mapas de inundaciones actualizados del siglo XXI para las costas del Atlántico y el Golfo de EE. UU. También tienen planes de trabajar con un ingeniero geotécnico y están consultando con la Oficina de Resiliencia del Alcalde de la Ciudad de Nueva York.
