В рамках нового подхода к защите от штормовых нагонов команда из Принстона создала предварительный проект этих кинетических зонтов двойного назначения. В исследовании, опубликованном в марте. 28 в Journal of Structural Engineering, исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы начать оценку способности зонтов противостоять сильному штормовому нагону.
По мере повышения уровня моря и усиления штормов прибрежные сообщества строят больше морских дамб, чтобы защитить людей и имущество от сильных наводнений.
Эти барьеры могут быть непривлекательными и ограничивать доступ к пляжам, но зонтики принстонской команды будут обеспечивать тень в хорошую погоду и могут быть наклонены перед штормом, чтобы сформировать барьер от наводнения.
«Это намного больше, чем просто типичная прибрежная оборонительная структура», – сказал ведущий автор исследования Шэнчжэ Ван, доктор философии.D. студент в области гражданской и экологической инженерии. "Это первый случай, когда кто-то действительно попытался интегрировать архитектуру как неотъемлемый компонент прибрежных контрмер."
Предлагаемые зонты представляют собой оболочки из железобетона толщиной около 4 дюймов, построенные в форме гиперболического параболоида (сокращенного до гипара), седловидной конструкции, которая изгибается внутрь по одной оси и наружу по другой. Структура вдохновлена работами архитектора испанского происхождения Феликса Канделы, который спроектировал сотни зданий с тонкостенными крышами из гипара в Мексике в 1950-х и 1960-х годах.
Соавтор исследования Мария Гарлок, профессор гражданской и экологической инженерии, давно изучает проекты Канделы; она стала соавтором книги о Канделе и помогла создать архив и выставку, исследуя его работы. Осенью 2017 года она и соавтор Бранко Глиšя?, доцент кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды, рассматривал проект по изучению потенциала зонтов Hypar как «умных» структур для улавливания энергии и дождевой воды.
Затем к ней пришла новая идея: помимо добавления датчиков, «почему бы не опрокинуть их и не использовать совершенно по-другому – как своего рода дамбу??" спросила она.
Гарлок и Глиšя? получил финансирование от Project X, что позволяет преподавателям инженерных специальностей реализовывать нетрадиционные идеи. Ван взял на себя задачу проверить, будут ли зонтики жизнеспособной стратегией для защиты побережья.
Ван проанализировал геометрию и конструктивную прочность предложенных зонтов, тонких бетонных оболочек размером 8 метров (около 26 футов) с каждой стороны, поддерживаемых 10-футовыми квадратными колоннами 20 дюймов. В этих симуляциях он также проверил функциональность петли в вершине, где колонна встречается с серединой зонтика.
Чтобы исследовать, как зонтики могут работать во время прибрежного штормового нагона, команда собрала данные о штормовых нагонах от ураганов между 1899 и 2012 годами вдоль побережья U.S. Восточное побережье, затем смоделировали штормовой нагон высотой 18 футов, охватывающий все, кроме самого высокого штормового нагона в наборе данных. Адаптировав установленные численные методы для моделирования взаимодействий жидкости и структуры для изучения структур гипара, они показали, что зонты останутся стабильными, когда столкнутся со стеной воды примерно на 75% от их развернутой высоты.
«Эти оболочки настолько тонкие, что любой, кто смотрит на них, не будет склонен поверить, что эти структуры могут остановить такие большие силы, исходящие от воды», – сказал Ван. "Но мы можем воспользоваться преимуществами геометрии гипара, которая придает конструкции необходимую дополнительную прочность."
Ван построил физические модели зонтов (размером около 6 дюймов в диаметре), чтобы проверить результаты численного подхода, и начинает тестировать реакцию моделей на динамические силы турбулентных потоков внутри водного канала длиной 10 футов. Силы ветра, характерные для ураганов, падающих на сушу, также будут зафиксированы с помощью испытаний в аэродинамической трубе.
"На самом деле у вас не будет просто кучи статической воды. У вас будут волны, у вас будет ветер, который порождает эти волны », – сказал он. "Это то, что мы пытаемся уловить на нашем следующем шаге: как мы физически моделируем эти волны и как эти волны повлияют на наши структуры?"
Ван отметил, что в большинстве предыдущих исследований оценивалась способность вертикальных стен или наклонных барьеров противостоять штормам, но сложная геометрия гипара потребовала от команды «придумать совершенно новый набор правил, определяющих, как конструкция будет работать."Из-за сложности решения другая аспирантка, Ванесса Нотарио, будет изучать поток сил в оболочке как часть ее M.S.E. Тезис.
Помимо оптимизации конструкций для защиты от сильных ветров и волн, при проектировании защиты побережья необходимо учитывать и другие практические соображения. Высота колонн 10 футов, по словам Гарлока, позволяет затенять пешеходов, ограничивая доступ к петлям зонтов и предотвращая вандализм.
Команда планирует изучить потенциал использования более экологически чистых материалов, а также добавить датчики и исполнительные механизмы для управления зонтами и включить системы для улавливания солнечной энергии и ливневой воды.
«Датчики будут проверять, что зонты работают должным образом до, во время и после развертывания, в то время как приводы позволяют не только автоматически развертывать, но и отслеживать солнце и ветер для наилучшего сбора энергии и сбора ливневой воды», – сказал Глиšя?, кто имеет опыт в области мониторинга состояния конструкций и умных структур.
«Это совершенно новый взгляд на структуры береговой обороны», – сказал Гарлок. «Двигаясь вперед, наша цель – сделать эти зонтики частью умного и устойчивого сообщества."
Чтобы помочь интегрировать новый дизайн в целостные планы обеспечения устойчивости прибрежных районов, исследователи будут сотрудничать с Нин Линь, доцентом Принстона, чья команда недавно подготовила обновленные карты наводнений 21-го века для США.S. Атлантическое побережье и побережье Мексиканского залива. Они также планируют работать с инженером-геологом и консультируются с Управлением мэрии Нью-Йорка по устойчивости.
В дополнение к инновационному фонду Project X, эта работа была частично поддержана проектом Принстонского университета Metropolis Project.