Kæmpe paraplyer skifter fra praktisk baldakin til robust stormskjold

En storm nærmer sig kysten, ophidser vind og bølger. Langs strandpromenaden, der kanter stranden, en række overdimensionerede betonparaplyer begynder at vippe nedad, forvandling fra en bekvem baldakin til et skjold mod det kommende stormløb.

I en ny tilgang til beskyttelse mod stormflod, et Princeton-team har skabt et foreløbigt design til disse kinetiske paraplyer med to formål. I en undersøgelse offentliggjort 28. marts i Journal of Structural Engineering, forskerne brugte beregningsmodeller til at begynde at evaluere paraplyernes evne til at modstå en akut stormflod.

Efterhånden som havniveauet stiger og storme bliver stærkere, Kystsamfund bygger flere strandvolde for at hjælpe med at beskytte mennesker og ejendom mod ekstreme oversvømmelser. Disse barrierer kan være uattraktive og begrænse adgangen til strande, men Princeton-holdets paraplyer ville give skygge under godt vejr og kunne vippes forud for en storm for at danne en oversvømmelsesbarriere.

"Dette er så meget mere end blot din typiske kystnære defensive struktur, " sagde hovedstudieforfatter Shengzhe Wang, en ph.d. studerende i civil- og miljøteknik. "Det er første gang, at nogen virkelig har forsøgt at integrere arkitektur som en iboende komponent til en kystnær modforanstaltning."

De foreslåede paraplyer er skaller af armeret beton omkring 4 tommer tykke, bygget i form af en hyperbolsk paraboloid (forkortet til hypar), en sadellignende struktur, der buer indad langs den ene akse og udad langs den anden. Strukturen er inspireret af den spanskfødte arkitekt Félix Candelas arbejde, der tegnede hundredvis af bygninger med tyndskallede hypartage i Mexico i 1950'erne og 1960'erne.

Studie medforfatter Maria Garlock, professor i civil- og miljøteknik, har længe studeret Candelas designs; hun var med til at skrive en bog om Candela og hjalp med at skabe et arkiv og en udstilling, der udforskede hans arbejde. I efteråret 2017 hun og medforfatter Branko Glišić, en lektor i civil- og miljøteknik, overvejede et projekt for at undersøge potentialet af hyparparaplyer som "smarte" strukturer til at opfange energi og regnvand. Derefter, en ny idé kom til hende:Ud over at tilføje sensorer, "hvorfor ikke vippe dem og bruge dem på en helt anden måde - som en slags strandvold?" hun spurgte.

Garlock og Glišić opnåede finansiering fra Project X, som gør det muligt for ingeniørfakultetets medlemmer at forfølge ukonventionelle ideer. Wang påtog sig opgaven med at teste, om paraplyerne ville være en holdbar strategi for kystbeskyttelse.

Wang analyserede geometrien og den strukturelle styrke af de foreslåede paraplyer, tynde skaller af beton, der måler 8 meter (ca. 26 fod) på hver side og understøttet af 10 fod høje, 20 tommer kvadratiske søjler. I disse simuleringer, han testede også funktionaliteten af ​​et hængsel i toppunktet, hvor søjlen møder midten af ​​paraplyen.

For at undersøge, hvordan paraplyerne kan klare sig under en kyststormflod, holdet kompilerede stormflodsdata fra orkaner mellem 1899 og 2012 langs den amerikanske østkyst, modellerede derefter en stormflodshøjde på 18 fod, omfatter alle undtagen den højeste stormflod i datasættet. Tilpasning af etablerede numeriske metoder til modellering af væske-struktur-interaktioner for at studere hyparstrukturer, de viste, at paraplyerne ville forblive stabile, når de stod over for en vandvæg omkring 75 % af deres udfoldede højde.

"Disse skaller er så tynde, at enhver, der ser på dette, ikke ville være tilbøjelig til at tro, at disse strukturer ville være i stand til at stoppe så store kræfter fra vand, " sagde Wang. "Men vi er i stand til at drage fordel af hyparformens geometri, der giver strukturen den ekstra styrke, der kræves."

Wang har nu bygget fysiske modeller af paraplyerne (som måler omkring 6 tommer på tværs) for at validere resultaterne af den numeriske tilgang, og begynder at teste modellernes reaktioner på de dynamiske kræfter fra turbulente strømme inde i en 10 fod lang vandkanal. Vindstyrker, der er karakteristiske for landfaldende orkaner, vil også blive fanget via vindtunneltest.

"I virkeligheden, du vil ikke bare have en bunke statisk vand. Du vil have bølger, du vil have vind, der genererer de bølger, " sagde han. "Det er det, vi forsøger at fange i vores næste trin:Hvordan simulerer vi fysisk disse bølger, og hvordan ville disse bølger påvirke vores strukturer?"

Wang bemærkede, at de fleste tidligere undersøgelser har evalueret lodrette vægge eller skrå barrierers evne til at modstå storme, men hyparens komplekse geometri krævede, at teamet "kom med et helt nyt sæt regler, der styrer, hvordan strukturen vil fungere." På grund af kompleksiteten af ​​løsningen, en anden kandidatstuderende, Vanessa Notario, vil studere strømmen af ​​kræfter i skallen som en del af hendes M.S.E. afhandling.

Ud over at optimere strukturerne til at modstå kraftig vind og bølger, design til kystbeskyttelse skal tage andre praktiske hensyn. Søjlernes 10 fods højde, Garlock sagde, er god til at skygge for fodgængere og samtidig begrænse adgangen til paraplyernes hængsler og forhindre hærværk.

Holdet planlægger at undersøge potentialet ved at bruge mere bæredygtige materialer, samt tilføjelse af sensorer og aktuatorer til at styre paraplyerne, og inkorporerer systemer til opsamling af solenergi og regnvand.

"Sensorer ville bekræfte, at paraplyer fungerer korrekt før, under og efter deployering, mens aktuatorer ikke kun vil muliggøre automatisk udløsning, men også sporing af sol og vind til de bedste formål med at høste strøm og regnvand, " sagde Glišić, der har ekspertise i strukturel sundhedsovervågning og smarte strukturer.

"Dette er en helt ny måde at tænke kystforsvarsstrukturer på, " sagde Garlock. "Vi går fremad, vores mål er at gøre disse paraplyer til en del af en smart, bæredygtigt fællesskab."

For at hjælpe med at integrere det nye design i holistiske planer for kystnær modstandsdygtighed, forskerne vil samarbejde med Ning Lin, en lektor i civil- og miljøteknik ved Princeton, hvis team for nylig producerede opdaterede oversvømmelseskort fra det 21. århundrede for de amerikanske Atlanterhav- og Golfkyster. De har også planer om at arbejde med en geoteknisk ingeniør og rådfører sig med New York City Mayor's Office of Resiliency.