Hvordan layouterne, eller teksturer, af byer påvirker ekstreme vejrbegivenheder

Hvis du nogensinde har afvist en bygade kun for at blive sprængt med luft, du er trådt ind i det, der er kendt som en urban canyon.

Meget ligesom deres geologiske modstykker, bykløfter er mellemrum mellem to høje overflader - i dette tilfælde, bygninger. De vindstød de kanaliserer, imidlertid, har reelle konsekvenser. De kan forstørre en orkans vinde eller øge en bys lufttemperatur afhængigt af deres arrangement - et arrangement kendt som bytekstur. Problemet er, ifølge forskere ved MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), at nuværende farebegrænsende praksis ikke tager byens struktur i betragtning. Følgelig, de undervurderer ofte skader, i nogle tilfælde med så meget som en faktor tre.

Genovervejelse af nuværende praksis

For at forstå den potentielle påvirkning af byens tekstur, CSHub-forskere undersøgte først den nuværende byggepraksis. En af de praksisser, de undersøgte, var byggekoder.

Ifølge Federal Emergency Management Agency, "Byggekoder er sæt af regler, der styrer designet, konstruktion, ændring, og vedligeholdelse af strukturer." Et af deres formål er at beskytte indbyggerne i en bygning mod naturkatastrofer ved at specificere styrken af ​​den bygning.

For at holde bygninger sikre mod vindfarer, koder angiver, hvordan en bygning skal interagere med vinden, en værdi kendt som en modstandskoefficient. Modstandskoefficienten for en bygning bestemmer mængden af ​​luftmodstand, den vil opleve, når den udsættes for vinden. Når en bygnings modstandskoefficient stiger, det samme gør dens sandsynlighed for skade.

"Designkoder antager, at bygninger har faste modstandskoefficienter. Og på en måde, det giver mening - formen på en bygning ændrer sig ikke meget, " siger Jake Roxon, en forsker ved CSHub. "Imidlertid, vi har fundet ud af, at det ikke kun er bygningens form, der påvirker dens modstandskoefficient, men også den lokale konfiguration af tilstødende bygninger, som vi omtaler som urban tekstur."

Urban tekstur måler sandsynligheden for at finde en nabobygning i en vis afstand fra en given bygning. Roxon beregner det ved at tegne ringe med en vis diameter rundt om hver bygning i en by. Derefter tæller han antallet af bygninger i hver ring.

Jo flere bygninger i hver ring, jo større er sandsynligheden for at finde en bygning i den afstand. Og jo højere sandsynligheden er, jo mere ordnet og regelmæssig den lokale tekstur er, mens jo lavere sandsynligheden er, jo mere uordnede og uforudsigelige. For at fange en hel bys tekstur, Roxon gennemsnit sammen teksturen af ​​hver af sine bygninger.

"Gennemsnitlig, vi har fundet ud af, at områder med uordnede teksturer har mere modstandsdygtighed, " siger Roxon. "Hvis du ikke er i stand til at forudsige, hvilken vinkel vinden vil komme fra, det vil give det højeste niveau af beskyttelse. På den anden side, for en ordnet by med samme tæthed af bygninger, du ville forvente at se mere skade under en ekstrem farehændelse."

Årsagen bag uordnede gaders modstandsdygtighed er, hvordan de fordeler vinden. Ved at fordele vinden mere tilfældigt, uordnede byer som Boston eller Paris oplever mindre af den forstørrelse, der opstår, når vinden rejser gennem korridorerne i ordnede byer, såsom New York. I nogle tilfælde, byer med mere ordnede teksturer kan forstørre orkanvinde fra en kategori 3 til en kategori 4, Roxon har fundet.

Indvirkningen af ​​bytekstur på luftmodstandskoefficienter og vindbelastninger var fremtrædende under orkanen Irma i 2017, som gik gennem West Florida.

"Et eksempel på tekstureffekten er Sarasota og Lee amter i Florida under Irma, " forklarer Ipek Bensu Manav, en CSHub-forsker, der samarbejder med Roxon. "Disse amter ligger geografisk tæt på hinanden, så de oplever en lignende orkanrisiko. Og når man ser på bygningsmassen, de ligner også hinanden - for det meste en- og to-etagers enfamiliehuse."

Imidlertid, de to amter adskilte sig med hensyn til tekstur.

"Sarasota County har en mindre ordnet tekstur, falder mindre på et typisk gitter, og Lee County har en mere velordnet tekstur, " siger Manav. "Når vi så på Lee County, så vi flere strukturelle skader - nogle bygninger kollapsede fuldstændigt. Der var også flere oversvømmelser og væltning af vegetation. Så, Irma forårsagede meget mere skade i amtet, der havde en højere tekstureffekt."

Det viser sig, også, at ordnede teksturer har en lignende effekt på varmen.

"Vi har fundet ud af, at dette også er tilfældet med temperatur - specifikt, den urbane varmeø-effekt, " siger Roxon. "Bestilte byer oplever den største temperaturforskel mellem dem og deres landlige omgivelser om natten."

Kode knækker

Så, derefter, hvis udformning af gader i høj grad påvirker fareskader, hvorfor tager byggekoder ikke højde for dem?

Kort fortalt, det er i øjeblikket for svært at inkorporere dem.

Lige nu, standardværktøjet til at undersøge modstandskoefficienterne for en bygning er computational fluid dynamics (CFD). CFD-simuleringer måler modstandskoefficienten for en bygning og dens farerisiko ved at modellere strømmen af ​​varme og vind. Selvom det er meget præcist, CFD-simuleringer kræver uoverkommeligt intense tids- og computerkrav i stor skala.

"Ved at bruge de nuværende ressourcer, CFD-simuleringer virker simpelthen ikke på byernes skala, " siger Roxon. "New York City, for eksempel, har over 1 million bygninger. At køre en simulering ville tage lang tid. Og hvis du kun foretager en lille justering af bygningernes arrangement eller vindretningen, du skal køre simuleringen igen."

På trods af deres ufuldkommenheder, CFD-simuleringer er fortsat et vigtigt værktøj til at forstå vindstrømmen. Men Roxon mener, at hans byteksturmodel kan kompensere for CFD's begrænsninger og, i processen, gøre byerne mere robuste.

"Vi har fundet ud af, at der er visse variabler afledt af byens tekstur, der tillader os, med relativ nøjagtighed, at estimere modstandskoefficienterne for bygninger og identificere områder, der er sårbare over for risici for skade. Så kan vi køre CFD-simuleringer for at bestemme præcist, hvor skaden vil opstå."

I det væsentlige, bytekstur fungerer som et førstelinjeværktøj for interessenter, giver dem mulighed for at vurdere risiko og derefter bruge deres ressourcer, inklusive CFD, mere effektivt at identificere sårbare bygninger til eftermontering og, på tur, redde liv.

Det komplette billede

Ud over tabet af liv, naturkatastrofer påfører en enorm økonomisk belastning. Ifølge National Oceanographic and Atmospheric Administration, 258 naturkatastrofer har forårsaget mere end 1,75 billioner dollars skade i USA siden 1980.

Mens talrige praksisser kan forudsige og mindske disse omkostninger, Manav har fundet ud af, at de stadig efterlader meget på bordet – nemlig, by tekstur.

Ved at samarbejde med Roxon, hun har opdaget, at ved at se bort fra fællesskabskarakteristika som bytekstur, nuværende modeller undervurderer tab, ofte dramatisk.

For at anvende tekstur på orkantab, Manav så igen til Floridas Sarasota og Lee amter. Hun udførte en konventionel tabsestimat og en byteksturjusteret tabsestimering for hvert amt baseret på 95. percentilen af ​​årlige forventede farehændelser – svarende til nogle af de stærkeste orkaner, ligesom Irma. Hun fandt ud af, at de forventede tab steg, da hun inkorporerede bytekstur i sine vurderinger. Stigningen var især akut i Lee County, hvis ordnede tekstur sandsynligvis ville forstørre vindbelastninger.

"I Sarasota County, vi så en stigning i det forventede tab fra 1 procent til 6 procent af den gennemsnitlige boligs værdi, når vi inkorporerede bytekstur, " siger Manav. "Men gør det samme for Lee County, vi så en betydelig større mængde skader, svarende til cirka 9 procent af en gennemsnitlig boligs værdi."

Uden at inkorporere bytekstur, derefter, disse konventionelle skøn undervurderer dramatisk skader. Dette gør beboerne uvidende om deres farerisiko, og som følge heraf efterlader dem sårbare.

Incitamenterne til modstandskraft

Hvor nøgternt disse tabsestimater end er, Manav håber, at de stadig kan hjælpe samfund med at blive mere modstandsdygtige over for farer.

I øjeblikket, hun bemærker, hazard resilience er ikke blevet implementeret bredt, fordi de fleste stadig er uvidende om dets omkostningsfordele.

"En grund til, at farebegrænsende praksis ikke implementeres, er, at deres fordele ikke bliver kommunikeret grundigt, " siger hun. "Det er klart, der er omkostningerne ved at bygge til bedre standarder. Men for at udligne disse omkostninger er der fordelene ved reducerede reparationsomkostninger efter farehændelser."

Disse reducerede skadesomkostninger er betydelige.

Handlinger så enkle som at vælge hårdere helvedesild, forbedring af tag-til-væg-forbindelser, og tilføjelse af skodder og stødklassificerede vinduer kan afbøde fareskader nok til at betale sig tilbage på så lidt som to år i fareudsatte områder som kystnære Florida.

Ved at bruge bytekstur til at beregne fareomkostninger, Manav og Roxon håber husejere, udviklere, og politiske beslutningstagere vil vælge at implementere disse relativt simple praksisser. Den eneste nøgle er at gøre deres incitamenter almindeligt kendte.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.