Изменение климата в конечном итоге повлияет на наши мосты. Но до какой степени?
Это основной вопрос, на который ответили исследователи Университета Лихай Дэвид Янг и Дэн М. Франгопол в статье, недавно опубликованной в журнале ASCE Journal of Bridge Engineering.
«Мы знаем, что изменение климата увеличит частоту и интенсивность стихийных бедствий, таких как ураганы, периоды сильной жары, лесные пожары и сильные дожди», - говорит Ян, научный сотрудник в области гражданского и экологического строительства в Университете штата Калифорния. Колледж инженерии и прикладных наук Россина. «В этой статье мы рассматриваем повышение температуры, а также увеличение количества осадков и их влияние на безопасность моста. Проблема здесь заключалась в том, что мы не знали, как количественно оценить эти воздействия, чтобы предсказать риск размыва».
Scour является основной причиной разрушения мостов в Соединенных Штатах. Он возникает, когда паводковые воды размывают материалы вокруг основания моста, создавая дыры, нарушающие целостность конструкции.
В своей работе Ян и Франгопол, профессор гражданского строительства и кафедра строительной инженерии и архитектуры, финансируемая Фазлуром Р. Ханом, должны были заполнить пробел между климатическими данными и количественной оценкой безопасности конструкции. Они сделали это, используя гидрологическое моделирование для преобразования данных моделирования климата в данные о расходе воды в реке Лихай. Река Лихай - это приток реки Делавэр длиной 109 миль, который протекает через город Вифлеем, штат Пенсильвания, где расположен Университет Лихай.
«Мы использовали целостный подход, - говорит Ян. «Все началось с глобальной климатической модели, которая была уменьшена до региональной гидрологии, затем мы использовали структурную инженерию, чтобы получить вероятность разрушения конструкции в случае наводнения в будущем. Исходя из этого, мы могли оценить, представляет ли это разрушение конструкции определенные риски для Таким образом, наша модель включала эти четыре этапа: климатологию, гидрологию, проектирование конструкций и оценку рисков».
Это первая на сегодняшний день статья, в которой объединены все четыре шага для количественного изучения влияния изменения климата на мосты, говорит он.
Разрабатывая свою модель, пара рассмотрела различные климатические модели будущего и глобальные климатические модели, предоставленные Межправительственной группой экспертов по изменению климата. Чтобы оценить глубину фундамента старых мостов через реку Лихай (информация, которая часто недоступна), они разработали метод обратного расчета глубины на основе оценок состояния из Национального реестра мостов. Они также использовали региональный подход и подход к анализу жизненного цикла.
Использование такого регионального подхода и подхода к жизненному циклу, говорит Ян, было новинкой для этой статьи. «У мостов много микроокружений, и если вы посмотрите только на один мост, очень сложно уловить тенденцию и получить повышенный риск изменения климата», - говорит он. «Поэтому мы расширили этот аналитический горизонт как в пространстве, так и во времени, чтобы улавливать долгосрочные тенденции».
Из восьми выводов, сделанных Янгом и Франгополом с помощью их модели, самым неожиданным было то, в какой степени может измениться частота наводнений.
«Мы поняли, что 20-летнее наводнение может превратиться в 13-летнее наводнение в конце века, так что частота почти удвоилась», - говорит Ян. «Вот почему изменение климата может вызвать повышенный риск для инфраструктуры».
Возможно, их самый важный вывод касается вопроса смягчения последствий. В частности, какие инженерные меры следует применить для снижения риска и в каких мостах.
«Реальность такова, что бюджеты ограничены», - говорит Франгопол, который также связан с Институтом данных, интеллектуальных систем и вычислений Лихай (I-DISC) и Институтом киберфизической инфраструктуры и энергетики (I- КПИ). «Поэтому важно иметь возможность определить, что здесь является приоритетом? Вам нужно знать местоположение моста. Для некоторых сообществ выход из строя моста может иметь катастрофические последствия. Для других мост может быть не таким критичным. Эта модель помогает вам принимать такие решения, потому что риск основан не только на безопасности, но и на последствиях отказа. У вас может быть два моста с одинаковой вероятностью отказа, но последствия этого отказа могут быть очень разными."
Сосредоточение внимания на мостах вдоль реки Лихай было очевидным выбором, учитывая их местоположение, но и Ян, и Франгополь стремятся поделиться этой моделью не только на местном уровне, но и со всеми сообществами, желающими оценить свою инфраструктуру.
«Мы были вдохновлены провести это исследование отчасти потому, что исторически Вифлеем пострадал от нескольких наводнений с 1902 года, и они оказали значительное влияние на сообщество, поэтому наводнение представляет собой серьезную опасность для всего водораздела реки Лихай», - говорит Ян. «Мы хотели разработать что-то, что сообщество могло бы использовать для адаптации к будущим изменениям климата», - говорит Франгопол.