지하 기후 변화가 민간 기반 시설에 미치는 영향을 정량화한 최초의 연구 - ScienceDaily

우리의 주요 글로벌 도시 아래에는 “조용한 위험”이 도사리고 있으며 우리 건물은 이를 처리하도록 설계되지 않았습니다.

새로운 Northwestern University 연구는 처음으로 지하 기후 변화를 도시 지역 아래의 변화하는 땅과 연결했습니다. 지면이 뜨거워지면 변형됩니다. 이러한 현상은 건물의 기초와 주변 지반이 팽창과 수축으로 인해 과도하게 움직이고 균열이 발생하여 궁극적으로 구조물의 장기 운영 성능과 내구성에 영향을 미칩니다. 연구원들은 또한 과거 건물 손상이 이러한 온도 상승으로 인해 발생했을 수 있으며 이러한 문제가 앞으로 몇 년 동안 계속될 것으로 예상한다고 보고합니다.

상승하는 기온이 우리 기반 시설에 위협이 되지만 연구원들은 이를 잠재적인 기회로 보기도 합니다. 지하 운송 시스템, 주차장 및 지하 시설에서 지하로 방출되는 폐열을 포착함으로써 도시 계획가는 지하 기후 변화의 영향을 완화하고 미개발 열 에너지 자원으로 열을 재사용할 수 있습니다.

이 연구는 7월 11일에 출판될 예정입니다. 커뮤니케이션 공학, Nature Portfolio 저널. 이는 지하 열섬으로 인한 지반 변형과 토목 기반 시설에 미치는 영향을 정량화한 최초의 연구입니다.

연구를 이끈 Northwestern의 Alessandro Rotta Loria는 “지하 기후 변화는 소리 없는 위험 요소”라고 말했습니다. “기온 변화로 인해 지반이 변형되고 있으며 이러한 변화를 견디도록 설계된 기존 토목 구조물이나 기반 시설이 없습니다. 이 현상이 사람들의 안전에 반드시 위험한 것은 아니지만 재단의 일상적인 운영에 영향을 미칠 것입니다. 시스템 및 토목 기반 시설.

“시카고 점토는 다른 많은 세립질 토양과 마찬가지로 가열되면 수축할 수 있습니다. 지하 온도 상승의 결과로 시내의 많은 재단이 느리지만 지속적으로 원하지 않는 침전을 겪고 있습니다. 즉, 베니스에 살 필요가 없습니다. 가라앉고 있는 도시에 살고 있다. 비록 그러한 현상의 원인이 완전히 다르다고 해도 말이다.”

Rotta Loria는 Northwestern의 McCormick School of Engineering의 토목 및 환경 공학 조교수입니다.

지하 기후 변화란?

전 세계의 많은 도시 지역에서는 건물과 지하 교통 수단에서 열이 지속적으로 확산되어 지면이 놀라운 속도로 따뜻해집니다. 이전 연구원들은 도시 아래의 얕은 지하가 10년마다 섭씨 0.1도에서 2.5도 정도 따뜻해진다는 것을 발견했습니다.

“지하 기후 변화” 또는 “지하 열섬”으로 알려진 이 현상은 생태학적 문제(예: 오염된 지하수)와 건강 문제(천식 및 열사병 포함)를 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 지금까지 지하 기후 변화가 민간 기반 시설에 미치는 영향은 연구되지 않았으며 거의 ​​이해되지 않았습니다.

로타 로리아는 “지하실, 주차장, 터널, 기차를 생각해보면 이 모든 시설이 지속적으로 열을 발산한다”고 말했다. “일반적으로 도시는 농촌 지역보다 따뜻합니다. 건축 자재가 주기적으로 인간의 활동과 태양 복사열에서 파생된 열을 가두었다가 대기 중으로 방출하기 때문입니다. 그 과정은 수십 년 동안 연구되어 왔습니다. 이제 우리는 지하 대응물을 살펴보고 있습니다. 대부분 인위적인 활동에 의해 구동됩니다.”

살아있는 실험실로서의 시카고

최근 몇 년 동안 Rotta Loria와 그의 팀은 지상과 지하의 시카고 루프 전체에 걸쳐 150개 이상의 온도 센서로 구성된 무선 네트워크를 설치했습니다. 여기에는 건물 지하, 지하철 터널, 지하 주차장 및 Lower Wacker Drive와 같은 지하 도로에 센서를 배치하는 것이 포함되었습니다. 비교를 위해 팀은 건물과 지하 교통 시스템에서 떨어진 미시간 호수를 따라 위치한 녹지 공간인 그랜트 공원에도 센서를 묻었습니다.

무선 감지 네트워크의 데이터에 따르면 Loop 아래의 지하 온도는 종종 Grant Park 아래의 온도보다 10도 더 높습니다. 지하 구조물의 기온은 교란되지 않은 지상 온도에 비해 최대 25도까지 높아질 수 있습니다. 열이 지면을 향해 확산되면 온도 변화에 따라 팽창 및 수축하는 재료에 상당한 응력이 가해집니다.

“우리는 시카고를 살아있는 실험실로 사용했지만, 지하 기후 변화는 전 세계 거의 모든 밀집된 도시 지역에서 공통적입니다.”라고 Rotta Loria는 말했습니다. “그리고 지하 기후 변화로 고통받는 모든 도시 지역은 기반 시설에 문제가 생기기 쉽습니다.”

천천히 침몰

Rotta Loria는 3년 동안 온도 데이터를 수집한 후 1951년(시카고가 지하철 터널을 완공한 해)부터 오늘날까지 지표 온도가 어떻게 변했는지 시뮬레이션하기 위해 3D 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그는 현장에서 측정된 값과 일치하는 값을 찾았고 시뮬레이션을 사용하여 2051년까지 온도가 어떻게 변할지 예측했습니다.

Rotta Loria는 온도 상승에 따라 지면이 어떻게 변형되는지 모델링했습니다. 일부 재료(부드럽거나 딱딱한 점토)는 열을 가하면 수축하는 반면 다른 재료(단단한 점토, 모래 및 석회암)는 팽창합니다.

시뮬레이션에 따르면 기온이 높아지면 지면이 부풀어 올라 12밀리미터까지 위로 팽창할 수 있습니다. 또한 지면이 수축하여 건물 무게 아래로 최대 8밀리미터까지 가라앉을 수 있습니다. 이것은 미묘하고 사람이 감지할 수 없지만 많은 건물 구성 요소와 기초 시스템이 운영 요구 사항을 손상시키지 않고 처리할 수 있는 것보다 훨씬 많습니다.

Rotta Loria는 “컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 지반 변형이 너무 심해서 토목 기반 시설의 성능에 문제를 일으킬 수 있음을 보여주었습니다.”라고 말했습니다. “건물이 갑자기 무너지는 것은 아닙니다. 매우 천천히 가라앉고 있습니다. 구조물 및 기반 시설의 사용 가능성에 대한 결과는 매우 나쁠 수 있지만 이를 확인하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 지하 기후 변화로 인해 이미 균열이 발생했을 가능성이 큽니다. 그리고 우리가 그것을 인식하지 못했기 때문에 이 현상과 연관시키지 않은 과도한 재단 합의.”

수확열

도시 계획자와 건축가는 지하 기후 변화가 나타나기 전에 대부분의 현대식 건물을 설계했기 때문에 오늘날 우리가 경험하는 온도 변화를 견딜 수 있는 구조를 설계하지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 현대식 건물은 중세와 같은 이전 시대의 구조물보다 더 잘 지낼 것입니다.

로타 로리아는 “미국에서는 건물이 모두 비교적 새 건물”이라고 말했다. “매우 오래된 건물이 있는 유럽 도시는 지하 기후 변화에 더 취약할 것입니다. 과거의 설계 및 건축 관행에 의존하는 석재 및 벽돌로 만든 건물은 일반적으로 현재 도시 운영과 관련된 섭동과 매우 미묘한 균형을 이룹니다. 열은 지하 열섬과 관련된 교란은 그러한 건설에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.”

앞으로 Rotta Loria는 미래의 계획 전략이 지열 기술을 통합하여 폐열을 수확하고 공간 난방을 위해 건물에 전달해야 한다고 말했습니다. 설계자는 또한 신축 및 기존 건물에 단열재를 설치하여 지면으로 들어오는 열의 양을 최소화할 수 있습니다.

Rotta Loria는 “가장 효과적이고 합리적인 접근 방식은 낭비되는 열의 양이 최소화되는 방식으로 지하 구조물을 격리하는 것입니다.”라고 말했습니다. “이것이 불가능하다면 지열 기술은 건물에서 열을 효율적으로 흡수하고 재사용할 수 있는 기회를 제공합니다. 우리가 원하지 않는 것은 에너지를 사용하기 때문에 지하 구조물을 능동적으로 냉각시키는 기술을 사용하는 것입니다. 현재 수많은 솔루션이 있습니다. 시행할 수 있는 것입니다.”

“토목 기반 시설에 대한 지하 기후 변화의 조용한 영향” 연구는 국립과학재단(보조금 번호 2046586)의 지원을 받았습니다. Rotta Loria가 가르치는 과정을 위한 살아있는 실험실 역할도 하는 이 작업의 기반이 되는 무선 감지 네트워크는 Murphy Society와 Northwestern University의 Alumnae에 의해 부분적으로 지원되었습니다.

동영상: https://youtu.be/_8IaNoTDxgM

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230711131050.htm