Primeiro estudo para quantificar os efeitos das mudanças climáticas subterrâneas na infraestrutura civil – Strong The One

Um novo estudo da Northwestern University vinculou, pela primeira vez, a mudança climática subterrânea à mudança do solo sob as áreas urbanas. À medida que o solo esquenta, ele também se deforma. Esse fenômeno faz com que as fundações da construção e o solo ao redor se movam excessivamente (devido a expansões e contrações) e até trincam, o que acaba afetando o desempenho operacional e a durabilidade das estruturas a longo prazo. Os pesquisadores também relatam que os danos em edifícios anteriores podem ter sido causados ​​por tais temperaturas crescentes e esperam que esses problemas continuem nos próximos anos.

Embora o aumento das temperaturas represente uma ameaça à nossa infraestrutura, os pesquisadores também o veem como uma oportunidade em potencial. Ao capturar o calor residual emitido no subsolo de sistemas de transporte subterrâneos, garagens e instalações subterrâneas, os planejadores urbanos podem mitigar os efeitos da mudança climática subterrânea, bem como reutilizar o calor em um recurso de energia térmica inexplorado.

O estudo será publicado no dia 11 de julho, na Engenharia de Comunicações, uma revista Nature Portfolio. Ele marca o primeiro estudo a quantificar as deformações do solo causadas por ilhas de calor subterrâneas e seus efeitos na infraestrutura civil.

“A mudança climática subterrânea é um perigo silencioso”, disse Alessandro Rotta Loria, da Northwestern, que liderou o estudo. “O terreno está se deformando como resultado das variações de temperatura, e nenhuma estrutura civil ou infraestrutura existente foi projetada para suportar essas variações. Embora esse fenômeno não seja necessariamente perigoso para a segurança das pessoas, ele afetará as operações normais do dia-a-dia da fundação sistemas e infra-estrutura civil em geral.

“A argila de Chicago pode se contrair quando aquecida, como muitos outros solos de granulação fina. Como resultado do aumento da temperatura no subsolo, muitas fundações no centro da cidade estão sofrendo assentamentos indesejados, lenta mas continuamente. Em outras palavras, você não precisa morar em Veneza para viver em uma cidade que está afundando – mesmo que as causas de tais fenômenos sejam completamente diferentes.”

Rotta Loria é professora assistente de engenharia civil e ambiental na McCormick School of Engineering da Northwestern.

O que é mudança climática subterrânea?

Em muitas áreas urbanas ao redor do globo, o calor se difunde continuamente de edifícios e transportes subterrâneos, fazendo com que o solo aqueça a um ritmo alarmante. Pesquisadores anteriores descobriram que o subsolo raso sob as cidades aquece de 0,1 a 2,5 graus Celsius por década.

Conhecido como “mudanças climáticas subterrâneas” ou “ilhas de calor subterrâneas”, esse fenômeno é conhecido por causar problemas ecológicos (como águas subterrâneas contaminadas) e problemas de saúde (incluindo asma e insolação). Mas, até agora, o efeito da mudança climática subterrânea na infraestrutura civil permaneceu sem estudo e pouco compreendido.

“Se você pensar em porões, garagens, túneis e trens, todas essas instalações emitem calor continuamente”, disse Rotta Loria. “Em geral, as cidades são mais quentes do que as áreas rurais porque os materiais de construção retêm periodicamente o calor derivado da atividade humana e da radiação solar e depois o liberam na atmosfera. Esse processo tem sido estudado há décadas. Agora, estamos olhando para sua contraparte subterrânea, que é impulsionado principalmente pela atividade antropogênica”.

Chicago como um laboratório vivo

Nos últimos anos, Rotta Loria e sua equipe instalaram uma rede sem fio de mais de 150 sensores de temperatura em Chicago Loop – acima e abaixo do solo. Isso incluiu a colocação de sensores nos porões de edifícios, túneis de metrô, garagens subterrâneas e ruas subterrâneas como a Lower Wacker Drive. Para comparação, a equipe também enterrou sensores no Grant Park, um espaço verde localizado ao longo do Lago Michigan – longe de prédios e sistemas de transporte subterrâneo.

Os dados da rede de detecção sem fio indicaram que as temperaturas subterrâneas abaixo do Loop são geralmente 10 graus mais quentes do que as temperaturas abaixo do Grant Park. As temperaturas do ar em estruturas subterrâneas podem ser até 25 graus mais altas em comparação com a temperatura do solo não perturbada. Quando o calor se difunde em direção ao solo, ele exerce uma pressão significativa sobre os materiais que se expandem e se contraem com as mudanças de temperatura.

“Usamos Chicago como um laboratório vivo, mas a mudança climática subterrânea é comum a quase todas as áreas urbanas densas do mundo”, disse Rotta Loria. “E todas as áreas urbanas que sofrem com a mudança climática subterrânea são propensas a ter problemas com infraestrutura.”

Afundando lentamente

Depois de coletar dados de temperatura por três anos, Rotta Loria construiu um modelo de computador 3D para simular como as temperaturas do solo evoluíram de 1951 (o ano em que Chicago completou seus túneis de metrô) até hoje. Ele encontrou valores compatíveis com os medidos em campo e usou a simulação para prever como as temperaturas vão evoluir até o ano de 2051.

Rotta Loria também modelou como o solo se deforma em resposta ao aumento das temperaturas. Enquanto alguns materiais (argila mole e dura) se contraem quando aquecidos, outros materiais (argila dura, areia e calcário) se expandem.

De acordo com as simulações, temperaturas mais altas podem fazer com que o solo inche e se expanda para cima em até 12 milímetros. Eles também podem fazer com que o solo se contraia e afunde – sob o peso de um edifício – em até 8 milímetros. Embora isso pareça sutil e imperceptível para os humanos, a variação é maior do que muitos componentes de construção e sistemas de fundação podem suportar sem comprometer seus requisitos operacionais.

“Com base em nossas simulações de computador, mostramos que as deformações do solo podem ser tão graves que levam a problemas no desempenho da infraestrutura civil”, disse Rotta Loria. “Não é como se um edifício desabasse repentinamente. As coisas estão afundando muito lentamente. As consequências para a manutenção de estru