Klimaatverandering zal uiteindelijk onze bruggen raken. Maar in welke mate?

Dat is de essentiële vraag die de onderzoekers van de Lehigh University, David Yang en Dan M. Frangopol, aan de orde stellen in een paper dat onlangs is gepubliceerd in de ASCE Journal of Bridge Engineering .

"We weten dat klimaatverandering de frequentie en intensiteit van natuurlijke gevaren zoals orkanen, hittegolven, bosbranden, en extreme regen, " zegt Yang, een postdoctoraal onderzoeker in civiele en milieutechniek aan de P.C. Rossin College of Engineering en Toegepaste Wetenschappen. "Voor dit blad we kijken naar verhoogde temperatuur en meer neerslag en hun impact op de veiligheid van bruggen. De uitdaging hier was dat we niet wisten hoe we die effecten moesten kwantificeren om het schuurrisico te voorspellen."

Scour is de belangrijkste bron van het falen van bruggen in de Verenigde Staten. Het ontstaat wanneer overstromingen de materialen rond de fundering van een brug aantasten, het creëren van schuurgaten die de integriteit van de structuur in gevaar brengen.

Voor hun krant Yang en Frangopol, een professor in civiele techniek en de Fazlur R. Khan Endowed Chair of Structural Engineering and Architecture, het gat tussen de klimaatgegevens en de structurele veiligheidskwantificering moesten opvullen. Ze deden dit door hydrologische modellering te gebruiken om klimaatsimulatiegegevens om te zetten in stroomafvoergegevens in de Lehigh River. De Lehigh River is een 169-mijl lange zijrivier van de Delaware River die door de stad Bethlehem loopt, Pennsylvania, waar Lehigh University is gevestigd.

"We hebben gekozen voor een holistische benadering, ", zegt Yang. "Het begon met een wereldwijd klimaatmodel dat werd verkleind tot regionale hydrologie, vervolgens gebruikten we bouwtechniek om de faalkans van een constructie bij een toekomstige overstroming te krijgen. Van dat, wij zouden kunnen beoordelen, vormt dit falen van de structuur bepaalde risico's voor een gemeenschap? Dus ons model omvatte deze vier stappen van klimatologie, hydrologie, bouwtechniek, en risicobeoordeling."

Het is de eerste paper tot nu toe die alle vier de stappen heeft gecombineerd om kwantitatief te kijken naar het effect van klimaatverandering op bruggen, hij zegt.

Bij het ontwikkelen van hun model, het paar beschouwde verschillende klimaattoekomsten en wereldwijde klimaatmodellen die door het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering werden verstrekt. Om de funderingsdiepte van oudere bruggen over de rivier de Lehigh te schatten - informatie die vaak niet beschikbaar is - ontwikkelden ze een methode om de diepte terug te berekenen op basis van conditiebeoordelingen van de National Bridge Inventory. Ze hanteerden ook een regionale en levenscyclusbenadering voor hun analyse.

Frangopol is wereldberoemd om zijn baanbrekende werk in life-cycle engineering, die computationele analyse gebruikt om de langetermijnwaarde en het risico van infrastructuurinvesteringen te bepalen.

Met een dergelijke regionale en levenscyclusbenadering, zegt Yang, was een noviteit voor dit blad. "Bruggen hebben veel micro-omgevingen, en als je maar naar één brug kijkt, het is echt moeilijk om de trend te vangen en het verhoogde risico van klimaatverandering te krijgen, "zegt hij. "Dus hebben we deze analytische horizon zowel ruimtelijk als tijdelijk verbreed om langetermijntrends vast te leggen."

Van de acht conclusies die Yang en Frangopol met hun model bereikten, het meest verrassende was de mate waarin de frequentie van overstromingen kan veranderen.

"We realiseerden ons dat een overstroming van 20 jaar aan het einde van de eeuw nu een overstroming van 13 jaar kan worden. zodat de frequentie bijna verdubbelde, ", zegt Yang. "Dit is de reden waarom klimaatverandering een verhoogd risico voor de infrastructuur kan veroorzaken."

Misschien is hun belangrijkste conclusie de kwestie van mitigatie. specifiek, welke technische maatregelen moeten worden genomen om het risico te verminderen, en in welke bruggen.

"De realiteit is dat de budgetten beperkt zijn, " zegt Frangopol, die ook is aangesloten bij Lehigh's Institute for Data, Intelligente systemen, and Computation (I-DISC) en het Institute for Cyber ​​Physical Infrastructure and Energy (I-CPIE). "Dus het is belangrijk om te kunnen bepalen, wat is hier de prioriteit? Je moet de locatie van de brug weten. Voor sommige gemeenschappen is het falen van een brug kan rampzalig zijn. Voor anderen, een brug is misschien niet zo kritisch. Dit model helpt je bij het nemen van dat soort beslissingen, omdat risico niet alleen gebaseerd is op veiligheid, maar ook op de gevolgen van falen. Je hebt misschien twee bruggen met dezelfde faalkans, maar de gevolgen van dat falen kunnen heel anders zijn."

Focussen op bruggen langs de rivier de Lehigh was een voor de hand liggende keuze gezien hun locatie, maar zowel Yang als Frangopol willen dit model graag delen, niet alleen lokaal, maar met alle gemeenschappen die hun infrastructuur willen beoordelen.

"We werden geïnspireerd om dit onderzoek te doen, deels omdat historisch Bethlehem sinds 1902 werd getroffen door meerdere overstromingen, en ze hadden een grote impact op de gemeenschap, dus overstromingen vormen een groot gevaar in het stroomgebied van de Lehigh River, " zegt Yang. "We wilden iets bedenken dat de gemeenschap kan gebruiken om zich aan te passen aan toekomstige klimaatverandering, ', zegt Frangopol.