Een storm nadert de kust, wind en golven aanwakkeren. Langs de promenade langs het strand, een rij grote betonnen paraplu's begint naar beneden te kantelen, transformeren van een handige luifel naar een schild tegen de komende aanval.

In een nieuwe benadering van bescherming tegen stormvloeden, een team van Princeton heeft een voorlopig ontwerp gemaakt voor deze kinetische paraplu's voor twee doeleinden. In een studie gepubliceerd op 28 maart in het Journal of Structural Engineering, de onderzoekers gebruikten computationele modellering om te beginnen met het evalueren van het vermogen van de paraplu's om een ​​acute stormvloed te weerstaan.

Naarmate de zeespiegel stijgt en de stormen sterker worden, kustgemeenschappen bouwen meer zeeweringen om mensen en eigendommen te beschermen tegen extreme overstromingen. Deze barrières kunnen onaantrekkelijk zijn en de toegang tot stranden beperken, maar de paraplu's van het Princeton-team zouden schaduw bieden bij mooi weer en konden voor een storm worden gekanteld om een ​​stormvloedkering te vormen.

"Dit is zoveel meer dan alleen je typische kustverdedigingsstructuur, " zei hoofdonderzoeksauteur Shengzhe Wang, een doctoraat student civiele techniek en milieutechniek. "Het is de eerste keer dat iemand echt heeft geprobeerd architectuur te integreren als een inherent onderdeel van een tegenmaatregel aan de kust."

De voorgestelde paraplu's zijn schelpen van gewapend beton van ongeveer 10 cm dik, gebouwd in de vorm van een hyperbolische paraboloïde (afgekort tot hypar), een zadelachtige structuur die langs de ene as naar binnen en langs de andere naar buiten buigt. De structuur is geïnspireerd op het werk van de in Spanje geboren architect Félix Candela, die in de jaren vijftig en zestig honderden gebouwen met dunne hypar-daken in Mexico ontwierp.

Studie co-auteur Maria Garlock, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek, heeft lang de ontwerpen van Candela bestudeerd; ze schreef mee aan een boek over Candela en hielp bij het opzetten van een archief en een tentoonstelling over zijn werk. In het najaar van 2017, zij en co-auteur Branko Glišić, een universitair hoofddocent civiele en milieutechniek, overwogen een project om het potentieel van hypar-paraplu's te bestuderen als "slimme" structuren om energie en regenwater op te vangen. Vervolgens, een nieuw idee kwam bij haar op:naast het toevoegen van sensoren, "Waarom zou je ze niet een fooi geven en ze op een heel andere manier gebruiken - als een soort zeewering?" zij vroeg.

Garlock en Glišić kregen financiering van Project X, waarmee technische faculteitsleden onconventionele ideeën kunnen nastreven. Wang nam de taak op zich om te testen of de paraplu's een haalbare strategie voor kustbescherming zouden zijn.

Wang analyseerde de geometrie en structurele sterkte van de voorgestelde paraplu's, dunne schalen van beton van 8 meter (ongeveer 26 voet) aan elke kant en ondersteund door 10 voet hoge, 20-inch vierkante kolommen. In deze simulaties hij testte ook de functionaliteit van een scharnier op het hoekpunt waar de kolom het midden van de paraplu raakt.

Om te onderzoeken hoe de paraplu's het zouden doen tijdens een stormvloedkering langs de kust, het team verzamelde stormvloedgegevens van orkanen tussen 1899 en 2012 langs de Amerikaanse oostkust, vervolgens een stormvloedhoogte van 18 voet gemodelleerd, die alles behalve de hoogste stormvloed in de dataset omvat. Aanpassing van gevestigde numerieke methoden voor het modelleren van vloeistof-structuurinteracties om hyparstructuren te bestuderen, ze toonden aan dat de paraplu's stabiel zouden blijven wanneer ze werden geconfronteerd met een muur van water op ongeveer 75% van hun uitgevouwen hoogte.

"Deze granaten zijn zo dun dat iedereen die ernaar kijkt, niet geneigd zou zijn te geloven dat deze structuren in staat zouden zijn om zulke grote krachten van water te stoppen, " zei Wang. "Maar we kunnen profiteren van de geometrie van de hyparvorm die de structuur de extra sterkte geeft die nodig is."

Wang heeft nu fysieke modellen van de paraplu's gebouwd (met een diameter van ongeveer 15 cm) om de resultaten van de numerieke benadering te valideren, en begint de reacties van de modellen op de dynamische krachten van turbulente stromingen in een 10 voet lang waterkanaal te testen. Windkrachten die kenmerkend zijn voor aan land vallende orkanen zullen ook worden vastgelegd via windtunneltests.

"In werkelijkheid, je zult niet zomaar een stapel statisch water hebben. Je krijgt golven, je zult wind hebben die die golven genereert, " zei hij. "Dat is wat we proberen vast te leggen in onze volgende stap:hoe simuleren we deze golven fysiek en hoe zouden deze golven onze structuren beïnvloeden?"

Wang merkte op dat de meeste eerdere studies het vermogen van verticale wanden of schuine barrières om stormen te weerstaan, hebben geëvalueerd. maar vanwege de complexe geometrie van de hypar moest het team "met een hele nieuwe reeks regels komen die bepalen hoe de structuur zal presteren." Door de complexiteit van de oplossing, een andere afgestudeerde student, Vanessa Notario, zal de stroom van krachten in de schaal bestuderen als onderdeel van haar M.S.E. stelling.

Naast het optimaliseren van de constructies om harde wind en golven te weerstaan, ontwerpen voor kustbescherming moeten rekening houden met andere praktische overwegingen. De 10 voet hoogte van de kolommen, Garlock zei, is goed om voetgangers in de schaduw te stellen, terwijl de toegang tot de scharnieren van de parasols wordt beperkt en vandalisme wordt voorkomen.

Het team is van plan om het potentieel van het gebruik van duurzamere materialen te onderzoeken, evenals het toevoegen van sensoren en actuatoren om de paraplu's te besturen, en het opnemen van systemen voor het opvangen van zonne-energie en regenwater.

"Sensoren zouden eerder controleren of paraplu's goed presteren, tijdens en na de inzet, terwijl actuatoren niet alleen automatische inzet mogelijk zouden maken, maar ook de zon en wind zouden kunnen volgen voor de beste doeleinden voor het opvangen van stroom en regenwater, " zei Glišić, die expertise heeft in structurele gezondheidsmonitoring en slimme constructies.

"Dit is een compleet nieuwe manier van denken over kustverdedigingsstructuren, "zei Garlock. "Vooruitgaand, ons doel is om deze paraplu's onderdeel te maken van een slimme, duurzame samenleving."

Om het nieuwe ontwerp te helpen integreren in holistische plannen voor kustveerkracht, de onderzoekers gaan samenwerken met Ning Lin, een universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan Princeton wiens team onlangs bijgewerkte 21e-eeuwse overstromingskaarten voor de Amerikaanse Atlantische Oceaan en de Golfkusten heeft gemaakt. Ze hebben ook plannen om samen te werken met een geotechnisch ingenieur en overleggen met de burgemeester van New York City of Resiliency.