Als je ooit een straat in de stad hebt afgewezen om te worden overspoeld met lucht, je bent in wat bekend staat als een stedelijke canyon.

Net als hun geologische tegenhangers, stedelijke canyons zijn openingen tussen twee hoge oppervlakken - in dit geval gebouwen. De windstoten die ze kanaliseren, echter, echte implicaties hebben. Ze kunnen de wind van een orkaan vergroten of de luchttemperatuur van een stad verhogen, afhankelijk van hun opstelling - een opstelling die bekend staat als stadstextuur. Het probleem is, volgens onderzoekers van de MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), dat de huidige praktijken voor risicobeperking geen rekening houden met stadstextuur. Bijgevolg, ze onderschatten vaak schade, in sommige gevallen zelfs met een factor drie.

De huidige praktijken heroverwegen

Om de potentiële impact van stadstextuur te begrijpen, CSHub-onderzoekers onderzochten eerst de huidige bouwpraktijken. Een van de praktijken die ze onderzochten, waren bouwvoorschriften.

Volgens de Federal Emergency Management Agency, "Bouwvoorschriften zijn sets van voorschriften die het ontwerp, bouw, wijziging, en onderhoud van constructies." Een van hun doelen is om de bewoners van een gebouw te beschermen tegen natuurrampen door de sterkte van dat gebouw te specificeren.

Om gebouwen te beschermen tegen windgevaren, codes bepalen hoe een gebouw moet omgaan met de wind, een waarde die bekend staat als een luchtweerstandscoëfficiënt. De luchtweerstandscoëfficiënt van een gebouw bepaalt de hoeveelheid luchtweerstand die het zal ervaren bij blootstelling aan de wind. Naarmate de luchtweerstandscoëfficiënt van een gebouw toeneemt, evenals de kans op schade.

"Ontwerpcodes gaan ervan uit dat gebouwen vaste luchtweerstandscoëfficiënten hebben. dat is logisch - de vorm van een gebouw verandert niet veel, " zegt Jake Roxon, een onderzoeker bij CSHub. "Echter, we hebben ontdekt dat niet alleen de vorm van het gebouw de luchtweerstandscoëfficiënt beïnvloedt, maar ook de lokale configuratie van aangrenzende gebouwen, die we stedelijke textuur noemen."

Stedelijke textuur meet de waarschijnlijkheid van het vinden van een naburig gebouw op een bepaalde afstand van een bepaald gebouw. Roxon berekent het door ringen van een bepaalde diameter rond elk gebouw in een stad te trekken. Daarna telt hij het aantal gebouwen in elke ring.

Hoe meer gebouwen in elke ring, hoe groter de kans dat er op die afstand een gebouw wordt aangetroffen. En hoe groter de kans, hoe meer geordend en regelmatig de lokale structuur is, terwijl hoe kleiner de kans, hoe meer wanordelijk en onvoorspelbaar. Om de textuur van een hele stad vast te leggen, Roxon neemt het gemiddelde van de textuur van elk van zijn gebouwen.

"Gemiddeld, we hebben ontdekt dat gebieden met ongeordende texturen meer veerkracht hebben, " zegt Roxon. "Als je niet kunt voorspellen uit welke hoek de wind komt, het biedt het hoogste niveau van bescherming. Anderzijds, voor een geordende stad met dezelfde dichtheid van gebouwen, je zou verwachten meer schade te zien tijdens een extreem gevaarlijke gebeurtenis."

De reden achter de veerkracht van ongeordende straten is hoe ze wind verdelen. Door de wind meer willekeurig te verdelen, wanordelijke steden zoals Boston of Parijs ervaren minder de vergroting die optreedt als de wind door de gangen van geordende steden reist, zoals New York. In sommige gevallen, steden met meer geordende texturen kunnen orkaanwinden vergroten van een categorie 3 tot een categorie 4, Roxon heeft gevonden.

De impact van stadstextuur op luchtweerstandscoëfficiënten en windbelastingen kwam prominent naar voren tijdens orkaan Irma in 2017, die door West-Florida ging.

"Een voorbeeld van het textuureffect is de provincies Sarasota en Lee in Florida tijdens Irma, " legt Ipek Bensu Manav uit, een CSHub-onderzoeker die samenwerkt met Roxon. "Die provincies liggen geografisch dicht bij elkaar, dus ze ervaren een soortgelijk orkaanrisico. En als je kijkt naar de gebouwenvoorraad, ze zijn ook vergelijkbaar - meestal eengezinswoningen met één of twee verdiepingen."

Echter, de twee provincies verschilden qua textuur.

"Sarasota County heeft een minder geordende textuur, vallen minder op een typisch raster, en Lee County heeft een meer ordelijke structuur, " zegt Manav. "Toen we naar Lee County keken, zagen we meer structurele schade - sommige gebouwen stortten volledig in. Er waren ook meer overstromingen en het omvallen van de vegetatie. Dus, Irma veroorzaakte veel meer schade in de provincie met een hoger textuureffect."

Het blijkt, te, dat geordende texturen een soortgelijk effect hebben op warmte.

"We hebben ontdekt dat dit ook het geval is met temperatuur, met name, het stedelijk hitte-eilandeffect, ", zegt Roxon. "Geordende steden ervaren 's nachts het grootste temperatuurverschil tussen hen en hun landelijke omgeving."

Code kraken

Dus, dan, als de indeling van straten grote invloed heeft op gevaarschade, waarom houden bouwcodes daar geen rekening mee?

Simpel gezegd, het is momenteel te moeilijk om ze op te nemen.

Direct, de standaardtool voor het onderzoeken van de luchtweerstandscoëfficiënten van een gebouw is computationele vloeistofdynamica (CFD). CFD-simulaties meten de luchtweerstandscoëfficiënt van een gebouw en het gevaarsrisico door de warmte- en windstroom te modelleren. Hoewel zeer nauwkeurig, CFD-simulaties vereisen onbetaalbaar intensieve tijd en computervereisten op schaal.

"Met behulp van de huidige middelen, CFD-simulaties werken gewoon niet op de schaal van steden, " zegt Roxon. "New York City, bijvoorbeeld, heeft meer dan 1 miljoen gebouwen. Het uitvoeren van een simulatie zou lang duren. En als je maar één kleine aanpassing maakt aan de indeling van gebouwen of de windrichting, je moet de simulatie opnieuw uitvoeren."

Ondanks hun onvolkomenheden, CFD-simulaties blijven een belangrijk hulpmiddel voor het begrijpen van windstroming. Maar Roxon gelooft dat zijn stadstextuurmodel de beperkingen van CFD kan compenseren en, in het proces, steden veerkrachtiger maken.

"We hebben ontdekt dat er bepaalde variabelen zijn afgeleid van stadstextuur die ons in staat stellen, met relatieve nauwkeurigheid, om de luchtweerstandscoëfficiënten voor gebouwen te schatten en om gebieden te identificeren die kwetsbaar zijn voor risico's van schade. Dan kunnen we CFD-simulaties uitvoeren om precies te bepalen waar die schade zal optreden."

Eigenlijk, stadstextuur dient als eerstelijnstool voor belanghebbenden, hen in staat te stellen risico's in te schatten en vervolgens hun middelen te gebruiken, inclusief CFD, efficiënter om kwetsbare gebouwen te identificeren voor renovatie en, beurtelings, Red levens.

Het complete plaatje

Naast het verlies van mensenlevens, natuurrampen leggen een enorme financiële tol op. Volgens de National Oceanographic and Atmospheric Administration, 258 natuurrampen hebben sinds 1980 meer dan $ 1,75 biljoen aan schade veroorzaakt in de Verenigde Staten.

Hoewel tal van praktijken deze kosten kunnen voorspellen en verminderen, Manav heeft ontdekt dat ze nog steeds veel op tafel laten liggen, namelijk stad textuur.

Door samen te werken met Roxon, ze heeft ontdekt dat door gemeenschapskenmerken zoals stadstextuur buiten beschouwing te laten, huidige modellen onderschatten verliezen, vaak dramatisch.

Om textuur toe te passen op orkaanverliezen, Manav keek nogmaals naar de provincies Sarasota en Lee in Florida. Ze voerde een conventionele schatting van het verlies uit en een schatting van het verlies van de stadstextuur voor elke provincie op basis van het 95e percentiel van de jaarlijkse verwachte risicogebeurtenissen - gelijk aan enkele van de sterkste orkanen, zoals Irma. Ze ontdekte dat de verwachte verliezen toenam toen ze stadstextuur in haar schattingen verwerkte. De stijging was vooral acuut in Lee County, waarvan de geordende textuur waarschijnlijk de windbelasting zou vergroten.

"In het district Sarasota, we zagen een toename van het verwachte verlies van 1 procent naar 6 procent van de gemiddelde waarde van een huis bij het opnemen van stadstextuur, " zegt Manav. "Maar hetzelfde doen voor Lee County, zagen we een aanzienlijk hoger bedrag aan schade, gelijk aan ongeveer 9 procent van de waarde van een gemiddelde woning."

Zonder stadstextuur op te nemen, dan, deze conventionele schattingen onderschatten de schade dramatisch. Hierdoor zijn bewoners zich niet bewust van hun gevarenrisico, en maakt hen daardoor kwetsbaar.

De prikkels voor veerkracht

Hoe ontnuchterend deze schattingen van verliezen ook zijn, Manav hoopt dat ze gemeenschappen kunnen helpen om weerbaarder te worden tegen gevaren.

Momenteel, ze merkt op, De weerbaarheid van gevaren is nog niet breed geïmplementeerd omdat de meesten zich niet bewust zijn van de kostenvoordelen.

"Een van de redenen waarom gevarenbeperkende praktijken niet worden geïmplementeerd, is dat hun voordelen niet grondig worden gecommuniceerd, "zegt ze. "Natuurlijk, er zijn de kosten van het bouwen volgens betere normen. Maar om deze kosten in evenwicht te brengen, zijn er de voordelen van lagere reparatiekosten na gevaarlijke gebeurtenissen."

Deze verminderde schadekosten zijn aanzienlijk.

Acties zo eenvoudig als het kiezen van sterkere gordelroos, het verbeteren van de dak-tot-muur verbindingen, en het toevoegen van luiken en stootvaste ramen kan de risicoschade voldoende beperken om in slechts twee jaar terug te betalen in risicogevoelige gebieden zoals de kust van Florida.

Door stadstextuur te gebruiken om gevarenkosten te berekenen, Manav en Roxon hopen dat huiseigenaren, ontwikkelaars, en beleidsmakers zullen ervoor kiezen om deze relatief eenvoudige praktijken te implementeren. De enige sleutel is om hun prikkels algemeen bekend te maken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.