Uma tempestade se aproxima da costa, agitando o vento e as ondas. Ao longo do calçadão ao longo da praia, uma fileira de guarda-chuvas de concreto enormes começa a se inclinar para baixo, transformando-se de um dossel conveniente em um escudo contra o ataque que se aproxima.

Em uma nova abordagem para proteção contra tempestades, uma equipe de Princeton criou um projeto preliminar para esses guarda-chuvas cinéticos de duplo propósito. Em um estudo publicado em 28 de março no Journal of Structural Engineering, os pesquisadores usaram modelagem computacional para começar a avaliar a capacidade dos guarda-chuvas de resistir a uma tempestade aguda.

Conforme o nível do mar sobe e as tempestades ficam mais fortes, as comunidades costeiras estão construindo mais paredões para ajudar a proteger as pessoas e propriedades de inundações extremas. Essas barreiras podem ser pouco atraentes e restringir o acesso às praias, mas os guarda-chuvas da equipe de Princeton forneceriam sombra durante o tempo bom e poderiam ser inclinados antes de uma tempestade para formar uma barreira contra inundações.

"Isso é muito mais do que apenas uma estrutura defensiva costeira típica, "disse o principal autor do estudo, Shengzhe Wang, um Ph.D. estudante de engenharia civil e ambiental. "É a primeira vez que alguém realmente tenta integrar a arquitetura como um componente inerente a uma contramedida costeira."

Os guarda-chuvas propostos são conchas de concreto armado com cerca de 4 polegadas de espessura, construído na forma de um parabolóide hiperbólico (abreviado para hypar), uma estrutura semelhante a uma sela que se curva para dentro ao longo de um eixo e para fora ao longo do outro. A estrutura é inspirada na obra do arquiteto espanhol Félix Candela, que projetou centenas de edifícios com telhados de hypar de casca fina no México nas décadas de 1950 e 1960.

Maria Garlock, coautora do estudo, professor de engenharia civil e ambiental, há muito estuda os designs de Candela; ela co-escreveu um livro sobre Candela e ajudou a criar um arquivo e uma exposição explorando seu trabalho. No outono de 2017, ela e o co-autor Branko Glišić, um professor associado de engenharia civil e ambiental, estavam considerando um projeto para estudar o potencial de guarda-chuvas hypar como estruturas "inteligentes" para capturar energia e água da chuva. Então, uma nova ideia veio a ela:além de adicionar sensores, "por que não derrubá-los e usá-los de uma maneira completamente diferente - como uma espécie de quebra-mar?" ela perguntou.

Garlock e Glišić obtiveram financiamento do Projeto X, que permite aos membros do corpo docente de engenharia buscar ideias não convencionais. Wang assumiu a tarefa de testar se os guarda-chuvas seriam uma estratégia viável para proteção costeira.

Wang analisou a geometria e a resistência estrutural dos guarda-chuvas propostos, cascas finas de concreto medindo 8 metros (cerca de 26 pés) de cada lado e apoiadas por 10 pés de altura, Colunas quadradas de 20 polegadas. Nessas simulações, ele também testou a funcionalidade de uma dobradiça no vértice onde a coluna encontra o meio do guarda-chuva.

Para investigar como os guarda-chuvas podem se comportar durante uma tempestade costeira, a equipe compilou dados de ondas de tempestades de furacões entre 1899 e 2012 ao longo da costa leste dos EUA, em seguida, modelou uma onda de tempestade de 18 pés, abrangendo tudo, exceto a maior onda de tempestade no conjunto de dados. Adaptação de métodos numéricos estabelecidos para modelar interações fluido-estrutura para estudar estruturas hypar, eles mostraram que os guarda-chuvas permaneceriam estáveis ​​quando confrontados com uma parede de água com cerca de 75% de sua altura implantada.

"Essas conchas são tão finas que qualquer pessoa que olhe para elas não estaria inclinado a acreditar que essas estruturas seriam capazes de impedir forças tão grandes da água, "disse Wang." Mas podemos tirar vantagem da geometria da forma hypar que dá à estrutura a resistência adicional necessária. "

Wang agora construiu modelos físicos de guarda-chuvas (medindo cerca de 6 polegadas de diâmetro) para validar os resultados da abordagem numérica, e está começando a testar as respostas dos modelos às forças dinâmicas de fluxos turbulentos dentro de um canal de água de 3 metros de comprimento. As forças do vento características de furacões em terra também serão capturadas por meio de testes em túnel de vento.

"Na realidade, você não terá apenas uma pilha de água estática. Você vai ter ondas, você vai ter vento que gera essas ondas, "disse ele." Isso é o que estamos tentando capturar em nossa próxima etapa:como simulamos fisicamente essas ondas e como essas ondas afetariam nossas estruturas? "

Wang observou que a maioria dos estudos anteriores avaliou a capacidade das paredes verticais ou barreiras inclinadas de resistir às tempestades, mas a geometria complexa do hypar exigiu que a equipe "elaborasse um novo conjunto de regras que governam o desempenho da estrutura". Devido à complexidade da solução, outro estudante de graduação, Vanessa Notario, estudará o fluxo de forças na casca como parte de seu M.S.E. tese.

Além de otimizar as estruturas para resistir a fortes ventos e ondas, os projetos de proteção costeira devem levar em consideração outras considerações práticas. A altura de 3 metros das colunas, Garlock disse, é bom para proteger os pedestres enquanto restringe o acesso às dobradiças dos guarda-chuvas e evita o vandalismo.

A equipe planeja investigar o potencial de uso de materiais mais sustentáveis, além de adicionar sensores e atuadores para controlar os guarda-chuvas, e incorporação de sistemas de captação de energia solar e águas pluviais.

"Os sensores verificariam se os guarda-chuvas estão funcionando corretamente antes, durante e após a implantação, enquanto os atuadores permitiriam não apenas a implantação automática, mas também rastrear o sol e o vento para os melhores fins de coleta de energia e águas pluviais, "disse Glišić, que tem experiência em monitoramento de integridade estrutural e estruturas inteligentes.

“Esta é uma forma completamente nova de pensar sobre as estruturas de defesa costeira, "disse Garlock." Seguindo em frente, nosso objetivo é fazer com que esses guarda-chuvas sejam parte de um sistema inteligente, comunidade sustentável. "

Para ajudar a integrar o novo design em planos holísticos de resiliência costeira, os pesquisadores vão colaborar com Ning Lin, um professor associado de engenharia civil e ambiental em Princeton, cuja equipe produziu recentemente mapas atualizados de inundações do século 21 para as costas do Atlântico e do Golfo dos EUA. Eles também têm planos de trabalhar com um engenheiro geotécnico e estão em consultoria com o Gabinete de Resiliência do Prefeito de Nova York.