El suelo se deforma y los edificios no están listos: un estudio de infraestructura

Hay una “amenaza silenciosa” que acecha debajo de nuestras principales ciudades globales, y nuestros edificios no están diseñados para enfrentarla.

Un nuevo estudio de la Universidad de Northwestern ha vinculado por primera vez el cambio climático subterráneo con el movimiento del suelo debajo de las áreas urbanas. A medida que la tierra se calienta, también se deforma. Este fenómeno provoca un movimiento excesivo de los cimientos de los edificios y del suelo circundante (debido a la expansión y contracción) e incluso agrietamiento, lo que en última instancia afecta el rendimiento y la durabilidad a largo plazo de las estructuras. Los investigadores también informan que tales aumentos de temperatura pueden haber causado daños a los edificios en el pasado, y esperan que estos problemas persistan durante muchos años.

Si bien el aumento de las temperaturas representa una amenaza para nuestra infraestructura, los científicos también lo ven como una oportunidad potencial. Al capturar el calor residual emitido bajo tierra por los sistemas de transporte subterráneo, garajes y sótanos, los planificadores urbanos pueden mitigar los efectos del cambio climático bajo tierra y reutilizar el calor en un recurso de energía térmica sin explotar.

El estudio fue publicado el 11 de julio de este año. Ingeniería en comunicación. Este es el primer estudio que cuantifica las deformaciones del suelo causadas por las islas de calor del subsuelo y su impacto en la infraestructura civil.

“El cambio climático subterráneo es una amenaza silenciosa”, dijo Alessandro Rotta Loria de Northwestern, quien dirigió el estudio. “El suelo se deforma como resultado de los cambios de temperatura, y ninguna estructura o infraestructura existente está diseñada para resistir estos cambios. Si bien este fenómeno no es necesariamente peligroso para la seguridad humana, afectará el funcionamiento diario normal de los cimientos del sistema y la infraestructura civil en general.

“La arcilla de Chicago puede encogerse cuando se calienta, como muchos otros suelos de grano fino. Como resultado del aumento de las temperaturas subterráneas, muchos cimientos en el centro de la ciudad están sufriendo un hundimiento no deseado, lento pero constante. En otras palabras, no hace falta vivir en Venecia para vivir en una ciudad que se hunde, aunque las causas de estos fenómenos sean completamente diferentes.

Rotta Loria es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick en Northwestern.

¿Qué es el cambio climático bajo tierra?

En muchas áreas urbanas del mundo, el calor se propaga constantemente desde los edificios y el transporte subterráneo, lo que hace que el suelo se caliente a un ritmo alarmante. Investigadores anteriores han descubierto que el suelo poco profundo debajo de las ciudades se está calentando entre 0,1 °C y 2,5 °C por década.

Este fenómeno, conocido como “cambio climático subterráneo” o “islas de calor del subsuelo”, provoca problemas ecológicos (como la contaminación de las aguas subterráneas) y problemas de salud (incluidos el asma y el golpe de calor). Sin embargo, hasta ahora, el impacto del cambio climático subterráneo en la infraestructura civil ha permanecido inexplorado y poco entendido.

“Si piensas en sótanos, garajes, túneles y trenes, todos estos objetos emiten calor constantemente”, dijo Rotta Loria. “En general, las ciudades son más cálidas que las áreas rurales porque los materiales de construcción atrapan periódicamente el calor de la actividad humana y la radiación solar y luego lo liberan a la atmósfera. Este proceso ha sido estudiado durante décadas. Ahora estamos viendo su contraparte del subsuelo, que es impulsada principalmente por la actividad antropogénica”.

Chicago como un laboratorio viviente

En los últimos años, Rotta Loria y su equipo instalaron una red inalámbrica de más de 150 sensores de temperatura en el Chicago Loop, tanto por encima como por debajo del suelo. Esto incluyó la colocación de sensores en sótanos de edificios, túneles subterráneos, garajes subterráneos y calles subterráneas como Lower Wacker Drive. A modo de comparación, el equipo también enterró los sensores en Grant Park, un área verde a lo largo del lago Michigan, lejos de los edificios y los sistemas de transporte subterráneo.

Los datos de la red de sensores inalámbricos indican que la temperatura subterránea debajo del Loop suele ser 10 grados más cálida que la temperatura debajo de Grant Park. La temperatura del aire en las instalaciones subterráneas puede ser hasta 25 grados más alta en comparación con la temperatura del suelo no perturbado. Cuando el calor se disipa hacia el suelo, ejerce una presión significativa sobre los materiales, que se expanden y contraen con los cambios de temperatura.

“Utilizamos Chicago como un laboratorio viviente, pero el cambio climático subterráneo es común en casi todas las áreas urbanas densamente pobladas del mundo”, dijo Rotta Loria. “Y todas las áreas urbanas afectadas por el cambio climático subterráneo son propensas a problemas de infraestructura”.

hundiéndose lentamente

Después de recopilar datos de temperatura durante tres años, Rotta Loria construyó un modelo de computadora en 3D para simular la evolución de la temperatura del suelo desde 1951 (el año en que Chicago completó sus túneles subterráneos) hasta la actualidad. Encontró valores consistentes con los medidos en el campo y usó la simulación para predecir cambios de temperatura hasta 2051.

Rotta Loria también modeló cómo se deforma el suelo en respuesta a un aumento de la temperatura. Mientras que algunos materiales (arcilla blanda y rígida) se contraen cuando se calientan, otros materiales (arcilla dura, arena y piedra caliza) se expanden.

Según las simulaciones, las temperaturas más altas pueden hacer que el suelo se hinche y se expanda hacia arriba hasta 12 milímetros. También pueden hacer que el suelo se encoja y se hunda bajo el peso del edificio hasta 8 milímetros. Si bien parece sutil e imperceptible para los humanos, la variabilidad es mayor de lo que muchos componentes de construcción y sistemas de cimentación pueden manejar sin comprometer sus requisitos operativos.

“Con base en nuestras simulaciones por computadora, hemos demostrado que las deformaciones del suelo pueden ser tan graves que generan problemas de rendimiento para la infraestructura civil”, dijo Rotta Loria. “No es como si el edificio colapsara repentinamente. Las cosas se hunden muy lentamente. Las consecuencias para la usabilidad de estructuras e infraestructuras pueden ser muy malas, pero lleva mucho tiempo verlas. Es muy probable que el cambio climático subterráneo ya haya provocado grietas y hundimientos excesivos de los cimientos, lo que no asociamos con este fenómeno, porque no éramos conscientes de ello”.

Cosecha de calor

Debido a que los urbanistas y arquitectos diseñaron la mayoría de los edificios modernos antes de la aparición del cambio climático subterráneo, no diseñaron estructuras para resistir las fluctuaciones de temperatura que experimentamos hoy. A pesar de esto, los edificios modernos funcionarán mejor que los edificios de épocas anteriores, como la Edad Media.

“En los Estados Unidos, todos los edificios son relativamente nuevos”, dijo Rotta Loria. “Las ciudades europeas con edificios muy antiguos serán más vulnerables al cambio climático subterráneo. Los edificios de piedra y ladrillo, que se refieren a prácticas de diseño y construcción pasadas, generalmente se encuentran en un equilibrio muy delicado con las perturbaciones asociadas con las actividades actuales de las ciudades. Las perturbaciones de la isla de calor del subsuelo pueden tener efectos perjudiciales en tales estructuras”.

Yendo más allá, Rotta Loria dijo que las estrategias de planificación futuras deberían considerar las tecnologías geotérmicas para recolectar el calor residual y entregarlo a los edificios para la calefacción de espacios. Los planificadores también pueden instalar aislamiento térmico en edificios nuevos y existentes para minimizar la cantidad de calor que ingresa al suelo.

“El enfoque más efectivo y racional es aislar estructuras subterráneas de tal manera que la cantidad de calor desperdiciado sea mínima”, dijo Rotta Loria. “Si eso no se puede hacer, las tecnologías geotérmicas ofrecen el potencial para absorber y reutilizar el calor en los edificios de manera efectiva. No queremos usar tecnología para enfriar activamente estructuras subterráneas porque consume energía. Ahora hay innumerables soluciones que se pueden implementar”.