Una tempesta si avvicina alla costa, agitando vento e onde. Lungo il lungomare che costeggia la spiaggia, una fila di enormi ombrelloni di cemento comincia a inclinarsi verso il basso, trasformandosi da un comodo baldacchino a uno scudo contro l'assalto imminente.

In un nuovo approccio alla protezione dalle mareggiate, un team di Princeton ha creato un progetto preliminare per questi ombrelli cinetici a doppio scopo. In uno studio pubblicato il 28 marzo sul Journal of Structural Engineering, i ricercatori hanno utilizzato la modellazione computazionale per iniziare a valutare la capacità degli ombrelli di resistere a un'ondata di tempesta acuta.

Con l'innalzamento del livello del mare e l'intensificarsi delle tempeste, le comunità costiere stanno costruendo più dighe per proteggere le persone e le proprietà dalle inondazioni estreme. Queste barriere possono essere poco attraenti e limitare l'accesso alle spiagge, ma gli ombrelli della squadra di Princeton fornivano ombra durante il bel tempo e potevano essere inclinati prima di una tempesta per formare una barriera contro le inondazioni.

"Questo è molto di più della tua tipica struttura difensiva costiera, ", ha affermato l'autore principale dello studio Shengzhe Wang, un dottorato di ricerca studente in ingegneria civile e ambientale. "È la prima volta che qualcuno ha davvero provato a integrare l'architettura come componente inerente a una contromisura costiera".

Gli ombrelloni proposti sono gusci di cemento armato di circa 4 pollici di spessore, costruito a forma di paraboloide iperbolico (abbreviato in hypar), una struttura a sella che curva verso l'interno lungo un asse e verso l'esterno lungo l'altro. La struttura si ispira al lavoro dell'architetto spagnolo Félix Candela, che ha progettato centinaia di edifici con tetti hypar a guscio sottile in Messico negli anni '50 e '60.

La coautrice dello studio Maria Garlock, professore di ingegneria civile e ambientale, ha studiato a lungo i disegni di Candela; ha co-scritto un libro su Candela e ha contribuito a creare un archivio e una mostra che esplorano il suo lavoro. Nell'autunno del 2017, lei e il co-autore Branko Glišić, professore associato di ingegneria civile e ambientale, stavano valutando un progetto per studiare le potenzialità degli ombrelloni hypar come strutture "intelligenti" per catturare energia e acqua piovana. Quindi, le è venuta una nuova idea:oltre ad aggiungere sensori, "perché non ribaltarli e usarli in un modo completamente diverso, come una specie di diga marina?" lei chiese.

Garlock e Glišić hanno ottenuto finanziamenti dal Progetto X, che consente ai membri della facoltà di ingegneria di perseguire idee non convenzionali. Wang ha assunto il compito di testare se gli ombrelli sarebbero stati una strategia praticabile per la protezione delle coste.

Wang ha analizzato la geometria e la resistenza strutturale degli ombrelli proposti, sottili gusci di cemento che misurano 8 metri (circa 26 piedi) su ciascun lato e sostenuti da 10 piedi di altezza, Colonne quadrate da 20 pollici. In queste simulazioni, ha anche testato la funzionalità di una cerniera al vertice dove la colonna incontra il centro dell'ombrellone.

Per indagare su come potrebbero comportarsi gli ombrelli durante un'ondata di tempesta costiera, il team ha compilato i dati sulle mareggiate degli uragani tra il 1899 e il 2012 lungo la costa orientale degli Stati Uniti, quindi ha modellato un'altezza di mareggiata di 18 piedi, che comprende tutto tranne la più alta mareggiata nel set di dati. Adattare metodi numerici consolidati per modellare le interazioni fluido-struttura per studiare le strutture ipar, hanno mostrato che gli ombrelli sarebbero rimasti stabili di fronte a un muro d'acqua a circa il 75% della loro altezza dispiegata.

"Questi gusci sono così sottili che chiunque li guardi non sarebbe incline a credere che queste strutture sarebbero in grado di fermare forze così grandi dall'acqua, " ha detto Wang. "Ma siamo in grado di sfruttare la geometria della forma hypar che conferisce alla struttura la forza aggiuntiva richiesta".

Wang ha ora costruito modelli fisici degli ombrelli (che misurano circa 6 pollici di diametro) per convalidare i risultati dell'approccio numerico, e sta iniziando a testare le risposte dei modelli alle forze dinamiche dei flussi turbolenti all'interno di un canale d'acqua lungo 10 piedi. Anche le forze del vento caratteristiche degli uragani che si abbattono sulla terraferma saranno rilevate tramite test in galleria del vento.

"In realtà, non avrai solo un mucchio di acqua statica. Avrai le onde, avrai vento che genera quelle onde, " ha detto. "Questo è ciò che stiamo cercando di catturare nel nostro prossimo passo:come simuliamo fisicamente queste onde e come queste onde influenzerebbero le nostre strutture?"

Wang ha notato che la maggior parte degli studi precedenti ha valutato la capacità delle pareti verticali o delle barriere inclinate di resistere alle tempeste, ma la complessa geometria dell'hypar ha richiesto al team "di inventare una serie completamente nuova di regole che governano le prestazioni della struttura". Data la complessità della soluzione, un altro laureato, Vanessa Notario, studierà il flusso di forze nel guscio come parte del suo M.S.E. tesi.

Oltre ad ottimizzare le strutture per resistere a forti venti e onde, i progetti per la protezione delle coste devono tenere conto di altre considerazioni pratiche. L'altezza di 10 piedi delle colonne, Garlock ha detto, è utile per ombreggiare i pedoni limitando l'accesso ai cardini degli ombrelloni e prevenendo atti di vandalismo.

Il team intende studiare il potenziale dell'utilizzo di materiali più sostenibili, oltre ad aggiungere sensori e attuatori per controllare gli ombrelli, e incorporando sistemi per catturare l'energia solare e l'acqua piovana.

"I sensori verificherebbero che gli ombrelli funzionino correttamente prima, durante e dopo la distribuzione, mentre gli attuatori consentirebbero non solo l'implementazione automatica, ma anche il monitoraggio del sole e del vento per i migliori scopi di raccolta di energia e acqua piovana, " ha detto Glišić, che ha esperienza nel monitoraggio della salute strutturale e nelle strutture intelligenti.

"Questo è un modo completamente nuovo di pensare alle strutture di difesa costiera, " disse Garlock. "Andando avanti, il nostro obiettivo è rendere questi ombrelli parte di un intelligente, comunità sostenibile".

Per aiutare a integrare il nuovo design nei piani olistici per la resilienza costiera, i ricercatori collaboreranno con Ning Lin, un professore associato di ingegneria civile e ambientale a Princeton il cui team ha recentemente prodotto mappe aggiornate delle inondazioni del 21° secolo per le coste atlantiche e del Golfo degli Stati Uniti. Hanno anche in programma di lavorare con un ingegnere geotecnico e si stanno consultando con l'Office of Resiliency del sindaco di New York City.