Klimatförändringarna kommer i slutändan att påverka våra broar. Men i vilken utsträckning?

Det är den väsentliga frågan som forskarna David Yang och Dan M. Frangopol på Lehighuniversitetet ställde i en artikel som nyligen publicerades i ASCE Journal of Bridge Engineering .

"Vi vet att klimatförändringar kommer att öka frekvensen och intensiteten av naturfaror som orkaner, Värmevågor, skogsbränder, och extrema regn, "säger Yang, en postdoktor i forsknings- och miljöteknik vid P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science. "För detta papper, Vi tittar på ökad temperatur samt ökad nederbörd och deras inverkan på bryggsäkerheten. Utmaningen här var att vi inte visste hur vi skulle kvantifiera dessa effekter för att förutsäga risker.

Scour är den främsta källan till brofel i USA. Det skapas när översvämningsvatten urholkar materialen runt en bros fundament, skapa skurhål som äventyrar strukturens integritet.

För deras papper, Yang och Frangopol, en professor i anläggningsteknik och Fazlur R. Khan begåvad ordförande i konstruktionsteknik och arkitektur, var tvungen att fylla gapet mellan klimatdata och den strukturella säkerhetskvantifieringen. De gjorde det genom att använda hydrologisk modellering för att konvertera klimatsimuleringsdata till flödesutsläppsdata i Lehigh River. Lehigh River är en 109 mil lång biflod till Delaware River som löper genom staden Bethlehem, Pennsylvania, där Lehigh University ligger.

"Vi tog ett helhetsgrepp, "säger Yang." Det började med en global klimatmodell som nedskalades till regional hydrologi, sedan använde vi konstruktionsteknik för att få misslyckandet för en struktur vid en framtida översvämning. Från det, vi kunde bedöma, innebär detta strukturfel vissa risker för ett samhälle? Så vår modell inkluderade dessa fyra steg i klimatologin, hydrologi, konstruktionsteknik, och riskbedömning. "

Det är det första dokumentet hittills som har kombinerat alla fyra stegen för att kvantitativt titta på klimatförändringarnas effekt på broar, han säger.

Vid utvecklingen av deras modell, paret övervägde olika klimatfremtider och globala klimatmodeller från Intergovernmental Panel on Climate Change. För att uppskatta grunddjupet för äldre broar som sträcker sig över Lehighfloden-information som ofta inte är tillgänglig-utvecklade de en metod för att beräkna djupet baserat på tillståndsbetyg från National Bridge Inventory. De tog också en regional och livscykelaktig strategi för sin analys.

Frangopol är världsberömd för sitt banbrytande arbete inom livscykelteknik, som använder beräkningsanalys för att bestämma det långsiktiga värdet och risken för infrastrukturinvesteringar.

Med en sådan regional och livscykel strategi, säger Yang, var en nyhet för detta papper. "Broar har många mikromiljöer, och om du bara tittar på en bro, det är verkligen svårt att fånga trenden och få den ökade risken från klimatförändringar, "säger han." Så vi utvidgade denna analytiska horisont både rumligt och tidsmässigt för att fånga långsiktiga trender. "

Av de åtta slutsatser som Yang och Frangopol nådde med sin modell, det mest överraskande var i vilken utsträckning översvämningsfrekvensen kan förändras.

"Vi insåg att en 20-årig översvämning nu kan bli en 13-årig översvämning i slutet av seklet, så att frekvensen nästan fördubblades, "säger Yang." Det är därför klimatförändringar kan orsaka en ökad risk för infrastruktur. "

Kanske är deras viktigaste slutsats frågan om begränsning. Specifikt, vilka tekniska åtgärder som bör vidtas för att minska risken, och i vilka broar.

"Verkligheten är att budgetarna är begränsade, säger Frangopol, som också är ansluten till Lehigh's Institute for Data, Intelligenta system, och beräkning (I-DISC) och Institute for Cyber ​​Physical Infrastructure and Energy (I-CPIE). "Så det är viktigt att kunna bestämma, vad är prioriteringen här? Du måste veta var bron ligger. För vissa samhällen, misslyckandet av en bro kan vara katastrofalt. För andra, en bro är kanske inte lika kritisk. Denna modell hjälper dig att fatta den typen av beslut eftersom risk inte bara bygger på säkerhet utan också på konsekvenserna av misslyckande. Du kan ha två broar med samma sannolikhet att misslyckas, men konsekvenserna av det misslyckandet kan vara väldigt olika. "

Att fokusera på broar längs Lehigh River var ett självklart val med tanke på deras läge, men både Yang och Frangopol är ivriga att dela denna modell, inte bara lokalt, men med alla samhällen som vill bedöma sin infrastruktur.

"Vi inspirerades att göra denna forskning delvis eftersom Bethlehem historiskt drabbats av flera översvämningar sedan 1902, och de hade en betydande inverkan på samhället, så översvämningar är en betydande fara i hela Lehigh River vattendelare, "säger Yang." Vi ville komma på något som samhället kan använda för att anpassa sig till framtida klimatförändringar, säger Frangopol.