En storm närmar sig kusten, rör upp vind och vågor. Längs strandpromenaden som kantar stranden, en rad överdimensionerade betongparaplyer börjar luta nedåt, förvandlas från ett bekvämt tak till en sköld mot det kommande anfallet.

I ett nytt tillvägagångssätt för stormöverspänningsskydd, ett Princeton-team har skapat en preliminär design för dessa kinetiska paraplyer med dubbla ändamål. I en studie publicerad 28 mars i Journal of Structural Engineering, forskarna använde beräkningsmodeller för att börja utvärdera paraplyernas förmåga att motstå en akut stormflod.

När havsnivån stiger och stormarna blir starkare, Kustsamhällen bygger fler strandvallar för att skydda människor och egendom från extrema översvämningar. Dessa barriärer kan vara oattraktiva och begränsa tillgången till stränder, men Princeton-teamets paraplyer skulle ge skugga under fint väder och kunde lutas före en storm för att bilda en översvämningsbarriär.

"Det här är så mycket mer än bara din typiska kustförsvarsstruktur, " sa huvudstudieförfattaren Shengzhe Wang, en Ph.D. student i civil- och miljöteknik. "Det är första gången som någon verkligen har försökt att integrera arkitektur som en inneboende komponent i en kustnära motåtgärd."

De föreslagna paraplyerna är skal av armerad betong cirka 4 tum tjocka, byggd i form av en hyperbolisk paraboloid (förkortad till hypar), en sadelliknande struktur som kröker sig inåt längs den ena axeln och utåt längs den andra. Strukturen är inspirerad av den spanskfödde arkitekten Félix Candelas arbete, som ritade hundratals byggnader med tunnskaliga hypartak i Mexiko på 1950- och 1960-talen.

Studie medförfattare Maria Garlock, professor i byggnads- och miljöteknik, har länge studerat Candelas mönster; hon var med och skrev en bok om Candela och hjälpte till att skapa ett arkiv och en utställning som utforskade hans verk. Hösten 2017 hon och medförfattaren Branko Glišić, en docent i civil- och miljöteknik, övervägde ett projekt för att studera potentialen hos hyparparaplyer som "smarta" strukturer för att fånga upp energi och regnvatten. Sedan, en ny idé kom till henne:Förutom att lägga till sensorer, "varför inte tippa dem och använda dem på ett helt annat sätt -som ett slags strandvall?" hon frågade.

Garlock och Glišić fick finansiering från Project X, vilket gör det möjligt för ingenjörsfakultetens medlemmar att driva okonventionella idéer. Wang tog på sig uppdraget att testa om paraplyerna skulle vara en hållbar strategi för kustskyddet.

Wang analyserade de föreslagna paraplyernas geometri och strukturella styrka, tunna skal av betong som mäter 8 meter (cirka 26 fot) på varje sida och stöds av 10 fot höga, 20-tums kvadratiska kolumner. I dessa simuleringar, han testade också funktionaliteten hos ett gångjärn vid spetsen där pelaren möter mitten av paraplyet.

För att undersöka hur paraplyerna kan klara sig under en kuststormvåg, teamet sammanställde stormflodsdata från orkaner mellan 1899 och 2012 längs den amerikanska östkusten, modellerade sedan en stormflodshöjd på 18 fot, som omfattar alla utom den högsta stormfloden i datamängden. Anpassning av etablerade numeriska metoder för att modellera vätskestrukturinteraktioner för att studera hyparstrukturer, de visade att paraplyerna skulle förbli stabila när de stod inför en vattenvägg cirka 75 % av sin utplacerade höjd.

"Dessa skal är så tunna att alla som tittar på detta inte skulle vara benägna att tro att dessa strukturer skulle kunna stoppa så stora krafter från vatten, ", sa Wang. "Men vi kan dra fördel av hyparformens geometri som ger strukturen den extra styrka som krävs."

Wang har nu byggt fysiska modeller av paraplyerna (som mäter cirka 6 tum i diameter) för att validera resultaten av den numeriska metoden, och börjar testa modellernas svar på de dynamiska krafterna av turbulenta flöden inuti en 10 fot lång vattenkanal. Vindkrafter som är karakteristiska för landfallande orkaner kommer också att fångas via vindtunneltestning.

"I verkligheten, du kommer inte bara ha en hög med statiskt vatten. Du kommer att få vågor, du kommer att ha vind som genererar dessa vågor, " sa han. "Det är vad vi försöker fånga i vårt nästa steg:Hur simulerar vi fysiskt dessa vågor och hur skulle dessa vågor påverka våra strukturer?"

Wang noterade att de flesta tidigare studier har utvärderat förmågan hos vertikala väggar eller lutande barriärer att motstå stormar, men hyparens komplexa geometri krävde att teamet "kom med en helt ny uppsättning regler som styr hur strukturen kommer att fungera." På grund av lösningens komplexitet, en annan doktorand, Vanessa Notario, kommer att studera kraftflödet i skalet som en del av sin M.S.E. avhandling.

Förutom att optimera strukturerna för att stå emot höga vindar och vågor, konstruktioner för kustskydd måste ta andra praktiska hänsyn. Kolumnernas 10 fots höjd, Garlock sa, är bra för att skugga fotgängare samtidigt som det begränsar åtkomsten till paraplyernas gångjärn och förhindrar vandalism.

Teamet planerar att undersöka potentialen med att använda mer hållbara material, samt att lägga till sensorer och ställdon för att styra paraplyerna, och inkorporerar system för att fånga upp solenergi och dagvatten.

"Sensorer skulle verifiera att paraplyer fungerar korrekt innan, under och efter driftsättning, medan manöverdon inte bara skulle möjliggöra automatisk utbyggnad utan också spåra sol och vind för bästa kraft- och dagvattenskörd, " sa Glišić, som har expertis inom strukturell hälsoövervakning och smarta strukturer.

"Det här är ett helt nytt sätt att tänka på kustförsvarsstrukturer, " sa Garlock. "Gå framåt, vårt mål är att göra dessa paraplyer till en del av en smart, hållbart samhälle."

För att hjälpa till att integrera den nya designen i holistiska planer för kustnära motståndskraft, forskarna kommer att samarbeta med Ning Lin, en docent i civil- och miljöteknik vid Princeton vars team nyligen producerade uppdaterade 2000-talets översvämningskartor för de amerikanska Atlanten och Gulf Coast. De har också planer på att arbeta med en geoteknisk ingenjör och samråder med New York City Mayor's Office of Resiliency.