Om du någonsin har tackat nej till en stadsgata bara för att bli sprängd med luft, du har tagit dig in i vad som är känt som en urban kanjon.

Ungefär som deras geologiska motsvarigheter, urbana kanjoner är luckor mellan två höga ytor - i det här fallet, byggnader. Vindbyarna de kanaliserar, dock, har verkliga konsekvenser. De kan förstora en orkans vindar eller öka en stads lufttemperatur beroende på deras arrangemang - ett arrangemang som kallas stadsstruktur. Problemet är, enligt forskare vid MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), att nuvarande riskreducerande praxis inte tar hänsyn till stadens struktur. Följaktligen, de underskattar ofta skadorna, i vissa fall med så mycket som en faktor tre.

Omprövar nuvarande praxis

För att förstå den potentiella inverkan av stadsstruktur, CSHub-forskare undersökte först de nuvarande byggmetoderna. En av metoderna de undersökte var byggregler.

Enligt Federal Emergency Management Agency, "Byggkoder är uppsättningar av bestämmelser som styr utformningen, konstruktion, ändring, och underhåll av strukturer." Ett av deras syften är att skydda invånarna i en byggnad från naturkatastrofer genom att specificera styrkan på den byggnaden.

För att hålla byggnader säkra från vindrisker, koder anger hur en byggnad måste interagera med vinden, ett värde som kallas en luftmotståndskoefficient. Luftmotståndskoefficienten för en byggnad bestämmer mängden luftmotstånd den kommer att uppleva när den utsätts för vinden. När en byggnads luftmotståndskoefficient ökar, så gör dess sannolikhet för skada.

"Designkoder förutsätter att byggnader har fasta luftmotståndskoefficienter. Och på ett sätt, det är vettigt – formen på en byggnad förändras inte mycket, " säger Jake Roxon, en forskare vid CSHub. "Dock, vi har upptäckt att det inte bara är formen på byggnaden som påverkar dess luftmotståndskoefficient, men också den lokala konfigurationen av intilliggande byggnader, som vi kallar urban textur."

Urban textur mäter sannolikheten att hitta en angränsande byggnad på ett visst avstånd från en given byggnad. Roxon beräknar det genom att rita ringar med en viss diameter runt varje byggnad i en stad. Sedan räknar han antalet byggnader i varje ring.

Ju fler byggnader i varje ring, desto större är sannolikheten att hitta en byggnad på det avståndet. Och ju högre sannolikhet, ju mer ordnad och regelbunden den lokala konsistensen är, medan ju lägre sannolikhet, desto mer oordnade och oförutsägbara. För att fånga en hel stads struktur, Roxon räknar samman texturen för var och en av dess byggnader.

"I genomsnitt, vi har funnit att områden med oordnade texturer har mer motståndskraft, " säger Roxon. "Om du inte kan förutsäga vilken vinkel vinden kommer från, det kommer att erbjuda den högsta nivån av skydd. Å andra sidan, för en ordnad stad med samma täthet av byggnader, du skulle förvänta dig att se mer skada under en extrem riskhändelse."

Orsaken bakom oordnade gators motståndskraft är hur de fördelar vinden. Genom att fördela vinden mer slumpmässigt, oordnade städer som Boston eller Paris upplever mindre av den förstoring som sker när vinden färdas genom korridorerna i ordnade städer, som New York. I vissa fall, städer med mer ordnade texturer kan förstora orkanvindar från en kategori 3 till en kategori 4, Roxon har hittat.

Inverkan av stadstextur på luftmotståndskoefficienter och vindlaster var framträdande under orkanen Irma 2017, som passerade genom västra Florida.

"Ett exempel på textureffekten är Sarasota och Lee counties i Florida under Irma, " förklarar Ipek Bensu Manav, en CSHub-forskare som samarbetar med Roxon. "De här länen ligger nära varandra geografiskt, så de upplever en liknande orkanrisk. Och när man tittar på byggnadsbeståndet, de är också likartade — mestadels en- och tvåvånings enfamiljshus."

Dock, de två länen skiljde sig åt i fråga om textur.

"Sarasota County har en mindre ordnad struktur, faller mindre på ett typiskt rutnät, och Lee County har en mer välordnad textur, " säger Manav. "När vi tittade på Lee County såg vi fler strukturella skador - vissa byggnader kollapsade helt. Det var fler översvämningar och vältning av vegetation också. Så, Irma orsakade mycket mer skada i länet som hade en högre textureffekt."

Det visar sig, för, att ordnade texturer har en liknande effekt på värmen.

"Vi har funnit att detta är fallet med temperatur också - specifikt, den urbana värmeö-effekten, " säger Roxon. "Ordnade städer upplever den största temperaturskillnaden mellan dem och deras landsbygdsmiljö på natten."

Kodknäckande

Så, sedan, om gatornas utformning i hög grad påverkar riskskador, varför står inte byggkoder för dem?

Enkelt uttryckt, det är för närvarande för svårt att införliva dem.

Just nu, standardverktyget för att undersöka luftmotståndskoefficienterna för en byggnad är computational fluid dynamics (CFD). CFD-simuleringar mäter luftmotståndskoefficienten för en byggnad och dess riskrisk genom att modellera flödet av värme och vind. Även om mycket exakt, CFD-simuleringar kräver oöverkomligt intensiva tids- och datorkrav i stor skala.

"Med nuvarande resurser, CFD-simuleringar fungerar helt enkelt inte i städernas skala, " säger Roxon. "New York City, till exempel, har över 1 miljon byggnader. Att köra en simulering skulle ta lång tid. Och om du bara gör en liten justering av arrangemanget av byggnader eller vindens riktning, du måste köra simuleringen igen."

Trots deras ofullkomligheter, CFD-simuleringar är fortfarande ett viktigt verktyg för att förstå vindflödet. Men Roxon tror att hans stadstexturmodell kan kompensera för CFD:s begränsningar och, i processen, göra städerna mer motståndskraftiga.

"Vi har funnit att det finns vissa variabler härledda från stadstextur som tillåter oss, med relativ noggrannhet, att uppskatta luftmotståndskoefficienterna för byggnader och identifiera områden som är sårbara för risker för skador. Sedan kan vi köra CFD-simuleringar för att bestämma exakt var den skadan kommer att inträffa."

Väsentligen, stadstextur fungerar som ett förstahandsverktyg för intressenter, låta dem bedöma risker och sedan använda sina resurser, inklusive CFD, mer effektivt för att identifiera sårbara byggnader för renovering och, i tur och ordning, rädda liv.

Hela bilden

Förutom förlusten av liv, naturkatastrofer orsakar en enorm ekonomisk belastning. Enligt National Oceanographic and Atmospheric Administration, 258 naturkatastrofer har orsakat mer än 1,75 biljoner dollar i skador i USA sedan 1980.

Även om många metoder kan förutsäga och mildra dessa kostnader, Manav har upptäckt att de fortfarande lämnar mycket kvar på bordet — nämligen, stad textur.

Genom att samarbeta med Roxon, hon har upptäckt att genom att bortse från gemenskapsegenskaper som stadsstruktur, nuvarande modeller underskattar förluster, ofta dramatiskt.

För att applicera textur på orkanförluster, Manav tittade återigen till Floridas Sarasota och Lee län. Hon genomförde en konventionell förlustuppskattning och en stadtexturjusterad förlustuppskattning för varje län baserat på den 95:e percentilen av årliga förväntade riskhändelser – motsvarande några av de starkaste orkanerna, som Irma. Hon fann att de förväntade förlusterna ökade när hon inkorporerade stadstextur i sina uppskattningar. Ökningen var särskilt akut i Lee County, vars ordnade textur sannolikt skulle förstora vindbelastningar.

"I Sarasota County, vi såg en ökning av den förväntade förlusten från 1 procent till 6 procent av det genomsnittliga hemmets värde när vi införlivade stadsstruktur, " säger Manav. "Men gör samma sak för Lee County, vi såg en avsevärt större mängd skador, motsvarande cirka 9 procent av en genomsnittlig bostads värde."

Utan att införliva stadstextur, sedan, dessa konventionella uppskattningar underskattar dramatiskt skadorna. Detta gör invånarna omedvetna om sina risker, och följaktligen gör dem sårbara.

Incitamenten för motståndskraft

Hur nykter som dessa förlustuppskattningar än är, Manav hoppas att de kan hjälpa samhällen att bli mer motståndskraftiga mot risker.

För närvarande, hon noterar, riskresiliens har inte blivit allmänt implementerad eftersom de flesta förblir omedvetna om dess kostnadsfördelar.

"En anledning till att riskreducerande metoder inte implementeras är att deras fördelar inte kommuniceras noggrant, " säger hon. "Självklart, det finns kostnaden för att bygga till bättre standarder. Men för att balansera ut dessa kostnader finns fördelarna med minskade reparationskostnader efter riskhändelser."

Dessa minskade skadekostnader är betydande.

Åtgärder så enkla som att välja hårdare bältros, förbättra tak-till-vägg-anslutningar, och att lägga till fönsterluckor och stötklassade fönster kan minska riskskador tillräckligt för att betala tillbaka på så lite som två år i riskutsatta områden som kustnära Florida.

Genom att använda stadstextur för att beräkna riskkostnader, Manav och Roxon hoppas husägare, utvecklare, och beslutsfattare kommer att välja att implementera dessa relativt enkla metoder. Den enda nyckeln är att göra deras incitament allmänt kända.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.