Naturkatastrofer blir värre. Enligt data från National Oceanic and Atmospheric Administration åren 2016, 2017 och 2018 har varit historiska:under vart och ett av dessa år, det genomsnittliga antalet katastrofer som kostade minst 1 miljard dollar var mer än dubbelt så mycket som det långsiktiga genomsnittet. När antalet och kostnaderna för katastrofer fortsätter att öka, samhällen letar efter sätt att anpassa sig och bli mer motståndskraftiga.

Ett motståndskraftigt samhälle, enligt definitionen av National Academy of Sciences, ska kunna förbereda och planera för, återhämta från, och bättre anpassa sig till faktiska eller potentiella katastrofer. Resiliens kan bedömas i termer av robustheten hos ett samhälles fysiska infrastruktur, hur dess sociala respons är organiserad, antalet olyckor och framgången för dess offentliga politik. Dessa system är anslutna, med en störning i en som fortplantar sig genom många, påverkar den totala motståndskraften.

Forskare inom området för katastrofvetenskap studerar alla dessa system – dock det är ett enormt fält, och specialister är ofta indelade i fack. University of Michigan Civil and Environmental Engineering forskare, ledd av professor Sherif ElTawil, utvecklade projektet Interdependencies in Community Resilience (ICoR) för att bryta ner barriärerna, samla all denna data, och gör det möjligt för forskare att se hela bilden. Detta är ett grundläggande steg mot att bygga samhällen som är motståndskraftiga mot katastrofer.

El-Tawil förklarade, "Tänk på en orkan. De olika aspekterna av en orkankatastrof kan representeras av specifika modeller, till exempel, vindtrycket, bygga svar, människors beteende, etc. Alla dessa modeller kan fås att fungera i samverkan med varandra för att representera det övergripande katastrofscenariot. Det är det som är så unikt med det här projektet:det gör det möjligt att göra den högsta nivån av integrativ forskning."

För att ta itu med problemets komplexa karaktär, ICoR-projektgruppen inkluderar experter inom en mängd olika områden. CEE professor Vineet R. Kamat och docent Jason McCormick fungerar som biträdande direktörer, och CEE-docent Carol Menassa och biträdande professor Seymour Spence fungerar som huvudansvariga utredare. Fokus för detta projekt är att utveckla en beräkningsplattform som forskare från olika discipliner kan använda för att koppla in sina modeller och arbeta tillsammans på ett katastrofscenario. Detta projekts integrerande plattform kommer att fungera som länken mellan forskningsmodellerna från olika områden.

Användare kommer att kunna ladda individuella beräkningsmodeller och simuleringar från flera discipliner till plattformen och köra dem samtidigt. Detta kommer att möjliggöra utforskning av de komplexa interaktioner som äger rum mellan olika system innan, under och efter naturkatastrofer. "Det här var inget vi kunde ha gjort tidigare eftersom vi helt enkelt inte hade datorkraften, " sade Spence. "Dessa är mycket komplicerade, ömsesidigt beroende beräkningar som vi nu kan utforska." Plattformen kan använda etablerade modeller och möjliggör också skapandet av nya disciplinspecifika modeller, öppna dörren till vetenskapliga upptäckter som kan påverka hur vi planerar mot naturkatastrofer som orkaner.

Som Spence förklarade, "Orkaner är bland de dyraste naturrisker som påverkar USA, med förluster över 300 miljarder dollar under de senaste fem åren. Vi ville testa samhällsåterhämtning i samband med motståndskraft med hjälp av en ny modell för orkanåterhämtning. När vi integrerade den här modellen genom plattformen med en befintlig fysikbaserad sårbarhetsmodell, vi kunde kvantifiera motståndskraften i ett bostadsområde som är utsatt för kategori 5-orkaner. Det är den här typen av information som i slutändan kan leda till strategier för en långsiktig anpassning av samhället till faran."

Data är kraftfull, men det är inte lätt att kommunicera råa siffror. Så forskargruppen skapar visuella 3D-simuleringar som kan köras i realtid, använda data som beräknas från extern programvara. Dessa hjälper till att förmedla teamets resultat till allmänheten, gör det lättare att förstå och lita på modellen. En ny modell skildrar effekten av starka vindar på ett bostadsområde, som beräknats av Ph.D. elev Ahmed Abdelhady. "Dessa bilder är väldigt slående, sade Abdelhady. "Du kan se den hotande himlen, regnet öser ner, takpannorna flyger från byggnader. Det hjälper dig verkligen att visualisera den potentiella skadan på samhället och komma på möjliga lösningar för att förbättra samhällets motståndskraft."

Att förmedla denna information till samhällen är en viktig del av ICoR-projektet. Målet är att samhällen ska kunna använda modellen för att simulera hur en katastrof skulle påverka dem. Det kan hjälpa till att identifiera luckor och visa hur olika lösningar (t.ex. användningen av orkanklämmor för att stärka kopplingen mellan byggnadens tak och dess vägg, en av de svagaste punkterna i träbyggnader) kan hjälpa till att fylla dessa luckor.

"Den mest kraftfulla egenskapen hos dessa modeller är deras förmåga att förutsäga, " sade Abdelhady. "Du kan förutsäga resultatet av alla föreslagna begränsningsplaner, använd sedan en optimeringsalgoritm för att prioritera dem och komma fram till den bästa kombinationen." El-Tawil utarbetade, "Till exempel, du kanske ser att en lösning kostar 5 miljoner dollar och skulle förbättra samhällets motståndskraft med fem procent, men en annan lösning kostar 1 miljon dollar och skulle förbättra motståndskraften med 10 procent. Med dessa simuleringar ger dig den typen av data, samhällen kan göra informerade, ansvarsfulla beslut om föreslagna förbättringar.