Analizy burz umożliwią lepsze zabezpieczanie budowli przed wiatrem
Burze z piorunami stanowią zagrożenie dla życia: powodują duże zniszczenia budynków oraz infrastruktury transportowej i energetycznej w bardzo krótkim czasie. Naukowcy zgadzają się, że ocieplanie się powierzchni Ziemi sprzyja aktywności konwekcyjnej leżącej u podstaw burz z piorunami – właśnie dlatego ich liczba wzrasta. „Krótki czas trwania i względnie mały zasięg burz z piorunami ograniczały w przeszłości nasze możliwości pomiarowe”, zauważa koordynatorka projektu THUNDERR, Maria Pia Repetto z Uniwersytetu w Genui we Włoszech. „W wyniku tego, pomimo licznych badań naukowych w tej dziedzinie, nie istnieje wspólny model burz z piorunami ani też model ich wpływu na infrastrukturę”. To poważny problem, jeśli chodzi o inżynierię budowlaną oraz lądową i wodną, szczególnie widoczny w świetle częstych szkód wyrządzanych małym i średnim budynkom powodowanych burzą z piorunami. Wynika to po części z faktu, że maksymalna moc silnych prądów zstępujących w chmurze burzowej zwykle osiągana jest blisko gruntu, typowo na wysokości od 50 do 100 metrów.
Zrozumienie zachowania burzy
Mając to na uwadze, twórcy projektu THUNDERR finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, postarali się opracować dokładniejsze symulacje i modele skutków działania burzy z piorunami, aby ułatwić projektowanie konstrukcji odporniejszych na działanie wiatru w sposób bardziej efektywny kosztowo. Na początek wzmocniono istniejącą sieć monitorowania wiatru, wykorzystując w tym celu innowacyjne czujniki i oprogramowanie umożliwiające rejestrowanie danych w czasie rzeczywistym. „Sieć umożliwiła nam stworzenie precyzyjnego opisu lokalnej struktury czasowej prądów zstępujących w chmurze burzowej”, wyjaśnia Repetto. „Nie wystarczyło to jednak do stworzenia szczegółowego modelu struktury przestrzennej burz z piorunami”. W tym celu przeprowadzono testy w tunelu aerodynamicznym oraz symulacje z zakresu obliczeniowej dynamiki płynów. W szczególności przeprowadzono symulacje w skali w WindEEE Dome, jedynym w swoim rodzaju tunelu aerodynamicznym na kanadyjskim Uniwersytecie Zachodniego Ontario. Następnie naukowcy opracowali modele matematyczne, aby zsyntetyzować zgromadzone dane; pozwoliło to wychwycić główne właściwości fizyczne wypływów burzowych. „Kolejnym kluczowym celem była ocena wpływu burz z piorunami na konstrukcje”, opowiada Repetto. „Wiemy, że wypływy burzowe są przemijające i krótkotrwałe, zaś reakcje konstrukcji można ocenić w określonej skali, podobnie jak wpływ trzęsień ziemi”. Dwie konstrukcje, odpowiednio o wysokości 18 i 50 metrów, wyposażono w czujniki mające analizować zachowanie konstrukcji w rzeczywistych warunkach. Pomogło to zespołowi pracującemu nad projektem w opracowaniu nowych sposobów oceny odporności niskich i średnio wysokich budynków w warunkach burzy z piorunami.
Budowle odporniejsze na działanie wiatru
Twórcy projektu THUNDERR pomyślnie rozszerzyli istniejącą sieć monitorowania wiatru, opracowali nowe metody analityczne objaśniające zjawiska związane z burzą oraz znaleźli nowe sposoby pomiaru reakcji konstrukcji na burze. Wszystkie wyniki zgromadzono i udostępniono bezpłatnie społeczności naukowej. „W otwartym katalogu naukowcy z całego świata znajdą rzetelne dane na temat burz z piorunami”, dodaje Repetto. Usprawnienia w monitorowaniu i modelowaniu przyniosą korzyść sektorom takim jak porty, gdzie na działalność bardzo duży wpływ mają warunki pogodowe. Inna infrastruktura narażona na zagrożenia związane z wiatrem również będzie bezpieczniejsza dzięki lepszemu monitorowaniu. Nowe modele powstawania burz z piorunami znajdą także zastosowanie w sektorze budowlanym – dzięki nim możliwe będzie budowanie odporniejszych na działanie wiatru i atrakcyjniejszych cenowo konstrukcji. Repetto ma też nadzieję, że projekt pozostawi po sobie trwałe dziedzictwo w dziedzinie edukacji, łącząc w interdyscyplinarny sposób naukę o wietrze i szkolenia inżynieryjne. Kolejne kroki obejmują analizę wpływu burz z piorunami w kontekście zmiany klimatu, zastosowanie sztucznej inteligencji i analizy dużych zbiorów danych, a także skupienie się na wpływie burz na systemy transportu.
Słowa kluczowe
THUNDERR, burza z piorunami, inżynieria, silny prąd zstępujący w chmurze burzowej, wiatr, pogoda, transport, energia, infrastruktura