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大都市は地下ヒートアイランドによって地盤が不安定になり建物などにダメージが与えられる可能性

新たな研究によると、研究者らは初めて、世界の主要都市の地下に存在する「地下ヒートアイランド」と呼ばれる静かな危険の影響を定量化した。それによると、大都市の地下の地盤が加熱し、建物や橋、交通システムにダメージを与えかねない形で変形しているというのだ。

この研究は、構造物への長期的なダメージを明らかにする一方で、未開発の熱エネルギー資源として、地熱技術を利用して地下の廃熱を回収する機会も見出している。

地下ヒートアイランドとは?

ノースウェスタン大学マコーミック・スクール・オブ・エンジニアリングの土木・環境工学助教授である筆頭著者Rotta Loria氏は、プレスリリースの中で、温度変化による変形が基礎システムや土木インフラの正常な運用に影響を及ぼすと説明した。

「シカゴの粘土は、他の多くの細粒土と同様、熱を加えると収縮します。地下の温度上昇の結果、ダウンタウンの多くの基礎が、ゆっくりと、しかし継続的に、望ましくない沈下を起こしている」と彼は強調した。

とはいえ、地下ヒートアイランドはシカゴに限ったことではなく、世界の都市部では一般的な現象である。

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シカゴのループ地区の地下3箇所の地温(a)。色が濃いほど温度が高い。土壌タイプ別の平均気温の傾向(b) (Credit: (Rotta Loria, Communications Engineering, 2023))

地下の気候変動が土木インフラに与える影響を理解するため、Loria氏と彼のチームはシカゴ・ループに150以上の温度センサーのワイヤレス・ネットワークを展開した。

これらのセンサーは、ビルの地下室、地下鉄のトンネル、地下駐車場、道路など、地上と地下に設置された。

センシングネットワークのデータから、ループの地下の気温は、比較のために使用された都市構造物から離れた緑地であるグラントパークの地下の気温よりも、しばしば10度高いことが明らかになった。

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シカゴの地下地盤の深さ(a)と時間(b)における垂直方向のひずみ変化。 (Credit: (Rotta Loria, Communications Engineering, 2023))

研究チームは、地下構造物内の気温は、乱されていない地面の温度よりも最大25度も高く、温度変化で膨張・収縮する材料に大きなストレスを与えることを発見した。

Loria氏は、3年間にわたって収集した温度データを用いて、1951年から現在までの地温の変化をシミュレーションする3Dコンピューターモデルを開発した。このモデルでは、2051年までの気温の変化も予測している。

地盤の膨張と陥没

シミュレーションでは、気温の上昇によって地盤の変形がどのように起こり、ある物質は収縮し、ある物質は膨張するかが示された。

Subterranean warming in cities likely destabilizing the buildings above2

気温が上昇すると、地盤は最大12ミリメートル上方に膨張したり、最大8ミリメートル下方に沈下したりする。

Loria氏は、地下の気候変動によって引き起こされる深刻な地盤の変形は、その影響がすぐにはわからなくても、土木インフラの性能に影響を及ぼす可能性があると強調する。

時間が経つにつれ、こうした変形はひび割れや過度の基礎沈下につながる可能性がある。

この研究は、地下の気候変動が出現する前に設計された建物は、より近代的な構造物よりも温度変化に対応する能力が低いことを示唆している。

例えば、アメリカでは新しい建物の方が有利かもしれないが、ヨーロッパの都市では、石やレンガで造られた古い建物が多く、熱の擾乱に敏感な過去の設計や建築方法を守っているため、地下のヒートアイランドに対してより脆弱である。

この問題に対処するため、研究チームは今後の計画戦略に、廃熱を建物の暖房に利用する地熱技術を取り入れることを提案している。さらに、新築および既存の構造物に断熱材を設置することで、地中に入る熱量を最小限に抑えることができるとのことだ。

「私たちが望まないのは、地下構造物を積極的に冷却する技術を使うことです」と、Loria氏は警告する。


論文

参考文献

研究の要旨

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