Bajo las grandes ciudades del mundo acecha un «peligro silencioso», y nuestros edificios no están diseñados para afrontarlo.

Un nuevo estudio de la Universidad Northwestern ha relacionado por primera vez el cambio climático subterráneo con el desplazamiento del suelo bajo las zonas urbanas. A medida que el suelo se calienta, también se deforma. Este fenómeno hace que los cimientos de los edificios y el terreno circundante se muevan excesivamente (debido a dilataciones y contracciones) e incluso se agrieten, lo que en última instancia afecta al rendimiento operativo y la durabilidad de las estructuras a largo plazo. Los investigadores también informan de que los daños sufridos por los edificios en el pasado pueden haber sido causados por este aumento de las temperaturas y prevén que estos problemas continúen en los próximos años.

Aunque el aumento de las temperaturas supone una amenaza para nuestras infraestructuras, los investigadores también lo ven como una oportunidad potencial. Capturando el calor residual emitido bajo tierra por los sistemas de transporte subterráneo, los aparcamientos y los sótanos, los urbanistas podrían mitigar los efectos del cambio climático subterráneo, así como reutilizar el calor en un recurso energético térmico sin explotar.

El estudio se publica en Communications Engineering, revista de Nature Portfolio. Se trata del primer estudio que cuantifica las deformaciones del suelo causadas por las islas de calor subterráneas y su efecto en las infraestructuras civiles.

Temperaturas del suelo bajo Chicago | foto Alessandro Rotta Loria/Northwestern University

El cambio climático subterráneo es un peligro silencioso, afirma Alessandro Rotta Loria, de Northwestern, que ha dirigido el estudio. El suelo se deforma como consecuencia de las variaciones de temperatura, y ninguna estructura civil o infraestructura existente está diseñada para soportar estas variaciones. Aunque este fenómeno no es necesariamente peligroso para la seguridad de las personas, afectará al funcionamiento cotidiano normal de los sistemas de cimentación y de la infraestructura civil en general.

La arcilla de Chicago puede contraerse cuando se calienta, como muchos otros suelos de grano fino. Como consecuencia del aumento de la temperatura en el subsuelo, muchos cimientos del centro de la ciudad están sufriendo asentamientos no deseados, lentos pero continuos. En otras palabras, no hace falta vivir en Venecia para vivir en una ciudad que se hunde, aunque las causas de tales fenómenos sean completamente distintas.

Rotta Loria es profesor adjunto de Ingeniería Civil y Medioambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern.

¿Qué es el cambio climático subterráneo?

En muchas zonas urbanas de todo el mundo, el calor se difunde continuamente desde los edificios y los transportes subterráneos, provocando el calentamiento del suelo a un ritmo alarmante. Investigadores anteriores han descubierto que el subsuelo poco profundo de las ciudades se calienta entre 0,1 y 2,5 grados centígrados por década.

Conocido como «cambio climático subterráneo» o «islas de calor subterráneo», este fenómeno es conocido por causar problemas ecológicos (como aguas subterráneas contaminadas) y sanitarios (como asma e insolación). Pero, hasta ahora, el efecto del cambio climático subterráneo en las infraestructuras civiles ha permanecido sin estudiar y poco comprendido.

Si pensamos en sótanos, aparcamientos, túneles y trenes, todas estas instalaciones emiten calor continuamente, explica Rotta Loria. En general, las ciudades son más cálidas que las zonas rurales porque los materiales de construcción atrapan periódicamente el calor derivado de la actividad humana y la radiación solar y luego lo liberan a la atmósfera. Este proceso lleva décadas estudiándose. Ahora, estamos estudiando su contrapartida subterránea, impulsada sobre todo por la actividad antropogénica.

Sensores de temperatura colocados bajo la ciudad de Chicago | foto Alessandro Rotta Loria/Northwestern University

Chicago como laboratorio viviente

En los últimos años, Rotta Loria y su equipo instalaron una red inalámbrica de más de 150 sensores de temperatura en todo el Chicago Loop, tanto en la superficie como en el subsuelo. Para ello colocaron sensores en los sótanos de los edificios, los túneles del metro, los aparcamientos subterráneos y el subsuelo de calles como Lower Wacker Drive. A modo de comparación, el equipo también enterró sensores en Grant Park, un espacio verde situado junto al lago Michigan, lejos de edificios y sistemas de transporte subterráneos.

Los datos de la red de sensores inalámbricos indicaron que las temperaturas subterráneas bajo el Loop suelen ser 10 grados más cálidas que las del Grant Park. La temperatura del aire en las estructuras subterráneas puede ser hasta 25 grados superior a la del suelo inalterado. Cuando el calor se difunde hacia el suelo, ejerce una presión considerable sobre los materiales, que se dilatan y contraen con los cambios de temperatura.

Utilizamos Chicago como laboratorio viviente, pero el cambio climático subterráneo es común a casi todas las zonas urbanas densas del mundo, afirma Rotta Loria. Y todas las zonas urbanas que sufren un cambio climático subterráneo son propensas a tener problemas con las infraestructuras.

Hundimiento lento

Tras recopilar datos de temperatura durante tres años, Rotta Loria construyó un modelo informático en 3D para simular cómo evolucionaban las temperaturas del suelo desde 1951 (año en que Chicago terminó sus túneles de metro) hasta hoy. Encontró valores coherentes con los medidos sobre el terreno y utilizó la simulación para predecir cómo evolucionarán las temperaturas hasta el año 2051.

Rotta Loria también modelizó cómo se deforma el suelo en respuesta al aumento de las temperaturas. Mientras que algunos materiales (arcilla blanda y rígida) se contraen al calentarse, otros (arcilla dura, arena y caliza) se expanden.

Según las simulaciones, las temperaturas más cálidas pueden hacer que el suelo se hinche y se expanda hacia arriba hasta 12 milímetros. También pueden hacer que el suelo se contraiga y se hunda hacia abajo -bajo el peso de un edificio- hasta 8 milímetros. Aunque esto parece sutil y es imperceptible para los humanos, la variación es mayor de lo que muchos componentes de edificios y sistemas de cimentación pueden soportar sin comprometer sus requisitos operativos.

Basándonos en nuestras simulaciones por ordenador, hemos demostrado que las deformaciones del terreno pueden ser tan graves que provoquen problemas para el funcionamiento de las infraestructuras civiles, afirma Rotta Loria. No es que un edificio se derrumbe de repente. Las cosas se hunden muy lentamente. Las consecuencias para el funcionamiento de estructuras e infraestructuras pueden ser muy malas, pero se tarda mucho en verlas. Es muy probable que el cambio climático subterráneo ya haya provocado grietas y asentamientos excesivos de los cimientos que no asociábamos a este fenómeno porque no éramos conscientes de ello.

Aprovechar el calor

Como los urbanistas y arquitectos diseñaron la mayoría de los edificios modernos antes de que surgiera el cambio climático subterráneo, no diseñaron las estructuras para tolerar las variaciones de temperatura que experimentamos hoy en día. Aun así, a los edificios modernos les irá mejor que a las estructuras de épocas anteriores, como la Edad Media.

En Estados Unidos, todos los edificios son relativamente nuevos, explica Rotta Loria. Las ciudades europeas con edificios muy antiguos serán más susceptibles al cambio climático del subsuelo. Los edificios de piedra y ladrillo que recurren a prácticas de diseño y construcción del pasado suelen estar en un equilibrio muy delicado con las perturbaciones asociadas al funcionamiento actual de las ciudades. Las perturbaciones térmicas vinculadas a las islas de calor subsuperficiales pueden tener repercusiones perjudiciales para esas construcciones.

De cara al futuro, Rotta Loria afirma que las futuras estrategias de planificación deberían integrar tecnologías geotérmicas para recoger el calor residual y suministrarlo a los edificios para calefacción. Los planificadores también pueden instalar aislamiento térmico en los edificios nuevos y existentes para minimizar la cantidad de calor que penetra en el suelo.

El planteamiento más eficaz y racional es aislar las estructuras subterráneas de modo que la cantidad de calor desperdiciado sea mínima, afirma Rotta Loria. Si esto no puede hacerse, las tecnologías geotérmicas ofrecen la oportunidad de absorber y reutilizar eficazmente el calor en los edificios. Lo que no queremos es utilizar tecnologías para enfriar activamente estructuras subterráneas, porque eso consume energía. Actualmente hay infinidad de soluciones que pueden aplicarse.


Fuentes

Northwestern University | Rotta Loria, A.F. The silent impact of underground climate change on civil infrastructure. Commun Eng 2, 44 (2023). doi.org/10.1038/s44172-023-00092-1


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