Couches géologiques sous le Chicago Loop. Crédit : Alessandro Rotta Loria/Northwestern University
Première étude visant à quantifier les effets du changement climatique sous la surface sur les infrastructures civiles.
Un « danger silencieux » se cache sous nos grandes villes mondiales, et nos bâtiments n’ont pas été conçus pour y faire face.
Une nouvelle étude de l’université Northwestern a, pour la première fois, établi un lien entre le changement climatique souterrain et les mouvements du sol sous les zones urbaines. En se réchauffant, le sol se déforme. Ce phénomène entraîne des mouvements excessifs des fondations des bâtiments et du sol environnant (en raison des dilatations et des contractions), voire des fissures, ce qui affecte en fin de compte les performances opérationnelles et la durabilité à long terme des structures. Les chercheurs signalent également que les dommages subis par les bâtiments dans le passé pourraient avoir été causés par cette hausse des températures et s’attendent à ce que ces problèmes perdurent dans les années à venir.
Températures au sol mesurées dans la boucle de Chicago. Crédit : Alessandro Rotta Loria/Northwestern University
Bien que la hausse des températures constitue une menace pour nos infrastructures, les chercheurs la considèrent également comme une opportunité potentielle. En captant la chaleur résiduelle émise sous terre par les systèmes de transport souterrains, les parkings et les sous-sols, les urbanistes pourraient atténuer les effets du changement climatique souterrain et réutiliser cette chaleur pour en faire une ressource d’énergie thermique inexploitée.
L’étude sera publiée aujourd’hui (11 juillet) dans Communications Engineering, une revue du portefeuille de la nature. Il s’agit de la première étude à quantifier les déformations du sol causées par les îlots de chaleur souterrains et leurs effets sur les infrastructures civiles.
« Le changement climatique souterrain est un danger silencieux », a déclaré Alessandro Rotta Loria, de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Le sol se déforme sous l’effet des variations de température, et aucune structure ou infrastructure civile existante n’est conçue pour résister à ces variations. Bien que ce phénomène ne soit pas nécessairement dangereux pour la sécurité des personnes, il affectera les opérations quotidiennes normales des systèmes de fondation et de l’infrastructure civile en général.
Anjali Naidu Thota, étudiante en doctorat à la Northwestern University, fixe un capteur de température sur un tuyau dans un sous-sol sous le Chicago Loop. Crédit : Northwestern University
« L’argile de Chicago peut se contracter sous l’effet de la chaleur, comme beaucoup d’autres sols à grains fins. En raison de l’augmentation de la température dans le sous-sol, de nombreuses fondations du centre-ville subissent un tassement indésirable, lentement mais continuellement. En d’autres termes, il n’est pas nécessaire de vivre à Venise pour vivre dans une ville qui s’enfonce – même si les causes de ces phénomènes sont complètement différentes. »
Rotta Loria est professeur adjoint d’ingénierie civile et environnementale à la McCormick School of Engineering de Northwestern.
Qu’est-ce que le changement climatique souterrain ?
Dans de nombreuses zones urbaines du monde entier, la chaleur se diffuse continuellement à partir des bâtiments et des transports souterrains, entraînant un réchauffement du sol à une vitesse alarmante. Des chercheurs ont déjà constaté que le sous-sol peu profond des villes se réchauffe de 0,1 à 2,5 degrés Celsius par décennie.
Connu sous le nom de « changement climatique souterrain » ou d' »îlots de chaleur souterrains », ce phénomène est connu pour causer des problèmes écologiques (tels que la contamination des eaux souterraines) et des problèmes de santé (notamment l’asthme et les coups de chaleur). Mais jusqu’à présent, l’effet du changement climatique souterrain sur les infrastructures civiles n’a pas fait l’objet d’études et a été mal compris.
Vue rapprochée d’un des capteurs de température dans un sous-sol sous le Chicago Loop. Crédit : Northwestern University
« Si l’on pense aux sous-sols, aux parkings, aux tunnels et aux trains, toutes ces installations émettent continuellement de la chaleur », a déclaré Rotta Loria. « En général, les villes sont plus chaudes que les zones rurales parce que les matériaux de construction piègent périodiquement la chaleur dérivée de l’activité humaine et du rayonnement solaire, puis la libèrent dans l’atmosphère. Ce processus est étudié depuis des décennies. Aujourd’hui, nous nous intéressons à son pendant souterrain, qui est principalement dû à l’activité anthropogénique. »
Sommaire
Chicago, un laboratoire vivant
Ces dernières années, Rotta Loria et son équipe ont installé un réseau sans fil de plus de 150 capteurs de température dans la boucle de Chicago, en surface et en sous-sol. Ils ont notamment placé des capteurs dans les sous-sols des bâtiments, les tunnels du métro, les parkings souterrains et les rues souterraines comme Lower Wacker Drive. À titre de comparaison, l’équipe a également enterré des capteurs dans Grant Park, un espace vert situé le long du lac Michigan, loin des bâtiments et des systèmes de transport souterrains.
Un smartphone reçoit les données des capteurs de température souterrains. Crédit : Northwestern University
Les données du réseau de détection sans fil indiquent que les températures souterraines sous le Loop sont souvent 10 degrés plus élevées que les températures sous Grant Park. La température de l’air dans les structures souterraines peut être jusqu’à 25 degrés plus élevée que la température du sol non perturbé. Lorsque la chaleur se diffuse vers le sol, elle exerce une pression importante sur les matériaux qui se dilatent et se contractent en fonction des changements de température.
« Nous avons utilisé Chicago comme laboratoire vivant, mais le changement climatique souterrain est commun à presque toutes les zones urbaines denses dans le monde », a déclaré Rotta Loria. « Et toutes les zones urbaines qui souffrent du changement climatique souterrain sont susceptibles d’avoir des problèmes d’infrastructure.
Lentement en train de sombrer
Après avoir collecté des données de température pendant trois ans, Rotta Loria a construit un modèle informatique en 3D pour simuler l’évolution des températures du sol de 1951 (année où Chicago a achevé ses tunnels de métro) à aujourd’hui. Il a trouvé des valeurs conformes à celles mesurées sur le terrain et a utilisé la simulation pour prédire l’évolution des températures jusqu’en 2051.
Rotta Loria a également modélisé la déformation du sol en réponse à l’augmentation des températures. Alors que certains matériaux (argile molle et rigide) se contractent sous l’effet de la chaleur, d’autres matériaux (argile dure, sable et calcaire) se dilatent.
Rendu 3D de la boucle de Chicago. Des points de couleur marquent l’emplacement des capteurs de température. Crédit : Alessandro Rotta Loria/Northwestern University
D’après les simulations, les températures plus élevées peuvent entraîner un gonflement et une expansion du sol vers le haut pouvant atteindre 12 millimètres. Elles peuvent également provoquer une contraction du sol et un enfoncement vers le bas – sous le poids d’un bâtiment – de l’ordre de 8 millimètres. Bien que cela semble subtil et imperceptible pour l’homme, la variation est plus importante que ce que de nombreux éléments de construction et systèmes de fondation peuvent supporter sans compromettre leurs exigences opérationnelles.
« Sur la base de nos simulations informatiques, nous avons montré que les déformations du sol peuvent être si importantes qu’elles entraînent des problèmes de performance des infrastructures civiles », a déclaré M. Rotta Loria. « Ce n’est pas comme si un bâtiment s’effondrait soudainement. Les choses s’enfoncent très lentement. Les conséquences pour la viabilité des structures et des infrastructures peuvent être très graves, mais il faut beaucoup de temps pour les voir. Il est très probable que le changement climatique souterrain ait déjà provoqué des fissures et des tassements excessifs des fondations que nous n’avons pas associés à ce phénomène parce que nous n’en étions pas conscients. »
Récupérer la chaleur
Comme les urbanistes et les architectes ont conçu la plupart des bâtiments modernes avant l’apparition du changement climatique souterrain, ils n’ont pas conçu les structures pour tolérer les variations de température que nous connaissons aujourd’hui. Néanmoins, les bâtiments modernes s’en sortiront mieux que les structures datant d’époques antérieures, comme le Moyen-Âge.
« Aux États-Unis, les bâtiments sont tous relativement récents », explique Mme Rotta Loria. « Les villes européennes dont les bâtiments sont très anciens seront plus sensibles aux changements climatiques souterrains. Les bâtiments en pierre et en brique qui ont recours à des pratiques de conception et de construction anciennes sont généralement en équilibre très fragile avec les perturbations liées au fonctionnement actuel des villes. Les perturbations thermiques liées aux îlots de chaleur souterrains peuvent avoir des effets néfastes sur ces constructions ».
Le professeur Alessandro Rotta Loria et sa doctorante Anjali Naidu Thota placent des capteurs de température dans le sous-sol de Chicago. Crédit : Annie Speicher/Media & ; Technology Innovation/Northwestern University
Selon Mme Rotta Loria, les futures stratégies de planification devraient intégrer des technologies géothermiques pour récupérer la chaleur résiduelle et l’acheminer vers les bâtiments pour le chauffage des locaux. Les planificateurs peuvent également installer une isolation thermique sur les bâtiments nouveaux et existants afin de minimiser la quantité de chaleur qui pénètre dans le sol.
« L’approche la plus efficace et la plus rationnelle consiste à isoler les structures souterraines de manière à minimiser la quantité de chaleur perdue », a déclaré Mme Rotta Loria. « Si cela n’est pas possible, les technologies géothermiques offrent la possibilité d’absorber et de réutiliser efficacement la chaleur dans les bâtiments. Ce que nous ne voulons pas, c’est utiliser des technologies pour refroidir activement les structures souterraines, car cela consomme de l’énergie. Actuellement, il existe une myriade de solutions qui peuvent être mises en œuvre ».
Référence : « The silent impact of underground climate change on civil infrastructure » par Alessandro F. Rotta Loria, 11 juillet 2023, Communications Engineering.
DOI: 10.1038/s44172-023-00092-1
L’étude a été soutenue par la National Science Foundation (numéro de subvention 2046586). Le réseau de détection sans fil à la base de ce travail, qui sert également de laboratoire vivant pour un cours enseigné par Rotta Loria, a été partiellement soutenu par la Murphy Society et l’Alumnae of Northwestern University.