Resiliens (teknik och konstruktion)
Inom områdena teknik och konstruktion är motståndskraft förmågan att absorbera eller undvika skador utan att drabbas av fullständigt misslyckande och är ett mål för design, underhåll och restaurering av byggnader och infrastruktur , såväl som samhällen. En mer omfattande definition är att det är förmågan att svara, absorbera och anpassa sig till, samt återhämta sig i en störande händelse. En motståndskraftig struktur/system/gemenskap förväntas kunna stå emot en extrem händelse med minimala skador och funktionsstörningar under evenemanget; efter händelsen bör den snabbt kunna återställa sin funktionalitet liknande eller till och med bättre än nivån före händelsen.
Begreppet resiliens härstammar från ingenjörskonsten och tillämpades sedan gradvis på andra områden. Det är relaterat till sårbarheten. Båda termerna är specifika för händelsestörningen, vilket betyder att ett system/infrastruktur/community kan vara mer sårbart eller mindre motståndskraftigt mot en händelse än en annan. De är dock inte samma sak. En uppenbar skillnad är att sårbarhet fokuserar på utvärdering av systemets känslighet i fasen före händelsen; resiliens betonar de dynamiska egenskaperna i faserna före, under och efter händelsen.
Resiliens är en mångfacetterad egenskap som omfattar fyra dimensioner: teknisk, organisation, social och ekonomisk. Därför kanske det inte är representativt att använda ett mått för att beskriva och kvantifiera resiliens. Inom teknik kännetecknas resiliens av fyra R: robusthet, redundans, påhittighet och snabbhet. Aktuella forskningsstudier har utvecklat olika sätt att kvantifiera resiliens från flera aspekter, såsom funktionalitets- och socioekonomiska aspekter.
Den byggda miljön behöver motståndskraft mot befintliga och framväxande hot som kraftiga vindstormar eller jordbävningar och skapa robusthet och redundans i byggnadsdesign. Nya implikationer av förändrade förutsättningar för effektiviteten av olika tillvägagångssätt för design och planering kan tas upp under följande termin.
Teknisk resiliens har inspirerat andra områden och påverkat hur de tolkar resiliens, t.ex. resiliens i försörjningskedjan .
Etymologi
Enligt ordboken betyder motståndskraft "förmågan att återhämta sig från svårigheter eller störningar." Roten till termen motståndskraft finns i det latinska uttrycket 'resilio' som betyder att gå tillbaka till ett tillstånd eller att springa tillbaka. På 1640-talet gav grundtermen en motståndskraft inom området för materialmekanik som "ett materials förmåga att absorbera energi när det är elastiskt deformerat och att frigöra den energin vid lossning". År 1824 hade termen utvecklats till att omfatta betydelsen av "elasticitet".
1800-talet
Thomas Tredgold var den första som introducerade begreppet resiliens 1818 i England. Termen användes för att beskriva en egenskap i träets styrka, eftersom balkar böjdes och deformerades för att bära tung belastning. Tredgold tyckte att virket var hållbart och brann inte lätt, trots att det planterades i dåliga jordförhållanden och utsatta klimat. Motståndskraften förfinades sedan av Mallett 1856 i förhållande till specifika materials förmåga att motstå specifika störningar. Dessa definitioner kan användas i teknisk resiliens på grund av tillämpningen av ett enda material som har en stabil jämviktsregim snarare än den komplexa adaptiva stabiliteten hos större system.
1900-talet
På 1970-talet studerade forskare resiliens i relation till barnpsykologi och exponeringen för vissa risker. Resiliens användes för att beskriva människor som har "förmågan att återhämta sig från motgångar." En av de många forskarna var professor Sir Michael Rutter, som var intresserad av en kombination av riskerfarenheter och deras relativa resultat.
I sin artikel Resilience and Stability of Ecological systems (1973) utforskade CS Holling först ämnet resiliens genom dess tillämpning på ekologiområdet. Ekologisk resiliens definierades som ett "mått på systemens uthållighet och på deras förmåga att absorbera förändringar och störningar och fortfarande upprätthålla samma relationer mellan tillståndsvariabler." Holling fann att ett sådant ramverk kan tillämpas på andra former av motståndskraft. Tillämpningen på ekosystem användes senare för att dra in andra sätt av mänskliga, kulturella och sociala tillämpningar. De slumpmässiga händelser som Holling beskrev är inte bara klimatmässiga, utan instabilitet till neutrala system kan uppstå genom påverkan av bränder, förändringar i skogssamhället eller fiskeprocessen. Stabilitet, å andra sidan, är förmågan hos ett system att återgå till ett jämviktstillstånd efter en tillfällig störning. Flera tillståndssystem snarare än objekt bör studeras eftersom världen är ett heterogent utrymme med olika biologiska, fysikaliska och kemiska egenskaper. Till skillnad från material- och teknisk resiliens fokuserar ekologisk och social resiliens på redundansen och uthålligheten hos multi-jämviktstillstånd för att upprätthålla existensen av funktion.
Teknisk motståndskraft
Teknisk motståndskraft hänvisar till funktionaliteten hos ett system i förhållande till riskreducering. Inom detta ramverk beräknas resiliens baserat på den tid det tar för ett system att återgå till en enda tillståndsjämvikt. Forskare vid MCEER (Multi-Hazard Earthquake Engineering Research Center) har identifierat fyra egenskaper hos motståndskraft: Robusthet, påhittighet, redundans och snabbhet.
- Robusthet : systemens förmåga att motstå en viss nivå av stress utan att drabbas av funktionsförlust.
- Resursförmåga: förmågan att identifiera problem och resurser när hot kan störa systemet.
- Redundans: förmågan att ha olika vägar i ett system genom vilka krafter kan överföras för att möjliggöra fortsatt funktion
- Snabbhet: förmågan att uppfylla prioriteringar och mål i tid för att förhindra förluster och framtida störningar.
Social-ekologisk resiliens
Social-ekologisk resiliens, även känd som adaptiv resiliens, är ett nytt koncept som flyttar fokus till att kombinera resiliensens sociala, ekologiska och tekniska domäner. Den adaptiva modellen fokuserar på den transformerbara kvaliteten hos ett systems stabila tillstånd. I adaptiva byggnader åtgärdas både kortsiktig och långsiktig motståndskraft för att säkerställa att systemet kan motstå störningar med social och fysisk kapacitet. Byggnader fungerar i flera skalor och förhållanden, därför är det viktigt att inse att ständiga förändringar i arkitekturen förväntas. Laboy och Fannon inser att motståndskraftsmodellen håller på att förändras och har tillämpat MCEERs fyra egenskaper hos motståndskraften på arkitekturens planering, design och drift. Istället för att använda fyra egenskaper för att beskriva motståndskraft, föreslår Laboy och Fannon en 6R-modell som lägger till återhämtning för en byggnads driftsfas och riskavvikelse för byggnadens planeringsfas. I planeringsfasen av en byggnad är platsval, byggnadsplacering och platsförhållanden avgörande för att undvika risker. Tidig planering kan hjälpa till att förbereda och designa för den byggda miljön utifrån krafter som vi förstår och uppfattar. I byggnadens driftfas markerar en störning inte slutet på motståndskraften, utan bör föreslå en återhämtningsplan för framtida anpassningar. Störningar bör användas som en möjlighet att lära sig att bedöma misstag och resultat och konfigurera om för framtida behov.
Ansökningar
Internationell byggregler
Den internationella byggnormen tillhandahåller minimikrav för byggnader som använder prestationsbaserade standarder. Den senaste International Building Code (IBC) släpptes 2018 av International Code Council (ICC), med fokus på standarder som skyddar folkhälsa, säkerhet och välfärd, utan att begränsa användningen av vissa byggmetoder. Koden adresserar flera kategorier, som uppdateras vart tredje år för att införliva ny teknik och förändringar. Byggregler är grundläggande för motståndskraften hos samhällen och deras byggnader, eftersom "Resiliens i den byggda miljön börjar med starka, regelbundet antagna och korrekt administrerade byggnormer" Fördelar uppstår på grund av antagandet av koder som National Institute of Building Sciences (NIBS) fann att antagandet av den internationella byggnadskoden ger en förmån på $11 för varje investerad $1.
International Code Council är fokuserat på att anta att samhällets byggnader stödjer samhällens motståndskraft inför katastrofer. Processen som presenteras av ICC inkluderar att förstå riskerna, identifiera strategier för riskerna och implementera dessa strategier. Riskerna varierar beroende på samhällen, geografi och andra faktorer. American Institute of Architects skapade en lista över chocker och påfrestningar som är relaterade till vissa samhällsegenskaper. Chocker är naturliga former av faror (översvämningar, jordbävningar), medan stress är mer kroniska händelser som kan utvecklas under en längre tid (överkomlighet, torka). Det är viktigt att förstå tillämpningen av fjädrande design på både stötar och spänningar eftersom byggnader kan bidra till deras upplösning. Även om IBC är en modellkod, antas den av olika stater och regeringar för att reglera specifika byggnadsområden. De flesta tillvägagångssätten för att minimera risker är organiserade kring byggnadens användning och beläggning. Dessutom bestäms säkerheten för en struktur av materialanvändning, ramar och strukturkrav kan ge en hög skyddsnivå för de åkande. Specifika krav och strategier tillhandahålls för varje chock eller stress som tsunamis, bränder och jordbävningar.
US Resiliency Council
US Resiliency Council (USRC), en ideell organisation, skapade USRC Rating-systemet som beskriver de förväntade effekterna av en naturkatastrof på nya och befintliga byggnader. Betyget tar hänsyn till byggnaden innan den används genom dess struktur, mekaniska-elektriska system och materialanvändning. För närvarande befinner sig programmet i sitt pilotskede och fokuserar främst på jordbävningsberedskap och motståndskraft. För jordbävningsrisker är betyget starkt beroende av de krav som ställs av byggreglerna för design. Byggnader kan få en av de två typerna av USRC-klassificeringssystem:
USRC Verified Rating System
Det verifierade betygssystemet används för marknadsförings- och reklamsyfte med hjälp av märken. Betyget är lätt att förstå, trovärdigt och transparent och delas ut av proffs. USRCs byggnadsklassificeringssystem betygsätter byggnader med stjärnor från en till fem stjärnor baserat på dimensionerna som används i deras system. De tre dimensionerna som USRC använder är säkerhet, skada och återställning. Säkerhet beskriver förebyggande av potentiell skada för människor efter en händelse. Skador beskriver den beräknade reparation som krävs på grund av byten och förluster. Återhämtningen beräknas utifrån den tid det tar för byggnaden att återfå funktion efter en chock. Följande typer av betygscertifiering kan uppnås:
- USRC Platinum: mindre än 5 % av förväntad skada
- USRC Gold: mindre än 10 % av förväntad skada
- USRC Silver: mindre än 20 % av förväntad skada
- USRC-certifierad: mindre än 40 % av förväntad skada
System för jordbävningsbyggnad kan erhållas genom riskbedömning och seismiska tester. Utöver den tekniska granskningen som tillhandahålls av USRC, gäller en CRP-seismisk analys för en USRC-klassificering med den nödvändiga dokumentationen. USRC planerar att skapa liknande standarder för andra naturliga faror som översvämningar, stormar och vindar.
USRC Transaction Rating System
Transaktionsklassificeringssystem ger en byggnad en rapport för riskexponering, eventuellt investeringar och förmåner. Denna klassificering förblir konfidentiell med USRC och används inte för att publicera eller marknadsföra byggnaden.
Nackdelar med USRC-klassificeringssystemet
På grund av det nuvarande fokuset på seismiska ingrepp tar USRC inte hänsyn till flera delar av en byggnad. USRC-byggnadsklassificeringssystemet tar inte hänsyn till eventuella ändringar av byggnadens design som kan inträffa efter att betyget tilldelas. Därför skulle ändringar som kan försvåra en byggnads motståndskraft inte påverka det betyg som byggnaden tilldelats. Dessutom kan ändringar i användningen av byggnaden efter certifiering inkludera användning av farliga material skulle inte påverka byggnadens klassificeringscertifiering. Skadeklassificeringen inkluderar inte skador orsakade av rörbrott, byggnadsuppgraderingar och skador på inredning. Återvinningsgraden inkluderar inte helt återställande av all byggnadsfunktion och alla skador utan endast ett visst belopp.
Programmet 100 Resilient Cities
2013 initierades The 100 Resilient Cities Program av Rockefeller Foundation , med målet att hjälpa städer att bli mer motståndskraftiga mot fysiska, sociala och ekonomiska chocker och påfrestningar. Programmet hjälper till att underlätta resiliensplanerna i städer runt om i världen genom tillgång till verktyg, finansiering och globala nätverkspartners som ARUP och AIA. Av 1 000 städer som ansökte om att gå med i programmet valdes endast 100 städer ut med utmaningar som sträckte sig från åldrande befolkningar, cyberattacker, svåra stormar och drogmissbruk.
Det finns många städer som är medlemmar i programmet, men i artikeln Building up resilience in city worldwide fokuserar Spaans och Waterhot på staden Rotterdam för att jämföra stadens motståndskraft före och efter deltagandet i programmet. Författarna fann att programmet breddar omfattningen och förbättrade Rotterdams resilienceplan genom att inkludera tillgång till vatten, data, ren luft, cyberrobusthet och säkert vatten. Programmet tar upp andra sociala påfrestningar som kan försvaga städernas motståndskraft som våld och arbetslöshet. Därför kan städer reflektera över sin nuvarande situation och planera för att anpassa sig till nya chocker och påfrestningar. Resultaten av artikeln kan stödja förståelsen av resiliens i en större urban skala som kräver ett integrerat tillvägagångssätt med samordning över flera statliga skalor, tidsskalor och fält. Förutom att integrera resiliens i byggnormer och byggnadscertifieringsprogram, erbjuder programmet 100 resilience Cities andra stödmöjligheter som kan bidra till att öka medvetenheten genom ideella organisationer.
Efter mer än sex år av tillväxt och förändring avslutades den befintliga organisationen 100 Resilient Cities den 31 juli 2019.
RELi betygssystem
RELi är ett designkriterie som används för att utveckla motståndskraft i flera skalor av den byggda miljön som byggnader, stadsdelar och infrastruktur. Det utvecklades av Institute for Market Transformation to Sustainability (MTS) för att hjälpa designers att planera för faror. RELi är väldigt lik LEED men med fokus på motståndskraft. RELi ägs nu av US Green Building Council (USGBC) och är tillgängligt för projekt som söker LEED-certifiering. Den första versionen av RELi släpptes 2014, den är för närvarande fortfarande i pilotfasen, utan poäng tilldelade för specifika poäng. RELi-ackreditering krävs inte, och användningen av kreditinformationen är frivillig. Det nuvarande poängsystemet återstår därför att fastställa och har inget påtagligt värde. RELi tillhandahåller en kreditkatalog som används som referensguide för byggnadsdesign och utökar RELis definition av motståndskraft enligt följande:
Resilient Design eftersträvar byggnader + samhällen som är stöttåliga, hälsosamma, anpassningsbara och regenerativa genom en kombination av mångfald, framsynthet och förmågan till självorganisering och lärande. Ett motståndskraftigt samhälle kan stå emot stötar och bygga upp sig själv när det behövs. Det kräver att människor omfamnar sin förmåga att förutse, planera och anpassa sig för framtiden.
RELi kreditkatalog
RELi-katalogen överväger flera skalor av interventioner med krav på ett panoramaperspektiv, riskanpassning och begränsning för akuta händelser och en omfattande anpassning och begränsning för nutid och framtid. RELis ramverk fokuserar starkt på sociala frågor för gemenskapsresiliens som att tillhandahålla gemenskapsutrymmen och organisationer. RELi kombinerar också specifika riskdesigner som översvämningsberedskap med allmänna strategier för energi- och vatteneffektivitet. Följande kategorier används för att organisera RELi-kreditlistan:
- Panoramasyn på planering, design, underhåll och drift
- Riskberedskap
- Anpassning och begränsning av faror
- Gemenskapens sammanhållning, social och ekonomisk vitalitet
- Produktivitet, hälsa och mångfald
- Energi, vatten, mat
- Material och artefakter
- Tillämpad kreativitet, innovation och utforskning
RELI-programmet kompletterar och utökar andra populära klassificeringssystem som LEED, Envision och Living Building Challenge. Katalogens menyformat tillåter användare att enkelt navigera i krediterna och känna igen de mål som uppnåtts av RELI. Hänvisningar till andra klassificeringssystem som har använts kan bidra till att öka medvetenheten om RELi och dess trovärdighet för dess användning. Referensen för varje kredit är listad i katalogen för enkel åtkomst.
LEED Pilot Credits
Under 2018 släpptes tre nya LEED-pilotkrediter för att öka medvetenheten om specifika naturkatastrofer och katastrofer orsakade av människor. Pilotkrediterna finns i kategorin Integrativ process och är tillämpliga på alla klassificeringssystem för byggnadsdesign och konstruktion.
- Den första poängen IPpc98: Assessment and Planning for Resilience , inkluderar en förutsättning för en riskbedömning av platsen. Det är avgörande att ta hänsyn till platsförhållandena och hur de förändras med variationer i klimatet. Projekt kan antingen välja att göra en klimatrelaterad riskplan eller fylla i planeringsformulär som presenteras av Röda Korset.
- Den andra poängen IPpc99: Assessment and Planning for Resilience, kräver att projekt prioriterar tre topprisker baserat på bedömningarna som gjordes i den första poängen. specifika begränsningsstrategier för varje fara måste identifieras och implementeras. Hänvisningar till andra motståndsprogram som USRC bör göras för att stödja valet av faror.
- Den tredje poängen IPpc100: Passive Survivability and Functionality Under Emergencies fokuserar på att upprätthålla beboeliga och funktionella förhållanden under en störning. Projekt kan demonstrera förmågan att tillhandahålla nödkraft för högprioriterade funktioner, kan upprätthålla beboeliga temperaturer under en viss tidsperiod och ge tillgång till vatten. För termiskt motstånd bör hänvisning till termisk modellering av komfortverktygets psykrometriska diagram göras för att stödja byggnadens termiska kvaliteter under en viss tid. När det gäller nödkraft måste reservkraften hålla baserat på de kritiska belastningarna och behoven för byggnadens användningstyp.
LEED-krediter överlappar med RELi-klassificeringssystem, USGBC har förfinat RELi för att bättre syntetisera med LEED-pilotkrediterna för motståndskraftig design.
Design baserad på klimatförändringar
Det är viktigt att bedöma aktuella klimatdata och design inför förändringar eller hot mot miljön. Resiliensplaner och passiva designstrategier kan skilja sig åt beroende på klimat som är för varmt. Här är allmänna klimatkänsliga designstrategier baserade på tre olika klimatförhållanden:
För blött
- Användning av naturliga lösningar: mangroveväxter och andra strandlinjeväxter kan fungera som barriärer mot översvämningar.
- Att skapa ett vallsystem: i områden med extrema översvämningar kan vallar integreras i stadslandskapet för att skydda byggnader.
- Genom att använda permeabel beläggning: porösa beläggningsytor absorberar avrinning på parkeringsplatser, vägar och trottoarer.
- Regnskördsmetoder: samla upp och lagra regnvatten för hushålls- eller landskapsändamål.
För torr
- Användning av torka-toleranta växter: spara vattenanvändning vid landskapsarkitektur
- Filtrering av avloppsvatten: återvinning av avloppsvatten för landskapsarkitektur eller toalettanvändning.
- Användning av gårdsplanen: minimera området som påverkas av solstrålning och använd vatten och växter för avdunstningskylning.
För het
- Användning av vegetation: Träd kan hjälpa till att kyla miljön genom att minska den urbana värmeöeffekten genom evapotranspiration.
- Användning av passiva solenergidesignstrategier: manövrerbara fönster och termisk massa kan kyla ner byggnaden naturligt.
- Fönsterskuggningsstrategier: kontrollera mängden solljus som kommer in i byggnaden för att minimera värmeökningen under dagen.
- Minska eller skugga externa intilliggande termiska massor som kommer att återstråla in i byggnaden (t.ex. asfaltläggare)
Design baserad på faror
Riskbedömning
Att fastställa och bedöma sårbarheter i den byggda miljön baserat på specifika platser är avgörande för att skapa en resiliensplan. Katastrofer leder till en lång rad konsekvenser som skadade byggnader, ekosystem och mänskliga förluster. Till exempel ledde jordbävningar som ägde rum i Wenchuan County 2008 till stora jordskred som flyttade hela stadsdelen som Old Beichuan. Här är några naturliga faror och potentiella strategier för resiliensbedömning.
Brand
- användning av brandklassade material
- tillhandahålla brandsäkra trapphus för evakuering
- universella flyktmetoder för att också hjälpa personer med funktionsnedsättning.
Orkaner
Det finns flera strategier för att skydda strukturer mot orkaner, baserat på vind- och regnbelastningar.
- Öppningar bör skyddas från flygande skräp
- Strukturer bör höjas från eventuellt vatteninträngning och översvämning
- Byggnader bör tätas med specifika spikmönster
- användning av material som metall, kakel eller murverk för att motstå vindbelastningar.
Jordbävningar
Jordbävningar kan också resultera i strukturella skador och kollaps av byggnader på grund av höga påfrestningar på byggnadsramar.
- Säkra apparater som värmare och möbler för att förhindra skador och bränder
- expansionsfogar bör användas i byggnadskonstruktioner för att svara på seismiska skakningar.
- skapa flexibla system med basisolering för att minimera påverkan
- tillhandahålla jordbävningsberedskapspaket med nödvändiga resurser under händelsen
Hållbarhet
Det är svårt att diskutera begreppen resiliens och hållbarhet i jämförelse på grund av de olika vetenskapliga definitioner som har använts inom området genom åren. Många policyer och akademiska publikationer om båda ämnena ger antingen sina egna definitioner av båda begreppen eller saknar en tydlig definition av vilken typ av motståndskraft de söker. Även om hållbarhet är ett väletablerat begrepp finns det generiska tolkningar av begreppet och dess fokus. Sanchez et al. föreslog en ny karaktärisering av termen "hållbar resiliens" som utökar den social-ekologiska resiliensen till att omfatta mer hållbara och långsiktiga tillvägagångssätt. Hållbar resiliens fokuserar inte bara på resultaten, utan också på processerna och policystrukturerna i implementeringen.
Båda koncepten delar väsentliga antaganden och mål som passiv överlevnadsförmåga och uthållighet av en systemdrift över tid och som svar på störningar. Det finns också ett gemensamt fokus på begränsning av klimatförändringar eftersom de båda förekommer i större ramar som byggnormer och byggnadscertifieringsprogram. Holling och Walker hävdar att "ett motståndskraftigt socioekologiskt system är synonymt med en region som är ekologisk, ekonomiskt och socialt hållbar." Andra forskare som Perrings säger att "en utvecklingsstrategi är inte hållbar om den inte är motståndskraftig." Därför är de två koncepten sammanflätade och kan inte vara framgångsrika individuellt eftersom de är beroende av varandra. Till exempel i RELi och i LEED och andra byggnadscertifieringar är det avgörande att ge tillgång till rent vatten och en energikälla före, under och efter en störning.
Vissa forskare hävdar att motståndskraft och hållbarhetstaktik riktar sig mot olika mål. Paula Melton hävdar att motståndskraft fokuserar på designen för oförutsägbar, medan hållbarhet fokuserar på de klimatkänsliga designerna. Vissa former av resiliens som adaptiv resiliens fokuserar på design som kan anpassas och förändras utifrån en chockhändelse, å andra sidan fokuserar hållbar design på system som är effektiva och optimerade.
Kvantifiering
Det första inflytelserika kvantitativa resiliensmåttet baserat på funktionalitetsåtervinningskurvan föreslogs av Bruneau et al., där resiliens kvantifieras som resiliensförlusten enligt följande.
där är funktionaliteten vid tidpunkten ; är tiden då händelsen inträffar; är den tidpunkt då funktionen återställs till fullo.
Resiliensförlusten är ett mått med endast positivt värde. Det har fördelen att det lätt kan generaliseras till olika strukturer, infrastrukturer och samhällen. Denna definition förutsätter att funktionaliteten är 100 % före händelsen och kommer så småningom att återställas till en full funktionalitet på 100 %. Detta kanske inte stämmer i praktiken. Ett system kan vara delvis funktionellt när en orkan slår till och kanske inte återhämtas helt på grund av oekonomisk kostnads-nyttoförhållande.
Resiliensindex är ett normaliserat mått mellan 0 och 1, beräknat från funktionsåtervinningskurvan.
där är funktionaliteten vid tidpunkten ; är tiden då händelsen inträffar; är tidshorisonten av intresse.