“Scudo” sismico, combattere i terremoti con metamateriali e modelli 3D

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Simulazione dell’effetto schermante di scudo sismico su una struttura schematizzata come un castello a quattro torri. L’onda sismica investe il castello collocato in basso nella figura, mentre essa viene assorbita e riflessa dal metamateriale a forma di croci, che protegge così il castello in alto nella figura.

I terremoti rappresentano uno degli eventi naturali più catastrofici che colpiscono l’umanità. Allo stato attuale resta ancora da proporre una strategia di mitigazione del rischio per gli eventi sismici universalmente accettata. La maggior parte degli approcci punta sull’isolamento delle strutture dalle vibrazioni piuttosto che sulla schermatura a distanza delle onde sismiche in arrivo.

Recentemente un gruppo di ricercatori ha proposto un nuovo approccio per affrontare il problema. In un articolo pubblicato recentemente sulla rivista New Journal of Physics, gli scienziati hanno analizzato la fattibilità di una strategia di isolamento passivo dalle onde sismiche basata sull’utilizzo di metamateriali meccanici di grande scala, analizzando simulazioni numeriche della propagazione di vari tipi di onde sismiche (di superficie e guidate), tenendo conto anche di effetti di dissipazione del suolo.

Cosa sono i metamateriali
I metamateriali — strutture artificiali che presentano straordinarie proprietà vibrazionali — potrebbero venire in soccorso delle zone minacciate dai terremoti. Il comportamento vibrazionale di questi materiali è fondamentalmente controllato dalla loro struttura, piuttosto che soltanto dai materiali di cui sono composti.

Simulazioni al computer per comprendere in che modo i metamateriali possono assorbire le vibrazioni
Lo studio effettuato dai ricercatori coinvolge simulazioni al computer dettagliate e mostra in che modo i metamateriali possono assorbire o riflettere l’energia delle vibrazioni più pericolose, ovvero a bassa frequenza, collegate con le scosse sismiche, attenuandone l’ampiezza.

Mentre tale concetto è già stato proposto in un numero limitato di pubblicazioni recenti, il lavoro condotto dai ricercatori rappresenta il primo studio realistico e completo sull’argomento. Sono state eseguite simulazioni 3D ed è stata presa in considerazione la struttura a strati del suolo (inclusi gli effetti viscoelastici) oltre ad effetti di risonanza locali.

Grandi strutture come ponti e grattacieli sono protetti ma cosa si può fare per gli edifici storici?
Attualmente le grandi strutture quali ponti e gli edifici come i grattacieli sono protetti contro i terremoti grazie all’utilizzo di strategie di isolamento dalle vibrazioni che prevedono sistemi installati nelle fondamenta. Tuttavia questi approcci sono impossibili da implementare su strutture esistenti come gli edifici storici e sono efficaci solo su una singola struttura.

La schermatura degli edifici vulnerabili attraverso l’impiego di “scudi” di metamateriali (materiali sintetici compositi che inibiscono la propagazione delle onde sismiche in arrivo attraverso effetti di interferenza) potrebbe contribuire a proteggere un’area molto più ampia senza alcuna modifica diretta agli edifici esistenti in essa.

Come viene realizzato uno scudo sismico?
La realizzazione più semplice di scudo sismico proposto dal team implica di scavare nel suolo 3-4 file di cavità a forma di croce spaziate opportunamente.

«Le dimensioni esatte dipenderanno dal tipo di suolo e dall’intervallo di frequenza dello scudo» scrive Marco Miniaci ricercatore presso l’Università di Torino e il LOMC (Laboratoire Ondes et Milieux complexes) dell’Università di Le Havre, Francia.

«In caso di suoli sabbiosi ed eccitazioni sismiche a bassa frequenza, la larghezza, la spaziatura e la profondità delle cavità (che dovrebbero essere rivestite di uno strato di calcestruzzo per impedire il collasso del terreno circostante), potrebbero raggiungere 10 metri» aggiunge il ricercatore.

Estendere le prestazioni della struttura protettiva
Per estendere le prestazioni della struttura protettiva, i ricercatori propongono di aggiungere un numero di cavità cilindriche risonanti più piccole di circa 2 m di diametro. Inoltre possono essere eseguite ulteriori modifiche. Riducendo le dimensioni e spaziatura delle cavità le proprietà dello scudo potrebbero essere indirizzate verso problemi simili che si verificano a frequenze più elevate.

Scenari
Gli scenari includono la prevenzione delle vibrazioni in prossimità delle reti ferroviarie ad alta velocità o linee tranviarie. La protezione contro le esplosioni potrebbe essere un’altra potenziale applicazione.

«I prossimi passi dovrebbero implicare l’esecuzione di prove sperimentali attraverso l’utilizzo di modelli in scala presso laboratori specializzati nel settore della geotecnica sismica e nell’analisi delle vibrazioni» scrive Miniaci. «Questo potrebbe fornire una convalida aggiuntiva delle strutture proposte e aiutare a portare ad ulteriori passi avanti in questo settore».

Al progetto partecipano altri ricercatori: Anastasiia Krushynska e Federico Bosia dell’Università di Torino, Nicola Pugno dell’Università di Trento, della FBK (Fondazione Bruno Kessler) Trento e della Queen Mary University of London.

lswn.it

“Scudo” sismico, combattere i terremoti con metamateriali e modelli 3D ultima modifica: 2016-08-30T14:11:50+00:00 da Richard
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Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)