Struttura e proprietà della materia, Nanoscienze

Scudi anti-terremoto grazie ai metamateriali

Gli scudi sismici sfruttano le proprietà dei metamateriali per proteggere edifici e aree estese. Federico Bosia dell’Università di Torino e Nicola Pugno dell’Università di Trento raccontano il loro studio

Negli anni ’90 il fisico John Pendry era stato contattato da un’azienda che produceva materiali a base di fibre di carbonio per tecnologie “stealth”, che assorbivano le onde radio dei radar. Pendry scoprì che le proprietà di questi materiali erano legate alla loro microstruttura piuttosto che alle loro proprietà fisicochimiche. Sfruttando questa scoperta, Pendry propose in seguito applicazioni quali i dispositivi di occultamento (tipo mantello dell’invisibilità), contribuendo a far nascere e a sviluppare il campo dei metamateriali - materiali strutturati artificiali che permettono di manipolare le onde elettromagnetiche attraverso effetti di interferenza.
In seguito è stato osservato che effetti simili emergono anche ad altre frequenze e per altri tipi di onde come quelle elastiche, variando le dimensioni, la topologia della struttura dei metamateriali e la loro rigidezza. Recentemente, è stato proposto di applicare questa tecnologia anche alle onde sismiche, che sono onde elastiche con lunghezze d’onda di centinaia di metri o chilometri.

In un nostro studio pubblicato recentemente sulla rivista New Journal of Physics, insieme ai colleghi Marco Miniaci di Le Havre e Anastasiia Krushynska di Torino, abbiamo analizzato la fattibilità di “scudi sismici” basati sull’utilizzo di metamateriali “macrostrutturati”, per la protezione di singoli edifici o anche aree estese, tramite una schermatura delle onde sismiche. Questa strategia sarebbe sinergica con le tecniche attualmente utilizzate, che puntano sull’isolamento delle strutture dalle vibrazioni tramite smorzatori, tipicamente installati nelle fondamenta, e applicabili solo a edifici di nuova costruzione.
Lo studio si basa su simulazioni numeriche di propagazione di onde di superficie e di volume nella struttura a strati del suolo viscoelastico e quantifica come i metamateriali possano assorbire o riflettere l’energia delle vibrazioni più pericolose delle scosse sismiche, alle basse frequenze, attenuandone sensibilmente l’ampiezza. Il lavoro rappresenta il primo studio realistico e generale sull’argomento.
Un esempio di realizzazione di scudo sismico sarebbe costituito dallo scavo nel suolo di tre o quattro file di cavità a forma di croce spaziate opportunamente. Nel caso di suoli sabbiosi ed eccitazioni sismiche a bassa frequenza, la larghezza, la spaziatura e la profondità delle cavità (rivestite di uno strato di calcestruzzo per impedire il collasso del terreno circostante) si aggirerebbe intorno ai dieci metri, a cui potrebbero essere aggiunte delle cavità cilindriche risonanti più piccole di circa due metri di diametro, per rendere la schermatura più efficace. Si potrebbero deflettere le onde sismiche riducendo sensibilmente la magnitudo percepita fin sotto la soglia critica corrispondente all’incolumità degli edifici e quindi della popolazione, proteggendosi meglio dai terremoti.

La versione integrale dell’articolo è stata pubblicata l'08/09/2016 su "Origami", settimanale de La Stampa.


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autore

Federico Bosia
Dipartimento

Fisica
Pubblicato il

28 Settembre 2016

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