Immagine tratta da un video di simulazione dell'effetto di onde sismiche su metamateriali

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METAMATERIALI: POTRANNO AIUTARCI A DIFENDERCI DAI TERREMOTI?

Gruppo di ricerca internazionale al lavoro per progettare scudi sismici. Intervista a Nicola Pugno

10 novembre 2016
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Daniela Costantini
di Daniela Costantini
Lavora presso la Divisione Comunicazione ed Eventi dell’Università di Trento.

Recentemente un gruppo di ricercatori – costituito da Nicola Pugno, professore ordinario di Scienza delle Costruzioni e fondatore del Laboratorio di nanomeccanica bio-ispirata e grafene nel Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica dell’Università di Trento. È inoltre responsabile scientifico dei nanocomposti a base grafene per la Fondazione Bruno Kessler di Trento, membro del Comitato tecnico e scientifico dell’Agenzia Spaziale Italiana e professore di Scienza dei materiali alla Queen Mary University of London, da Federico Bosia, Anastasiia Krushynska e Marco Miniaci (Università di Torino) – ha proposto un nuovo approccio per affrontare il problema legato alla prevenzione dei terremoti. In un articolo pubblicato 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 a 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.

Professor Pugno, cosa sono i metamateriali e come funzionano?

I metamateriali sono materiali strutturati, che a grande scala diventano vere e proprie “metastrutture”, con proprietà vibrazionali straordinarie, tra le quali la capacità di riflettere, ridirezionare e assorbire le onde elastiche. La caratteristica peculiare è data dalla loro geometria: il Nicola Pugnocomportamento vibrazionale di un metamateriale è fondamentalmente controllato dalla sua struttura interna, anziché direttamente dalla sua composizione chimica.

Qual è l'obiettivo del progetto del gruppo di ricerca di cui fa parte?

Il nostro gruppo di ricerca sta lavorando alla frontiera della meccanica in diversi campi e a svariate scale dimensionali, dalla scala nanoscopica a quella macroscopica. Questo progetto specifico si inquadra nella dinamica di materiali e strutture macroscopiche, al fine di dare un contributo alla società sulla protezione dai terremoti, argomento oggi molto sentito non solo in Italia.

Come viene realizzato uno scudo sismico?

Gli scudi sismici costituiti da metamateriali sono creati con strutture composite, che inibiscono la propagazione delle onde sismiche in arrivo attraverso effetti di interferenza e potrebbero essere impiegati come "schermatura" di edifici vulnerabili, quindi senza alcuna modifica diretta degli stessi. Lo scudo sismico potrebbe quindi rappresentare una grande innovazione:  in sinergia con le tecniche attualmente utilizzate, permetterebbe di essere applicata a più edifici e strutture storiche senza modificarle e quindi non soltanto a nuove costruzioni come gli approcci tradizionali. 
Il team ha utilizzato la modellazione non lineare numerica 3D per dimostrare il potenziale protettivo degli scudi, inserendo differenti sottostrutture – in forme diverse e con diverse fasi – in tre o più file di cavità, per esempio a forma di croce, spaziate opportunamente e scavate per una decina di metri nel terreno attorno alla zona da schermare. Nei test in silico, gli scudi sono risultati essere significativamente efficaci nel deflettere le onde sismiche, riducendo sensibilmente la magnitudo percepita (di circa un grado per fila), e nell’attenuare sia onde di volume che di superficie.

Quali sono gli ambiti di applicazione e gli scenari d'uso di uno scudo sismico?

Oltre all’ingegneria sismica, queste strutture possono essere utilizzate in moltissimi altri ambiti. La loro funzione primaria è quella di proteggere una costruzione contro le onde elastiche, anche quelle a frequenze più elevate; quindi, ad esempio, potrebbero essere impiegate nello smorzamento di vibrazioni nelle linee ferroviarie ad alta velocità o linee tranviarie, oppure nella creazione di un efficace schermo protettivo contro le esplosioni. I prossimi passi del nostro progetto dovrebbero implicare l’esecuzione di prove sperimentali attraverso utilizzo di modelli a grande scala, presso laboratori specializzati nel settore della sismica e nell’analisi delle vibrazioni, per poter raggiungere ulteriori progressi e risultati in questo settore.