Metamaterials could mitigate earthquake effects / I metamateriali potrebbero mitigare gli effetti del terremoto.
Large-scale metamaterials can attenuate the energy and amplitude of harmful low-frequency vibrations associated with seismic shocks.
This is the conclusion of a European study published in the New Journal of Physics that proposes the use of metamaterials in regions threatened by earthquakes.
The metamaterials in question are artificial structures that exhibit extraordinary vibrational properties and the study, carried out by a team using detailed computer simulations, shows that large-scale metamaterials can attenuate the energy and amplitude of the low-frequency vibrations that earthquakes deliver.
Many large, modern structures including bridges and office blocks are protected against earthquakes through vibration isolation strategies that can be difficult to implement retrospectively, especially in historical buildings, and only apply locally.
Shielding vulnerable structures using large-scale metamaterials – which inhibit the propagation of incoming seismic waves through interference effects – could help to protect a much wider area without any direct modification to existing buildings in the region.
One of the simplest and most effective seismic shields proposed by the team involves digging 2-3 rows of equally spaced cross-shaped cavities in the ground.
“The exact dimensions will depend on the soil type and the frequency range of the shield,” said Marco Miniaci of the Universities of Torino and Le Havre. “For sandy conditions and low-frequency seismic excitations, the width, spacing and depth of the cavities, which should be lined with concrete to prevent the surrounding soil from collapsing, could reach 10m.”
To extend the performance of the protective structure, the group proposes adding a number of smaller cylindrical cavities measuring 2m in diameter. There are other tweaks that can be applied too. By scaling down the size of the array, the shield’s properties could be redirected towards similar problems occurring at higher frequency ranges. Scenarios include vibration prevention in the vicinity of high-speed train networks or heavy tramways. Blast protection could be another potential application.
“The next steps should involve experimental tests using scaled models in specialized geotechnical seismic and vibration labs,” said Miniaci. “This would provide further validation of the proposed structures and help to build on earlier work in the field.”
Other researchers contributing to the project include Anastasiia Krushynska and Federico Bosia of the University of Torino, and Nicola Pugno of the University of Trento, FBK Trento and Queen Mary University of London.
ITALIANO
i metamateriali su larga scala in grado di attenuare l'energia e l'ampiezza delle vibrazioni a bassa frequenza di pericolosità elevata associate a scosse sismiche.
Questa è la conclusione di uno studio europeo pubblicato sul New Journal of Physics, che propone l'uso di metamateriali in regioni minacciate dai terremoti.
I metamateriali in questione sono strutture artificiali che presentano straordinarie proprietà vibrazionali e lo studio, effettuato da un gruppo utilizzando simulazioni dettagliate di computer, mostra che i metamateriali su larga scala possono attenuare l'energia e l'ampiezza delle vibrazioni a bassa frequenza che i terremoti sono in grado di produrre.
Molte grandi strutture moderne, tra cui ponti e blocchi di uffici sono protetti contro i terremoti attraverso strategie di isolamento delle vibrazioni che possono essere difficili da implementare in modo retrospettivo, specialmente in edifici storici, e si applicano solo a livello locale.
La schermatura delle strutture vulnerabili utilizzando i metamateriali su larga scala - che inibiscono la propagazione delle onde sismiche in arrivo attraverso effetti di interferenza - potrebbe aiutare a proteggere una zona molto più ampia, senza alcuna modifica diretta di edifici esistenti nella regione.
Uno dei più semplici ed efficaci scudi alle onde sismiche proposte dal gruppo comporta lo scavo di 2-3 file di cavità a forma trasversali equispaziate nel terreno.
"Le dimensioni esatte dipenderanno dal tipo di terreno e dalla gamma di frequenza dello scudo", ha detto Marco Miniaci delle Università di Torino e Le Havre. "Per le condizioni di sabbia e eccitazioni sismiche a bassa frequenza, la larghezza, la spaziatura e la profondità delle cavità, che dovrebbe essere rivestito di cemento per evitare che il terreno circostante possa, potrebbe raggiungere 10 m."
Per estendere le prestazioni del dispositivo di protezione, il gruppo propone di aggiungere una pluralità di cavità cilindriche minori di misura 2 m di diametro. Ci sono altre modifiche che possono essere anche applicate. Con la riduzione delle dimensioni della matrice, le proprietà della schermatura potrebbe essere reindirizzate verso problemi simili quando si verificano a intervalli di frequenza più elevate. Gli scenari comprendono la prevenzione vibrante in prossimità delle reti di treni ad alta velocità o tram pesanti. La protezione di Blast potrebbe essere un altro potenziale applicazione.
"I prossimi passi dovrebbero coinvolgere prove sperimentali utilizzando modelli in scala in geotecnici laboratori sismici e vibrazioni specializzati", ha detto Miniaci. "Ciò fornirebbe un'ulteriore conferma delle strutture proposte e contribuire a costruire su precedenti lavori sul campo."
Altri ricercatori che contribuiscono al progetto includono Anastasiia Krushynska e Federico Bosia dell'Università degli Studi di Torino, e Nicola Pugno dell'Università degli Studi di Trento, Fondazione Bruno Kessler di Trento e Queen Mary University di Londra.
Da:
http://www.theengineer.co.uk/metamaterials-could-mitigate-earthquake-effects/?cmpid=tenews_2574765
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