Mai aver paura. Se non sei pronto per vivere in una casa a forma di pallone da calcio, resistente ai terremoti e che galleggia sull'acqua, potresti avere altre opzioni tra le mani. © Yuriko Nakao/Reuters/Corbis L'età del bronzo ha visto l'ascesa di diverse civiltà di successo, compresi alcuni che sono riusciti a costruire città impressionanti con griglie ordinate e sofisticate tubature. Ora, gli scienziati pensano che l'attività tettonica possa aver contribuito alla scomparsa di alcune di queste antiche culture. Per esempio, la ricerca condotta nella città di Megiddo (ora parte dell'attuale Israele) suggerisce che un forte terremoto potrebbe aver devastato la città, che porta agli strati simili a sandwich trovati negli scavi. E una serie di terremoti potrebbe aver abbattuto la civiltà Harappa (in quello che oggi è il Pakistan), che scomparve improvvisamente nel 1900 a.E.V.
Oggi siamo altrettanto suscettibili alle conseguenze di potenti terremoti. Quando esposto alle improvvise forze laterali prodotte dalle onde sismiche, anche edifici e ponti moderni possono cedere completamente e crollare, schiacciando le persone dentro, sopra e intorno a loro. Se qualcosa, il problema è peggiorato man mano che sempre più persone vivono in ambienti urbani e le strutture sono cresciute. Per fortuna, negli ultimi decenni, architetti e ingegneri hanno ideato una serie di tecnologie intelligenti per garantire che case, le unità abitative ei grattacieli si piegano ma non si rompono. Di conseguenza, gli abitanti dell'edificio possono uscire illesi e iniziare a raccogliere i pezzi.
Nelle prossime pagine, abbiamo assemblato 10 di queste tecnologie anti-terreni. Alcuni sono in circolazione da diversi anni. Altri, come il primo elemento del nostro conto alla rovescia, sono idee relativamente nuove che sono ancora in fase di sperimentazione.
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Si è scoperto che il vecchio Utah State Capitol era vulnerabile a un terremoto moderato, quindi si è impadronito del proprio sistema di isolamento della base, che è stato completato nel 2007. iStockphoto/Thinkstock Ingegneri e sismologi hanno favorito per anni l'isolamento delle basi come mezzo per proteggere gli edifici durante un terremoto. Come suggerisce il nome, questo concetto si basa sulla separazione della sottostruttura di un edificio dalla sua sovrastruttura. Uno di questi sistemi prevede il galleggiamento di un edificio sopra le sue fondamenta su cuscinetti di gomma al piombo, che contengono un solido nucleo di piombo avvolto in strati alternati di gomma e acciaio. Piastre d'acciaio fissano i cuscinetti all'edificio e alle sue fondamenta e poi, quando un terremoto colpisce, consentire alla fondazione di muoversi senza spostare la struttura sopra di essa.
Ora alcuni ingegneri giapponesi hanno portato l'isolamento della base a un nuovo livello. Il loro sistema in realtà fa levitare un edificio su un cuscino d'aria. Ecco come funziona:i sensori sull'edificio rilevano l'attività sismica rivelatrice di un terremoto. La rete di sensori comunica con un compressore d'aria, quale, entro mezzo secondo dall'avviso, forza l'aria tra l'edificio e le sue fondamenta. Il cuscino d'aria solleva la struttura fino a 1,18 pollici (3 centimetri) da terra, isolandolo dalle forze che potrebbero dilaniarlo. Quando il terremoto si placherà, il compressore si spegne, e l'edificio torna alle fondamenta. L'unica cosa che manca è la sigla del "Greatest American Hero".
Gli ammortizzatori non sono solo per le auto. Se stavi facendo il lancio con il paracadute di Coney Island ai tempi, saresti stato contento di vedere gli ammortizzatori appoggiati in basso, pronto ad addolcire il tuo atterraggio. iStockphoto/Thinkstock Un'altra tecnologia collaudata per aiutare gli edifici a resistere ai terremoti prende spunto dall'industria automobilistica. Hai familiarità con il ammortizzatore - il dispositivo che controlla il movimento indesiderato della molla nella tua auto. Gli ammortizzatori rallentano e riducono l'entità dei movimenti vibratori trasformando l'energia cinetica della sospensione che rimbalza in energia termica che può essere dissipata attraverso il fluido idraulico. In fisica, questo è noto come smorzamento , ecco perché alcune persone si riferiscono agli ammortizzatori come ammortizzatori.
Risulta che gli ammortizzatori possono essere utili quando si progettano edifici resistenti ai terremoti. Gli ingegneri generalmente posizionano gli ammortizzatori ad ogni livello di un edificio, con un'estremità attaccata a una colonna e l'altra estremità attaccata a una trave. Ogni ammortizzatore è costituito da una testa del pistone che si muove all'interno di un cilindro riempito di olio di silicone. Quando un terremoto colpisce, il movimento orizzontale dell'edificio fa sì che il pistone di ogni ammortizzatore spinga contro l'olio, trasformare l'energia meccanica del terremoto in calore.
Il mass damper accordato al Taipei 101 a Taiwan © Victor Fraile/Corbis Lo smorzamento può assumere molte forme. Un'altra soluzione, soprattutto per i grattacieli, comporta la sospensione di una massa enorme vicino alla sommità della struttura. I cavi d'acciaio sostengono la massa, mentre gli ammortizzatori a fluido viscoso si trovano tra la massa e l'edificio che sta cercando di proteggere. Quando l'attività sismica fa oscillare l'edificio, il pendolo si muove nella direzione opposta, dissipando l'energia.
Gli ingegneri si riferiscono a tali sistemi come smorzatori di massa sintonizzati perché ogni pendolo è sintonizzato con precisione sulla frequenza vibrazionale naturale di una struttura. Se il movimento del suolo fa oscillare un edificio alla sua frequenza di risonanza, l'edificio vibrerà con una grande quantità di energia e probabilmente subirà danni. Il compito di uno smorzatore di massa accordato è contrastare la risonanza e ridurre al minimo la risposta dinamica della struttura.
Taiwan 101, che si riferisce al numero di piani in 1, Grattacielo alto 667 piedi (508 metri), utilizza uno smorzatore di massa accordato per ridurre al minimo gli effetti vibrazionali associati a terremoti e forti venti. Il cuore del sistema è un 730 tonnellate (660 tonnellate metriche), sfera color oro sospesa da otto cavi d'acciaio. È il mass damper sintonizzato più grande e pesante al mondo.
Sai come si brucia un fusibile elettrico se è sovraccarico? Gli ingegneri stanno cercando di incorporare questo concetto nell'impermeabilizzazione degli edifici. iStock/Thinkstock Nel mondo dell'elettricità, un fusibile fornisce protezione fallendo se la corrente in un circuito supera un certo livello. Questo interrompe il flusso di elettricità e previene il surriscaldamento e gli incendi. Dopo l'incidente, è sufficiente sostituire il fusibile e ripristinare il sistema alla normalità.
I ricercatori della Stanford University e dell'Università dell'Illinois hanno sperimentato un concetto simile nel tentativo di costruire un edificio resistente ai terremoti. Chiamano la loro idea a sistema di oscillazione controllato perché i telai in acciaio che compongono la struttura sono elastici e lasciati oscillare sopra la fondazione. Ma di per sé non sarebbe una soluzione ideale.
Oltre ai telai in acciaio, i ricercatori hanno introdotto cavi verticali che ancorano la parte superiore di ciascun telaio alla fondazione e limitano il movimento di oscillazione. Non solo quello, i cavi hanno una capacità autocentrante, il che significa che possono tirare l'intera struttura in posizione verticale quando lo scuotimento si ferma. I componenti finali sono i fusibili in acciaio sostituibili posti tra due telai o alle basi delle colonne. I denti metallici dei fusibili assorbono l'energia sismica mentre l'edificio oscilla. Se "soffiano" durante un terremoto, possono essere sostituiti in modo relativamente rapido ed economico per riportare l'edificio al suo originale, forma di taglio del nastro.
Un edificio a quattro piani con struttura in legno è stato testato nelle condizioni di una serie di terremoti storici utilizzando la più grande tavola vibrante all'aperto del mondo dai ricercatori dell'Università di San Diego in California il 17 agosto. 2013. © Mike Blake/Reuters/Corbis In molti grattacieli moderni, gli ingegneri utilizzano la costruzione della parete centrale per aumentare le prestazioni sismiche a costi inferiori. In questo disegno, un nucleo in cemento armato attraversa il cuore della struttura, che circondano le sponde degli ascensori. Per edifici molto alti, il muro centrale può essere abbastanza consistente - almeno 30 piedi in ogni direzione del piano e uno spessore di 18-30 pollici.
Mentre la costruzione del nucleo aiuta gli edifici a resistere ai terremoti, non è una tecnologia perfetta. I ricercatori hanno scoperto che gli edifici a base fissa con pareti centrali possono ancora subire significative deformazioni anelastiche, grandi forze di taglio e accelerazioni dannose del pavimento. Una soluzione, come abbiamo già discusso, comporta l'isolamento della base - facendo galleggiare l'edificio su cuscinetti in gomma di piombo. Questo design riduce le accelerazioni del pavimento e le forze di taglio ma non impedisce la deformazione alla base della parete centrale.
Una soluzione migliore per le strutture in zone sismiche richiede una parete a nucleo oscillante combinata con l'isolamento della base. Un nucleo-muro oscillante oscilla a livello del suolo per evitare che il calcestruzzo nel muro si deformi in modo permanente. Per realizzare questo, gli ingegneri rinforzano i due livelli inferiori dell'edificio con acciaio e incorporano il post-tensionamento lungo l'intera altezza. Nei sistemi di post-tensione, i cavi d'acciaio sono infilati attraverso la parete centrale. I tendini si comportano come elastici, che può essere allungato strettamente da martinetti idraulici per aumentare la resistenza alla trazione del nucleo-parete.
Siamo abituati a vedere anelli concentrici nell'acqua increspata. Alcuni sismologi pensano che gli anelli concentrici di plastica potrebbero essere utili per proteggere gli edifici dai danni del terremoto. Ma cosa succede agli edifici vicini se le onde di superficie continuano a viaggiare a tutta forza? Hemera/Thinkstock Potresti pensare all'acqua o al suono quando consideri il tema delle onde, ma i terremoti producono anche onde, classificato dai geologi come corpo e onde di superficie . I primi viaggiano rapidamente attraverso l'interno della Terra. Questi ultimi viaggiano più lentamente attraverso la crosta superiore e includono un sottoinsieme di onde, noto come onde di Rayleigh -- che muovono il terreno verticalmente. Questo movimento su e giù causa la maggior parte delle scosse e dei danni associati a un terremoto.
Ora immagina se potessi interrompere la trasmissione di alcune onde sismiche. Potrebbe essere possibile deviare l'energia o reindirizzarla intorno alle aree urbane? Alcuni scienziati pensano di sì, e hanno soprannominato la loro soluzione il "mantello dell'invisibilità sismica" per la sua capacità di rendere un edificio invisibile alle onde superficiali. Gli ingegneri credono di poter modellare il "mantello" con 100 anelli di plastica concentrici sepolti sotto le fondamenta di un edificio [fonte:Barras]. Quando le onde sismiche si avvicinano, entrano negli anelli ad un'estremità e vengono contenuti all'interno del sistema. Imbrigliato nel "mantello, " le onde non possono trasmettere la loro energia alla struttura soprastante. Passano semplicemente intorno alle fondamenta dell'edificio ed emergono dall'altra parte, dove escono dagli anelli e riprendono il loro viaggio a lunga distanza. Un team francese ha testato il concetto nel 2013.
Ryo Ota, un manager di gruppo per la Olympus Optical Company in Giappone, contiene un tubo in lega a memoria di forma. Gli ingegneri pensano che questi materiali intelligenti potrebbero rivelarsi utili per prevenire i danni causati dai terremoti agli edifici. © TWPhoto/Corbis Come abbiamo discusso in precedenza nel conto alla rovescia, la plasticità dei materiali rappresenta una grande sfida per gli ingegneri che cercano di costruire strutture antisismiche. Plasticità descrive la deformazione che si verifica in qualsiasi materiale quando vengono applicate forze su di esso. Se le forze sono abbastanza forti, la forma del materiale può essere modificata in modo permanente, che ne compromette la capacità di funzionare correttamente. L'acciaio può subire deformazioni plastiche, ma lo stesso vale per il cemento. Eppure entrambi questi materiali sono ampiamente utilizzati in quasi tutti i progetti di costruzione commerciale.
Inserisci il lega a memoria di forma , che può sopportare forti sollecitazioni e tornare ancora alla sua forma originale. Molti ingegneri stanno sperimentando questi cosiddetti materiali intelligenti come sostituti della tradizionale costruzione in acciaio e cemento. Una lega promettente è il nichel titanio, o nitinolo, che offre dal 10 al 30 percento in più di elasticità rispetto all'acciaio [fonte:Raffiee]. In uno studio del 2012, ricercatori dell'Università del Nevada, Reno, confrontato le prestazioni sismiche delle colonne del ponte in acciaio e cemento con colonne in nitinol e cemento. La lega a memoria di forma ha superato i materiali tradizionali su tutti i livelli e ha subito molti meno danni [fonte:Raffiee].
Questo segnale di avvertimento del terremoto è stato affisso all'ingresso della basilica presso la Missione del Carmelo nel Carmelo, California. La basilica ha iniziato a ricevere un ammodernamento sismico nel 2012. © Michael Fiala/Reuters/Corbis Ha senso considerare la resistenza ai terremoti quando stai costruendo una nuova struttura, ma altrettanto importante è il retrofit di vecchi edifici per migliorarne le prestazioni sismiche. Gli ingegneri hanno scoperto che l'aggiunta di sistemi di isolamento di base alle strutture è sia fattibile che economicamente interessante. Un'altra soluzione promettente, molto più facile da implementare, richiede una tecnologia nota come involucro di plastica rinforzato con fibre , o FRP . I produttori producono questi involucri mescolando fibre di carbonio con polimeri leganti, come resina epossidica, poliestere, vinilestere o nylon, per creare un peso leggero, ma incredibilmente forte, materiale composito.
Nelle applicazioni di retrofit, gli ingegneri avvolgono semplicemente il materiale attorno alle colonne di supporto in calcestruzzo di ponti o edifici e quindi pompano resina epossidica pressurizzata nello spazio tra la colonna e il materiale. In base ai requisiti di progettazione, gli ingegneri possono ripetere questo processo sei o otto volte, creando una trave avvolta da una mummia con resistenza e duttilità significativamente più elevate. Sorprendentemente, anche le colonne danneggiate dal terremoto possono essere riparate con involucri in fibra di carbonio. In uno studio, i ricercatori hanno scoperto che le colonne indebolite del ponte autostradale avvolte con il materiale composito erano dal 24 al 38% più resistenti delle colonne non avvolte [fonte:Saadatmanesh].
Cozze:sono gustose e utili per l'antisismica. iStock/Thinkstock Mentre gli ingegneri si accontentano di leghe a memoria di forma e involucri in fibra di carbonio, anticipano un futuro in cui potrebbero essere disponibili materiali ancora migliori per la costruzione antisismica. E l'ispirazione per questi materiali potrebbe probabilmente venire dal regno animale. Considera l'umile cozza, un mollusco bivalve trovato attaccato alle rocce oceaniche o, dopo averlo tolto e cotto a vapore nel vino, sul nostro piatto della cena. Per restare attaccati ai loro trespoli precari, le cozze secernono fibre appiccicose note come fili bissali . Alcuni di questi fili sono rigidi e rigidi, mentre altri sono flessibili ed elastici. Quando un'onda si infrange su una cozza, rimane fermo perché i fili flessibili assorbono l'urto e dissipano l'energia. I ricercatori hanno persino calcolato l'esatto rapporto tra fibre rigide e flessibili - 80:20 - che conferisce alla cozza la sua viscosità [fonte:Qin]. Ora si tratta di sviluppare materiali da costruzione che imitano la cozza e la sua straordinaria capacità di rimanere immobile.
Un altro thread interessante viene dall'estremità sud dei ragni. Lo sappiamo tutti, Libra per libra, la seta di ragno è più forte dell'acciaio (chiedi a Peter Parker), ma gli scienziati del MIT credono che sia la risposta dinamica del materiale naturale sottoposto a forti sollecitazioni a renderlo così unico. Quando i ricercatori hanno tirato e tirato singoli fili di seta di ragno, hanno scoperto che i fili erano inizialmente rigidi, poi elastico, poi di nuovo rigido. è questo complesso, risposta non lineare che rende le ragnatele così resistenti e il filo di ragno un materiale così allettante da imitare nella prossima generazione di costruzioni antisismiche.
In questa illustrazione, puoi vedere la cattedrale di cartone progettata dall'architetto giapponese Shigeru Ban. La struttura provvisoria, che utilizza anche il legname, acciaio e una base in cemento, ospiterà 700 patroni mentre viene costruita una cattedrale permanente. Cattedrale di Christchurch via Getty Images E per quanto riguarda i paesi in via di sviluppo, dove non è economicamente fattibile incorporare tecnologie antisismiche nelle case e negli edifici per uffici? Sono condannati a subire migliaia di vittime ogni volta che la terra trema? Non necessariamente. Squadre di ingegneri stanno lavorando in tutto il mondo per progettare strutture antisismiche utilizzando materiali disponibili localmente o facilmente reperibili. Per esempio, in Perù, i ricercatori hanno reso le tradizionali strutture in adobe molto più resistenti rinforzando le pareti con reti di plastica. In India, gli ingegneri hanno utilizzato con successo il bambù per rafforzare il cemento. E in Indonesia, alcune case ora poggiano su cuscinetti facili da realizzare ricavati da vecchi pneumatici riempiti di sabbia o pietra.
Anche il cartone può diventare un robusto, materiale da costruzione durevole. L'architetto giapponese Shigeru Ban ha progettato diverse strutture che incorporano tubi di cartone rivestiti di poliuretano come elementi primari dell'inquadratura. Nel 2013, Ban ha presentato uno dei suoi progetti - la Cattedrale di transizione - a Christchurch, Nuova Zelanda. La chiesa utilizza 98 tubi di cartone giganti rinforzati con travi di legno [fonte:Slezak]. Poiché la struttura in cartone e legno è estremamente leggera e flessibile, si comporta molto meglio del calcestruzzo durante gli eventi sismici. E se crolla, è molto meno probabile che schiacci le persone raccolte all'interno. Tutto sommato, ti viene voglia di trattare i tubi di cartone incastonati nel tuo rotolo di carta igienica con un po' più di rispetto.
Quando il terremoto in Virginia del 2011 colpì, Ero a circa 55 miglia (89 chilometri) dall'epicentro. Ha prodotto un rombo simile a una locomotiva e ha mosso la terra in un modo inquietante che è difficile da descrivere. Nelle piccole città di Louisa e Mineral, vicino alla casa di mia madre, un paio di strutture sono crollate, e molti altri hanno subito danni significativi. Mentre il terremoto stesso era spaventoso, ciò che era più inquietante era la nostra sensazione collettiva che, essendo così lontano dall'Anello di Fuoco e dalla costante minaccia dell'attività tettonica, eravamo in qualche modo isolati da questo tipo di eventi. Mi chiedo se i regolamenti edilizi in Virginia siano stati aggiornati per incorporare alcune di queste tecnologie antisismiche.
