Un nuovo sensore sviluppato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory combina raggi laser con un rilevatore sensibile alla posizione per misurare direttamente la deriva tra i piani degli edifici, una parte essenziale della valutazione dei danni del terremoto in un edificio e ritenerli sicuri da rioccupare. Credito:Diana Swantek/Berkeley Lab
I massicci terremoti della California meridionale della scorsa settimana hanno chiuso il Ridgecrest Regional Hospital durante il fine settimana festivo del 4 luglio, mentre la piccola città di Ridgecrest ha valutato i danni. Un nuovo sensore ottico sviluppato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) potrebbe accelerare il tempo necessario per valutare se edifici critici come questi possono essere occupati in sicurezza poco dopo un forte terremoto.
La tecnologia, che acquisisce e trasmette autonomamente i dati che descrivono lo spostamento relativo tra due piani adiacenti di un edificio tremante, è in grado di fornire informazioni affidabili sui danni all'edificio subito dopo un terremoto, e potrebbe accelerare gli sforzi per valutare in modo sicuro, riparazione, e rioccupare gli edifici dopo il terremoto.
Scienziati e ingegneri del Berkeley Lab, Laboratorio Nazionale Lawrence Livermore, e l'Università del Nevada-Reno ha iniziato a lavorare alla progettazione di un metodo ottico per misurare la deriva tra i piani all'interno degli edifici nel 2015. Dopo quattro anni di ricerche approfondite sottoposte a revisione paritaria e test simulativi presso il Laboratorio di ingegneria dei terremoti dell'Università del Nevada, il sensore di posizione a diodi discreti (DDPS) sarà installato per la prima volta quest'estate in un edificio a più piani del Berkeley Lab, adiacente alla faglia di Hayward, considerata una delle faglie più pericolose degli Stati Uniti.
"Fino ad ora, non c'è stato modo di misurare in modo accurato e diretto la deriva tra le storie degli edifici, che è un parametro chiave per valutare la domanda sismica in un edificio, " ha detto David McCallen, uno scienziato senior nella divisione di geoscienze energetiche presso il Berkeley Lab e membro di facoltà presso l'Università del Nevada, che guida la collaborazione di ricerca.
Il debutto del DDPS arriva quando i governi a tutti i livelli fanno dell'ispezione e della rioccupazione degli edifici post-terremoto un obiettivo centrale della pianificazione della risposta, e mentre l'attesissima generazione di connettività remota di prossima generazione, il 5G, diventa realtà per una rapida trasmissione dei dati. "Siamo entusiasti che questa tecnologia dei sensori sia ora pronta per le prove sul campo, in un momento in cui le strategie di risposta post-terremoto si sono evolute per dare priorità alla sicurezza, funzionalità e rioccupazione continua dell'edificio oltre alla "sicurezza della vita, '", ha detto McCallen.
L'ottica fa la differenza nel monitoraggio della salute strutturale sismica
La misurazione della deriva tra i piani degli edifici è stata per qualche tempo un fattore nella valutazione dei danni post-terremoto degli edifici, tuttavia, trovare un metodo affidabile per farlo è stato irto di sfide. Tradizionalmente, gli ingegneri hanno montato accelerometri per terremoti forti ad altezze selezionate per proteggere i dati sulla forza avanti e indietro e da lato a lato imposta su un edificio che trema. Ma l'elaborazione dei dati di accelerazione da questi strumenti per ottenere spostamenti di deriva dell'edificio è molto impegnativa a causa delle limitazioni di frequenza dei sensori, soprattutto quando gli edifici hanno subito spostamenti permanenti associati a danni. Ancora più difficile è ricevere dati abbastanza rapidamente da informare il processo decisionale sulla continuità delle operazioni e sulla sicurezza degli occupanti. Inoltre, perché la tipica strumentazione basata su accelerometro per edifici può essere piuttosto costosa, i sistemi tendono ad essere molto scarsi con accelerometri su relativamente pochi edifici.
Il DDPS sfrutta una nuova alternativa promettente per misurare direttamente la deriva tra i piani degli edifici che combina i raggi laser con i sensori ottici. Questa tecnica è incentrata sulla proiezione di luce laser attraverso un'altezza di un piano per rilevare la posizione in cui la luce colpisce un rilevatore situato nel piano dell'edificio adiacente per misurare direttamente la deriva strutturale. Lo strumento sviluppato al Berkeley Lab si basa sull'utilizzo di una sorgente laser e di un rilevatore sensibile alla posizione. Facendo uso di una matrice geometrica di piccoli, fotodiodi sensibili alla luce economici, il sensore è in grado di tracciare istantaneamente la posizione di un raggio laser incidente.
DDPS è un piccolo dispositivo che verrà posizionato tra i piani dell'edificio per rilevare la deriva tra i piani e trasmettere i dati sui danni all'edificio ai pianificatori di risposta. Il suo debutto arriva quando i governi a tutti i livelli fanno dell'ispezione e della rioccupazione degli edifici post-terremoto un punto centrale della pianificazione della risposta, e mentre l'attesissima generazione di connettività remota-5G diventa realtà. Credito:Diana Swantek/Berkeley Lab
"Le generazioni precedenti di DDPS erano un po' più grandi del sistema che ora siamo in grado di implementare, " afferma McCallen. "Sulla base dei progressi del design e delle lezioni apprese, il sensore è un quarto delle dimensioni del nostro design originale del sensore, ma dispone di 92 diodi sfalsati in una matrice rettangolare in modo che il raggio laser sia sempre su uno o più diodi."
Finora, Il DDPS ha tenuto fino a tre cicli di rigorosi test sperimentali su tavola vibrante.
"I rigorosi test a cui è stato sottoposto il DDPS indicano come gli spostamenti di deriva misurati sui tre banchi di prova rispetto a derive rappresentative che potrebbero essere ottenute su un edificio reale a grandezza naturale sottoposto a forti scosse da un terremoto, " ha detto McCallen.
Perché DDPS è intelligente per le città
La città più popolosa colpita dai terremoti nel sud della California all'inizio di questo mese è stata la stessa Ridgecrest, una città di 29, 000 che si trova nell'epicentro di un terremoto di magnitudo 7.1 verificatosi il 5 luglio. Anche se questo è un piccolo centro abitato, le stime dei danni all'edificio sono ancora nell'ordine dei 100 milioni di dollari.
Se un terremoto di quella magnitudo dovesse colpire Los Angeles 150 miglia a sud della minuscola Ridgecrest, o San Francisco, quasi 400 miglia a nord, letteralmente centinaia o migliaia di edifici sarebbero in gioco per danni. In quello scenario, la capacità di misurare e visualizzare le informazioni chiave sulla deriva tra i piani immediatamente dopo un terremoto fornirebbe nuovi dati critici per prendere decisioni informate sull'occupazione dell'edificio, fornendo ai primi soccorritori informazioni per aiutare a guidare i loro sforzi per evacuare un edificio, e comuni il potenziale per mantenere l'uso funzionale di strutture importanti come gli ospedali.
Inoltre, la comprensione del profilo di deriva di un edificio consentirebbe una rapida determinazione del potenziale di danno dell'edificio, far sapere agli ispettori edili dove cercare potenziali danni. Questa sarà una capacità importante per superare le lunghe e impegnative ispezioni manuali di centinaia di edifici dopo il prossimo grande terremoto urbano.
McCallen ha osservato, "I principali terremoti che hanno colpito la California meridionale la scorsa settimana servono a ricordare i rischi associati all'attività sismica in molte regioni degli Stati Uniti. Questi eventi mettono un punto esclamativo sulla necessità di una continua attenzione della società sulla prontezza e la resilienza ai terremoti, compresa la capacità di fornire i sensori e l'analisi dei dati in grado di misurare rapidamente lo stato di salute dell'infrastruttura e fornire la risposta più efficace dopo il prossimo grande terremoto".
