Per progettare edifici in grado di resistere alla più grande delle tempeste, Kostas Keremidis, un dottorato di ricerca candidato al MIT Concrete Sustainability Hub, sta usando la ricerca su scala più piccola, quella dell'atomo.

Il suo approccio, che deriva in parte dalla scienza dei materiali, modella un edificio come un insieme di punti che interagiscono attraverso forze come quelle che si trovano su scala atomica.

"Quando guardi un edificio, in realtà è una serie di connessioni tra colonne, finestre, porte, e così via, " afferma Keremidis. "La nostra nuova struttura esamina il modo in cui i diversi componenti dell'edificio si connettono per formare un edificio come gli atomi formano una molecola:forze simili li tengono insieme, sia su scala atomica che edilizia." Il framework è chiamato modellazione strutturale basata sulla dinamica molecolare.

Infine, Keremidis spera che fornirà agli sviluppatori e ai costruttori un nuovo modo per prevedere prontamente i danni agli edifici causati da disastri come uragani e terremoti.

Fare modelli

Ma prima che possa prevedere i danni all'edificio, Keremidis deve prima assemblare un modello.

Inizia prendendo un edificio e dividendo i suoi rispettivi elementi in nodi, o "atomi". Questa è una procedura standard chiamata "discretizzazione, " per cui un edificio è diviso in diversi punti. Quindi attribuisce a ciascun "atomo" proprietà diverse a seconda del suo materiale. Ad esempio, il peso di ogni "atomo" può dipendere dal fatto che faccia parte di un pavimento, una porta, una finestra, e così via. Dopo averli modellati, definisce i loro legami.

Il primo tipo di legame tra i punti in un modello di edificio è chiamato legame assiale. Questi descrivono come gli elementi si deformano sotto un carico nella direzione della loro luce, in altre parole, modellano come una colonna si restringe e poi rimbalza sotto un carico, come una primavera.

Il secondo tipo di connessione è quello dei legami angolari, che rappresentano come elementi come una trave si piegano nella direzione laterale. Keremidis utilizza queste interazioni verticali e laterali per modellare la deformazione e la rottura di diversi elementi costruttivi. La rottura si verifica quando questi legami si deformano troppo, proprio come nelle strutture reali.

Per vedere come se la caverà uno dei suoi edifici in condizioni come tempeste o terremoti, Keremidis deve testare a fondo questi atomi assemblati e i loro legami sotto numerose simulazioni.

"Una volta che ho il mio modello e il mio edificio, poi corro verso le 10, 000 simulazioni, " spiega Keremidis. "Posso assegnare 10, 000 carichi diversi per un elemento o edificio, oppure posso anche assegnare quell'elemento 10, 000 diverse proprietà."

Per lui valutare i risultati di queste condizioni o proprietà simulate, Keremidis torna ai legami. "Quando si deformano durante una simulazione, questi legami cercheranno di riportare l'edificio nella sua posizione originale, " fa notare. "Ma possono anche danneggiarsi, pure. Questo è il modo in cui modelliamo il danno:contiamo quanti legami vengono distrutti e dove".

Il danno è nei dettagli

Le innovazioni del modello risiedono in realtà nella previsione dei danni.

Tradizionalmente, gli ingegneri hanno utilizzato un metodo chiamato analisi degli elementi finiti per modellare i danni agli edifici. Come l'approccio del MIT, inoltre scompone un edificio in parti componenti. Ma generalmente è una tecnica che richiede tempo e che viene impostata attorno all'elasticità degli elementi. Ciò significa che può modellare solo piccole deformazioni in un edificio, piuttosto che deformazioni anelastiche su larga scala, come frattura, che si verificano frequentemente sotto carichi di uragani.

Un ulteriore vantaggio del suo modello di dinamica molecolare è che Keremidis può esplorare "materiali diversi, diverse proprietà strutturali, e diverse geometrie edilizie" giocando con la disposizione e la natura degli atomi e dei loro legami. Ciò significa che la dinamica molecolare può potenzialmente modellare qualsiasi elemento di un edificio, e più rapidamente, pure.

Scalando questo approccio oltre i singoli edifici, la dinamica molecolare potrebbe anche informare meglio la città, stato, e persino sforzi federali di mitigazione dei rischi.

Per la mitigazione del rischio, le città attualmente si basano su un modello dell'Agenzia federale per la gestione delle emergenze (FEMA) chiamato HAZUS. Sono necessari dati meteorologici storici e una dozzina di modelli di edifici standard per prevedere il danno che una comunità potrebbe subire durante un pericolo.

Mentre utile, HAZUS non è l'ideale. Offre solo una dozzina di tipi di edifici standardizzati e fornisce qualità, piuttosto che quantitativi, risultati.

Il modello MIT, però, consentirà alle parti interessate di entrare nei dettagli più fini. "Con HAZUS di FEMA, l'attuale livello di categorizzazione è troppo grossolano. Anziché, dovremmo avere 50 o 60 tipi di edifici, " afferma Keremidis. "Il nostro modello ci consentirà di raccogliere e modellare questa più ampia gamma di tipi di edifici".

Poiché misura i danni contando i legami rotti tra gli atomi, un approccio di dinamica molecolare inoltre quantificherà più facilmente il danno che pericoli come tempeste o terremoti possono infliggere a una comunità. Una tale comprensione quantificabile del danno da pericolo dovrebbe portare a stime più accurate dei costi di mitigazione e recupero.

Secondo l'Ufficio del bilancio del Congresso degli Stati Uniti, le tempeste di vento causano attualmente 28 miliardi di dollari di danni all'anno. Entro il 2075, causeranno 38 miliardi di dollari, a causa del cambiamento climatico e dello sviluppo costiero.

Con un approccio di dinamica molecolare, sviluppatori e agenzie governative avranno uno strumento in più per prevedere e mitigare questi danni.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.