La professoressa Hae Young Noh (al centro), con le studentesse laureate Sulagna Sarkar (a sinistra) e Yiwen Dong (a destra), assemblano i sensori prima di installarli al Maples Pavilion.
Da un singolo passo a tremori catastrofici, le onde di impatto sono ovunque intorno a noi. I ricercatori fanno esperimenti sulle vibrazioni del mondo, grandi e piccole
All'interno del John A. Blume Earthquake Engineering Center di Stanford (1), un'auto giocattolo telecomandata che trasporta un carico utile molto speciale sfreccia sull'arco di 8 piedi di un modello di ponte. Il carico unico, un sensore vibrazionale, rivela che il ponte è rotto. Fortunatamente si tratta solo di un test e i ricercatori hanno creato la fessura appositamente per verificare il funzionamento del sensore. Come la maggior parte degli esperimenti al Blume Center, tuttavia, questo lavoro mira un giorno a farsi strada fuori dal campus e nel mondo reale.
Trovandosi vicino a un famoso punto caldo sismico, il sistema di faglia di San Andreas, non sorprende che il John A. Blume Earthquake Engineering Center di Stanford ospiti indagini sui terremoti da ogni angolazione. Ma questi ricercatori usano la loro esperienza anche per studiare la salute umana, il cambiamento climatico, la pianificazione urbana, i materiali da costruzione alternativi e il suolo marziano, il tutto alla ricerca di un’ingegneria migliore e più vantaggiosa.
«Noi non progettiamo terremoti qui», ha scherzato il dottor Gregory Deierlein (2), che è il professore John A. Blume alla Facoltà di Ingegneria. «Piuttosto, siamo interessati a progettare edifici migliori, comunità migliori. Eseguiamo una combinazione di test sperimentali, modellazione computazionale, sviluppo di teorie e loro applicazione. Collaboriamo anche con ingegneri praticanti, leader di comunità e così via per capire cosa possono fare le città per salvaguardare le loro comunità».
Le attività all'interno del Blume Center includono ricerca, istruzione, pubblicazione di rapporti e articoli e sponsorizzazione di seminari e conferenze. Il centro fa parte del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, che fa parte della School of Engineering (3) e della Stanford Doerr School of Sustainability (4), ma consente anche collaborazioni tra dipartimenti. La ricerca svolta all'interno del Blume Center abbraccia una vasta gamma di argomenti, ma i temi comuni sono la sicurezza e il futuro.
«La parte migliore dell'ingegneria sismica – e dell'ingegneria civile in generale – è che è uno sforzo altruistico», ha affermato Deierlein. «In altre parole, siamo qui per rendere gli edifici più sicuri e le comunità più resilienti. Alla fine, tutto ciò che facciamo ha questo in mente».
Testare, testare
Le varie vibrazioni che permeano le nostre vite non possono essere catturate con un solo metodo. Per questo motivo, i ricercatori associati al Blume Center si affidano a simulazioni fisiche e computerizzate, nonché a test nel mondo reale fuori dal laboratorio. L'attrezzatura per i test fisici all'interno del centro comprende tavole vibranti e diversi telai di reazione, che replicano varie attività - dai passi allo scuotimento estremo del terreno - che i sistemi strutturali e i materiali degli edifici potrebbero incontrare.
Il dottor Gregory Deierlein utilizza esperimenti fisici combinati con simulazioni computazionali per caratterizzare minuziosamente quanto sarebbe grave lo scuotimento di un particolare terremoto e come ciò influenzerebbe strutture realizzate con materiali diversi – muratura, cemento, acciaio strutturale – o di diversi tipi, come edifici bassi o grattacieli. Michael Lepech (5), professore di ingegneria civile e ambientale, conduce test fisici su nuovi materiali compositi che il suo laboratorio sta sviluppando con particolare attenzione alla sostenibilità. Questi test spesso mirano a replicare la quantità di usura che una struttura potrebbe subire nel corso della sua vita a causa dell'uso quotidiano di base, come il traffico su un ponte o il vento su un edificio. In molti casi, i dati fisici prodotti nel Blume Center costituiscono la base per ulteriori modelli computazionali.
«Al Blume Center testeremo i materiali con piccole quantità di carico per alcune centinaia di migliaia di cicli», ha affermato il professor Lepech. «Ma vogliamo conoscere milioni, decine di milioni di cicli. Quindi addestriamo i nostri modelli computazionali sui cicli di test e poi li estendiamo».
Le apparecchiature di prova sperimentali del centro acquisiscono misurazioni di stress e deformazione attraverso fotocamere, sensori e software avanzati. Una volta che i dati sono stati inseriti in un modello computerizzato, Lepech può anche dettagliare gli effetti dell’umidità e delle radiazioni ultraviolette sui materiali per creare un quadro più completo di come i nuovi materiali da costruzione dovrebbero comportarsi nel tempo.
I test fisici orchestrati da Hae Young Noh (6), professore associato di ingegneria civile e ambientale, sono diversi, comprese le configurazioni, come la macchinina, che ricordano i vecchi effetti cinematografici pratici.
«Stiamo raccogliendo dati sulle vibrazioni dai ponti del mondo reale a San Jose e Palo Alto. Stiamo anche testando i nostri metodi su un prototipo su piccola scala nel Blume Center», ha affermato Noh.
Prima la sicurezza
Il dottor Noh spera anche che i sensori possano aiutare luoghi come le strutture mediche a migliorare le inferenze sulla salute e il benessere individuale. Le sottigliezze nelle vibrazioni possono implicare attività – come lavarsi le mani o prendere provviste – ma potrebbero anche suggerire cambiamenti nella salute fisica o addirittura cognitiva. Per testarlo, il suo laboratorio ha già collaborato con ospedali e centri di assistenza agli anziani.
«L'obiettivo finale di questa ricerca sarà quello di capire chi si trova nell'edificio, cosa sta facendo e cosa è necessario affinché sia sano e produttivo all'interno della struttura», ha affermato Noh. «Se riusciamo a catturare i comportamenti che sono fuori routine per le persone, possiamo salvare vite umane».
Hae Young Noh ha anche installato sensori di vibrazione al Maples Pavilion per comprendere l'attività della folla. Tali dati potrebbero influenzare la gestione delle strutture e delle concessioni, le attività interattive della folla e le misure di sicurezza.
Affrontando la salute da un altro punto di vista, Lepech si occupa dell'influenza ambientale degli edifici sul mondo che ci circonda, compresa la produzione di CO2, l'acidificazione e i potenziali agenti cancerogeni, e di come piccoli cambiamenti ai materiali possano avere effetti significativi in un lontano futuro. Questa esperienza ha portato alla collaborazione con la NASA Ames, che aspira a produrre materiali strutturali leggeri, senza sprechi e stampabili in 3D che possano essere fabbricati sul posto nello spazio. Questi obiettivi, tuttavia, sono altrettanto applicabili sulla Terra.
«Questo insieme di progetti fornisce un crogiolo attraverso il quale dobbiamo creare materiali ed eseguire costruzioni di natura altamente circolare, che utilizzano solo energia rinnovabile per alimentarle e vengono eseguite con mezzi quasi interamente automatizzati», ha affermato Michael Lepech.
Sostenibilità su ogni scala
In parte grazie alla creazione della Stanford Doerr School of Sustainability, i ricercatori che lavorano al Blume Center stanno applicando sempre più i loro metodi tradizionalmente focalizzati sui terremoti a scenari legati al cambiamento climatico, alla sostenibilità e al futuro delle regioni che hanno maggiori probabilità di essere colpite anche da pericoli naturali.
Ad esempio, Barbara G Simpson (7), assistente professoressa di ingegneria civile e ambientale, che studia le prestazioni strutturali e mira a ridurre gli effetti dei rischi naturali sull’ambiente edificato, sta attualmente eseguendo test nel Blume Center su modelli di turbine eoliche offshore. Come Michael Lepech, Sarah Billington (8), professoressa della UPS Foundation e presidente del Dipartimento di ingegneria civile e ambientale, ha condotto ricerche su una varietà di materiali da costruzione alternativi e sostenibili. Ora studia come gli edifici possono migliorare il benessere umano attraverso connessioni innovative con la natura negli ambienti costruiti, nonché metodi per aumentare la trasparenza della catena di approvvigionamento dei materiali da costruzione per eliminare il lavoro forzato. Il gruppo di ricerca guidato da Jack Baker (9), professore di ingegneria civile e ambientale, ha anche vari progetti che esaminano gli effetti delle mareggiate, dell'innalzamento del livello del mare e degli incendi.
Riferimenti:
(1) John A. Blume Earthquake Engineering Center
(3) Stanford University School of Engineering
(4) Stanford Doerr School of Sustainability
(5) Michael Lepech
(6) Hae Young Noh
(8) Sarah Billington
(9) Jack Baker
Descrizione foto: La professoressa associata Hae Young Noh (al centro), con le studentesse laureate Sulagna Sarkar (a sinistra) e Yiwen Dong (a destra), assemblano i sensori prima di installarli al Maples Pavilion. - Credit: Harry Gregory.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: The movers and shakers of Stanford’s earthquake center
