INFRASTRUTTURE DI TRASPORTO
Il Sistema di Early Warning1 Sismico (SEWS) consente tra gli altri scopi di anticipare informazioni relative all’intensità di un terremoto alcuni secondi prima che lo stesso si verifichi presso il sito di interesse. Esso fu inizialmente introdotto come strumento per consentire rapidi interventi di soccorso in caso di evento sismico. Mentre le onde sismiche viaggiano dall’ipocentro verso un certo sito, una rapida analisi delle proprietà principali del terremoto lascia un certo margine di tempo per lanciare l’allarme e determinare l'interruzione repentina di attività la cui esposizione all'evento sismico è potenzialmente molto pericolosa (centrali nucleari, treni ad alta velocità in corsa, ecc.). Un SEWS2 prevede un sistema di stazioni per l’installazione di accelerometri, che consentono la registrazione delle onde sismiche. In particolar modo le onde che vengono rilevate per prime sono le onde P, più veloci delle onde S, che sono invece le onde più dannose per le strutture. L’analisi delle onde P consente di stimare l’intensità delle onde S, fornendo così una previsione dell’entità dell’evento sismico che sta per accadere.
Studi recenti e molto innovativi nel campo dell'ingegneria sismica hanno mostrato la possibilità di sfruttare il SEWS non solo per lanciare l'allarme alle autorità di imminente pericolo, ma anche per calibrare dispositivi di protezione antisismica di tipo attivo o semiattivo installati su un'infrastruttura.
1 L’ Early Warning, consiste nello studio delle onde relative ad un certo terremoto con il fine (tra i numerosi altri: allarmi, interruzioni d’uso, ecc) di predire alcuni parametri, di interesse nella progettazione strutturale, dell’evento sismico che sta per accadere, qualche secondo prima che esso si manifesti.
2 Il principio su cui si basa un sistema di Early-Warning sismico è relativamente semplice, mentre rimane complesso lo sviluppo di sistemi affidabili ed efficienti, direttamente utilizzabili per attività di prevenzione.
Le onde sismiche di maggiore ampiezza prodotte da un terremoto si propagano all’interno della Terra con una velocità inferiore dei segnali trasmessi via radio/cavo. Indicativamente, si può affermare che la velocità di propagazione delle onde sismiche P, che sono le più veloci e anche le meno di distruttive, per distanze regionali è compresa tra 4km/s e 6 km/s. D’altro canto la velocità delle onde di taglio, onde S, e onde di superficie, che producono danni maggiori alle infrastrutture, è circa 1.7-2 volte inferiore a quella delle onde P. Pertanto, essendo disponibile una rete sismica nell’area sorgente dei terremoti, l’informazione circa la sua localizzazione, magnitudo ed ampiezza prevista del moto del suolo, può raggiungere un sito “target”, in funzione della distanza, alcuni secondi o poche decine di secondi prima dell’arrivo delle onde sismiche di ampiezza più rilevante. Questo intervallo di tempo può essere sufficiente per attivare procedure automatiche di emergenza, come lo spegnimento di server di gestione dati e controllo di reti, disattivazione dei meccanismi di funzionamento di impianti industriali a rischio o reti di distribuzione elettrica, gas, interruzione del traffico viario e ferroviario.
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Lo stato dell’arte distingue sistemi di controllo passivi, attivi, semiattivi e ibridi. La differenza principale tra essi consiste nel fatto che mentre la protezione passiva viene attivata direttamente dalla deformazione strutturale indotta dall’evento sismico stesso, gli altri tipi di sistemi di controllo hanno bisogno di fonti di energia esterne, di entità più o meno ingente, per garantire la loro attivazione. Inoltre questi ultimi possono essere definiti come sistemi intelligenti dal momento che il loro funzionamento viene regolato da algoritmi matematici nel momento stesso di accadimento dell’evento sismico.
I sistemi di controllo passivo (Fig. 4.1) garantiscono la riduzione della risposta strutturale fornendo capacità dissipative aggiuntive (incremento energia dissipata) oppure modificando le proprietà dinamiche strutturali (riduzione energia in input). Nel primo caso si tratta di dispositivi isteretici, viscosi, oleo-dinamici, ecc, mentre nel secondo caso si fa riferimento agli isolatori. L’introduzione di questi ultimi comporta un incremento del periodo proprio di vibrazione T1 della struttura, garantendo così un’ordita spettrale in corrispondenza di T1 più bassa.
Il principio di funzionamento dei sistemi di controllo passivi è rappresentato nella figura che segue: è evidente, come già accennato in precedenza, che il loro funzionamento è attivato dalla risposta strutturale stessa all’evento sismico.
Figura 4.1 Principio di funzionamento del sistema di protezione passivo
Il principio di funzionamento dei sistemi di controllo attivo (Fig. 4.2) è molto differente: in questo caso la riduzione della risposta strutturale si ottiene applicando una forza di controllo sulla struttura che si oppone alla forza indotta dal sisma. È chiaro quindi che questi sistemi richiedono un’ingente fonte di energia esterna per generare tale forza, nonché un sistema di acquisizione che rilevi l’intensità dell’evento sismico
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(feedforward) o l’intensità della risposta strutturale (feedback), e un sistema di calcolo che elabori l’algoritmo che stabilisce l’entità della forza da generare.
Figura 4.2 Principio di funzionamento del sistema di controllo attivo
Un sistema di controllo semi-attivo (Fig. 4.3) consiste invece in un sistema di controllo passivo dotato di caratteristiche variabili in funzione dell’evento sismico grazie alla presenza di una fonte di energia esterna, di un sistema di acquisizione intelligente e di un sistema di elaborazione.
Figura 4.3 Principio di funzionamento del sistema di controllo semiattivo
I sistemi di controllo semiattivo sono dotati delle migliori caratteristiche dei sistemi di controllo sia passivo che attivo: infatti essi funzionano come dei sistemi passivi, ma i parametri che li caratterizzano sono modificabili in funzione dell’intensità dell’evento sismico, come per i sistemi di controllo attivo, consentendo così di ottenere
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un’ottimizzazione della risposta strutturale. Inoltre non sono necessarie ingenti fonti di energia esterne. Alcuni dispositivi funzionano con le batterie, ovviando al critico problema relativo al black-out, che può essere decisamente plausibile durante un terremoto e che indurrebbe al non funzionamento del sistema. Inoltre un’altra qualità di questi sistemi è che in caso in cui non vi fosse apporto di energia per attivarli, comunque meccanicamente i dispositivi funzionerebbero come sistema passivo. Nota quindi l'intensità dell'evento sismico in ingresso, fornita da un SEWS qualche secondo prima che esso si manifesti, è possibile calibrare degli algoritmi utilizzati poi per definire "ad hoc" le proprietà dei dispositivi attivi o semiattivi per quel particolare terremoto.
Le applicazioni di questa tecnologia sono in continua crescita in tutto il mondo: in Giappone, Taiwan, Messico, Romania, Turchia ed Italia. Tutti gli studi recenti sul SEWS, hanno dimostrato che una stima abbastanza attendibile dell’intensità del terremoto in arrivo è oggi possibile soprattutto attraverso due misure di intensità, l’accelerazione di picco al suolo (PGA) e la velocità di picco al suolo (PGV).
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