Metafondazioni e Metabarriere

I metamateriali sono materiali artificiali con una struttura periodica di unità elementari capaci di influenzare il comportamento delle onde in modi specifici. La loro scoperta affonda le radici in studi come quello di Rotman del 1962 sui dielettrici artificiali [1] e di Veselago del 1968 [2], che dimostrarono come i metamateriali potessero alterare il comportamento delle onde elettromagnetiche attraverso una struttura geometrica ripetitiva capace di filtrare specifiche frequenze, creando un fenomeno noto come bandgap.

Da diversi anni si è cercato di portare queste scoperte nel campo dell’ingegneria civile con lo scopo di proteggere le strutture dalle onde sismiche. Le applicazioni si concentrano su due soluzioni principali: le metafondazioni e le metabarriere, entrambe concepite per modificare la propagazione delle onde sismiche intorno agli edifici, ma con modalità e funzioni diverse.

Alla base del funzionamento delle metafondazioni e delle metabarriere vi è il fenomeno della formazione dei bandgap, ovvero l’intervallo di frequenze in cui le onde sismiche non possono propagarsi. Le unità ripetitive dei metamateriali sono disposte secondo una periodicità precisa e hanno proprietà (ad esempio geometria e masso) definite per bloccare una gamma specifica di frequenze sismiche caratteristiche per la tipologia di terreno e proprietà dell’edificio.

Le metafondazioni sono progettate non solo per deviare le onde sismiche, ma anche per sostenere l’edificio, trasferendo i carichi verticali dalla struttura al terreno, come le fondazioni tradizionali.

Le metabarriere, invece, sono posizionate attorno alla struttura, tipicamente nel terreno, e hanno il solo compito di mitigare l’azione sismica sull’edificio.  

Rispetto al campo dell’ottica e delle comunicazioni le celle elementari nel campo dell’ingegneria civile sono di un’altra scala. Le soluzioni maggiormente studiate e con risultati concreti prevedono la manipolazione del terreno in prossimità dell’edificio interessato; realizzando fori cilindrici di determinate dimensioni e configurazione oppure posizionando nel terreno oscillatori “mass in mass”, ovvero cubi di calcestruzzo vuoti che all’interno contengono una massa collegata all’involucro mediante un materiale elastico.  

Le metafondazioni e le metabarriere rappresentano un importante progresso per la protezione sismica delle costruzioni, specialmente in aree ad alto rischio sismico. Sebbene l’implementazione su larga scala sia ancora limitata dai costi e dalle difficoltà tecniche, queste tecnologie basate sui metamateriali offrono nuove possibilità per la sicurezza sismica, con l’obiettivo di costruire ambienti urbani più resilienti e sicuri. Con il continuo avanzamento della ricerca e della tecnologia, è probabile che le soluzioni basate sui metamateriali diventino parte integrante delle strategie di progettazione per le costruzioni del futuro.

Bibliografia

[1] Veselago, V. G. (1968). The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ;

[2] Rotman, W. (1962). Plasma simulation by artificial dielectrics and parallel-plate media;

[3] Brûle, S.; Stefan E.; S. Guenneau S. (2019). Emergence of seismic metamaterials: Current state and future perspectives;

[4] Colombi A.; Zaccherini R.; Aguzzi G., Palermo A.; Chatzi E. (2020). Mitigation of seismic waves: Metabarriers and metafoundations bench tested.