GLI ARCHI DELL’UTAH E I LORO SEGRETI

Due nuovi studi dei ricercatori dell’Università dello Utah mostrano cosa si può imparare da un breve controllo sismico degli archi di roccia naturale e come l’erosione scolpisce alcuni archetti – come l’iconico Delicate Arch – in forme che conferiscono maggiore forza.


Uno studio pubblicato su Geophysical Research Letters inizia con misurazioni approfondite delle vibrazioni di un arco nello Utah, e applica queste misurazioni per raccogliere informazioni da altri 17 archi con un minimo di attrezzatura scientifica necessaria.

Il secondo studio, pubblicato su Geomorphology, confronta la resistenza delle forme d’arco, in particolare le forme a trave contro le forme a catenaria invertita (come l’Arco Delicato o il Ponte Arcobaleno).

Uno stetoscopio sismologico

Il Geohazards Research Group dell’Università dello Utah misura le piccole vibrazioni delle strutture rocciose, che provengono da terremoti, vento e altre fonti sia naturali che artificiali, per costruire modelli 3D di come le strutture risuonano.

Trovate qui i modelli 3D del gruppo.

Parte della ragione di queste misurazioni è la valutazione della salute strutturale della caratteristica della roccia. Nello studio di 17 archi naturali, i dottorandi Paul Geimer, Riley Finnegan e i loro colleghi hanno impostato sismometri sugli archi per qualche ora o qualche giorno. I dati di queste misurazioni, insieme ai modelli 3D, hanno fornito importanti informazioni sulle modalità, o le principali direzioni di movimento, degli archi, così come le frequenze per quelle modalità di vibrazione.

“Tutto questo è possibile utilizzando metodi non invasivi”, dice Geimer, “che costituiscono il primo passo per migliorare la nostra capacità di rilevare e identificare i danni all’interno di archi e caratteristiche simili”. La natura non invasiva dei test – con i sismometri appoggiati sulla superficie dell’arco senza danneggiare la roccia – è importante, poiché molti archi di roccia dello Utah sono culturalmente significativi.

Gli studi dei 17 archi hanno utilizzato solo uno o due sismometri ciascuno, quindi, con il permesso del National Park Service, i ricercatori si sono recati al Musselman Arch nel Canyonlands National Park per verificare le loro precedenti misurazioni. L’arco è piatto in cima e facilmente accessibile, quindi lo hanno punteggiato con 30 sismometri e ascoltato.

“Questa ulteriore ricchezza di informazioni ci ha aiutato a confermare la nostra ipotesi che le modalità di risonanza dell’arco seguano da vicino i semplici modelli predittivi, e che la roccia circostante funga da supporto rigido”, dice Geimer. “Per quanto ne so, è stata la prima misura del suo genere per una campata naturale, dopo decenni di sforzi simili su ponti costruiti dall’uomo”.

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Tutti gli archi studiati hanno mostrato la proprietà di basso smorzamento, dice Geimer, il che significa che hanno continuato a vibrare a lungo dopo una raffica di vento, per esempio, o un’onda sismica di un terremoto lontano. I risultati aiutano anche i ricercatori a dedurre le proprietà meccaniche delle rocce senza dover perforare la roccia per prelevare un campione. Ad esempio, la rigidità dell’arenaria Navajo, diffusa nello Utah meridionale, sembra essere correlata alla quantità di ferro presente nella roccia.

GLI ARCHI DELL’UTAH E I LORO SEGRETI
GLI ARCHI DELL’UTAH E I LORO SEGRETI

Scolpito per la stabilità

Gli archi naturali sono disponibili in una gamma di forme diverse, tra cui campate a trave che si estendono tra due masse rocciose e i classici archi a catenaria rovesciata autoportanti o parzialmente autoportanti. Una catenaria è l’arco formato da una catena pendente o da una corda, quindi capovolgendola si ottiene una catenaria invertita.

“Nella sua forma ideale, la catenaria invertita elimina tutte le sollecitazioni di trazione”, dice Geimer, creando una campata curva stabile sostenuta esclusivamente dalla compressione, alla quale la pietra arenaria ospite può resistere con maggiore forza. L’idea che gli archi a catenaria rovesciata siano scolpiti dall’erosione in forme forti non è nuova. Ma l’approccio del team per analizzarle lo è. Tornando ai loro modelli 3D di archi e all’analisi delle loro modalità di vibrazione, i ricercatori hanno simulato in dettaglio le sollecitazioni gravitazionali su ogni arco e hanno calcolato un numero, chiamato rapporto di sollecitazione del principio medio, o MSR, che classifica se l’arco è più simile a una trave o più simile a una catenaria invertita.

Anche la struttura della roccia in cui è scolpito l’arco può influenzare la sua forma. Gli archi a catenaria invertita hanno più probabilità di formarsi in formazioni rocciose massicce e spesse.

“Questo permette alle sollecitazioni gravitazionali di essere l’agente scultoreo dominante”, dice Geimer, “lasciando dietro di sé un arco di roccia liscio tenuto in compressione”. Gli archi a trave si formano tipicamente in formazioni rocciose con strati multipli con resistenze variabili.

“Gli strati più deboli vengono rimossi dall’erosione più rapidamente”, aggiunge, “lasciando dietro di sé uno strato di materiale più resistente troppo sottile per formare una curva catenaria”.

Mentre la forma a catenaria invertita può dare stabilità all’arco nella sua forma attuale, Geimer e il professore associato Jeff Moore fanno subito notare che l’arco è ancora vulnerabile ad altri mezzi di crollo. “A Delicate Arch,” dice Moore, “l’arco poggia su uno strato argilloso molto sottile e facilmente erodibile, che fornisce una debole connessione al terreno, mentre Rainbow Bridge è trattenuto dal crollare essendo leggermente collegato ad una collinetta di roccia adiacente”.

Tuttavia, la metrica MSR può aiutare i ricercatori e i gestori di terreni pubblici a valutare la stabilità di un arco grazie alla sua forma. Il Geohazards Research Group continua a studiare altri fattori che possono influenzare la stabilità delle caratteristiche della roccia, tra cui il modo in cui le crepe crescono nella roccia e come gli archi sono crollati in passato.

Di admin

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