A Dübendorf un edificio per la ricerca a prova di imprevisti

Il 14 luglio scorso si è svolta la cerimonia di inaugurazione del futuro edificio dei laboratori dell’EMPA, attualmente in costruzione a Dübendorf, Comune svizzero di 27.689 abitanti del Canton Zurigo nel Distretto di Uster, all’interno del nuovo campus di ricerca co-operativa con l’EAWAG.

L’edificio ospiterà un giorno, tra l’altro, strumenti di ricerca altamente sensibili.

Per proteggerli dalle vibrazioni, gli esperti hanno progettato e pianificato di conseguenza le caratteristiche necessarie all’infrastruttura: dalle massicce lastre di cemento ai minimi dettagli.

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Il contraente Implenia Schweiz AG e lo studio di architettura SAM Architekten

L’espansione del campus congiunto dell’EMPA e dell’EAWAG a Dübendorf procede rapidamente.

Il 5 maggio 2021, i lavori di costruzione erano iniziati con la cerimonia di posa della prima pietra, alla quale hanno partecipato i rappresentanti dei proprietari dei terreni, il Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali (EMPA) e l’Istituto Federale Svizzero di Scienza e Tecnologia dell’Acqua (EAWAG), il contraente generale Implenia Schweiz AG, lo studio di architettura SAM Architekten e il municipio di Dübendorf.

Il giorno successivo, le ruspe si sono recate sul posto e sono iniziati gli scavi necessari.

Quasi quattro mesi dopo, il 3 settembre 2021, si è svolta la posa della prima pietra, sempre alla presenza dei rappresentanti dei partner coinvolti nel progetto e di circa 50 ospiti.

In quest’occasione, nelle fondamenta del nuovo edificio del laboratorio è stata collocata una capsula del tempo, con alcuni oggetti tipici della nostra epoca, a mo’ di contenuto destinato ai posteri.

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Dal 5 maggio 2021 al 14 luglio 2022, un albero sul tetto e una capsula del tempo

Il 14 luglio è stata raggiunta la successiva pietra miliare: l’involucro dell’edificio del laboratorio è stato completato e ha raggiunto la sua massima altezza.

Tradizionalmente, si tiene la cerimonia di inaugurazione, durante la quale un piccolo albero viene posto sul tetto come segno ben visibile del completamento della parte superiore e del rivestimento.

Per una volta, però, l’attenzione della cerimonia non era rivolta ai dirigenti di tutte le aziende coinvolte nel progetto, bensì alle persone che hanno effettivamente svolto il lavoro, gli operai edili.

Questi ultimi sono stati ringraziati dal proprietario dello stabile per il prezioso lavoro: un’attività che ha effettivamente presentato loro una serie di sfide, a partire dalla preparazione del sottosuolo.

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Niente scosse per le esigenze di microscopi elettronici e della termogravimetria

Le prestazioni elevate sono talvolta anche delicate: molti ricercatori dell’EMPA e dell’EAWAG lo sanno per esperienza.

Che si tratti di microscopi elettronici, con i quali esaminano gli atomi, o di strumenti di analisi termogravimetrica, attraverso cui “pesano” masse molto inferiori al microgrammo, queste apparecchiature devono essere protette dalle più piccole vibrazioni.

Anche passi pesanti nel corridoio accanto o lo sferragliare di un tram in una strada lontana possono falsare i risultati delle misure.

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Un’attività edilizia retta da due regole auree: i Criteri di Vibrazione VC-C e VC-E

Questo è un rischio di cui l’EMPA sta tenendo conto nel proprio edificio destinato al futuro per la ricerca di qualità, dalla fase iniziale di progettazione fino al completamento dello stabile, che offrirà spazio a circa 30 laboratori e 30 uffici a partire dalla primavera del 2024.

I requisiti per gli stabili a basse vibrazioni sono elevati.

Essi sono standardizzati e descritti nelle normative tecniche con l’aiuto delle categorie VC (Criteri di Vibrazione), utilizzate anche nella micro e nanotecnologia, insieme ai livelli di “movimento” consentiti.

“La categoria VC-C, ad esempio, è uno standard adatto per microscopi leggeri con ingrandimento fino a 1000x”, si legge nella versione tedesca delle normative: nel nuovo edificio dell’EMPA si applica a tutti i laboratori in superficie.

I requisiti VC-E più severi, invece, si applicano all’area del seminterrato, dove saranno installati gli strumenti più sensibili.

“I requisiti per le apparecchiature di massima precisione”, si scorge nelle linee guida tecniche, “possono essere soddisfatti solo in pochi casi, preferibilmente su solette senza scantinato”.

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Tra ben due fonti di scuotimento e traffico: una ferrovia a nord, una strada a sud…

La possibilità di soddisfare o meno tali specifiche nel campus dell’EMPA doveva essere valutata in anticipo.

La posizione sembrava sfavorevole: vi è una linea ferroviaria con pesanti treni sul confine settentrionale e una strada trafficata che confina con il sito a sud, ma in futuro è attesa una prevista linea di tram, che aumenterà ulteriormente le vibrazioni del terreno.

Nell’estate del 2018, gli specialisti di Heiland und Mistler, uno studio di ingegneria per la dinamica strutturale con sede a Bochum nel Land della Renania Settentrionale-Vestfalia, in Germania, hanno esplorato la forza delle vibrazioni del terreno e dove esse esattamente agiscono, il tutto grazie a ore di misurazioni delle vibrazioni alla superficie del terreno e a una profondità di quattro metri.

Inoltre, hanno registrato gli scuotimenti nel suolo di un vicino binario del tram a Dübendorf per tenere conto anche di questo carico futuro.

I risultati hanno dimostrato che le vibrazioni nel sito di costruzione prescelto sono abbastanza basse, tali da soddisfare le rigorose specifiche.

“Questo ha un senso”, dice Kevin Olas, che guida il progetto in nome e per conto dell’EMPA.

“Al centro del cantiere, siamo abbastanza lontani da entrambe le fonti”.

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Una soluzione detta “massa e rigidità” preferita al cuscinetto dotato di elastomeri

La domanda ora era: come costruire al meglio? Per garantire che la struttura “inghiottisse” in modo affidabile le vibrazioni esistenti, sono state discusse due strategie.

Gli esperti hanno sconsigliato un cuscinetto “elastico”, ad esempio mediante una fondazione in elastomeri, a causa del complesso metodo di costruzione e della possibile minore durata.

È stata invece scelta l’opzione cosiddetta “massa e rigidità”.

“Si costruisce in modo così pesante e rigido”, dice Kevin Olas, “che le vibrazioni non riescono a ‘eccitare’ l’edificio”.

“In definitiva è più efficiente”, aggiunge il dirigente del Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali.

“Il fabbricato sarà come una petroliera così massiccia che nemmeno le onde della tempesta la scuoteranno”, spiega l’esperto di dinamica strutturale Dieter Heiland.

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Così 48 pali trasferiscono l’attrito superficiale a un terreno portante a meno 18 metri

Il risultato è “una struttura in cemento armato super-rigida che è quasi impossibile da far vibrare”, spiega ancora Kevin Olas, architetto di formazione: in altre parole, si tratta di una infrastruttura estremamente pesante.

Questo è uno dei motivi per cui i 48 elementi verticali di una fondazione a platea su pali trasferiscono i carichi attraverso l’attrito superficiale in uno strato di terreno più portante a una profondità di 18 metri.

Le solette in calcestruzzo hanno uno spessore di 53 centimetri, per di più con sette centimetri di massetto sopra.

“Da un punto di vista puramente strutturale, lastre così spesse non sarebbero state necessarie”, spiega Olas.

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Una soletta spessa ben 80 centimetri nell’area delle apparecchiature ultrasensibili

Nell’area destinata alle apparecchiature di misura ultrasensibili, la soletta è ancora più spessa, 80 centimetri per l’esattezza.

“È la superpetroliera all’interno della nostra superpetroliera, per così dire”, spiega Olas.

“È quasi assurdo dal punto di vista statico, ma per la protezione dalle vibrazioni non c’è altra soluzione”.

E sotto le fondamenta, al posto dei classici pannelli isolanti in polistirene, ci sono lastre di vetro espanso: un dettaglio utile per garantire un comportamento ancora più rigido alla flessione.

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Centri di ventilazioni sul tetto “disaccoppiati” con uno speciale montaggio a molla

Oltre ai treni e alle automobili, anche altri fattori possono provocare vibrazioni indesiderate.

Le persone, ad esempio: nel peggiore dei casi, anche i loro passi possono causare problemi, ma i calcoli di dinamica strutturale dello studio di ingegneria WaltGalmarini di Zurigo, cui è stato affidato l’incarico di studiare la questione, dimostrano che i soffitti sono abbastanza solidi e rigidi da non essere eccessivamente sollecitati.

O il centro di ventilazione: poiché tali sistemi sul tetto possono trasmettere vibrazioni ai soffitti, devono essere “disaccoppiati” con uno speciale montaggio a molla.

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Un cavo di compensazione tra le rotaie per neutralizzare i campi magnetici dei tram?

Le aziende incaricate degli studi preliminari alla costruzione, in primis la tedesca Heiland und Mistler, hanno anche registrato i campi magnetici in entrambi i siti.

Oltre alle vibrazioni, anche le variazioni dei campi magnetici possono influire sul funzionamento di apparecchiature sensibili.

Le misurazioni in loco hanno dimostrato che, per un microscopio elettronico a scansione, sarebbe necessaria una compensazione attiva, ad esempio mediante le cosiddette bobine di Helmholtz che generano un campo magnetico omogeneo.

Le principali fonti di variazione del campo magnetico sono il traffico stradale sul lato sud e la linea ferroviaria sul lato nord del sito.

Nel caso della futura linea di tram, gli esperti prevedono che le variazioni della forza elettromagnetica saranno così grandi da rendere necessarie ulteriori misure di protezione, come un cavo di compensazione tra le rotaie, che ridurrebbe in modo significativo i campi magnetici causati dal funzionamento del tram.

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Carreggiate di accesso con un’alta percentuale di vuoti per “zittire” tutti i movimenti

Queste e molte altre misure saranno nascoste alla vista quando l’edificio dei laboratori EMPA ed EAWAG sarà completato nella primavera del 2024.

I visitatori attenti ai dettagli riconosceranno tuttavia che l’edificio è stato progettato in modo coerente per ridurre al minimo le vibrazioni, già sulle carreggiate delle strade di accesso.

La loro superficie sarà costruita nel modo più fluido e “silenzioso” possibile: ad esempio, utilizzando un’alta percentuale di vuoti d’aria per prevenire anche le più piccole vibrazioni causate dai veicoli.

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