Analisi della risposta sismica della struttura della torre del pozzo minerario considerando l’effetto PSSI in diversi siti

Perché le torri dei pozzi e i terremoti sono importanti

Le miniere di carbone profonde fanno affidamento su alte torri di cemento in superficie per sollevare persone e carbone dalle grandi profondità. Queste torri poggiano su fondazioni che si estendono in terreni e rocce stratificati. Quando si verifica un terremoto, non solo la torre viene mossa; anche i pali e il terreno circostante si spostano, e i tre elementi si influenzano reciprocamente. Questo studio pone una domanda pratica con grandi implicazioni per la sicurezza e i costi: quanto modifica questa interazione nascosta tra terreno, pali e torre la risposta sismica di una torre del pozzo, e questo rende le regole di progettazione attuali troppo rischiose in alcuni luoghi e troppo conservative in altri?

Come si muovono insieme torre, pali e terreno

Gli autori si concentrano su una moderna, grande torre di un pozzo minerario alta circa 90 metri, sostenuta da una fondazione su zattera e pali rigidamente collegata a un pozzo verticale in calcestruzzo. Invece di assumere che la base sia perfettamente fissa, trattano la torre, i pali, la zattera, il pozzo e il terreno stratificato come un unico sistema accoppiato. Utilizzando modelli fisici consolidati, semplificano questo assemblaggio complesso in un insieme di molle, masse e smorzatori in grado di riprodurre come ogni parte si fletta, oscilli e scivoli quando è soggetta a scuotimento. Derivano quindi le equazioni del moto che collegano il movimento dei piani della torre con quello della fondazione interrata e del terreno circostante, e risolvono queste equazioni numericamente con codice MATLAB personalizzato.

Testare terremoti e tipi di terreno realistici

Per valutare come si manifesta questo comportamento accoppiato nella pratica, il team utilizza come caso di studio una miniera reale in Anhui, Cina. Selezionano 21 registrazioni sismiche—sia forti terremoti naturali sia eventi accuratamente simulati—e le applicano orizzontalmente alla base. Esaminano tre condizioni tipiche del terreno utilizzate nei codici sismici cinesi: un sito relativamente rigido “Tipo II”, un sito intermedio “Tipo III” e un sito più morbido “Tipo IV”, ciascuno rappresentato da più strati di terreno con diversa rigidezza e densità. Per confronto, eseguono ogni moto del terreno due volte: una con l’interazione completa terreno–palo–torre e una usando l’abbreviazione comune che tratta la fondazione come perfettamente rigida.

Cosa succede allo spostamento piano per piano

La grandezza chiave che monitorano è lo spostamento inter-piano—il movimento laterale relativo tra piani adiacenti—che è strettamente legato agli sforzi flettenti in pareti, travi e pilastri. Gli autori definiscono un “coefficiente di incremento” come il rapporto tra questo spostamento inter-piano nel sistema realistico interagente e quello nell’idealizzazione a fondazione rigida. Valori superiori a uno significano che l’interazione aumenta le forze; valori inferiori a uno significano che in realtà le riduce. In tutti e tre i tipi di sito, l’incremento maggiore appare costantemente all’estremità superiore della torre, dove un effetto frusta concentra il moto, mentre i piani intermedi si muovono in modo meno drammatico.

Terreni diversi, margini di sicurezza diversi

I risultati mostrano che ignorare l’interazione terreno–palo–struttura può essere pericoloso in alcune situazioni e dispendioso in altre. Su terreni rigidi di Tipo II, i coefficienti di incremento medi per lo spostamento inter-piano variano all’incirca tra 1,31 e 1,61, il che significa che la torre reale può subire spostamenti più grandi del 30–60 percento, e quindi forze interne più elevate, rispetto a quanto previsto da un progetto con base rigida. Per il terreno di Tipo III, le medie sono più vicine all’unità, approssimativamente tra 0,89 e 1,25, con amplificazione principalmente nei piani superiori. Sul terreno morbido di Tipo IV, le medie scendono intorno a 0,74–0,97, quindi l’interazione di solito riduce gli spostamenti rispetto all’assunzione di base rigida. Fisicamente, il sistema accoppiato terreno–palo–torre ha un periodo di vibrazione più lungo rispetto alla sola torre rigida, il che può spostarlo fuori dalla banda di frequenze più dannosa del moto del terreno e ridurre la domanda sismica.

Cosa significa per la sicurezza e la progettazione delle miniere

Per gli ingegneri pratici, il messaggio è duplice. In regioni con terreni rigidi e in zone sismiche intense, progettare una torre del pozzo come se fosse poggiata su una base inestensibile può sottostimare le forze sismiche reali, specialmente ai piani superiori, lasciando strutture esistenti con rischi di sicurezza nascosti. In terreni più morbidi, la stessa semplificazione può sovrastimare le forze e portare a progetti eccessivamente pesanti e costosi. Lo studio fornisce un quadro pratico per includere l’interazione terreno–palo–struttura nell’analisi delle torri dei pozzi e mette in evidenza quali combinazioni di tipo di terreno, altezza della torre e periodo di vibrazione influenzano maggiormente la risposta sismica. Sebbene i numeri precisi varino da torre a torre, il quadro generale—che i piani superiori sono i più vulnerabili e che i siti più morbidi possono talvolta attenuare anziché peggiorare la risposta—offre una base più chiara e sfumata per progettare e adeguare le torri dei pozzi delle miniere di carbone in aree soggette a terremoti.

Citazione: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

Parole chiave: torre del pozzo della miniera di carbone, interazione terreno-struttura, fondazione su zattera e pali, ingegneria sismica, spostamento inter-piano