Ingegneria strutturale e fisica delle particelle: una nuova scala di complessità

La crescente dimensione degli apparati sperimentali per la fisica delle particelle sta ponendo nuove sfide all’ingegneria strutturale e sismica. La necessità di contenere grandi volumi di liquidi criogenici, garantendo al contempo sicurezza, affidabilità e controllo delle deformazioni, richiede soluzioni progettuali avanzate e un uso estensivo della modellazione numerica non lineare. L’esperimento DarkSat20K, installato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso e presentato da Michele Angiolilli al congresso ANIDIS 2025, rappresenta un caso studio emblematico di integrazione tra ingegneria civile e fisica delle particelle.

Negli ultimi dieci anni la fisica delle particelle ha imposto all’ingegneria civile e strutturale una sfida inedita: progettare e realizzare apparati sperimentali di dimensioni e masse sempre maggiori, mantenendo livelli estremamente elevati di sicurezza, affidabilità e controllo delle deformazioni. La ricerca degli eventi rari, come quelli associati alla materia oscura, richiede infatti volumi di rivelazione molto grandi e l’impiego di centinaia di tonnellate di liquidi criogenici, con ricadute dirette sulle infrastrutture che li ospitano.

In questo contesto si colloca l’esperimento DarkSide-20K, illustrato da Michele Angiolilli, ricercatore del Gran Sasso Science Institute con affiliazione ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, durante il congresso ANIDIS 2025 ad Assisi. DarkSide20K rappresenta un salto di scala significativo rispetto ai prototipi precedenti: dai 50 kg di argon liquido di una decina di anni fa si è passati a un apparato che ne contiene circa 20.000 kg, con implicazioni progettuali che travalicano i confini tradizionali dell’ingegneria strutturale.

Il criostato di DarkSide-20K: requisiti strutturali, sismici e costruttivi

Il cuore dell’esperimento è il criostato, una struttura di grandi dimensioni concepita per contenere l’argon liquido a una temperatura di circa −183 °C, garantendo al tempo stesso la tenuta meccanica, l’isolamento termico e la sicurezza sismica. Il criostato è costituito da un reticolo strutturale in acciaio S460ML, con travi di grande sezione e connessioni bullonate ad alta resistenza, accoppiato a una membrana metallica costolata di spessore ridotto, progettata per resistere alla pressione idrostatica del liquido.

L’installazione avviene all’interno dei laboratori sotterranei del Gran Sasso, a circa 1.400 metri sotto la montagna, una condizione che consente di schermare efficacemente le radiazioni cosmiche ma che introduce vincoli severi in termini di accessibilità, montaggio e gestione delle fasi costruttive. Dal punto di vista normativo, la progettazione strutturale è stata condotta adottando una classe d’uso IV e un comportamento quasi elastico, con fattore di struttura limitato, in linea con l’elevato livello di affidabilità richiesto per infrastrutture strategiche di ricerca.

Un aspetto particolarmente delicato riguarda i vincoli sismici alla base del criostato, realizzati mediante dispositivi monolateri che consentono il controllo degli spostamenti in condizioni dinamiche senza introdurre iperstaticità eccessive. A questi si aggiunge un sistema multistrato di isolamento termico spesso circa 80 cm, indispensabile per ridurre le dispersioni di calore tra l’ambiente criogenico interno e le condizioni ambientali esterne.

Modellazione numerica avanzata e soluzioni costruttive non convenzionali

La complessità del sistema ha richiesto un’intensa attività di modellazione numerica, finalizzata non solo alla verifica globale della struttura ma anche all’analisi di dettagli costruttivi apparentemente secondari, rivelatisi invece determinanti. Un esempio emblematico è il confronto tra una soluzione inizialmente prevista con saldatura continua tra travi principali e membrana e una soluzione alternativa basata su sistemi di clamp bullonati. Questa seconda opzione, adottata per ridurre costi, tempi di installazione e problemi di distorsione geometrica, ha comportato un aumento della deformabilità globale del sistema, quantificato in circa il 60% rispetto al modello di perfetta adesione.

Le simulazioni, che hanno incluso effetti idrodinamici del liquido criogenico in condizioni sismiche, hanno tuttavia dimostrato che gli spostamenti e le tensioni restavano ampiamente entro i limiti normativi e funzionali. Particolare attenzione è stata dedicata alla modellazione dei contatti non lineari e alla sensibilità del sistema rispetto a piccole perdite di ortogonalità nella bullonatura delle clamp. Anche scostamenti angolari di pochi gradi sono risultati in grado di generare incrementi significativi delle tensioni locali, fino al raggiungimento dello snervamento, evidenziando la necessità di procedure di montaggio rigorose e controllate.

Un ulteriore elemento chiave del progetto è stato il false floor, un pavimento flottante temporaneo necessario per consentire l’installazione progressiva del rivelatore all’interno del criostato. Poiché la membrana è progettata per resistere esclusivamente a carichi uniformi, il false floor ha svolto la funzione di ridistribuire i carichi concentrati, evitando danneggiamenti locali. Le analisi di instabilità dei piedini di appoggio, condotte introducendo non linearità geometriche, del materiale ed eccentricità di carico, hanno mostrato una riduzione significativa della capacità portante rispetto alle stime lineari classiche, portando a un affinamento dei dettagli costruttivi.

La modellazione si è progressivamente evoluta da schemi semplificati a modelli tridimensionali di dettaglio, capaci di rappresentare contatti, collegamenti e interazioni dinamiche, compresi fenomeni di pounding tra il false floor e la membrana. I risultati hanno confermato che, grazie al sistema di irrigidimento adottato, le deformazioni risultano inferiori a quelle prodotte dalla sola pressione uniforme dell’argon liquido a pieno invaso, validando così la soluzione progettuale.

Infrastrutture temporanee e integrazione tra progettazione e costruzione

L’evoluzione del processo di installazione ha reso necessaria anche la progettazione di una camera pulita montata direttamente in sommità al criostato, dotata di carroponte interno e di una struttura metallica capace di sostenere carichi variabili in condizioni statiche e dinamiche. Anche in questo caso, l’ingegneria strutturale ha dovuto adattarsi a requisiti funzionali in continua evoluzione, introducendo controventi e dettagli costruttivi mirati a regolarizzare il comportamento dinamico complessivo.

L’esperienza di DarkSide-20K mostra in modo chiaro come la progettazione di grandi apparati sperimentali per la fisica delle particelle rappresenti oggi un terreno di incontro avanzato tra ingegneria sismica, modellazione numerica non lineare e gestione integrata delle fasi costruttive. Non si tratta solo di garantire la sicurezza strutturale, ma di accompagnare l’evoluzione dell’esperimento stesso, traducendo esigenze scientifiche estreme in soluzioni ingegneristiche robuste, verificabili e realizzabili.

DI SEGUITO LA REGISTRAZIONE INTEGRALE DELL'INTERVENTO DI MICHELE ANGIOLILLI.

Il testo è stato elaborato tramite la videoregistrazione dell'intervento, mediante l'uso dell'IA.

IN SINTESI
-L’aumento di scala degli esperimenti di fisica delle particelle impone nuovi requisiti strutturali e sismici.
-Il criostato di DarkSat20K combina una struttura reticolare in acciaio e una membrana sottile per il contenimento dell’argon liquido.
-La modellazione numerica non lineare è stata determinante per valutare deformabilità, tensioni e fenomeni di instabilità.
-Soluzioni costruttive alternative, come sistemi clampati e pavimenti flottanti, sono state validate attraverso analisi avanzate.
-Il progetto dimostra l’importanza dell’integrazione tra esigenze scientifiche, progettazione strutturale e fasi di installazione.