NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICO UNA SFIDA PER L'ARCHITETTURA E PER L'INGEGNERIA
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NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICO
UNA SFIDA PER L'ARCHITETTURA E PER L'INGEGNERIA
Alberto Parducci
È probabilmente vero che nella storia del pensiero umano gli sviluppi
più fruttuosi si verificano spesso nei punti d’interferenza tra due diver-
se linee di pensiero. Se esse vengono a trovarsi in rapporti sufficiente-
mente stretti da dare origine ad un’effettiva interazione, si può allora
sperare che possano seguirne nuovi ed interessanti sviluppi.
Werner Heisenberg1
Il mondo è pieno di cose ovvie che nessuno si prende la cura di osservare.
Sherlok Holmes, “Il Mastino dei Baskerville”
PROBLEMI ED AUSPICI 1. L’Imperial Hotel di Tokyo di Frank Lloyd Wright.
Verso la fine degli anni ‘20 del secolo scorso Frank Lloyd
Wright progettò l’Imperial Hotel di Tokyo affrontando il pro- La costruzione era stata appena ultimata quando nel
blema sismico in modo originale. Progettò un edificio com- 1923 un violentissimo terremoto, il Great Kanto Earthquake
plesso (Fig. 1), ma lo suddivise in corpi scatolari pensati (M=7.9), colpì Tokyo provocando oltre 120˙000 vittime.
come elementi “galleggianti” sopra un terreno deformabile. L’hotel rimase quasi indenne e poté essere usato per allog-
Li fondò su una cor tina di pali infissi in uno “shallow cheese giare gli sfollati. “Hotel stands undamaged as monument of
soil” superficiale, senza por tarli nella formazione melmosa your genius” fu il testo del telegramma che il barone Okura
sottostante; ciò perché il sistema fondale potesse funzionare inviò a Wright consegnando alla storia la geniale intuizione
come uno “shock adsorber” (così lo chiamò) deformabile dell’architetto americano.
capace di assicurare un effetto di isolamento dinamico nei Nel 1968 l’hotel fu demolito; non sono chiare le ragioni
confronti del sisma (Fig. 2). Nelle sue memorie scrisse: “Per- di questa decisione e non si dispone più dei documenti di
ché lottare contro il terremoto? Perché non mettersi in sintonia progetto. Ciò rende difficile oggi separare il mito dalla realtà
con esso per superarlo in astuzia?”. Wright dovette usare le della vicenda. Tuttavia, le dichiarazioni di Wright appaiono
sua forte personalità per imporre quest’idea ad un’ingegne- come il manifesto storico di una concezione che per la pri-
ria ancora vincolata alle concezioni di resistenza e di rigidità, ma volta aveva indirizzato il progetto di un edificio verso la
arrivando a modificare d’autorità i disegni strutturali. concreta applicazione di un sistema di protezione sismica
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L’ambiente d’affari in cui si lavora separa la funzione di un
“architetto”, che definisce l’opera essendo impegnato a
risolvere problemi distributivi da inserire in forme composi-
tive rispondenti ai codici della scuola di appar tenenza, da
quella di un “ingegnere”, che interviene dopo ritenendosi
custode di magici procedimenti numerici, ormai automatiz-
zati e neppure sempre efficaci, da soli, nel caso sismico.2
Entrambi sembrano però convinti che il filtraggio attraverso
un codice di calcolo minuzioso3, possa rendere veramente
antisismica qualunque costruzione così progettata. L’anoma-
lia è favorita anche, non certo meno, dall’ormai tradizionale
separazione culturale fra i percorsi formativi delle due cate-
gorie professionali.
In questo contesto, a più di 60 anni dall’esperienza di
Tokyo, si inseriscono le nuove tecniche dell’isolamento e del-
la dissipazione di energia, con le quali l’ingegneria sismica
apre ora nuovi orizzonti; con quali aspettative? Questa volta
le concezioni di fondo nascono come risultato di una ricerca
scientifica di natura ingegneristica; appaiono differenti, ma di
fatto sono fondate sugli stessi principi intuiti da Wright. I
nuovi sistemi si articolano in differenti modalità di applicazio-
2. Dettagli costruttivi disegnati da Wright per l’Imperial Hotel di Tokyo. ne con lo scopo di innalzare sostanzialmente i livelli di sicu-
rezza delle costruzioni, maggiormente nei confronti degli
attacchi sismici più violenti. Le recenti norme4 ne hanno libe-
differente da quello che proponeva l’ingegneria tradizionale, ralizzato l’impiego, prima soggetto a tormentati iter di
anzi antitetico. “La rigidità non era la risposta giusta, ma lo era- approvazione, ed hanno stabilito le procedure occorrenti
no la flessibilità e la resilienza”, aveva affermato anticipando per il progetto delle costruzioni e per la qualificazione dei
concetti sui quali si fonda oggi l’ingegneria sismica. Era riusci- sistemi. L’industria italiana produce dispositivi di elevata qua-
to ad armonizzare architettura ed ingegneria per proporre lità che soddisfano un ampio spettro di esigenze realizzative.
una nuova idea progettuale; ma l’ingegneria dell’epoca non I costi di costruzione non sono elevati; sono elevati invece i
era pronta e non lo comprese, sicché mancò lo sviluppo benefici economici attesi dalla collettività, dovuti alle riduzio-
auspicato da Heisenberg. ni dei danni e degli interventi richiesti dopo le grandi cata-
La vicenda di Wright e l’esortazione di Heisenberg, prima strofi. Le analisi di redditività indicano che l’isolamento può
ancora di introdurre l’argomento di questo numero speciale, abbassare di circa due gradi l’intensità del terremoto perce-
invitano a riflettere sull’annosa discrasia della quale troppo pito dalla costruzione.
spesso soffre il progetto delle costruzioni. Il problema riguarda, Questo numero di EdA si propone di illustrare le applica-
ancora una volta, il rapporto fra architettura e struttura nella zioni più significative delle tecniche di isolamento di tipo
pratica professionale corrente, dove non sempre ci si rende “passivo” che, in linea con quanto accade nei Paesi più espo-
conto di quanto sia importante l’armonia fra queste due com- sti al rischio sismico, si stanno sviluppando ora anche in
ponenti progettuali; armonia essenziale nelle zone sismiche. Italia.5 L’auspicio è che ciò possa favorire un incontro fra le
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nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
differenti competenze progettuali per stimolare la ricerca di US Geological Service
appropriate configurazioni morfologiche e strutturali atte a Descriptor Magnitude Average annually
perseguire il duplice obiettivo di ampliare il campo delle Great 8 and greater 1
soluzioni architettoniche proponibili e di ottimizzarne l’im- Major 7-7.9 18
piego. Le tecniche d’isolamento sismico richiedono strutture Strong 6-6.9 120
che possano rispondere all’input sismico subendo ampi Moderate 5-5.9 800
movimenti rispetto alla base, oppure fra parti di esse. Appa- Light 4-4.9 6-200 (estimated)
re già questo un motivo forte per rinnovare le abituali con- Minor 3-3.9 29.000 (estimated)
cezioni ereditate dal principio vitruviano di “firmitas“. Alcune
caratteristiche morfologiche, solitamente considerate di eventi la cui intensità, ai massimi livelli di pericolosità, è
improprie, possono diventare adeguate in conseguenza del definita “moderata” (M=5-6) nell’allegata tabella6 del “US
diverso peso che assumono alcune irregolarità e destruttu- Geological Service”. La sicurezza nei confronti dei terremoti
razioni delle forme; oppure perché la deformabilità favorisce più severi era lasciata alle generiche risorse residue delle
l’impiego dei dissipatori. Allo stesso tempo, nuovi concetti strutture, senza però che ne fosse richiesto un esplicito con-
ignorati dalle consuetudini progettuali, come quelli di movi- trollo progettuale.
mento, discontinuità e deformazione“, (“motus“, “scissio“ e In armonia con l’EC.8, il progetto sismico esige oggi un
“deformatio“) possono diventare la base per impostare valore aggiunto. L’attenzione è rivolta in maggior misura al
nuove idee architettoniche. controllo degli effetti prodotti dagli attacchi più violenti.
L’importanza dell’argomento non è contestata, ma pochi Dovendo accettare nei loro confronti danni anche gravi,
autori hanno trattato lo scabroso problema delle configura- occorre intervenire progettualmente, sia pure con controlli
zioni compositive per le zone sismiche. Negli ultimi anni un semplificati, per scongiurare quei crolli rovinosi che potreb-
certo numero di pubblicazioni è cominciato ad apparire, ma bero pregiudicare la sicurezza delle persone e la protezione
l’isolamento sismico stenta a farne parte. I lavori riflettono dei valori intangibili, quali sono per esempio i beni storici ed
ancora un punto di vista prevalentemente ingegneristico, artistici. Il riferimento è diventato quello di un evento raro,
lasciando da colmare ampi spazi per affrontare il problema definito da un periodo medio di ritorno di circa 500 anni7,
con una mentalità più orientata verso gli aspetti architettonici. caratterizzato da accelerazioni del suolo quasi dieci volte
maggiori di quelle del riferimento precedente. Per una
costruzione a base fissa si stima preliminarmente la capacità
IL PROBLEMA SISMICO E LE TECNICHE DI ISOLAMENTO che può esserle attribuita per opporsi a questo evento
estremo in condizioni danneggiate, ma potendo sviluppare
Il terremoto è un evento naturale imprevedibile; nelle un’adeguata capacità dissipativa globale associata a deforma-
sue manifestazioni più intense produce scosse d’intensità zioni anelastiche duttili. Si definiscono così appropriati coeffi-
molto superiore alla capacità di resistenza dei materiali da cienti con i quali si valuta ancora un terremoto di progetto
costruzione. Le abitudini progettuali acquisite inducono a ridotto, la cui intensità è però correlata alla capacità post-
sottovalutare questo aspetto. Pur nella consapevolezza di elastica dissipativa della particolare costruzione in esame. Le
questa inadeguatezza, i requisiti progettuali richiesti dalle norme agevolano questa fase del progetto definendo, oltre a
precedenti norme erano limitati ad assicurare la resistenza quelli di dettaglio, i requisiti di configurazione che servono
dei singoli elementi strutturali occorrente per superare sen- per colmare la disparità tra la performance richiesta dal-
za danni i terremoti più frequenti, di media intensità, attesi l’evento raro e la resistenza effettiva delle strutture. Più di
con periodi di ritorno dell’ordine dei 50-60 anni. Si trattava quanto possano indicare gli schemi delle norme, basati in
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riferimento. Nella figura sono indicati i fattori che possono
consentirle di superare questo severo impatto. Sono impor-
tanti gli ultimi due, connessi proprio con il danneggiamento:
l’aumento del periodo di oscillazione conseguente alla minore
rigidezza globale della struttura danneggiata e l’aumento della
capacità dissipativa dovuto alle deformazioni ripetute imposte
alle zone critiche plasticizzate. Il primo effetto si legge come
uno spostamento verso destra lungo la retta tratteggiata che
porta il periodo di oscillazione verso verso i periodi in cui la
domanda si attenua in modo sostanziale; al secondo corri-
3. Divario tra domanda sismica e capacità di risposta.
sponde la riduzione, anch’essa tratteggiata, della domanda
medesima guadagnata grazie agli effetti dissipativi. I due mec-
genere su concetti di regolarità, i requisiti di configurazione canismi sono efficaci quando le zone critiche del sistema che si
dipendono però in larga misura dalle configurazioni struttu- oppone al sisma possiedono la deformabilità anelastico-dissi-
rali condizionate dalle scelte morfologiche del progetto pativa potenzialmente necessaria, purché la configurazione del
architettonico. meccanismo anelastico che si produce in fase di danneggia-
La Fig. 3 sintetizza, mediante una rappresentazione spettra- mento abbia un forma appropriata per mobilitare realmente
le, il divario che può esistere fra la capacità di risposta di una tutte le potenzialità disponibili.
normale struttura antisismica e la domanda del terremoto di Quanto ora detto contiene già la sostanza dei principi
dell’isolamento sismico. Nella concezione del “capacity
design”, che regola il progetto delle costruzioni a base fissa,
tutte le membrature strutturali dovrebbero contribuire alla
resistenza ed alla dissipazione di energia mediante un dan-
neggiamento diffuso, senza concentrazioni improprie (Fig. 4).
Con le tecniche dell‘isolamento invece queste prestazioni si
attribuiscono, anziché alle strutture danneggiate, a particolari
dispositivi meccanici, isolatori e dissipatori, opportunamente
disposti nel sistema resistente. L’isolamento sismico passivo
si consegue pertanto utilizzando una o entrambe le seguenti
strategie di progetto:
• isolamento alla base, con il quale si tende ad ottenere un
forte aumento del periodo di oscillazione;
• incremento della capacità dissipativa, consistente nell’inseri-
mento di appositi dissipatori opportunamente distribuiti.
L’isolamento alla base (“base isolation“) è il sistema più
semplice. Si ottiene disponendo la costruzione sopra un letto
di isolatori molto deformabili in direzione orizzontale (Fig. 5),
per lasciare che questa possa oscillare lentamente come un
4. La Transamerica Pyramid di San Francisco (secolo XX) e la Horyuji corpo rigido indeformato e con periodi compresi nel campo
Pagoda di Kyoto (secolo XIV). delle minori domande (per esempio, 2 o 3 secondi). In gene-
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nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
re, nelle applicazioni si utilizzano isolatori di gomma multistra-
to rinforzati mediante lamierini di acciaio (Fig. 6). La capacità
di ridurre le accelerazioni trasmesse da questi dispositivi
aumenta al crescere delle deformazioni imposte; vale a dire
che, entro i limiti di progetto, questi isolatori sono tanto più
efficaci quanto maggiore è l’intensità degli attacchi sismici (Fig.
7). Il sistema si applica bene agli edifici multipiano, dove si
riducono le accelerazioni trasmesse ai piani stessi a beneficio
degli oggetti e dei valori contenuti. L’aggiunta di una certa
capacità dissipativa non è essenziale, ma è utile per attenuare
ulteriormente la domanda e per ridurre l’ampiezza delle
deformazioni richieste agli isolatori, che possono essere mol-
to grandi, anche dell’ordine di 30 o 40 cm.
5. Edificio residenziale dello IERP a Città di Castello (PG), isolato alla
base mediante dispositivi HDRB.
In una rappresentazione spettrale di tipo capacitivo, dove
le accelerazioni di risposta elastica (Sa=ω2Sd) sono ripro-
dotte in funzione degli spostamenti “equivalenti” (Sd) e
dove i periodi di oscillazione T corrispondono alle rette
uscenti dall’origine degli assi, si illustra bene l’essenza del-
l’isolamento alla base (Fig. 8). Si consideri, come semplice
esempio, un edificio a base fissa che abbia un periodo di
oscillazione di 0.5 secondi e si accetti, sempre per sempli-
cità, il criterio di “uguale spostamento”. Se nel suo com-
plesso la struttura dispone di una duttilità post-elastica
uguale a 5 (μ=5) il sistema resistente può essere proget-
tato per un input sismico 5 volte inferiore alla domanda
del terremoto raro (q=5). L’edificio può sopravvivere all’at-
6. Dispositivi HDRB.
7. Curve di isteresi di una coppia di isolatore HDRB sottoposti a carichi
ripetuti di ampiezza crescente. 8. Isolamento alla base in una rappresentazione capacitiva.
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tacco sismico estremo perché lo spostamento equivalente
richiesto corrisponde al limite della sua capacità di defor-
marsi oltre i limiti elastici (le deformazioni plastiche locali
dei singoli elementi strutturali possono essere però molto
ampie). Se la stessa costruzione è posta sopra un letto di
isolatori deformabili capaci di portare, per esempio, il
periodo di oscillazione a 2.5 secondi, il grafico mostra
come questa, oscillando lentamente, potrebbe sopportare
il terremoto estremo senza neppure mobilitare deforma-
9. Stantuffi a comportamento viscoso (VD) ed elasto-plastico (EPD) (A. zioni superiori ai limiti elastici. Occorre solo che la capaci-
Whittaker UB/MCEER) - sopra - e appoggio elasto-plastico EPD di una tà deformativa degli isolatori sia sufficientemente ampia.
struttura da ponte (dispositivo FIP, brevetto Parducci Medeot)- sotto -.
11. Adeguamento sismico mediante controventi dissipativi. Università di
Taipei (Taiwan).
Un comportamento analogo si consegue anche inse-
rendo alla base del fabbricato dissipatori di tipo viscoso,
simili agli ammortizzatori automobilistici (Fig. 9), oppure dis-
sipatori capaci di un ampio comportamento elasto-plastico,
ottenuto in genere per deformazione plastica di elementi
10. Edificio della Union House di Auckland (NZ, 1981) isolato alla base metallici duttili (Fig. 10). Dissipatori di questo tipo possono
con dispositivi EPD. essere inseriti anche nei riquadri delle strutture intelaiate
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nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
(Fig. 11) per funzionare in parallelo durante le deformazioni
laterali imposte dal sisma. Quest’ultimo è il caso, per esem-
pio, delle costruzioni metalliche che possono sopportare
deformazioni orizzontali piuttosto ampie, tali da consentire
ai dispositivi di sviluppare la loro capacità dissipativa. Inoltre,
le strutture metalliche possono essere configurate anche in
modo da far funzionare particolari sistemi di “controventi
dissipativi” che all’occorrenza si deformano plasticamente 13. Adeguamento sismico di un complesso su "pilotis" mediante inseri-
insieme agli stessi elementi strutturali. I controventi dissipati- mento di VD.
vi possono essere usati convenientemente anche per l’ade-
guamento sismico di strutture intelaiate, purché queste peso delle masse soprastanti per lo spostamento rispet-
abbiano una deformabilità di piano sufficiente. to alla base) che conduce presto al crollo rovinoso del-
l’intero fabbricato (Fig. 12).
L’adeguamento sismico di questo schema non può essere
La configurazione del “primo piano soffice” (“soft first ottenuto aumentando la resistenza dei montanti del pri-
storey”), derivata dai “pilotis” di Le Corbusier, sebbene mo piano perché ciò aumenterebbe la capacità di tra-
sia ancora largamente usata, è particolarmente perico- smettere le azioni sismiche ai piani superiori. Il problema
losa nel caso sismico, perché possiede una capacità dis- può essere risolto invece aumentando la capacità dissipa-
sipativa molto povera quando la resistenza flessionale tiva del piano critico mediante l’inserimento di VD e confi-
dei montanti è mobilitata oltre i limiti elastici. I piani nando le potenziali cerniere plastiche mediante cerchiatu-
soprastanti non si danneggiano perché le forze orizzon- re ottenute con materiale flessibile (Fig. 13).
tali trasmesse non possono superare la resistenza del
piano critico. La capacità dissipativa rimane però con-
centrata in poche cerniere plastiche. Ciò non può evitare L’isolamento sismico ha visto le prime applicazioni all’ini-
il rapido aumento delle deformazioni laterali e, ad zio degli anni ‘80 in Nuova Zelanda, in California ed in Giap-
aggravare la situazione, fa intervenire il cosiddetto effet- pone. Gli edifici sono stati muniti in genere di sistemi di iso-
to “pi-delta” (momento corrispondente al prodotto del lamento alla base, secondo schemi diventati ormai tradizio-
12. Due crolli tipici degli edifici con "primo piano soffice": a sinistra un
edificio di Izmit (Kocaeli Eartrhquake, Turchia); a destra un edificio di 14. Risposta ai vari piani dell’edificio isolato alla base di Sanda (Kobe)
Taipei (Chi Chi Earthquake, Taiwan). durante lo Hyogoken-Nanbu Earthquake del 1995 (M=7.2).
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nali. Il momento decisivo che ne ha lanciato definitivamente NOTE
l’impiego è stato il terremoto di Kobe del 1995 (lo Hyogo-
1. Premio Nobel per la fisica nel 1932; enunciò il principio d’indetermi-
ken Nanbu Ear thquake, detto anche Great Hanshin-Awaji
nazione.
Earthquake, M=7.2). Nella località di Sanda erano presenti 2. “Nella misura in cui le leggi della matematica si riferiscono alla realtà
due fabbricati isolati alla base, le cui registrazioni di risposta non sono certe. Nella misura in cui sono certe non si riferiscono alla real-
hanno mostrato con evidenza la forte riduzione delle acce- tà“, Alber t Einstein, “Geometry and Experience”, dalla conferenza
tenuta all’Accademia delle Scienze Prussiana il 27 Gennaio 1921.
lerazioni sismiche trasmesse dagli isolatori (Fig. 14). Fu la 3. “Non c’è errore più comune di quello di presumere che, siccome sono
definitiva conferma di ciò che era stato registrato l’anno pre- stati effettuati calcoli matematici lunghi ed accurati, l’applicazione del
cedente all’USC Hospital di Los Angeles, durante il terremo- risultato a qualche realtà strutturale sia assolutamente sicura”; Alfred
to di Northridge. A Kobe fu perfino possibile confrontare le North Whitehead (citato da J. D. Barrow in Teorie del Tutto, Milano,
Adelphi, 2003).
risposte di due edifici analoghi ed adiacenti, uno isolato l’al- 4. Ordinanze PCM 3274/03 e 3431/05, la cui applicazione è purtroppo
tro no; in testa al primo furono registrate accelerazioni di ritardata da una continue di proroghe che tollerano ancora l’impiego
piano pari a solo il 20% (!) di quelle misurate nell’altro. delle precedenti norme.
5. Non sono trattati un questa sede i sistemi “attivi” (ibridi o semi-attivi),
L’isolamento sismico ha trovato un importante impiego
considerati troppo sofisticati per poterne prevedere un utilizzo diffu-
anche nel settore delle infrastrutture stradali. In Italia, verso so.
la fine del secolo scorso, era stato raggiunto un certo prima- 6. La Magnitudo M è la misura logaritmica di uno spostamento di riferi-
to, perché erano stati isolati gli impalcati di oltre un centinaio mento; ogni aumento di un grado corrisponde ad uno spostamento
10 volte maggiore!
di ponti. In queste applicazioni furono preferiti dispositivi dis- 7. Come l’EC.8, le norme assumono ora come riferimento l’evento che
sipativi di tipo elasto-plastico, disposti in sostituzione dei ha la probabilità di occorrenza del 10% in 50 anni corrispondente,
normali appoggi delle travate (Fig. 15). Un significativo esem- per l’esattezza, ad un periodo di ritorno di 475 anni. Gli edifici scola-
pio di queste applicazioni è pubblicato in un altro numero di stici e le costruzioni strategiche, comprendenti gli ospedali, si proget-
tano per periodi di ritorno maggiori.
EdA, dedicato alle infrastrutture.
Nelle relazioni che seguono, presentate dagli specialisti del
settore, sono descritte le più significative applicazioni dei siste-
mi cui si è fatto cenno, realizzate prevalentemente in Italia.
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nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
1. W. Heisenberg, Wandlungen in den Grundlagen der Naturwissen- 17. E. Elsesser, New Ideas for Structural Configurations, 8th U. S. Nation-
schaft, Hirzel Verlag, 1959 (Trad. it. Mutamenti nelle basi della al Conference on Earthquake Engineering”, San Francisco (CA),
scienza,Torino, Bollati Boringhieri, 2000). 2006.
2. E. Kaufmann editor, An American Architecture - Frank Lloyd Wright, 18. A. Parducci, M. Mezzi (coordinatori) ed Altri, Configurazioni Strut-
New York, Bramhall House, 1955. turali per l’Ottimizzazione delle Prestazioni dei Sistemi Innovativi di
3. Christopher Arnold & Robert Reitherman, Building Configuration Protezione Sismica, Reluis, Linea 7, Unità E1, Report preliminare
and Seismic Design, John Wiley & Son, 1982 (Trad. it., Morfologia 2007.
Edilizia e Progetto Sismico, Bologna, Edizioni Luigi Parma, 1985). 19. A. Parducci, A Synergic Dissipation Approach to Retrofit Framed
4. C.C.Thiel, Life cycle cost consideration in structural systems selec- Structures with a Soft First Storey (invited paper) - 9th World Sem-
tion, ATC-17, San Francisco (CA), 1986. inar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active Vibration
5. C. Arnold, Architectural Considerations, in Seismic Design Hand- Control of Structures, Kobe, Japan, June 13-16, 2005.
book, F. Naeim editor,Von Nostrand, New York, 1989 20. A. Parducci, Nuovi Sistemi di Protezione Sismica dei Ponti - Il Viadot-
6. R. I. Skinner, W. H. Robinson, G. H. McVerry, An Introduction to to Coltano, in corso di stampa in “EdA. Esempi di architettura”, n°
Seismic Isolation, John Wiley & Sons, 1993. 2, 2007.
7. A. Parducci, M. Mezzi: Economics in Seismic Isolation Options - 21. R. Reitherman, A.W. Charleson, Consortium of Universities for
Expected Benefits Versus Construction Costs, PCEE, Melbourne Research in Earthquake Engineering, CUREE, sito internet,
(Australia), 1995. http//www.curee.org.
8. A. Parducci, Seismic Isolation: Why, Where, When: Design Options for
Ordinary Isolated Structures - International Post-Smir t Confer-
ence Seminar on Isolation, Energy Dissipation and Control of
Vibration of Structures - Cheju (Korea), 1999.
9. A. W. Charleson, M.Taylor,Towards an Earthquake Architecture,
12th WCEE, Auckland (NZ), 2000.
10. A. Parducci, Seismic Isolation and Structural Configurations - The
Italian experience, Special meeting held at the Forell/Elsesser
Company, San Francisco (California), 2000.
11, A. Parducci Seismic Isolation and Architectural Configuration - Spe-
cial Conference on Conceptula Design od Structures, Singa-
pore, 2001.
12. A. W. Charleson, M. Taylor, Earthquake Architecture
Exploration,13th WCEE,Vancouver, 2004.
13. M. Mezzi, A. Parducci, Conceptual Seismic Design and State-of-the
Art Protection Systems, U. S. National Conference on Earthquake
Engineering”, San Francisco (CA), 2006.
14. M. Mezzi, Architectural and Structural Configuration of Buildings with
Innovative Aseismic Systems, 13th WCEE,Vancouver, 2004.
15. A. Parducci ed Altri, Base Isolation and Structural Configuration -
The New Emergency Management Centre in Umbria, 9th World
Seminar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active
Vibration Control of Structures, Kobe, Japan, 2005
16. M. Dolce, A. Martelli, G. Panza, Moderni Metodi di Protezione dagli
Effetti del Terremoto, 2005.
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NEW CONCEPTS FOR bound to concepts of resistance and rigidi- environment in which we work separates
ty, and he finally modified the structured the functions of an “architect”, who defines
SEISMIC PROJECTS design using his authority. the work and is committed to resolving
A CHALLENGE FOR The building had just been completed distribution problems to be included in
when a violent earthquake (the Great Kan- component shapes that correspond to
ARCHITECTURE AND to Earthquake -M = 7.9) hit Tokyo in 1923, codes from the school one belongs to,
ENGINEERING causing over 120,000 victims. The hotel from that of an “engineer”, who intervenes
remained quite intact and was used to afterwards, acting as the custodian of magic
house evacuees.The telegram Baron Oku- numeric procedures, now automated and
It is probably true quite generally that in ra sent Wright read “Hotel stands undam- not even always effective, and alone, in the
the history of human thinking the most fruit- aged as monument of your genius”, thus seismic case2. However, both seem con-
ful developments frequently take place at allowing the brilliant intuition of the Ameri- vinced of the fact that filtering performed
those points where two different lines of can architect to go down in history. using a minute calculation code3 can truly
thought meet. If they are at least so much The hotel was demolished in 1968; rea- make any building designed this way aseis-
related to each other that a real interaction sons behind this decision are not clear and mic. This anomaly is cer tainly not any less
can take place, then one may hope that new project documents are no longer available. favoured by the now traditional cultural
and interesting developments may follow. This makes separating the event’s myth separation of the training these 2 profes-
Werner Heisenberg1 from reality difficult today. Never theless, sional categories go through.
Wright’s statements are the historical pro- In this context and more than 60 years
The world is full of obvious things which gramme of a concept, which for the first after the experience in Tokyo, new isolation
nobody by any chance ever observes. time guided a building’s project towards and energy dissipation techniques are
Sherlock Holmes, The Hound of Baskervilles the concrete application of a seismic pro- being added, with which seismic engineer-
tection system different or rather antitheti- ing is now opening new horizons; with
cal from those proposed by traditional what expectations? This time, the basic
engineering. “Rigidity was not the right concepts are the result of scientific
PROBLEMS AND AUSPICES answer, but flexibility and resilience were”, he research based on engineering; they
stated anticipating concepts on which seis- appear different, but in fact they are based
Towards the end of the 20’s, Frank Lloyd mic engineering is based today. He was on the same principles intuited by Wright.
Wright designed the Imperial Hotel in able to harmonise architecture and engi- The new systems are divided into different
Tokyo by dealing with the seismic problem neering to propose a new design idea; but application methods with the purpose of
in an original manner. He designed a com- engineering at the time was not ready and substantially raising building safety levels in
plex building (Fig. 1) but divided it into didn’t understand this, so the development the event of violent seismic attacks. Recent
boxed components thought of as “floating” hoped for by Heisenberg did not take legislation4 has deregulated use, previously
elements on a deformable ground. For their place. the subject of tormented approval proce-
foundation, he used a pile screen embed- Before introducing the subject of this dures, and has established procedures
ded in superficial shallow cheese soil without special edition, Wright’s vicissitude and required for engineering projects and sys-
penetrating through to the underlying mud- Heisenberg’s exhortation are an invitation tems qualifications.The Italian industry pro-
dy formation; this was so the foundation for us to reflect on the age-old dyscrasia, duces quality devices meeting a broad
system could operate as a deformable which engineering projects are far too range of realisation requirements. Con-
shock absorber able to ensure a dynamic often subjected to. Once again, the prob- struction costs are not high; on the other
isolation effect against a seism (Fig. 2). In his lem concerns the relationship between hand, the economic benefits expected by
memoirs, he wrote: “Why fight an earth- architecture and structure in current pro- the general public are high owing to the
quake? Why not join it and beat it with astute- fessional practice, where often the impor- reduction of damage and the interventions
ness?” Wright was obligated to use his tance of harmony between these two required after large catastrophes. Profitabil-
strong personality to impose this idea on design components is overlooked; essential ity analyses indicate that isolation can
the engineering industry, at that time still harmony in seismic areas. The business decrease the intensity of an ear thquake
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nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
perceived by a building by about two T HE SEISMIC PROBLEM AND ISOLA - inelastic deformations.This is the definition
degrees. TION TECHNIQUES of the appropriate coefficients with which
This edition of EdA illustrates the most a less intense ear thquake is still assessed,
significant applications of “passive” isolation Ear thquakes are a natural, unpre- whose intensity however is correlated to
techniques which, in line with what hap- dictable event; in their most intense forms the dissipative, post-elastic capacity of the
pens in countries most subject to seismic they produce shocks whose intensity is specific building being examined. Legisla-
risk, are also currently being developed in much stronger than the resistance capacity tion facilitates this project phase by defining
Italy5. The hope is that this may favour a of building materials. Acquired project the configuration as well as the detailed
meeting between different project expert- practices induce this aspect to be underes- requirements, which serve to reduce the
ise to stimulate researching appropriate timated. Although quite aware of this inad- inequality between the performance
morphological and structural configura- equacy, project requirements demanded required by the rare event and the effec-
tions aimed at pursuing the double goal of by previous legislation were limited to tive resistance of the structures.
broadening the field of proposable archi- ensuring the resistance of individual struc- Configuration requirements depend to
tectural solutions and optimising use. Seis- tural elements required to overcome - a great extent on structural configurations
mic isolation techniques require structures without any damage - the most frequent conditioned by the morphological choices
that can respond to seismic input by sus- ear thquakes of medium intensity and of the architectural project more than the
taining ample movements with respect to expected every 56 -60 years.The intensity indications of legislation outlines, which are
their base, or between par ts of them. This of these events at maximum danger levels generally based on concepts of regularity.
is an important reason to renew the usual is defined as “moderate” (M=5-6) as per Using a spectral representation, figure 3
concepts inherited from the Vitruvian prin- the enclosed char t6 by the US Geological summarises the gap that can exist between
ciple of “firmitas”. Several morphological Service. Safety against the most severe the response capacity of a normal aseismic
characteristics usually considered improper earthquakes was left to a structure’s resid- structure and the demand of the reference
can become suitable as a result of the dif- ual generic resources, without requiring ear thquake. The figure indicates factors
ferent weight several irregularities and any explicit project controls. that can allow this severe impact to be
destructuring of shapes take on, or In keeping with EC 8, today seismic overcome.The last two are important, and
because deformability favours the use of projects require added value. Attention is are connected precisely to damage: the
dissipators. At the same time, new con- aimed at a measure for greater control of increased oscillation period resulting from
cepts ignored by planning customs, such as the effects produced by the most violent the lesser overall rigidity of the damaged
movement, discontinuity and deformation“ attacks. Having to accept even more seri- structure and the increased dissipative
(“motus”, “scissio” and “deformatio”) can ous damage, intervention must be made at capacity owing to repeated deformations
become the basis on which to formulate the planning stage, even through simplified imposed on the plasticised critical areas.
new architectural ideas. controls, to prevent those disastrous col- The first effect can be read as a displace-
The impor tance of the subject is not lapses that could jeopardise the safety of ment to the right along the outlined line
questioned, but few authors have dealt people and safeguard intangible valuables, bringing the oscillation period towards
with the delicate problem of component such as for example historical and ar tistic periods in which demand is substantially
configurations for seismic areas. Over the assets.The reference has become that of a decreased; the second corresponds to the
last few years, a number of publications rare event, defined by an average return reduction, also outlined, of the same
have begun appearing, but seismic isolation period of approximately 500 years7, char- demand gained thanks to the dissipative
is rarely a par t of them. The works still acterised by ground accelerations almost effects. The two mechanisms are effective
reflect an engineering point of view, leaving 10 times greater than those of the previ- when the critical areas of the system
wide gaps to deal with the problem from a ous reference. Preliminary estimations for a opposing the seism possess potentially
mentality more oriented towards architec- fixed-base construction include the capaci- necessary inelastic-dissipative deformabili-
tural aspects. ty it can be attributed with to oppose this ty, as long as the configuration of the
extreme event in damaged conditions, but inelastic mechanism produced during the
while developing an overall adequate dissi- damage phase has the appropriate shape
pative capacity associated with ductile to truly mobilise all potentialities available.
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editoriale
These statements already contain the tions required by the isolators - which ance generally obtained due to the plastic
substance of the principles of seismic isola- might be quite large - by even up to 30 or deformation of ductile metal elements (Fig.
tion. In the concept of “capacity design”, 40 cm. 10). This type of dissipator can also be
which regulates engineered projects with a added to the panels of the framed struc-
fixed base, all structural framework should A capacitive-type spectral representa- tures (Fig. 11) to function simultaneously
contribute to the resistance and dissipation tion, where the accelerations of elastic during lateral deformations caused by the
of energy through widespread damage, response (Sa=ω2Sd) are reproduced seism.The latter is the case, for example, of
without improper concentrations (Fig. 4). as a function of “equivalent” displace- metal constructions that can suppor t
But by using isolation techniques, this per- ments (Sd) and where oscillation peri- rather broad horizontal deformations such
formance is attributed to special mechani- ods T correspond to the lines leaving as to allow the devices to develop their
cal devices, isolators and dissipators appro- the origin of the axes, is a good illus- dissipative capacity. In addition, the metal
priately located in the resisting structure, tration of the essence of base isolation structures can also be configured so as to
rather than the damaged structures. Pas- (Fig. 8). Consider as a simple example operate special “dissipative bracing” sys-
sive seismic isolation therefore results, by a building with a fixed base whose tems, which when required, plastically
using one or both of the following project oscillation period is 0.5 seconds and deform together with the same structural
strategies: for the sake of simplicity, accept the elements. Dissipative bracing can also con-
• base isolation, which tends to obtain a criteria of “equal displacement”. If veniently be used for the seismic adapta-
significant increase to the oscillation overall, the structure has a post-elastic tion of framed structures, as long as their
period; ductile equal to 5(μ=5), the resistant storey deformability is sufficient.
• increased dissipative capacity, consisting system can be planned for a seismic
in the addition of specific dissipators input 5 times less than the demand of Although still largely used, the configu-
appropriately distributed. a rare earthquake (q=5). The building ration of the “soft first storey” derived
Base isolation is the simplest solution. can survive an extreme seismic attack from “pilotis” by Le Corbousier is par-
This is obtained by arranging the building because the equivalent displacement ticularly dangerous in a seismic case
on a bed of highly deformable isolators in a required corresponds to the limit of its because it has a very poor dissipative
horizontal direction (Fig. 5), so it can slowly capacity to deform itself beyond the capacity when the flex resistance of
oscillate as a non-deformed rigid body and elastic limits (the local plastic defor- the posts is moved beyond the elastic
at periods included in the field of lesser mations of the individual structural limits. The upper storeys are not dam-
demands (for example 2 or 3 seconds). elements can however be quite aged because the horizontal forces
Generally, multilayer, reinforced rubber iso- broad). The graph indicates how this transmitted cannot exceed the resist-
lators are used in applications through building, while slowly oscillating, might ance of the critical storey. However,
steel metal sheets (Fig. 6). The capacity to support an extreme earthquake with- the dissipative capacity remains con-
reduce the accelerations transmitted from out even mobilising greater deforma- centrated in just a few plastic hinges.
these devices increasingly builds the defor- tions at the elastic limits if the same This cannot prevent the rapid increase
mations set; in other words this means that building is located on top of a bed of of lateral deformations and, to make
within the project limits, the greater the deformable isolators able, for exam- matters worse, causes the so-called
intensity of the seismic attacks, the greater ple, to bring the oscillation period to “pi-delta” effect (a moment corre-
the effectiveness of these isolators (Fig. 7). 2.5 seconds. It is only necessary that sponding to the product of the weight
This system can be applied quite well to the isolators’ capacity to deform be of the above masses due to displace-
multi-level building, where the accelera- sufficiently ample. ment with respect to the base), soon
tions transmitted to the storeys them- bringing about the disastrous collapse
selves are reduced to benefit the objects Analogous performance is also of the entire building (Fig. 12).
and valuables contained within. The addi- obtained by adding viscous dissipators sim- The seismic adaptation cannot be
tion of a cer tain dissipative capacity is not ilar to automobile shock absorbers (Fig. 9) obtained by increasing the resistance of
essential, but it is useful to fur ther reduce to the base of the building, or dissipators the first-storey posts because this would
demand and the breadth of the deforma- capable of a broad elastic-plastic perform- increase the capacity to transmit the
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nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
seismic actions to the storeys above. The following repor ts presented by
However, the problem can be resolved industry specialists describe the most sig-
by increasing the dissipative capacity of nificant applications of the systems men-
the critical storey by adding VDs and tioned, realised mainly in Italy.
confining potential plastic hinges
through spiral reinforcements obtained
using flexible material (Fig. 13). NOTES
Seismic isolation was first applied at the
beginning of the 80’s in New Zealand, Cali- 1 Winner of the Nobel prize in physics in
fornia and Japan. Buildings were generally 1932; he enunciated the principle of uncer-
equipped with base isolation systems, tainty.
2 “As far as the laws of mathematics refer to
according to norms that have now reality, they are not certain; and as far as they
become traditional. The decisive moment are certain, they do not refer to reality”, Albert
that definitely launched this use was the Einstein, “Geometry and Experience”, from
1995 Kobe Ear thquake (the Hyogoken the conference held 27th January 1921 at
Nanbu Ear thquake, also known as the the Prussian Academy of Sciences.
3 “There is no more common error than to
Great Hanshin-Awaji Earthquake, M=7.2).
assume that, because prolonged and accurate
There were two base-isolated buildings in mathematical calculations have been made,
Sanda, whose recorded responses clearly the application of the result to some fact of
demonstrated the significant reduction of nature is absolutely certain”; Alfred Nor th
the seismic accelerations transmitted by Whitehead (cited by J. D. Barrow in “Teorie
the isolators (Fig. 14). It was a decisive con- del Tutto”, Adelphi, 2003).
4 Ordinances by Italian Prime Minister
firmation of the previous year’s recordings 3274/03 and 3431/05, whose application is
made by the USC Hospital in Los Angeles unfortunately delayed by continuous post-
during the Nor thridge Ear thquake. In ponements still tolerating the use of previ-
Kobe, it was even possible to compare the ous legislation.
5 “Active” (hybrids or semi-active) systems
responses of the two, similar buildings
are not treated here as they are considered
located next to each other, one being iso-
too sophisticated for widespread use.
lated and the other not; at the top of the 6 Magnitude M is the logarithmic measure of
first, the storey accelerations registered a reference displacement; each 1 degree
were only equal to 20% (!) of those meas- increase corresponds to a displacement 10
ured in the other building. times greater!
Seismic isolation has also found an 7 As with EC 8, legislation now uses as its ref-
erence an event whose probability of cor-
impor tant use in the road infrastructures responding occurrence equals 10% in 50
sector.Towards the end of the last century years, precisely to a return period of 475
in Italy, a specific precedence was set years. Scholastic buildings and strategic con-
because the decks of over a 100 bridges structions, including hospitals, are planned
were isolated. Elastic-plastic dissipative for increased return periods.
devices were favoured in these applica-
tions, placed to replace the normal sup-
por ts of the decks (Fig. 15). A significant
example of these applications is published
in another edition of EdA, dedicated to
infrastructures.
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