Nuove concezioni per il progetto sismico

EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:31
Pagina 17
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 diverse linee di pensiero. Se esse vengono a trovarsi in rapporti sufficientemente 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
Verso la fine degli anni ‘20 del secolo scorso Frank Lloyd
Wright progettò l’Imperial Hotel di Tokyo affrontando il problema sismico in modo originale. Progettò un edificio complesso (Fig. 1), ma lo suddivise in corpi scatolari pensati
come elementi “galleggianti” sopra un terreno deformabile.
Li fondò su una cor tina di pali infissi in uno “shallow cheese
soil” superficiale, senza por tarli nella formazione melmosa
sottostante; ciò perché il sistema fondale potesse funzionare
come uno “shock adsorber” (così lo chiamò) deformabile
capace di assicurare un effetto di isolamento dinamico nei
confronti del sisma (Fig. 2). Nelle sue memorie scrisse: “Perché lottare contro il terremoto? Perché non mettersi in sintonia
con esso per superarlo in astuzia?”. Wright dovette usare le
sua forte personalità per imporre quest’idea ad un’ingegneria ancora vincolata alle concezioni di resistenza e di rigidità,
arrivando a modificare d’autorità i disegni strutturali.
1. L’Imperial Hotel di Tokyo di Frank Lloyd Wright.
La costruzione era stata appena ultimata quando nel
1923 un violentissimo terremoto, il Great Kanto Earthquake
(M=7.9), colpì Tokyo provocando oltre 120˙000 vittime.
L’hotel rimase quasi indenne e poté essere usato per alloggiare gli sfollati. “Hotel stands undamaged as monument of
your genius” fu il testo del telegramma che il barone Okura
inviò a Wright consegnando alla storia la geniale intuizione
dell’architetto americano.
Nel 1968 l’hotel fu demolito; non sono chiare le ragioni
di questa decisione e non si dispone più dei documenti di
progetto. Ciò rende difficile oggi separare il mito dalla realtà
della vicenda. Tuttavia, le dichiarazioni di Wright appaiono
come il manifesto storico di una concezione che per la prima volta aveva indirizzato il progetto di un edificio verso la
concreta applicazione di un sistema di protezione sismica
17
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:31
Pagina 18
editoriale
2. Dettagli costruttivi disegnati da Wright per l’Imperial Hotel di Tokyo.
differente da quello che proponeva l’ingegneria tradizionale,
anzi antitetico. “La rigidità non era la risposta giusta, ma lo erano la flessibilità e la resilienza”, aveva affermato anticipando
concetti sui quali si fonda oggi l’ingegneria sismica. Era riuscito ad armonizzare architettura ed ingegneria per proporre
una nuova idea progettuale; ma l’ingegneria dell’epoca non
era pronta e non lo comprese, sicché mancò lo sviluppo
auspicato da Heisenberg.
La vicenda di Wright e l’esortazione di Heisenberg, prima
ancora di introdurre l’argomento di questo numero speciale,
invitano a riflettere sull’annosa discrasia della quale troppo
spesso soffre il progetto delle costruzioni. Il problema riguarda,
ancora una volta, il rapporto fra architettura e struttura nella
pratica professionale corrente, dove non sempre ci si rende
conto di quanto sia importante l’armonia fra queste due componenti progettuali; armonia essenziale nelle zone sismiche.
18
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 compositive rispondenti ai codici della scuola di appar tenenza, da
quella di un “ingegnere”, che interviene dopo ritenendosi
custode di magici procedimenti numerici, ormai automatizzati 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’anomalia è favorita anche, non certo meno, dall’ormai tradizionale
separazione culturale fra i percorsi formativi delle due categorie professionali.
In questo contesto, a più di 60 anni dall’esperienza di
Tokyo, si inseriscono le nuove tecniche dell’isolamento e della 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 applicazione con lo scopo di innalzare sostanzialmente i livelli di sicurezza delle costruzioni, maggiormente nei confronti degli
attacchi sismici più violenti. Le recenti norme4 ne hanno liberalizzato l’impiego, prima soggetto a tormentati iter di
approvazione, ed hanno stabilito le procedure occorrenti
per il progetto delle costruzioni e per la qualificazione dei
sistemi. L’industria italiana produce dispositivi di elevata qualità che soddisfano un ampio spettro di esigenze realizzative.
I costi di costruzione non sono elevati; sono elevati invece i
benefici economici attesi dalla collettività, dovuti alle riduzioni dei danni e degli interventi richiesti dopo le grandi catastrofi. Le analisi di redditività indicano che l’isolamento può
abbassare di circa due gradi l’intensità del terremoto percepito dalla costruzione.
Questo numero di EdA si propone di illustrare le applicazioni più significative delle tecniche di isolamento di tipo
“passivo” che, in linea con quanto accade nei Paesi più esposti al rischio sismico, si stanno sviluppando ora anche in
Italia.5 L’auspicio è che ciò possa favorire un incontro fra le
edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 19
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
appropriate configurazioni morfologiche e strutturali atte a
perseguire il duplice obiettivo di ampliare il campo delle
soluzioni architettoniche proponibili e di ottimizzarne l’impiego. Le tecniche d’isolamento sismico richiedono strutture
che possano rispondere all’input sismico subendo ampi
movimenti rispetto alla base, oppure fra parti di esse. Appare già questo un motivo forte per rinnovare le abituali concezioni ereditate dal principio vitruviano di “firmitas“. Alcune
caratteristiche morfologiche, solitamente considerate
improprie, possono diventare adeguate in conseguenza del
diverso peso che assumono alcune irregolarità e destrutturazioni delle forme; oppure perché la deformabilità favorisce
l’impiego dei dissipatori. Allo stesso tempo, nuovi concetti
ignorati dalle consuetudini progettuali, come quelli di movimento, discontinuità e deformazione“, (“motus“, “scissio“ e
“deformatio“) possono diventare la base per impostare
nuove idee architettoniche.
L’importanza dell’argomento non è contestata, ma pochi
autori hanno trattato lo scabroso problema delle configurazioni compositive per le zone sismiche. Negli ultimi anni un
certo numero di pubblicazioni è cominciato ad apparire, ma
l’isolamento sismico stenta a farne parte. I lavori riflettono
ancora un punto di vista prevalentemente ingegneristico,
lasciando da colmare ampi spazi per affrontare il problema
con una mentalità più orientata verso gli aspetti architettonici.
IL PROBLEMA SISMICO E LE TECNICHE DI ISOLAMENTO
Il terremoto è un evento naturale imprevedibile; nelle
sue manifestazioni più intense produce scosse d’intensità
molto superiore alla capacità di resistenza dei materiali da
costruzione. Le abitudini progettuali acquisite inducono a
sottovalutare questo aspetto. Pur nella consapevolezza di
questa inadeguatezza, i requisiti progettuali richiesti dalle
precedenti norme erano limitati ad assicurare la resistenza
dei singoli elementi strutturali occorrente per superare senza danni i terremoti più frequenti, di media intensità, attesi
con periodi di ritorno dell’ordine dei 50-60 anni. Si trattava
Alberto Parducci
US Geological Service
Descriptor
Great
Major
Strong
Moderate
Light
Minor
Magnitude
8 and greater
7-7.9
6-6.9
5-5.9
4-4.9
3-3.9
Average annually
1
18
120
800
6-200 (estimated)
29.000 (estimated)
di eventi la cui intensità, ai massimi livelli di pericolosità, è
definita “moderata” (M=5-6) nell’allegata tabella6 del “US
Geological Service”. La sicurezza nei confronti dei terremoti
più severi era lasciata alle generiche risorse residue delle
strutture, senza però che ne fosse richiesto un esplicito controllo progettuale.
In armonia con l’EC.8, il progetto sismico esige oggi un
valore aggiunto. L’attenzione è rivolta in maggior misura al
controllo degli effetti prodotti dagli attacchi più violenti.
Dovendo accettare nei loro confronti danni anche gravi,
occorre intervenire progettualmente, sia pure con controlli
semplificati, per scongiurare quei crolli rovinosi che potrebbero pregiudicare la sicurezza delle persone e la protezione
dei valori intangibili, quali sono per esempio i beni storici ed
artistici. Il riferimento è diventato quello di un evento raro,
definito da un periodo medio di ritorno di circa 500 anni7,
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
che può esserle attribuita per opporsi a questo evento
estremo in condizioni danneggiate, ma potendo sviluppare
un’adeguata capacità dissipativa globale associata a deformazioni anelastiche duttili. Si definiscono così appropriati coefficienti con i quali si valuta ancora un terremoto di progetto
ridotto, la cui intensità è però correlata alla capacità postelastica dissipativa della particolare costruzione in esame. Le
norme agevolano questa fase del progetto definendo, oltre a
quelli di dettaglio, i requisiti di configurazione che servono
per colmare la disparità tra la performance richiesta dall’evento raro e la resistenza effettiva delle strutture. Più di
quanto possano indicare gli schemi delle norme, basati in
19
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 20
editoriale
3. Divario tra domanda sismica e capacità di risposta.
genere su concetti di regolarità, i requisiti di configurazione
dipendono però in larga misura dalle configurazioni strutturali condizionate dalle scelte morfologiche del progetto
architettonico.
La Fig. 3 sintetizza, mediante una rappresentazione spettrale, il divario che può esistere fra la capacità di risposta di una
normale struttura antisismica e la domanda del terremoto di
4. La Transamerica Pyramid di San Francisco (secolo XX) e la Horyuji
Pagoda di Kyoto (secolo XIV).
20
riferimento. Nella figura sono indicati i fattori che possono
consentirle di superare questo severo impatto. Sono importanti 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 corrisponde la riduzione, anch’essa tratteggiata, della domanda
medesima guadagnata grazie agli effetti dissipativi. I due meccanismi sono efficaci quando le zone critiche del sistema che si
oppone al sisma possiedono la deformabilità anelastico-dissipativa potenzialmente necessaria, purché la configurazione del
meccanismo anelastico che si produce in fase di danneggiamento abbia un forma appropriata per mobilitare realmente
tutte le potenzialità disponibili.
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 danneggiamento 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’inserimento 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
corpo rigido indeformato e con periodi compresi nel campo
delle minori domande (per esempio, 2 o 3 secondi). In gene-
edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 21
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 multistrato 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 molto 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 riprodotte 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 dell’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 semplicità, il criterio di “uguale spostamento”. Se nel suo complesso la struttura dispone di una duttilità post-elastica
uguale a 5 (μ=5) il sistema resistente può essere progettato per un input sismico 5 volte inferiore alla domanda
del terremoto raro (q=5). L’edificio può sopravvivere all’at6. Dispositivi HDRB.
7. Curve di isteresi di una coppia di isolatore HDRB sottoposti a carichi
ripetuti di ampiezza crescente.
Alberto Parducci
8. Isolamento alla base in una rappresentazione capacitiva.
21
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 22
editoriale
9. Stantuffi a comportamento viscoso (VD) ed elasto-plastico (EPD) (A.
Whittaker UB/MCEER) - sopra - e appoggio elasto-plastico EPD di una
struttura da ponte (dispositivo FIP, brevetto Parducci Medeot)- sotto -.
tacco sismico estremo perché lo spostamento equivalente
richiesto corrisponde al limite della sua capacità di deformarsi 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 deformazioni superiori ai limiti elastici. Occorre solo che la capacità deformativa degli isolatori sia sufficientemente ampia.
11. Adeguamento sismico mediante controventi dissipativi. Università di
Taipei (Taiwan).
10. Edificio della Union House di Auckland (NZ, 1981) isolato alla base
con dispositivi EPD.
22
Un comportamento analogo si consegue anche inserendo alla base del fabbricato dissipatori di tipo viscoso,
simili agli ammortizzatori automobilistici (Fig. 9), oppure dissipatori capaci di un ampio comportamento elasto-plastico,
ottenuto in genere per deformazione plastica di elementi
metallici duttili (Fig. 10). Dissipatori di questo tipo possono
essere inseriti anche nei riquadri delle strutture intelaiate
edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 23
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 esempio, 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
insieme agli stessi elementi strutturali. I controventi dissipativi possono essere usati convenientemente anche per l’adeguamento sismico di strutture intelaiate, purché queste
abbiano una deformabilità di piano sufficiente.
La configurazione del “primo piano soffice” (“soft first
storey”), derivata dai “pilotis” di Le Corbusier, sebbene
sia ancora largamente usata, è particolarmente pericolosa nel caso sismico, perché possiede una capacità dissipativa molto povera quando la resistenza flessionale
dei montanti è mobilitata oltre i limiti elastici. I piani
soprastanti non si danneggiano perché le forze orizzontali trasmesse non possono superare la resistenza del
piano critico. La capacità dissipativa rimane però concentrata in poche cerniere plastiche. Ciò non può evitare
il rapido aumento delle deformazioni laterali e, ad
aggravare la situazione, fa intervenire il cosiddetto effetto “pi-delta” (momento corrispondente al prodotto del
12. Due crolli tipici degli edifici con "primo piano soffice": a sinistra un
edificio di Izmit (Kocaeli Eartrhquake, Turchia); a destra un edificio di
Taipei (Chi Chi Earthquake, Taiwan).
Alberto Parducci
13. Adeguamento sismico di un complesso su "pilotis" mediante inserimento di VD.
peso delle masse soprastanti per lo spostamento rispetto alla base) che conduce presto al crollo rovinoso dell’intero fabbricato (Fig. 12).
L’adeguamento sismico di questo schema non può essere
ottenuto aumentando la resistenza dei montanti del primo piano perché ciò aumenterebbe la capacità di trasmettere le azioni sismiche ai piani superiori. Il problema
può essere risolto invece aumentando la capacità dissipativa del piano critico mediante l’inserimento di VD e confinando le potenziali cerniere plastiche mediante cerchiature ottenute con materiale flessibile (Fig. 13).
L’isolamento sismico ha visto le prime applicazioni all’inizio degli anni ‘80 in Nuova Zelanda, in California ed in Giappone. Gli edifici sono stati muniti in genere di sistemi di isolamento alla base, secondo schemi diventati ormai tradizio-
14. Risposta ai vari piani dell’edificio isolato alla base di Sanda (Kobe)
durante lo Hyogoken-Nanbu Earthquake del 1995 (M=7.2).
23
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 24
editoriale
nali. Il momento decisivo che ne ha lanciato definitivamente
l’impiego è stato il terremoto di Kobe del 1995 (lo Hyogoken Nanbu Ear thquake, detto anche Great Hanshin-Awaji
Earthquake, M=7.2). Nella località di Sanda erano presenti
due fabbricati isolati alla base, le cui registrazioni di risposta
hanno mostrato con evidenza la forte riduzione delle accelerazioni sismiche trasmesse dagli isolatori (Fig. 14). Fu la
definitiva conferma di ciò che era stato registrato l’anno precedente all’USC Hospital di Los Angeles, durante il terremoto di Northridge. A Kobe fu perfino possibile confrontare le
risposte di due edifici analoghi ed adiacenti, uno isolato l’altro no; in testa al primo furono registrate accelerazioni di
piano pari a solo il 20% (!) di quelle misurate nell’altro.
L’isolamento sismico ha trovato un importante impiego
anche nel settore delle infrastrutture stradali. In Italia, verso
la fine del secolo scorso, era stato raggiunto un certo primato, perché erano stati isolati gli impalcati di oltre un centinaio
di ponti. In queste applicazioni furono preferiti dispositivi dissipativi di tipo elasto-plastico, disposti in sostituzione dei
normali appoggi delle travate (Fig. 15). Un significativo esempio di queste applicazioni è pubblicato in un altro numero di
EdA, dedicato alle infrastrutture.
Nelle relazioni che seguono, presentate dagli specialisti del
settore, sono descritte le più significative applicazioni dei sistemi cui si è fatto cenno, realizzate prevalentemente in Italia.
24
NOTE
1. Premio Nobel per la fisica nel 1932; enunciò il principio d’indetermi-
nazione.
2. “Nella misura in cui le leggi della matematica si riferiscono alla realtà
3.
4.
5.
6.
7.
non sono certe. Nella misura in cui sono certe non si riferiscono alla realtà“, Alber t Einstein, “Geometry and Experience”, dalla conferenza
tenuta all’Accademia delle Scienze Prussiana il 27 Gennaio 1921.
“Non c’è errore più comune di quello di presumere che, siccome sono
stati effettuati calcoli matematici lunghi ed accurati, l’applicazione del
risultato a qualche realtà strutturale sia assolutamente sicura”; Alfred
North Whitehead (citato da J. D. Barrow in Teorie del Tutto, Milano,
Adelphi, 2003).
Ordinanze PCM 3274/03 e 3431/05, la cui applicazione è purtroppo
ritardata da una continue di proroghe che tollerano ancora l’impiego
delle precedenti norme.
Non sono trattati un questa sede i sistemi “attivi” (ibridi o semi-attivi),
considerati troppo sofisticati per poterne prevedere un utilizzo diffuso.
La Magnitudo M è la misura logaritmica di uno spostamento di riferimento; ogni aumento di un grado corrisponde ad uno spostamento
10 volte maggiore!
Come l’EC.8, le norme assumono ora come riferimento l’evento che
ha la probabilità di occorrenza del 10% in 50 anni corrispondente,
per l’esattezza, ad un periodo di ritorno di 475 anni. Gli edifici scolastici e le costruzioni strategiche, comprendenti gli ospedali, si progettano per periodi di ritorno maggiori.
edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 25
nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11,
12.
13.
14.
15.
16.
W. Heisenberg, Wandlungen in den Grundlagen der Naturwissenschaft, Hirzel Verlag, 1959 (Trad. it. Mutamenti nelle basi della
scienza,Torino, Bollati Boringhieri, 2000).
E. Kaufmann editor, An American Architecture - Frank Lloyd Wright,
New York, Bramhall House, 1955.
Christopher Arnold & Robert Reitherman, Building Configuration
and Seismic Design, John Wiley & Son, 1982 (Trad. it., Morfologia
Edilizia e Progetto Sismico, Bologna, Edizioni Luigi Parma, 1985).
C.C.Thiel, Life cycle cost consideration in structural systems selection, ATC-17, San Francisco (CA), 1986.
C. Arnold, Architectural Considerations, in Seismic Design Handbook, F. Naeim editor,Von Nostrand, New York, 1989
R. I. Skinner, W. H. Robinson, G. H. McVerry, An Introduction to
Seismic Isolation, John Wiley & Sons, 1993.
A. Parducci, M. Mezzi: Economics in Seismic Isolation Options Expected Benefits Versus Construction Costs, PCEE, Melbourne
(Australia), 1995.
A. Parducci, Seismic Isolation: Why, Where, When: Design Options for
Ordinary Isolated Structures - International Post-Smir t Conference Seminar on Isolation, Energy Dissipation and Control of
Vibration of Structures - Cheju (Korea), 1999.
A. W. Charleson, M.Taylor,Towards an Earthquake Architecture,
12th WCEE, Auckland (NZ), 2000.
A. Parducci, Seismic Isolation and Structural Configurations - The
Italian experience, Special meeting held at the Forell/Elsesser
Company, San Francisco (California), 2000.
A. Parducci Seismic Isolation and Architectural Configuration - Special Conference on Conceptula Design od Structures, Singapore, 2001.
A. W. Charleson, M. Taylor, Earthquake Architecture
Exploration,13th WCEE,Vancouver, 2004.
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.
M. Mezzi, Architectural and Structural Configuration of Buildings with
Innovative Aseismic Systems, 13th WCEE,Vancouver, 2004.
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
M. Dolce, A. Martelli, G. Panza, Moderni Metodi di Protezione dagli
Effetti del Terremoto, 2005.
Alberto Parducci
17. E. Elsesser, New Ideas for Structural Configurations, 8th U. S. National Conference on Earthquake Engineering”, San Francisco (CA),
2006.
18. A. Parducci, M. Mezzi (coordinatori) ed Altri, Configurazioni Strutturali per l’Ottimizzazione delle Prestazioni dei Sistemi Innovativi di
Protezione Sismica, Reluis, Linea 7, Unità E1, Report preliminare
2007.
19. A. Parducci, A Synergic Dissipation Approach to Retrofit Framed
Structures with a Soft First Storey (invited paper) - 9th World Seminar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active Vibration
Control of Structures, Kobe, Japan, June 13-16, 2005.
20. A. Parducci, Nuovi Sistemi di Protezione Sismica dei Ponti - Il Viadotto Coltano, in corso di stampa in “EdA. Esempi di architettura”, n°
2, 2007.
21. R. Reitherman, A.W. Charleson, Consortium of Universities for
Research in Earthquake Engineering, CUREE, sito internet,
http//www.curee.org.
25
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 26
editoriale
NEW CONCEPTS FOR
SEISMIC PROJECTS
A CHALLENGE FOR
ARCHITECTURE AND
ENGINEERING
It is probably true quite generally that in
the history of human thinking the most fruitful developments frequently take place at
those points where two different lines of
thought meet. If they are at least so much
related to each other that a real interaction
can take place, then one may hope that new
and interesting developments may follow.
Werner Heisenberg1
The world is full of obvious things which
nobody by any chance ever observes.
Sherlock Holmes, The Hound of Baskervilles
PROBLEMS AND AUSPICES
Towards the end of the 20’s, Frank Lloyd
Wright designed the Imperial Hotel in
Tokyo by dealing with the seismic problem
in an original manner. He designed a complex building (Fig. 1) but divided it into
boxed components thought of as “floating”
elements on a deformable ground. For their
foundation, he used a pile screen embedded in superficial shallow cheese soil without
penetrating through to the underlying muddy formation; this was so the foundation
system could operate as a deformable
shock absorber able to ensure a dynamic
isolation effect against a seism (Fig. 2). In his
memoirs, he wrote: “Why fight an earthquake? Why not join it and beat it with astuteness?” Wright was obligated to use his
strong personality to impose this idea on
the engineering industry, at that time still
26
bound to concepts of resistance and rigidity, and he finally modified the structured
design using his authority.
The building had just been completed
when a violent earthquake (the Great Kanto Earthquake -M = 7.9) hit Tokyo in 1923,
causing over 120,000 victims. The hotel
remained quite intact and was used to
house evacuees.The telegram Baron Okura sent Wright read “Hotel stands undamaged as monument of your genius”, thus
allowing the brilliant intuition of the American architect to go down in history.
The hotel was demolished in 1968; reasons behind this decision are not clear and
project documents are no longer available.
This makes separating the event’s myth
from reality difficult today. Never theless,
Wright’s statements are the historical programme of a concept, which for the first
time guided a building’s project towards
the concrete application of a seismic protection system different or rather antithetical from those proposed by traditional
engineering. “Rigidity was not the right
answer, but flexibility and resilience were”, he
stated anticipating concepts on which seismic engineering is based today. He was
able to harmonise architecture and engineering to propose a new design idea; but
engineering at the time was not ready and
didn’t understand this, so the development
hoped for by Heisenberg did not take
place.
Before introducing the subject of this
special edition, Wright’s vicissitude and
Heisenberg’s exhortation are an invitation
for us to reflect on the age-old dyscrasia,
which engineering projects are far too
often subjected to. Once again, the problem concerns the relationship between
architecture and structure in current professional practice, where often the importance of harmony between these two
design components is overlooked; essential
harmony in seismic areas. The business
environment in which we work separates
the functions of an “architect”, who defines
the work and is committed to resolving
distribution problems to be included in
component shapes that correspond to
codes from the school one belongs to,
from that of an “engineer”, who intervenes
afterwards, acting as the custodian of magic
numeric procedures, now automated and
not even always effective, and alone, in the
seismic case2. However, both seem convinced of the fact that filtering performed
using a minute calculation code3 can truly
make any building designed this way aseismic. This anomaly is cer tainly not any less
favoured by the now traditional cultural
separation of the training these 2 professional categories go through.
In this context and more than 60 years
after the experience in Tokyo, new isolation
and energy dissipation techniques are
being added, with which seismic engineering is now opening new horizons; with
what expectations? This time, the basic
concepts are the result of scientific
research based on engineering; they
appear different, but in fact they are based
on the same principles intuited by Wright.
The new systems are divided into different
application methods with the purpose of
substantially raising building safety levels in
the event of violent seismic attacks. Recent
legislation4 has deregulated use, previously
the subject of tormented approval procedures, and has established procedures
required for engineering projects and systems qualifications.The Italian industry produces quality devices meeting a broad
range of realisation requirements. Construction costs are not high; on the other
hand, the economic benefits expected by
the general public are high owing to the
reduction of damage and the interventions
required after large catastrophes. Profitability analyses indicate that isolation can
decrease the intensity of an ear thquake
edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 27
nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
perceived by a building by about two
degrees.
This edition of EdA illustrates the most
significant applications of “passive” isolation
techniques which, in line with what happens in countries most subject to seismic
risk, are also currently being developed in
Italy5. The hope is that this may favour a
meeting between different project expertise to stimulate researching appropriate
morphological and structural configurations aimed at pursuing the double goal of
broadening the field of proposable architectural solutions and optimising use. Seismic isolation techniques require structures
that can respond to seismic input by sustaining ample movements with respect to
their base, or between par ts of them. This
is an important reason to renew the usual
concepts inherited from the Vitruvian principle of “firmitas”. Several morphological
characteristics usually considered improper
can become suitable as a result of the different weight several irregularities and
destructuring of shapes take on, or
because deformability favours the use of
dissipators. At the same time, new concepts ignored by planning customs, such as
movement, discontinuity and deformation“
(“motus”, “scissio” and “deformatio”) can
become the basis on which to formulate
new architectural ideas.
The impor tance of the subject is not
questioned, but few authors have dealt
with the delicate problem of component
configurations for seismic areas. Over the
last few years, a number of publications
have begun appearing, but seismic isolation
is rarely a par t of them. The works still
reflect an engineering point of view, leaving
wide gaps to deal with the problem from a
mentality more oriented towards architectural aspects.
Alberto Parducci
T HE
SEISMIC PROBLEM AND ISOLA -
TION TECHNIQUES
Ear thquakes are a natural, unpredictable event; in their most intense forms
they produce shocks whose intensity is
much stronger than the resistance capacity
of building materials. Acquired project
practices induce this aspect to be underestimated. Although quite aware of this inadequacy, project requirements demanded
by previous legislation were limited to
ensuring the resistance of individual structural elements required to overcome without any damage - the most frequent
ear thquakes of medium intensity and
expected every 56 -60 years.The intensity
of these events at maximum danger levels
is defined as “moderate” (M=5-6) as per
the enclosed char t6 by the US Geological
Service. Safety against the most severe
earthquakes was left to a structure’s residual generic resources, without requiring
any explicit project controls.
In keeping with EC 8, today seismic
projects require added value. Attention is
aimed at a measure for greater control of
the effects produced by the most violent
attacks. Having to accept even more serious damage, intervention must be made at
the planning stage, even through simplified
controls, to prevent those disastrous collapses that could jeopardise the safety of
people and safeguard intangible valuables,
such as for example historical and ar tistic
assets.The reference has become that of a
rare event, defined by an average return
period of approximately 500 years7, characterised by ground accelerations almost
10 times greater than those of the previous reference. Preliminary estimations for a
fixed-base construction include the capacity it can be attributed with to oppose this
extreme event in damaged conditions, but
while developing an overall adequate dissipative capacity associated with ductile
inelastic deformations.This is the definition
of the appropriate coefficients with which
a less intense ear thquake is still assessed,
whose intensity however is correlated to
the dissipative, post-elastic capacity of the
specific building being examined. Legislation facilitates this project phase by defining
the configuration as well as the detailed
requirements, which serve to reduce the
inequality between the performance
required by the rare event and the effective resistance of the structures.
Configuration requirements depend to
a great extent on structural configurations
conditioned by the morphological choices
of the architectural project more than the
indications of legislation outlines, which are
generally based on concepts of regularity.
Using a spectral representation, figure 3
summarises the gap that can exist between
the response capacity of a normal aseismic
structure and the demand of the reference
ear thquake. The figure indicates factors
that can allow this severe impact to be
overcome.The last two are important, and
are connected precisely to damage: the
increased oscillation period resulting from
the lesser overall rigidity of the damaged
structure and the increased dissipative
capacity owing to repeated deformations
imposed on the plasticised critical areas.
The first effect can be read as a displacement to the right along the outlined line
bringing the oscillation period towards
periods in which demand is substantially
decreased; the second corresponds to the
reduction, also outlined, of the same
demand gained thanks to the dissipative
effects. The two mechanisms are effective
when the critical areas of the system
opposing the seism possess potentially
necessary inelastic-dissipative deformability, as long as the configuration of the
inelastic mechanism produced during the
damage phase has the appropriate shape
to truly mobilise all potentialities available.
27
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 28
editoriale
These statements already contain the
substance of the principles of seismic isolation. In the concept of “capacity design”,
which regulates engineered projects with a
fixed base, all structural framework should
contribute to the resistance and dissipation
of energy through widespread damage,
without improper concentrations (Fig. 4).
But by using isolation techniques, this performance is attributed to special mechanical devices, isolators and dissipators appropriately located in the resisting structure,
rather than the damaged structures. Passive seismic isolation therefore results, by
using one or both of the following project
strategies:
• base isolation, which tends to obtain a
significant increase to the oscillation
period;
• increased dissipative capacity, consisting
in the addition of specific dissipators
appropriately distributed.
Base isolation is the simplest solution.
This is obtained by arranging the building
on a bed of highly deformable isolators in a
horizontal direction (Fig. 5), so it can slowly
oscillate as a non-deformed rigid body and
at periods included in the field of lesser
demands (for example 2 or 3 seconds).
Generally, multilayer, reinforced rubber isolators are used in applications through
steel metal sheets (Fig. 6). The capacity to
reduce the accelerations transmitted from
these devices increasingly builds the deformations set; in other words this means that
within the project limits, the greater the
intensity of the seismic attacks, the greater
the effectiveness of these isolators (Fig. 7).
This system can be applied quite well to
multi-level building, where the accelerations transmitted to the storeys themselves are reduced to benefit the objects
and valuables contained within. The addition of a cer tain dissipative capacity is not
essential, but it is useful to fur ther reduce
demand and the breadth of the deforma-
28
tions required by the isolators - which
might be quite large - by even up to 30 or
40 cm.
A capacitive-type spectral representation, where the accelerations of elastic
response (Sa=ω2Sd) are reproduced
as a function of “equivalent” displacements (Sd) and where oscillation periods T correspond to the lines leaving
the origin of the axes, is a good illustration of the essence of base isolation
(Fig. 8). Consider as a simple example
a building with a fixed base whose
oscillation period is 0.5 seconds and
for the sake of simplicity, accept the
criteria of “equal displacement”. If
overall, the structure has a post-elastic
ductile equal to 5(μ=5), the resistant
system can be planned for a seismic
input 5 times less than the demand of
a rare earthquake (q=5). The building
can survive an extreme seismic attack
because the equivalent displacement
required corresponds to the limit of its
capacity to deform itself beyond the
elastic limits (the local plastic deformations of the individual structural
elements can however be quite
broad). The graph indicates how this
building, while slowly oscillating, might
support an extreme earthquake without even mobilising greater deformations at the elastic limits if the same
building is located on top of a bed of
deformable isolators able, for example, to bring the oscillation period to
2.5 seconds. It is only necessary that
the isolators’ capacity to deform be
sufficiently ample.
Analogous performance is also
obtained by adding viscous dissipators similar to automobile shock absorbers (Fig. 9)
to the base of the building, or dissipators
capable of a broad elastic-plastic perform-
ance generally obtained due to the plastic
deformation of ductile metal elements (Fig.
10). This type of dissipator can also be
added to the panels of the framed structures (Fig. 11) to function simultaneously
during lateral deformations caused by the
seism.The latter is the case, for example, of
metal constructions that can suppor t
rather broad horizontal deformations such
as to allow the devices to develop their
dissipative capacity. In addition, the metal
structures can also be configured so as to
operate special “dissipative bracing” systems, which when required, plastically
deform together with the same structural
elements. Dissipative bracing can also conveniently be used for the seismic adaptation of framed structures, as long as their
storey deformability is sufficient.
Although still largely used, the configuration of the “soft first storey” derived
from “pilotis” by Le Corbousier is particularly dangerous in a seismic case
because it has a very poor dissipative
capacity when the flex resistance of
the posts is moved beyond the elastic
limits. The upper storeys are not damaged because the horizontal forces
transmitted cannot exceed the resistance of the critical storey. However,
the dissipative capacity remains concentrated in just a few plastic hinges.
This cannot prevent the rapid increase
of lateral deformations and, to make
matters worse, causes the so-called
“pi-delta” effect (a moment corresponding to the product of the weight
of the above masses due to displacement with respect to the base), soon
bringing about the disastrous collapse
of the entire building (Fig. 12).
The seismic adaptation cannot be
obtained by increasing the resistance of
the first-storey posts because this would
increase the capacity to transmit the
edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico
EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI
26-06-2007
16:32
Pagina 29
nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l’architettur a e per l’ingegner ia
seismic actions to the storeys above.
However, the problem can be resolved
by increasing the dissipative capacity of
the critical storey by adding VDs and
confining potential plastic hinges
through spiral reinforcements obtained
using flexible material (Fig. 13).
Seismic isolation was first applied at the
beginning of the 80’s in New Zealand, California and Japan. Buildings were generally
equipped with base isolation systems,
according to norms that have now
become traditional. The decisive moment
that definitely launched this use was the
1995 Kobe Ear thquake (the Hyogoken
Nanbu Ear thquake, also known as the
Great Hanshin-Awaji Earthquake, M=7.2).
There were two base-isolated buildings in
Sanda, whose recorded responses clearly
demonstrated the significant reduction of
the seismic accelerations transmitted by
the isolators (Fig. 14). It was a decisive confirmation of the previous year’s recordings
made by the USC Hospital in Los Angeles
during the Nor thridge Ear thquake. In
Kobe, it was even possible to compare the
responses of the two, similar buildings
located next to each other, one being isolated and the other not; at the top of the
first, the storey accelerations registered
were only equal to 20% (!) of those measured in the other building.
Seismic isolation has also found an
impor tant use in the road infrastructures
sector.Towards the end of the last century
in Italy, a specific precedence was set
because the decks of over a 100 bridges
were isolated. Elastic-plastic dissipative
devices were favoured in these applications, placed to replace the normal suppor ts of the decks (Fig. 15). A significant
example of these applications is published
in another edition of EdA, dedicated to
infrastructures.
Alberto Parducci
The following repor ts presented by
industry specialists describe the most significant applications of the systems mentioned, realised mainly in Italy.
NOTES
1 Winner of the Nobel prize in physics in
1932; he enunciated the principle of uncertainty.
2 “As far as the laws of mathematics refer to
reality, they are not certain; and as far as they
are certain, they do not refer to reality”, Albert
Einstein, “Geometry and Experience”, from
the conference held 27th January 1921 at
the Prussian Academy of Sciences.
3 “There is no more common error than to
assume that, because prolonged and accurate
mathematical calculations have been made,
the application of the result to some fact of
nature is absolutely certain”; Alfred Nor th
Whitehead (cited by J. D. Barrow in “Teorie
del Tutto”, Adelphi, 2003).
4 Ordinances by Italian Prime Minister
3274/03 and 3431/05, whose application is
unfortunately delayed by continuous postponements still tolerating the use of previous legislation.
5 “Active” (hybrids or semi-active) systems
are not treated here as they are considered
too sophisticated for widespread use.
6 Magnitude M is the logarithmic measure of
a reference displacement; each 1 degree
increase corresponds to a displacement 10
times greater!
7 As with EC 8, legislation now uses as its reference an event whose probability of corresponding occurrence equals 10% in 50
years, precisely to a return period of 475
years. Scholastic buildings and strategic constructions, including hospitals, are planned
for increased return periods.
29