INTRODUZIONE

L’isolamento sismico è utilizzato in prevalenza per isolaregli edifici alla base, applicando differenti modalità costruttive(Parducci 1999). Meno frequentemente l’interfaccia dell’iso-lamento è posta sulla sommità delle costruzioni (“roof isola-tion“) per isolare coperture pesanti (Villaverde, 1998 e1999, Mezzi et Al..2003), come nei casi del Terminal dell’Ae-roporto Internazionale “Ataturk” di Istanbul, in Turchia(Costantinou, 2000) e nel Seahawks Stadium di Seattle inU.S.A.Applicazioni analoghe sono state fatte anche in Arme-nia (Melkumyan, 2000) ed in Cina (Xie, 1999); la maggiorparte ha riguardato edifici industriali. La protezione sismicadegli edifici industriali è infatti un problema di notevoleimportanza a causa delle conseguenze che, nell’eventualitàdi un attacco sismico violento, potrebbero derivare dallamessa fuori servizio di istallazioni a rischio di incidente rile-vante. In genere, si tratta di edifici monopiano dotati di lucinotevoli e di un limitato numero di pilastri, realizzati conprocedimenti industrializzati, collegando in opera elementiprefabbricati. In genere, le unioni sono di tipo meccanico,oppure a “giunto bagnato”, ed il sistema possiede spessoun’elevata vulnerabilità sismica, a causa di una inadeguataresistenza delle connessioni e soprattutto a causa della loroscarsa duttilità (Parducci 1976, Menegotto, 1987). In questoarticolo si illustra il progetto di un edificio industriale nel

quale è stata vantaggiosamente sperimentata una forma di“roof and wall isolation“.

IL CASO DI STUDIO

In una regione dell’Italia centrale ad elevata sismicità, l’Um-bria, si sta costruendo presso Foligno il nuovo Centro Opera-tivo della Protezione Civile. Il Centro comprende vari edificidestinati a funzioni specifiche, la maggior parte dei quali è pro-tetto sismicamente mediante un sistema di isolamento sismi-co. L’isolamento è stato ritenuto necessario per garantirne lafunzionalità nei confronti del sisma della “massima intensità“attesa. Il caso trattato riguarda il progetto dell’edifico BeniCulturali, destinato a contenere le attrezzature per le emer-genze e per la messa in sicurezza temporanea delle opere.

Il progetto della costruzione, per la quale erano richiestiampi spazi liberi, prevede la realizzazione di un fabbricatomonopiano di circa 2000 m2, volumetricamente compatto, apianta ottagonale di 20 metri di lato, 9 m di altezza e circa 6m di altezza libera interna. La costruzione comprende (Fig.1) elementi strutturali di cemento armato gettato in opera(pilastri, pavimento e fondazioni), strutture di acciaio (trava-ture di copertura e strutture portanti delle facciate) ed ele-menti prefabbricati di cemento armato (pannelli di facciata).La copertura è sostenuta da 12 pilastri circolari di 1 m di

LA TECNICA DEL “ROOFAND WALL ISOLATION”APPLICATA AD UN EDIFI-CIO PER I BENI CULTURALI

Alberto ParducciRoberto RadicchiaGuido Tommesani

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diametro (8 perimetrali posti presso ivertici dell’ottagono e 4 in zona centra-le) emergenti direttamente dai pali difondazione. Quattro travi principali diacciaio disposte a croce sono prolun-gate a sbalzo per sostenere una traveperimetrale di elevata rigidezza torsio-nale, alla quale sono appese le facciate.Sull’orditura metallica di copertura ètessuto un solaio realizzato con lamieregrecate e completato da una soletta di

cemento armato. Le pareti perimetrali,nelle quali sono previsti quattro ingressicarrabili ed i passaggi pedonali, sonoformate da una struttura di acciaiosospesa alla trave perimetrale di coper-tura, e sono tamponate con pannellisandwich nervati di cemento armato.All’interno dell’edificio le teste dei pila-stri sono collegate orizzontalmente datravi di cemento armato che, oltre aduna funzione irrigidente, sostengono gli

impianti di illuminazione e costituisco-no le basi degli appoggi provvisorioccorrenti per la manutenzione e perl‘eventuale sostituzione degli isolatori. Ilsistema d’isolamento sismico sostienele quattro travi principali ed è formatoda dispositivi LRB disposti sulla sommi-tà degli otto pilastri perimetrali e daappoggi scorrevoli multidirezionalidisposti sui quattro pilastri interni.

La configurazione adottata ha risol-to alcuni problemi progettuali che altri-menti non avrebbero consentito l’im-piego dell’isolamento, comportandociò la rinuncia al livello di protezionesismica richiesto. Le ampie luci tra i pila-stri ed i notevoli carichi sul pavimentoescludevano infatti il ricorso allo sche-ma tradizionale di una costruzionecomprendente il basamento ed intera-mente isolata alla base. D’altra parte,un pavimento solidale al terreno eseparato dal resto della costruzione,come quello progettato, non richiedeparticolari accorgimenti di protezionesismica. Il suo inserimento nel sistemaisolato avrebbe richiesto la realizzazio-ne di un solaio autoportante con inecessari cavedi di ispezione. La confi-gurazione scelta consente invece diproteggere con il medesimo sistemad’isolamento sia la copertura, sia letamponature perimetrali dotate diun’altezza ragguardevole. La scelta disospendere queste ultime alla copertu-ra isolata ha permesso, fra l’altro, di evi-tare la realizzazione di fondazioni cheavrebbero dovuto sopportare le azionisismiche altrimenti trasmesse diretta-mente.

1. Pianta, prospetto e sezione dell’edificio.

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IL PROGETTO DELLA COPERTURA ISO-LATA

I principali obiettivi perseguiti perrendere ottimale le prestazioni delsistema d’isolamento sono stati:• minimizzare le eccentricità planime-

triche tra il centro delle masse isola-te ed il centro di rigidezza del siste-ma d’isolamento;

• rendere nulle o trascurabili le varia-zioni delle sollecitazioni verticaliindotte dal sisma sui dispositivid’isolamento;

• ottenere un piano d’isolamento rigi-do al livello della copertura.Il sistema d’isolamento, formato da

dispositivi di appoggio scorrevole e daisolatori elastomerici multistrato tipoLRB Ø = 600 mm posti sopra i pilastriperimetrali, ha pienamente soddisfattotali requisiti. Il primo è soddisfatto gra-zie alla simmetria globale dell’edificioed è favorito dalla posizione centrifuga-ta degli isolatori (Mezzi, 2003). Il secon-do è largamente soddisfatto perché ilbaricentro della struttura isolata(copertura e facciate) si trova ad unaquota prossima al piano degli isolatori.Il terzo è assicurato dal funzionamentoa lastra rigida della copertura.

LA RISPOSTA SISMICA DEL FABBRICATO

Il comune di Foligno è classificato inuna zona di alta sismicità. Gli studi dimicrozonazione eseguiti nell’area delCentro hanno indicato un valore diprogetto dell’accelerazione di ancorag-

gio su roccia fissa pari a 0,28g, corri-spondente alla probabilità di supera-mento del 10% in 50 anni (periodo diritorno di 475 anni). La valenza strate-gica della costruzione ha poi compor-tato l’adozione di un fattore di impor-tanza pari a 1.4, per cui il periodomedio di ritorno effettivo del terremo-to di progetto è risultato di circa 1000anni. Il progetto strutturale è stato svol-to applicando i procedimenti dell’analisimodale con spettro di risposta, consi-derando lo spettro di un terreno tipoB, secondo la classificazione dell’Ordi-nanza P.C.M. 3431/05. La PGA effettivaè risultata pertanto pari a 0.49g. Il cal-colo è stato eseguito su un dettagliatomodello agli elementi finiti, compren-dente le strutture portanti principali, lefacciate con la relativa struttura diacciaio ed i pannelli di chiusura (Fig. 2).Ilrequisito posto alla base del progettoprevede che con questo evento estre-mo non si arrivi alla perdita di funziona-lità della costruzione.

A scopo comparativo, è stata valu-tata anche la risposta nei confronti del-lo stesso terremoto di progetto diun’analoga costruzione priva del siste-ma di isolamento,. Nella Tabella 1 sonoriportati in i valori di raffronto più signi-

ficativi. Nell’edifico isolato i pilastri han-no uno spostamento in testa inferiorea 1/1000 della altezza, il taglio e le solle-citazioni alla base della colonne rientra-no nei valori accettabili e la rispostadella sottostruttura non supera i limitielastici. Ciò significa che, insieme allastruttura principale, tutti gli elementifunzionali quali porte, finestre, saracine-sche e impianti connessi non subisconodanni significativi anche nel caso delterremoto estremo di progetto. I valoridelle sollecitazioni e degli spostamentiindicano chiaramente che per l’edificionon isolato non sarebbe stato possibileraggiungere gli stessi livelli di sicurezza.

2. Modello di calcolo.

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CONCLUSIONI

Il progetto dell’edificio Beni Culturalidi Foligno mostra come l’isolamento diuna copertura con facciate sospese siauna strategia efficace per la protezionesismica delle costruzioni con grandi luci,come è il caso degli edifici industriali.Questa configurazione protegge quasitutte le masse attive e produce una dra-stica riduzione delle azioni sismiche suglielementi portanti, garantendone il funzio-namento anche in occasione dei maggioriterremoti attesi. Il sistema lascia intrave-dere interessanti prospettive anche quan-do si debbano adeguare sismicamente

edifici industriali esistenti. La costruzionedell’edificio è stata recentemente appalta-ta dalla Regione Umbria e se ne prevedel’ ultimazione entro la fine del 2008.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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2. M. Mezzi, A. Parducci, A. Posti, R. Radic-chia (2003): Roof Isolation for the Seismic

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3. M. Costantinou, A.S. Whittaker, E. Veliv-asakis (2000): Seismic evaluation andretrofit of the Ataturk international air-port terminal building; MCEERResearch Progress and Accomplish-ment 2000-2001, Buffalo, NY, USA.

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5. M. Menegotto (1987): La prefabbrica-zione strutturale: aspetti teorici; Proc.Giornate AICAP, Stresa, Italy.

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8. R. Villaverde, M. Mosqueda (1998):Roof isolation system to increase theseismic resistance of buildings; Proc. ofthe 6th US National Conf. on Earth-quake Engineering, Seattle, WA, USA.

9. R. Villaverde, M. Mosqueda (1999): Aseis-mic roof isolation systems: analytic andshake table studies; Earthquake Engineer-ing and Structural Dynamics, 217-234.

10. J. L. Xie, F.L. Zhou (1999): Putting the rub-ber bearings with lead core on top of anexisting building for seismic retrofit in China;International Post-SMiRT Conference.Seminar on Seismic Isolation, Passive Ener-gy Dissipation and Active Control of Vibra-tions of Structures, Cheju, Korea.

4. Dispositivi di isolamento: isolatori ed appoggi scorrevoli.

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3. Sezione strutturale (ricostruzione assonometrica di Guglielmo Buzzegoli).

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INTRODUCTION

Seismic isolation is mainly used to iso-late buildings at their base by applying dif-ferent construction methods, (Parducci1999). Less frequently, the insolation inter-face is found on buildings tops (roof isola-tion) to isolate heavy roofs (Villaverde,1998 and 1999, Mezzi and others 2003) aswith “Ataturk” International Airport termi-nal building in Istambul, Turkey (Costanti-nou, 2000) and Seattle’s Seahawks Stadiumin U.S.A. Similar applications are found inArmenia (Melkumyan, 2000) and China(Xie, 1999) where the majority of theminvolved industrial buildings. The seismicprotection of industrial buildings is, in fact,an issue considering the consequences thata major seismic event may have on installa-tions that, if put out of order, might causeserious accidents. This is often the casewith one storey buildings, their numerousspans on a limited number of columns,being produced through mechanizedprocesses, and the connection on site ofprefabricated elements. Connections aregenerally mechanical or of the “wet joint”type and the system is often highly vulnera-ble to earthquakes because of the connec-tions insufficient resistance and foremosttheir scarce ductility (Parducci 1976, Mene-gotto, 1987). This paper illustrates the proj-ect of an industrial building where a formof “roof and wall isolation” was profitablytested.

CASE STUDY

In Umbria, a highly seismic region ofCentral Italy, the new operations head-quarters of Protezione Civile (Civil ProtectionManagement) are being built near Foligno.The headquarters include a number ofbuildings with specific functions and themajority of which are protected againstearthquakes with seismic isolation systems.The isolation approach was considerednecessary to guarantee the functioningalso under the maximum expected intensi-ty of earthquakes. The case study concen-trates on the National Heritage buildingplan, drawn up to warehouse the equip-ment for emergencies and the temporarysafety preservation of works.

The construction plan which requiredlarge unoccupied areas includes one single-storey building of about sqm 2,000 withcompact volume, octagonal perimeter, sidesof 20 meters, 9 meters in height and about6 meters of free internal height. The edifice(Fig. 1) includes structural reinforced con-crete elements built on site (columns, floorsand foundations), steel frames (roof beamsand facades bearing frames) as well as pre-fabricated elements in reinforced concrete(perimetrical panels). The roof bears on 12circular pillars, 1 meter in diameter (8 on theperimeter at the octagon vertices) standingdirectly on the foundations column, 4 cross-wise main steel beams that overhang tosupport a torsion resistant perimetricalbeam on where the facades hang. The metalframe of the roof intertwines with a layer ofcorrugated steel elements completed withthe grout of a reinforced concrete slab. Thewalls with four vehicle entrances and door-ways are formed by a steel frame hangingfrom the roof perimetrical beam and infillreinforced concrete panels. The columnheads inside the edifice are horizontally con-nected through r.c. beams that, besidesincreasing the rigidity hold the lighting sys-

tem and form the provisional bases formaintenance and possible substitution ofisolators. The seismic isolation system sup-ports the 4 main steel beams and includesLRB devices at the top of the 8 perimetricalcolumns and by movable multidirectionalsupports on the 4 internal columns.

This configuration made it possible toovercome some problems at planning stagethat would otherwise prevent the use of iso-lation with a consequent loss of the neces-sary seismic protection. The distancesbetween pillars and heavy loads on the floormade it impossible to use a traditionalscheme including a structural floor with thebuilding totally isolated at the base. On theother hand, a floor directly linked to theground and separated from the rest of theconstruction, like the one on plan, does notrequire specific devices for seismic protec-tion. Its insertion on an isolated systemwould require a self-supporting floor withthe necessary inspection devices. With thisconfiguration, the same isolation systems pro-tect both the roof and a perimetrical infillpaneling that is particularly high. Their hangingfrom the isolated roof has the further advan-tage of making the construction of founda-tions, to contrast seismic events that wouldotherwise propagate directly, superfluous.

THE ISOLATED ROOF PLAN

The main objectives in maximizing theisolation system performances were:• reducing the planimetric eccentricities

between the isolated masses centerand the rigidity isolation center to aminimum

• making the variations of vertical stressinduced by the system on the isolationdevices negligible if not null;

• obtaining a rigid isolation plane at roof-ing level.

“ROOF AND WALLISOLATION“ TECHNI-QUE IN ITS APPLICA-TION TO A NATIONALHERITAGE EDIFICE

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The isolation system including movablesupporting devices and multi-layer elas-tomeric insulators of the type LRB Ø=600mm on perimetrical pillars fully meet theabove requirements. The first is metthrough the building general symmetry andhelped by the centrifugal position of theisolators (Mezzi, 2003). The second is fullymet since the centre of gravity of theentire isolated structure (roof and facades)stands at a level near that of the isolationsystem. The third is guaranteed by the rooffunctioning as a rigid plane.

THE EDIFICE SEIMIC RESPONSE

Foligno communal territory is classifiedhighly seismic. Surveys for micro zone defi-nition carried out at the Centre indicatedan index for PGA on fix rock equaling0.28g, corresponding to an exceedingprobability of 10% in 50 years (return peri-od of 475 years). The strategic importanceof construction prompted the adoption ofan importance factor equal to 1.4, hencethe medium effective earthquake returnperiod equaled 1,000 years. The structuralplan has been developed through themodal analysis methods with a designspectrum, considering the spectrum of atype B soil, according the classification ofthe OPCM 3431/05. So the real PGAresulted in 0.49g. The calculation was car-

ried out on a detailed model, including themain bearing structures, and the facadeswith steel frame and closing panels (Fig. 2).The requirement at the base of the struc-tural design anticipates that even under amajor event the edifice does not loose itsfunctionality.

For comparison’s sake, the response ofan edifice without seismic isolation hasbeen evaluated at design stage. Table 1shows the main parameters for compari-son. The heads of the concrete columns ofthe isolated building have a lateral shiftinferior to 1/1000th of the height, theshear force and flexural stresses at thecolumns base fall within acceptable valuesand the response of the substructure doesnot exceeds elastic limits. This means that,together with the main structure, all func-tional elements such as doors, windows,rolling shutter and plugged in systems donot suffer from major damage even in thehypothesis of a major earthquake. Thestress value and movements clearly indi-cate that for the non isolated structure itwould be impossible to preserve compara-ble safety levels.

CONCLUSIONS

The plan for the National Heritagebuilding in Foligno shows how effective the“roof and wall isolation” system is for seis-mic protection in buildings with large dis-tances among supporting elements, likeindustrial buildings. This configuration pro-tects almost all the active masses and dras-tically reduces the seismic action on weightbearing elements while granting their func-tioning also when expected major earth-quakes occur. The system anticipates inter-esting developments also when existingindustrial buildings need retrofitting.

The construction of the building hasbeen recently awarded by the UmbriaRegional Administration and its accom-plishment is expected by the end of 2008.