NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICO UNA SFIDA...

È probabilmente vero che nella storia del pensiero umano gli sviluppipiù 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 allorasperare 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 LloydWright progettò l’Imperial Hotel di Tokyo affrontando il pro-blema sismico in modo originale. Progettò un edificio com-plesso (Fig. 1), ma lo suddivise in corpi scatolari pensaticome elementi “galleggianti” sopra un terreno deformabile.Li fondò su una cortina di pali infissi in uno “shallow cheesesoil” superficiale, senza portarli nella formazione melmosasottostante; ciò perché il sistema fondale potesse funzionarecome uno “shock adsorber” (così lo chiamò) deformabilecapace di assicurare un effetto di isolamento dinamico neiconfronti del sisma (Fig. 2). Nelle sue memorie scrisse: “Per-ché lottare contro il terremoto? Perché non mettersi in sintoniacon esso per superarlo in astuzia?”. Wright dovette usare lesua forte personalità per imporre quest’idea ad un’ingegne-ria ancora vincolata alle concezioni di resistenza e di rigidità,arrivando a modificare d’autorità i disegni strutturali.

La costruzione era stata appena ultimata quando nel1923 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 allog-giare gli sfollati. “Hotel stands undamaged as monument ofyour genius” fu il testo del telegramma che il barone Okurainviò a Wright consegnando alla storia la geniale intuizionedell’architetto americano.

Nel 1968 l’hotel fu demolito; non sono chiare le ragionidi questa decisione e non si dispone più dei documenti diprogetto. Ciò rende difficile oggi separare il mito dalla realtàdella vicenda. Tuttavia, le dichiarazioni di Wright appaionocome il manifesto storico di una concezione che per la pri-ma volta aveva indirizzato il progetto di un edificio verso laconcreta applicazione di un sistema di protezione sismica

17

NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICOUNA SFIDA PER L'ARCHITETTURA E PER L'INGEGNERIAAlberto Parducci

1. L’Imperial Hotel di Tokyo di Frank Lloyd Wright.

EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI 26-06-2007 16:31 Pagina 17

differente da quello che proponeva l’ingegneria tradizionale,anzi antitetico. “La rigidità non era la risposta giusta, ma lo era-no la flessibilità e la resilienza”, aveva affermato anticipandoconcetti sui quali si fonda oggi l’ingegneria sismica. Era riusci-to ad armonizzare architettura ed ingegneria per proporreuna nuova idea progettuale; ma l’ingegneria dell’epoca nonera pronta e non lo comprese, sicché mancò lo sviluppoauspicato da Heisenberg.

La vicenda di Wright e l’esortazione di Heisenberg, primaancora di introdurre l’argomento di questo numero speciale,invitano a riflettere sull’annosa discrasia della quale troppospesso soffre il progetto delle costruzioni. Il problema riguarda,ancora una volta, il rapporto fra architettura e struttura nellapratica professionale corrente, dove non sempre ci si rendeconto di quanto sia importante l’armonia fra queste due com-ponenti progettuali; armonia essenziale nelle zone sismiche.

L’ambiente d’affari in cui si lavora separa la funzione di un“architetto”, che definisce l’opera essendo impegnato arisolvere problemi distributivi da inserire in forme composi-tive rispondenti ai codici della scuola di appartenenza, daquella di un “ingegnere”, che interviene dopo ritenendosicustode di magici procedimenti numerici, ormai automatiz-zati e neppure sempre efficaci, da soli, nel caso sismico.2

Entrambi sembrano però convinti che il filtraggio attraversoun codice di calcolo minuzioso3, possa rendere veramenteantisismica qualunque costruzione così progettata. L’anoma-lia è favorita anche, non certo meno, dall’ormai tradizionaleseparazione culturale fra i percorsi formativi delle due cate-gorie professionali.

In questo contesto, a più di 60 anni dall’esperienza diTokyo, si inseriscono le nuove tecniche dell’isolamento e del-la dissipazione di energia, con le quali l’ingegneria sismicaapre ora nuovi orizzonti; con quali aspettative? Questa voltale concezioni di fondo nascono come risultato di una ricercascientifica di natura ingegneristica; appaiono differenti, ma difatto sono fondate sugli stessi principi intuiti da Wright. Inuovi sistemi si articolano in differenti modalità di applicazio-ne con lo scopo di innalzare sostanzialmente i livelli di sicu-rezza delle costruzioni, maggiormente nei confronti degliattacchi sismici più violenti. Le recenti norme4 ne hanno libe-ralizzato l’impiego, prima soggetto a tormentati iter diapprovazione, ed hanno stabilito le procedure occorrentiper il progetto delle costruzioni e per la qualificazione deisistemi. L’industria italiana produce dispositivi di elevata qua-lità che soddisfano un ampio spettro di esigenze realizzative.I costi di costruzione non sono elevati; sono elevati invece ibenefici economici attesi dalla collettività, dovuti alle riduzio-ni dei danni e degli interventi richiesti dopo le grandi cata-strofi. Le analisi di redditività indicano che l’isolamento puòabbassare di circa due gradi l’intensità del terremoto perce-pito dalla costruzione.

Questo numero di EdA si propone di illustrare le applica-zioni più significative delle tecniche di isolamento di tipo“passivo” che, in linea con quanto accade nei Paesi più espo-sti al rischio sismico, si stanno sviluppando ora anche inItalia.5 L’auspicio è che ciò possa favorire un incontro fra le

2. Dettagli costruttivi disegnati da Wright per l’Imperial Hotel di Tokyo.

18

e d i t o r i a l e

edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico


19Alberto Parducci

n u ove c o n c e z i o n i p e r i l p r o g e t t o s i s m i c o . u n a s f i d a p e r l ’ a r c h i t e t t u r a e p e r l ’ i n g e g n e r i a

differenti competenze progettuali per stimolare la ricerca diappropriate configurazioni morfologiche e strutturali atte aperseguire il duplice obiettivo di ampliare il campo dellesoluzioni architettoniche proponibili e di ottimizzarne l’im-piego. Le tecniche d’isolamento sismico richiedono struttureche possano rispondere all’input sismico subendo ampimovimenti rispetto alla base, oppure fra parti di esse. Appa-re già questo un motivo forte per rinnovare le abituali con-cezioni ereditate dal principio vitruviano di “firmitas“. Alcunecaratteristiche morfologiche, solitamente considerateimproprie, possono diventare adeguate in conseguenza deldiverso peso che assumono alcune irregolarità e destruttu-razioni delle forme; oppure perché la deformabilità favoriscel’impiego dei dissipatori. Allo stesso tempo, nuovi concettiignorati dalle consuetudini progettuali, come quelli di movi-mento, discontinuità e deformazione“, (“motus“, “scissio“ e“deformatio“) possono diventare la base per impostarenuove idee architettoniche.

L’importanza dell’argomento non è contestata, ma pochiautori hanno trattato lo scabroso problema delle configura-zioni compositive per le zone sismiche. Negli ultimi anni uncerto numero di pubblicazioni è cominciato ad apparire, mal’isolamento sismico stenta a farne parte. I lavori riflettonoancora un punto di vista prevalentemente ingegneristico,lasciando da colmare ampi spazi per affrontare il problemacon una mentalità più orientata verso gli aspetti architettonici.

IL PROBLEMA SISMICO E LE TECNICHE DI ISOLAMENTO

Il terremoto è un evento naturale imprevedibile; nellesue manifestazioni più intense produce scosse d’intensitàmolto superiore alla capacità di resistenza dei materiali dacostruzione. Le abitudini progettuali acquisite inducono asottovalutare questo aspetto. Pur nella consapevolezza diquesta inadeguatezza, i requisiti progettuali richiesti dalleprecedenti norme erano limitati ad assicurare la resistenzadei singoli elementi strutturali occorrente per superare sen-za danni i terremoti più frequenti, di media intensità, attesicon periodi di ritorno dell’ordine dei 50-60 anni. Si trattava

di eventi la cui intensità, ai massimi livelli di pericolosità, èdefinita “moderata” (M=5-6) nell’allegata tabella6 del “USGeological Service”. La sicurezza nei confronti dei terremotipiù severi era lasciata alle generiche risorse residue dellestrutture, senza però che ne fosse richiesto un esplicito con-trollo progettuale.

In armonia con l’EC.8, il progetto sismico esige oggi unvalore aggiunto. L’attenzione è rivolta in maggior misura alcontrollo degli effetti prodotti dagli attacchi più violenti.Dovendo accettare nei loro confronti danni anche gravi,occorre intervenire progettualmente, sia pure con controllisemplificati, per scongiurare quei crolli rovinosi che potreb-bero pregiudicare la sicurezza delle persone e la protezionedei valori intangibili, quali sono per esempio i beni storici edartistici. 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 voltemaggiori di quelle del riferimento precedente. Per unacostruzione a base fissa si stima preliminarmente la capacitàche può esserle attribuita per opporsi a questo eventoestremo in condizioni danneggiate, ma potendo sviluppareun’adeguata capacità dissipativa globale associata a deforma-zioni anelastiche duttili. Si definiscono così appropriati coeffi-cienti con i quali si valuta ancora un terremoto di progettoridotto, la cui intensità è però correlata alla capacità post-elastica dissipativa della particolare costruzione in esame. Lenorme agevolano questa fase del progetto definendo, oltre aquelli di dettaglio, i requisiti di configurazione che servonoper colmare la disparità tra la performance richiesta dal-l’evento raro e la resistenza effettiva delle strutture. Più diquanto possano indicare gli schemi delle norme, basati in

US Geological ServiceDescriptor Magnitude Average annually

Great 8 and greater 1

Major 7-7.9 18

Strong 6-6.9 120

Moderate 5-5.9 800

Light 4-4.9 6-200 (estimated)

Minor 3-3.9 29.000 (estimated)


genere su concetti di regolarità, i requisiti di configurazionedipendono però in larga misura dalle configurazioni struttu-rali condizionate dalle scelte morfologiche del progettoarchitettonico.

La Fig. 3 sintetizza, mediante una rappresentazione spettra-le, il divario che può esistere fra la capacità di risposta di unanormale struttura antisismica e la domanda del terremoto di

riferimento. Nella figura sono indicati i fattori che possonoconsentirle di superare questo severo impatto. Sono impor-tanti gli ultimi due, connessi proprio con il danneggiamento:l’aumento del periodo di oscillazione conseguente alla minorerigidezza globale della struttura danneggiata e l’aumento dellacapacità dissipativa dovuto alle deformazioni ripetute impostealle zone critiche plasticizzate. Il primo effetto si legge comeuno spostamento verso destra lungo la retta tratteggiata cheporta il periodo di oscillazione verso verso i periodi in cui ladomanda si attenua in modo sostanziale; al secondo corri-sponde la riduzione, anch’essa tratteggiata, della domandamedesima guadagnata grazie agli effetti dissipativi. I due mec-canismi sono efficaci quando le zone critiche del sistema che sioppone al sisma possiedono la deformabilità anelastico-dissi-pativa potenzialmente necessaria, purché la configurazione delmeccanismo anelastico che si produce in fase di danneggia-mento abbia un forma appropriata per mobilitare realmentetutte le potenzialità disponibili.

Quanto ora detto contiene già la sostanza dei principidell’isolamento sismico. Nella concezione del “capacitydesign”, che regola il progetto delle costruzioni a base fissa,tutte le membrature strutturali dovrebbero contribuire allaresistenza ed alla dissipazione di energia mediante un dan-neggiamento diffuso, senza concentrazioni improprie (Fig. 4).Con le tecniche dell‘isolamento invece queste prestazioni siattribuiscono, anziché alle strutture danneggiate, a particolaridispositivi meccanici, isolatori e dissipatori, opportunamentedisposti nel sistema resistente. L’isolamento sismico passivosi consegue pertanto utilizzando una o entrambe le seguentistrategie 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 lettodi isolatori molto deformabili in direzione orizzontale (Fig. 5),per lasciare che questa possa oscillare lentamente come uncorpo rigido indeformato e con periodi compresi nel campodelle minori domande (per esempio, 2 o 3 secondi). In gene-

3. Divario tra domanda sismica e capacità di risposta.

4. La Transamerica Pyramid di San Francisco (secolo XX) e la HoryujiPagoda di Kyoto (secolo XIV).

20

e d i t o r i a l e



re, nelle applicazioni si utilizzano isolatori di gomma multistra-to rinforzati mediante lamierini di acciaio (Fig. 6). La capacitàdi ridurre le accelerazioni trasmesse da questi dispositiviaumenta al crescere delle deformazioni imposte; vale a direche, entro i limiti di progetto, questi isolatori sono tanto piùefficaci quanto maggiore è l’intensità degli attacchi sismici (Fig.7). Il sistema si applica bene agli edifici multipiano, dove siriducono le accelerazioni trasmesse ai piani stessi a beneficiodegli oggetti e dei valori contenuti. L’aggiunta di una certacapacità dissipativa non è essenziale, ma è utile per attenuareulteriormente la domanda e per ridurre l’ampiezza delledeformazioni richieste agli isolatori, che possono essere mol-to grandi, anche dell’ordine di 30 o 40 cm.

In una rappresentazione spettrale di tipo capacitivo, dovele accelerazioni di risposta elastica (Sa=ω2Sd) sono ripro-dotte in funzione degli spostamenti “equivalenti” (Sd) edove i periodi di oscillazione T corrispondono alle retteuscenti dall’origine degli assi, si illustra bene l’essenza del-l’isolamento alla base (Fig. 8). Si consideri, come sempliceesempio, un edificio a base fissa che abbia un periodo dioscillazione 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-elasticauguale a 5 (μ=5) il sistema resistente può essere proget-tato per un input sismico 5 volte inferiore alla domandadel terremoto raro (q=5). L’edificio può sopravvivere all’at-

5. Edificio residenziale dello IERP a Città di Castello (PG), isolato allabase mediante dispositivi HDRB.

6. Dispositivi HDRB.

8. Isolamento alla base in una rappresentazione capacitiva.

7. Curve di isteresi di una coppia di isolatore HDRB sottoposti a carichiripetuti di ampiezza crescente.

21Alberto Parducci



tacco sismico estremo perché lo spostamento equivalenterichiesto corrisponde al limite della sua capacità di defor-marsi oltre i limiti elastici (le deformazioni plastiche localidei singoli elementi strutturali possono essere però moltoampie). Se la stessa costruzione è posta sopra un letto diisolatori deformabili capaci di portare, per esempio, ilperiodo di oscillazione a 2.5 secondi, il grafico mostracome questa, oscillando lentamente, potrebbe sopportareil terremoto estremo senza neppure mobilitare deforma-zioni superiori ai limiti elastici. Occorre solo che la capaci-tà deformativa degli isolatori sia sufficientemente ampia.

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 elementimetallici duttili (Fig. 10). Dissipatori di questo tipo possonoessere inseriti anche nei riquadri delle strutture intelaiate

9. Stantuffi a comportamento viscoso (VD) ed elasto-plastico (EPD) (A.Whittaker UB/MCEER) - sopra - e appoggio elasto-plastico EPD di unastruttura da ponte (dispositivo FIP, brevetto Parducci Medeot)- sotto -.

11. Adeguamento sismico mediante controventi dissipativi. Università diTaipei (Taiwan).

10. Edificio della Union House di Auckland (NZ, 1981) isolato alla basecon dispositivi EPD.

22

e d i t o r i a l e



(Fig. 11) per funzionare in parallelo durante le deformazionilaterali imposte dal sisma. Quest’ultimo è il caso, per esem-pio, delle costruzioni metalliche che possono sopportaredeformazioni orizzontali piuttosto ampie, tali da consentireai dispositivi di sviluppare la loro capacità dissipativa. Inoltre,le strutture metalliche possono essere configurate anche inmodo da far funzionare particolari sistemi di “controventidissipativi” che all’occorrenza si deformano plasticamenteinsieme agli stessi elementi strutturali. I controventi dissipati-vi possono essere usati convenientemente anche per l’ade-guamento sismico di strutture intelaiate, purché questeabbiano una deformabilità di piano sufficiente.

La configurazione del “primo piano soffice” (“soft firststorey”), derivata dai “pilotis” di Le Corbusier, sebbenesia ancora largamente usata, è particolarmente perico-losa nel caso sismico, perché possiede una capacità dis-sipativa molto povera quando la resistenza flessionaledei montanti è mobilitata oltre i limiti elastici. I pianisoprastanti non si danneggiano perché le forze orizzon-tali trasmesse non possono superare la resistenza delpiano critico. La capacità dissipativa rimane però con-centrata in poche cerniere plastiche. Ciò non può evitareil rapido aumento delle deformazioni laterali e, adaggravare la situazione, fa intervenire il cosiddetto effet-to “pi-delta” (momento corrispondente al prodotto del

peso delle masse soprastanti per lo spostamento rispet-to alla base) che conduce presto al crollo rovinoso del-l’intero fabbricato (Fig. 12).L’adeguamento sismico di questo schema non può essereottenuto aumentando la resistenza dei montanti del pri-mo piano perché ciò aumenterebbe la capacità di tra-smettere le azioni sismiche ai piani superiori. Il problemapuò essere risolto invece aumentando la capacità dissipa-tiva del piano critico mediante l’inserimento di VD e confi-nando le potenziali cerniere plastiche mediante cerchiatu-re ottenute con materiale flessibile (Fig. 13).

L’isolamento sismico ha visto le prime applicazioni all’ini-zio degli anni ‘80 in Nuova Zelanda, in California ed in Giap-pone. Gli edifici sono stati muniti in genere di sistemi di iso-lamento alla base, secondo schemi diventati ormai tradizio-

12. Due crolli tipici degli edifici con "primo piano soffice": a sinistra unedificio di Izmit (Kocaeli Eartrhquake, Turchia); a destra un edificio diTaipei (Chi Chi Earthquake, Taiwan).

14. Risposta ai vari piani dell’edificio isolato alla base di Sanda (Kobe)durante lo Hyogoken-Nanbu Earthquake del 1995 (M=7.2).

13. Adeguamento sismico di un complesso su "pilotis" mediante inseri-mento di VD.

23Alberto Parducci



nali. Il momento decisivo che ne ha lanciato definitivamentel’impiego è stato il terremoto di Kobe del 1995 (lo Hyogo-ken Nanbu Earthquake, detto anche Great Hanshin-AwajiEarthquake, M=7.2). Nella località di Sanda erano presentidue fabbricati isolati alla base, le cui registrazioni di rispostahanno mostrato con evidenza la forte riduzione delle acce-lerazioni sismiche trasmesse dagli isolatori (Fig. 14). Fu ladefinitiva conferma di ciò che era stato registrato l’anno pre-cedente all’USC Hospital di Los Angeles, durante il terremo-to di Northridge. A Kobe fu perfino possibile confrontare lerisposte di due edifici analoghi ed adiacenti, uno isolato l’al-tro no; in testa al primo furono registrate accelerazioni dipiano pari a solo il 20% (!) di quelle misurate nell’altro.

L’isolamento sismico ha trovato un importante impiegoanche nel settore delle infrastrutture stradali. In Italia, versola fine del secolo scorso, era stato raggiunto un certo prima-to, perché erano stati isolati gli impalcati di oltre un centinaiodi ponti. In queste applicazioni furono preferiti dispositivi dis-sipativi di tipo elasto-plastico, disposti in sostituzione deinormali appoggi delle travate (Fig. 15). Un significativo esem-pio di queste applicazioni è pubblicato in un altro numero diEdA, dedicato alle infrastrutture.

Nelle relazioni che seguono, presentate dagli specialisti delsettore, sono descritte le più significative applicazioni dei siste-mi cui si è fatto cenno, realizzate prevalentemente in Italia.

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 realtànon sono certe. Nella misura in cui sono certe non si riferiscono alla real-tà“, Albert Einstein, “Geometry and Experience”, dalla conferenzatenuta all’Accademia delle Scienze Prussiana il 27 Gennaio 1921.

3. “Non c’è errore più comune di quello di presumere che, siccome sonostati effettuati calcoli matematici lunghi ed accurati, l’applicazione delrisultato a qualche realtà strutturale sia assolutamente sicura”; AlfredNorth Whitehead (citato da J. D. Barrow in Teorie del Tutto, Milano,Adelphi, 2003).

4. Ordinanze PCM 3274/03 e 3431/05, la cui applicazione è purtropporitardata da una continue di proroghe che tollerano ancora l’impiegodelle precedenti norme.

5. Non sono trattati un questa sede i sistemi “attivi” (ibridi o semi-attivi),considerati troppo sofisticati per poterne prevedere un utilizzo diffu-so.

6. La Magnitudo M è la misura logaritmica di uno spostamento di riferi-mento; ogni aumento di un grado corrisponde ad uno spostamento10 volte maggiore!

7. Come l’EC.8, le norme assumono ora come riferimento l’evento cheha la probabilità di occorrenza del 10% in 50 anni corrispondente,per l’esattezza, ad un periodo di ritorno di 475 anni. Gli edifici scola-stici e le costruzioni strategiche, comprendenti gli ospedali, si proget-tano per periodi di ritorno maggiori.

24

e d i t o r i a l e




25

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

1. W. Heisenberg, Wandlungen in den Grundlagen der Naturwissen-schaft, Hirzel Verlag, 1959 (Trad. it. Mutamenti nelle basi dellascienza, Torino, Bollati Boringhieri, 2000).

2. E. Kaufmann editor, An American Architecture - Frank Lloyd Wright,New York, Bramhall House, 1955.

3. Christopher Arnold & Robert Reitherman, Building Configurationand Seismic Design, John Wiley & Son, 1982 (Trad. it., MorfologiaEdilizia e Progetto Sismico, Bologna, Edizioni Luigi Parma, 1985).

4. C.C. Thiel, Life cycle cost consideration in structural systems selec-tion, ATC-17, San Francisco (CA), 1986.

5. C. Arnold, Architectural Considerations, in Seismic Design Hand-book, F. Naeim editor, Von Nostrand, New York, 1989

6. R. I. Skinner, W. H. Robinson, G. H. McVerry, An Introduction toSeismic Isolation, John Wiley & Sons, 1993.

7. A. Parducci, M. Mezzi: Economics in Seismic Isolation Options -Expected Benefits Versus Construction Costs, PCEE, Melbourne(Australia), 1995.

8. A. Parducci, Seismic Isolation: Why, Where, When: Design Options forOrdinary Isolated Structures - International Post-Smir t Confer-ence Seminar on Isolation, Energy Dissipation and Control ofVibration 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 - TheItalian experience, Special meeting held at the Forell/ElsesserCompany, 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 ArchitectureExploration,13th WCEE, Vancouver, 2004.

13. M. Mezzi, A. Parducci, Conceptual Seismic Design and State-of-theArt Protection Systems, U. S. National Conference on EarthquakeEngineering”, San Francisco (CA), 2006.

14. M. Mezzi, Architectural and Structural Configuration of Buildings withInnovative Aseismic Systems, 13th WCEE, Vancouver, 2004.

15. A. Parducci ed Altri, Base Isolation and Structural Configuration -The New Emergency Management Centre in Umbria, 9th WorldSeminar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and ActiveVibration Control of Structures, Kobe, Japan, 2005

16. M. Dolce, A. Martelli, G. Panza, Moderni Metodi di Protezione dagliEffetti del Terremoto, 2005.

17. E. Elsesser, New Ideas for Structural Configurations, 8th U. S. Nation-al Conference on Earthquake Engineering”, San Francisco (CA),2006.

18. A. Parducci, M. Mezzi (coordinatori) ed Altri, Configurazioni Strut-turali per l’Ottimizzazione delle Prestazioni dei Sistemi Innovativi diProtezione Sismica, Reluis, Linea 7, Unità E1, Report preliminare2007.

19. A. Parducci, A Synergic Dissipation Approach to Retrofit FramedStructures with a Soft First Storey (invited paper) - 9th World Sem-inar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active VibrationControl of Structures, Kobe, Japan, June 13-16, 2005.

20. A. Parducci, Nuovi Sistemi di Protezione Sismica dei Ponti - Il Viadot-to Coltano, in corso di stampa in “EdA. Esempi di architettura”, n°2, 2007.

21. R. Reitherman, A.W. Charleson, Consortium of Universities forResearch in Earthquake Engineering, CUREE, sito internet,http//www.curee.org.

Alberto Parducci


It is probably true quite generally that inthe history of human thinking the most fruit-ful developments frequently take place atthose points where two different lines ofthought meet. If they are at least so muchrelated to each other that a real interactioncan take place, then one may hope that newand interesting developments may follow.

Werner Heisenberg1

The world is full of obvious things whichnobody by any chance ever observes.Sherlock Holmes, The Hound of Baskervilles

PROBLEMS AND AUSPICES

Towards the end of the 20’s, Frank LloydWright designed the Imperial Hotel inTokyo by dealing with the seismic problemin an original manner. He designed a com-plex building (Fig. 1) but divided it intoboxed components thought of as “floating”elements on a deformable ground. For theirfoundation, he used a pile screen embed-ded in superficial shallow cheese soil withoutpenetrating through to the underlying mud-dy formation; this was so the foundationsystem could operate as a deformableshock absorber able to ensure a dynamicisolation effect against a seism (Fig. 2). In hismemoirs, he wrote: “Why fight an earth-quake? Why not join it and beat it with astute-ness?” Wright was obligated to use hisstrong personality to impose this idea onthe engineering industry, at that time still

bound to concepts of resistance and rigidi-ty, and he finally modified the structureddesign using his authority.

The building had just been completedwhen a violent earthquake (the Great Kan-to Earthquake -M = 7.9) hit Tokyo in 1923,causing over 120,000 victims. The hotelremained quite intact and was used tohouse evacuees. The telegram Baron Oku-ra sent Wright read “Hotel stands undam-aged as monument of your genius”, thusallowing the brilliant intuition of the Ameri-can architect to go down in history.

The hotel was demolished in 1968; rea-sons behind this decision are not clear andproject documents are no longer available.This makes separating the event’s mythfrom reality difficult today. Nevertheless,Wright’s statements are the historical pro-gramme of a concept, which for the firsttime guided a building’s project towardsthe concrete application of a seismic pro-tection system different or rather antitheti-cal from those proposed by traditionalengineering. “Rigidity was not the rightanswer, but flexibility and resilience were”, hestated anticipating concepts on which seis-mic engineering is based today. He wasable to harmonise architecture and engi-neering to propose a new design idea; butengineering at the time was not ready anddidn’t understand this, so the developmenthoped for by Heisenberg did not takeplace.

Before introducing the subject of thisspecial edition, Wright’s vicissitude andHeisenberg’s exhortation are an invitationfor us to reflect on the age-old dyscrasia,which engineering projects are far toooften subjected to. Once again, the prob-lem concerns the relationship betweenarchitecture and structure in current pro-fessional practice, where often the impor-tance of harmony between these twodesign components is overlooked; essentialharmony in seismic areas. The business

environment in which we work separatesthe functions of an “architect”, who definesthe work and is committed to resolvingdistribution problems to be included incomponent shapes that correspond tocodes from the school one belongs to,from that of an “engineer”, who intervenesafterwards, acting as the custodian of magicnumeric procedures, now automated andnot even always effective, and alone, in theseismic case2. However, both seem con-vinced of the fact that filtering performedusing a minute calculation code3 can trulymake any building designed this way aseis-mic. This anomaly is certainly not any lessfavoured by the now traditional culturalseparation of the training these 2 profes-sional categories go through.

In this context and more than 60 yearsafter the experience in Tokyo, new isolationand energy dissipation techniques arebeing added, with which seismic engineer-ing is now opening new horizons; withwhat expectations? This time, the basicconcepts are the result of scientificresearch based on engineering; theyappear different, but in fact they are basedon the same principles intuited by Wright.The new systems are divided into differentapplication methods with the purpose ofsubstantially raising building safety levels inthe event of violent seismic attacks. Recentlegislation4 has deregulated use, previouslythe subject of tormented approval proce-dures, and has established proceduresrequired for engineering projects and sys-tems qualifications. The Italian industry pro-duces quality devices meeting a broadrange of realisation requirements. Con-struction costs are not high; on the otherhand, the economic benefits expected bythe general public are high owing to thereduction of damage and the interventionsrequired after large catastrophes. Profitabil-ity analyses indicate that isolation candecrease the intensity of an earthquake

NEW CONCEPTS FORSEISMIC PROJECTSA CHALLENGE FORARCHITECTURE ANDENGINEERING

e d i t o r i a l e

26 edA speciale giugno 2007 - La sfida dell’isolamento sismico



Alberto Parducci 27

perceived by a building by about twodegrees.

This edition of EdA illustrates the mostsignificant applications of “passive” isolationtechniques which, in line with what hap-pens in countries most subject to seismicrisk, are also currently being developed inItaly5. The hope is that this may favour ameeting between different project expert-ise to stimulate researching appropriatemorphological and structural configura-tions aimed at pursuing the double goal ofbroadening the field of proposable archi-tectural solutions and optimising use. Seis-mic isolation techniques require structuresthat can respond to seismic input by sus-taining ample movements with respect totheir base, or between parts of them. Thisis an important reason to renew the usualconcepts inherited from the Vitruvian prin-ciple of “firmitas”. Several morphologicalcharacteristics usually considered impropercan become suitable as a result of the dif-ferent weight several irregularities anddestructuring of shapes take on, orbecause deformability favours the use ofdissipators. At the same time, new con-cepts ignored by planning customs, such asmovement, discontinuity and deformation“(“motus”, “scissio” and “deformatio”) canbecome the basis on which to formulatenew architectural ideas.

The importance of the subject is notquestioned, but few authors have dealtwith the delicate problem of componentconfigurations for seismic areas. Over thelast few years, a number of publicationshave begun appearing, but seismic isolationis rarely a part of them. The works stillreflect an engineering point of view, leavingwide gaps to deal with the problem from amentality more oriented towards architec-tural aspects.

THE SEISMIC PROBLEM AND ISOLA-TION TECHNIQUES

Earthquakes are a natural, unpre-dictable event; in their most intense formsthey produce shocks whose intensity ismuch stronger than the resistance capacityof building materials. Acquired projectpractices induce this aspect to be underes-timated. Although quite aware of this inad-equacy, project requirements demandedby previous legislation were limited toensuring the resistance of individual struc-tural elements required to overcome -without any damage - the most frequentearthquakes of medium intensity andexpected every 56 -60 years. The intensityof these events at maximum danger levelsis defined as “moderate” (M=5-6) as perthe enclosed chart6 by the US GeologicalService. Safety against the most severeearthquakes was left to a structure’s resid-ual generic resources, without requiringany explicit project controls.

In keeping with EC 8, today seismicprojects require added value. Attention isaimed at a measure for greater control ofthe effects produced by the most violentattacks. Having to accept even more seri-ous damage, intervention must be made atthe planning stage, even through simplifiedcontrols, to prevent those disastrous col-lapses that could jeopardise the safety ofpeople and safeguard intangible valuables,such as for example historical and artisticassets. The reference has become that of arare event, defined by an average returnperiod of approximately 500 years7, char-acterised by ground accelerations almost10 times greater than those of the previ-ous reference. Preliminary estimations for afixed-base construction include the capaci-ty it can be attributed with to oppose thisextreme event in damaged conditions, butwhile developing an overall adequate dissi-pative capacity associated with ductile

inelastic deformations. This is the definitionof the appropriate coefficients with whicha less intense earthquake is still assessed,whose intensity however is correlated tothe dissipative, post-elastic capacity of thespecific building being examined. Legisla-tion facilitates this project phase by definingthe configuration as well as the detailedrequirements, which serve to reduce theinequality between the performancerequired by the rare event and the effec-tive resistance of the structures.

Configuration requirements depend toa great extent on structural configurationsconditioned by the morphological choicesof the architectural project more than theindications of legislation outlines, which aregenerally based on concepts of regularity.

Using a spectral representation, figure 3summarises the gap that can exist betweenthe response capacity of a normal aseismicstructure and the demand of the referenceearthquake. The figure indicates factorsthat can allow this severe impact to beovercome. The last two are important, andare connected precisely to damage: theincreased oscillation period resulting fromthe lesser overall rigidity of the damagedstructure and the increased dissipativecapacity owing to repeated deformationsimposed on the plasticised critical areas.The first effect can be read as a displace-ment to the right along the outlined linebringing the oscillation period towardsperiods in which demand is substantiallydecreased; the second corresponds to thereduction, also outlined, of the samedemand gained thanks to the dissipativeeffects. The two mechanisms are effectivewhen the critical areas of the systemopposing the seism possess potentiallynecessary inelastic-dissipative deformabili-ty, as long as the configuration of theinelastic mechanism produced during thedamage phase has the appropriate shapeto truly mobilise all potentialities available.


e d i t o r i a l e

28

These statements already contain thesubstance of the principles of seismic isola-tion. In the concept of “capacity design”,which regulates engineered projects with afixed base, all structural framework shouldcontribute to the resistance and dissipationof energy through widespread damage,without improper concentrations (Fig. 4).But by using isolation techniques, this per-formance is attributed to special mechani-cal devices, isolators and dissipators appro-priately located in the resisting structure,rather than the damaged structures. Pas-sive seismic isolation therefore results, byusing one or both of the following projectstrategies:• base isolation, which tends to obtain a

significant increase to the oscillationperiod;

• increased dissipative capacity, consistingin the addition of specific dissipatorsappropriately distributed.Base isolation is the simplest solution.

This is obtained by arranging the buildingon a bed of highly deformable isolators in ahorizontal direction (Fig. 5), so it can slowlyoscillate as a non-deformed rigid body andat periods included in the field of lesserdemands (for example 2 or 3 seconds).Generally, multilayer, reinforced rubber iso-lators are used in applications throughsteel metal sheets (Fig. 6). The capacity toreduce the accelerations transmitted fromthese devices increasingly builds the defor-mations set; in other words this means thatwithin the project limits, the greater theintensity of the seismic attacks, the greaterthe effectiveness of these isolators (Fig. 7).This system can be applied quite well tomulti-level building, where the accelera-tions transmitted to the storeys them-selves are reduced to benefit the objectsand valuables contained within. The addi-tion of a certain dissipative capacity is notessential, but it is useful to fur ther reducedemand and the breadth of the deforma-

tions required by the isolators - whichmight be quite large - by even up to 30 or40 cm.

A capacitive-type spectral representa-tion, where the accelerations of elasticresponse (Sa=ω2Sd) are reproducedas a function of “equivalent” displace-ments (Sd) and where oscillation peri-ods T correspond to the lines leavingthe origin of the axes, is a good illus-tration of the essence of base isolation(Fig. 8). Consider as a simple examplea building with a fixed base whoseoscillation period is 0.5 seconds andfor the sake of simplicity, accept thecriteria of “equal displacement”. Ifoverall, the structure has a post-elasticductile equal to 5(μ=5), the resistantsystem can be planned for a seismicinput 5 times less than the demand ofa rare earthquake (q=5). The buildingcan survive an extreme seismic attackbecause the equivalent displacementrequired corresponds to the limit of itscapacity to deform itself beyond theelastic limits (the local plastic defor-mations of the individual structuralelements can however be quitebroad). The graph indicates how thisbuilding, while slowly oscillating, mightsupport an extreme earthquake with-out even mobilising greater deforma-tions at the elastic limits if the samebuilding is located on top of a bed ofdeformable isolators able, for exam-ple, to bring the oscillation period to2.5 seconds. It is only necessary thatthe isolators’ capacity to deform besufficiently ample.

Analogous performance is alsoobtained by adding viscous dissipators sim-ilar to automobile shock absorbers (Fig. 9)to the base of the building, or dissipatorscapable of a broad elastic-plastic perform-

ance generally obtained due to the plasticdeformation of ductile metal elements (Fig.10). This type of dissipator can also beadded to the panels of the framed struc-tures (Fig. 11) to function simultaneouslyduring lateral deformations caused by theseism. The latter is the case, for example, ofmetal constructions that can supportrather broad horizontal deformations suchas to allow the devices to develop theirdissipative capacity. In addition, the metalstructures can also be configured so as tooperate special “dissipative bracing” sys-tems, which when required, plasticallydeform together with the same structuralelements. Dissipative bracing can also con-veniently be used for the seismic adapta-tion of framed structures, as long as theirstorey deformability is sufficient.

Although still largely used, the configu-ration of the “soft first storey” derivedfrom “pilotis” by Le Corbousier is par-ticularly dangerous in a seismic casebecause it has a very poor dissipativecapacity when the flex resistance ofthe posts is moved beyond the elasticlimits. The upper storeys are not dam-aged because the horizontal forcestransmitted cannot exceed the resist-ance of the critical storey. However,the dissipative capacity remains con-centrated in just a few plastic hinges.This cannot prevent the rapid increaseof lateral deformations and, to makematters worse, causes the so-called“pi-delta” effect (a moment corre-sponding to the product of the weightof the above masses due to displace-ment with respect to the base), soonbringing about the disastrous collapseof the entire building (Fig. 12). The seismic adaptation cannot beobtained by increasing the resistance ofthe first-storey posts because this wouldincrease the capacity to transmit the




Alberto Parducci 29

seismic actions to the storeys above.However, the problem can be resolvedby increasing the dissipative capacity ofthe critical storey by adding VDs andconfining potential plastic hingesthrough spiral reinforcements obtainedusing flexible material (Fig. 13).

Seismic isolation was first applied at thebeginning of the 80’s in New Zealand, Cali-fornia and Japan. Buildings were generallyequipped with base isolation systems,according to norms that have nowbecome traditional. The decisive momentthat definitely launched this use was the1995 Kobe Earthquake (the HyogokenNanbu Earthquake, also known as theGreat Hanshin-Awaji Earthquake, M=7.2).There were two base-isolated buildings inSanda, whose recorded responses clearlydemonstrated the significant reduction ofthe seismic accelerations transmitted bythe isolators (Fig. 14). It was a decisive con-firmation of the previous year’s recordingsmade by the USC Hospital in Los Angelesduring the Northridge Earthquake. InKobe, it was even possible to compare theresponses of the two, similar buildingslocated next to each other, one being iso-lated and the other not; at the top of thefirst, the storey accelerations registeredwere only equal to 20% (!) of those meas-ured in the other building.

Seismic isolation has also found animportant use in the road infrastructuressector. Towards the end of the last centuryin Italy, a specific precedence was setbecause the decks of over a 100 bridgeswere isolated. Elastic-plastic dissipativedevices were favoured in these applica-tions, placed to replace the normal sup-ports of the decks (Fig. 15). A significantexample of these applications is publishedin another edition of EdA, dedicated toinfrastructures.

The following reports presented byindustry specialists describe the most sig-nificant applications of the systems men-tioned, realised mainly in Italy.

NOTES

1 Winner of the Nobel prize in physics in1932; he enunciated the principle of uncer-tainty.

2 “As far as the laws of mathematics refer toreality, they are not certain; and as far as theyare certain, they do not refer to reality”, AlbertEinstein, “Geometry and Experience”, fromthe conference held 27th January 1921 atthe Prussian Academy of Sciences.

3 “There is no more common error than toassume that, because prolonged and accuratemathematical calculations have been made,the application of the result to some fact ofnature is absolutely certain”; Alfred NorthWhitehead (cited by J. D. Barrow in “Teoriedel Tutto”, Adelphi, 2003).

4 Ordinances by Italian Prime Minister3274/03 and 3431/05, whose application isunfortunately delayed by continuous post-ponements still tolerating the use of previ-ous legislation.

5 “Active” (hybrids or semi-active) systemsare not treated here as they are consideredtoo sophisticated for widespread use.

6 Magnitude M is the logarithmic measure ofa reference displacement; each 1 degreeincrease corresponds to a displacement 10times greater!

7 As with EC 8, legislation now uses as its ref-erence an event whose probability of cor-responding occurrence equals 10% in 50years, precisely to a return period of 475years. Scholastic buildings and strategic con-structions, including hospitals, are plannedfor increased return periods.


NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICO UNA SFIDA...

Documents

Transcript of NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICO UNA SFIDA...