IL COINVOLGIMENTO DELL'ARCHITETTURA NEL PROGETTO SISMICO La"Base Isolation" in Italia prima e dopo il terremoto dell'abruzzo del 2009

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1 IL COINVOLGIMENTO DELL'ARCHITETTURA NEL PROGETTO SISMICO La"Base Isolation" in Italia prima e dopo il terremoto dell'abruzzo del 2009 Conferenza Magistrale del 10 maggio 2012 al Congresso Internazionale di Ingegneria Sismica, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba Alberto Parducci Quasi tutti i progressi della scienza sono stati acquisiti a prezzo di una rinuncia; quasi tutte le nuove scoperte hanno richiesto il sacrificio d'ipostazioni di problemi concettuali prima ritenuti importanti. Werner Heisenberg, premio Nobel per la Fisica nel PREMESSA Negli ultimi anni le concezioni di fondo dell'ingegneria Sismica si sono evolute in modo sostanziale. Gli obiettivi sono diventati più ambiziosi e le procedure per il progetto delle costruzioni più complesse. I paesi soggetti al rischio sismico hanno aggiornato le loro norme, alcuni in modo consistente, altri meno. In ogni caso, l'attenzione maggiore adesso è dedicata direttamente alla prevenzione dei crolli degli edifici mediante il controllo del loro comportamento post-elastico con il quale essi si difendono quando sono attaccati da terremoti di grande violenza. Pertanto, i requisiti di progetto non si soddisfano più eseguendo soltanto le tradizionali verifiche di resistenza nei confronti di sistemi di forze assegnate, perché occorre riferirli a prescrizioni definite secondo criteri prestazionali. Gli obiettivi prestazioni principali, ora espressi in modo esplicito, sono due. Il primo è un atto etico, mirato alla prevenzione di quei crolli rovinosi che possono provocare perdite di vite umane o danni alle persone. Il secondo è un obiettivo economico, mirato verso la riduzione dei costi di costruzione, di riparazione nel caso di danni, ovvero verso l'impiego ottimale delle risorse disponibili. I due obiettivi trovano un chiaro riferimento nelle nuove concezioni dell'ingegneria Sismica. Per raggiungerli occorre che ad essi si adeguino tutti coloro che progettano e realizzano le costruzioni, soprattutto quelle di tipo ordinario, perché in queste vive la maggior parte delle popolazioni più esposte alle conseguenze dei terremoti. E' doveroso pertanto che non solo l'ingegneria, ma anche l'architettura, alla quale si aprono nuovi spazi, si confrontino con questi problemi per proporre nuovi paradigmi progettuali. Quando avvengono trasformazioni di questo genere accade facilmente che problemi prima trascurati possano rivelarsi invece importanti. In contesti complessi come quello sismico la modifica dei paradigmi di riferimento entra facilmente in competizione con le abitudini che prima si erano consolidate 1. La validità di queste abitudini però deve essere valutata alla luce delle nuove conoscenze. Il clima d'affari nel quale oggi si opera favorisce la divisione delle competenze. Di solito, la definizione degli aspetti morfologici di un edificio è assegnata ad un "architetto" che opera risolvendo problemi distributivi e di stile per inserirli nei canoni della scuola di appartenenza. 1 1 Thomas S. Kuhn, The structure of scientific revolution, University of Chicago, 1970.

2 Quando la forma della costruzione è stata stabilita e sono state definite le linee generali del sistema strutturale, il risultato è consegnato ad un "ingegnere" che, se ne è capace, può apportare solo accomodamenti marginali 2. Depositario di poteri matematici, questo secondo protagonista filtra tutto attraverso calcoli complessi, svolti con procedimenti automatici, ed esegue le verifiche richieste dalle norme. I codici di calcolo che egli usa sono certamente affidabili, ma per risolvere assegnati problemi numerici e purché i modelli usati non si discostino troppo da quelli presupposti nella predisposizione dei codici. Probabilmente è proprio l'eccessiva fiducia suscitata dall'affidabilità (numerica) degli automatismi oggi disponibili che favorisce la falsa opinione secondo la quale questa semplice "messa a norma" dovrebbe rendere ugualmente sicura qualsiasi costruzione 3. Tutti sembrano concordi nel ritenere che ciò sia sufficiente, qualunque sia la configurazione in esame. Non si tiene neppure conto del fatto che spesso nella struttura nuda, usata per svolgere le analisi, si possono inseriscono poi elementi "non strutturali" che alterano la validità dei calcoli svolti. E' il caso, per esempio, dell'inserimento delle tamponature nelle strutture a telaio, che può essere favorevole, come accade nelle condizioni statiche, oppure sfavorevole, come può accadere nel caso sismico. E' talmente invalso il ricorso a questo modo di operare da non lasciare spazio ad altre riflessioni sulle quali è opportuno soffermarsi. 2 2 Christofer Arnold, Robert Reitherman, Building configuration and seismic design, John Wiley & Sons, Gli autori, riprendendo il parere di Henry Degenkolb, affermano che «se si parte da una configurazione mediocre, tutto quello che si può fare è metterci un cerotto». 3 «Non c'è errore più comune di credere che, poiché siano stati svolti calcoli matematici lunghi ed accurati, l'applicazione del risultato ad una realtà strutturale sia assolutamente certa» (aforisma attribuito ad Alfred N. Whitehead).

3 PARTE 1 L'ARCHITETTURA NEL PROGETTO ANTISISIMCO 3

4 L'IDEA PROGETTUALE La tesi che si intende sostenere è la seguente: secondo una concezione olistica del processo progettuale, per rendere realmente antisismico un edificio occorre un responsabile coinvolgimento dell'architettura. Pur potendo basarsi su analisi numeriche sofisticate, la progettazione antisismica deve essere considerata ancora come un'operazione dotata di una consistente componente empirica. Richiede infatti una professionalità che sia capace di concepire fin dall'inizio un'idea progettuale appropriata e conveniente. Per sostenere questa tesi occorre riflettere sugli argomenti indicati di seguito. L'imprevedibile intensità di un terremoto può superare la capacità di resistenza dei materiali da costruzione degli edifici, maggiormente quando sono realizzati con concezioni resistenti di tipo tradizionale. Le norme di progetto posseggono un inevitabile contenuto convenzionale. Per lungo tempo le attività formative dei professionisti sono state riferite al concetto di resistenza. Gli Eurocodici hanno introdotto il concetto di Stato Limite, ma la situazione si è modificata solo in parte perché spesso, per abitudine o per formazione, la resistenza è ancora percepita di fatto come l'obiettivo in funzione del quale si definisce la strategia del progetto. Il progetto antisismico deve essere basato invece sul concetto di performance, da ottenere (questo è il punto cardinale) sulla base di un'appropriata idea progettuale. A conferma di quanto affermato resta il fatto che l'osservazione dei danni prodotti dai terremoti indica sempre che le situazioni più disastrose sono da attribuire in primo luogo a fattori di configurazione. A parte le costruzioni "non ingegnerizzate", i maggiori fallimenti sono innescati da configurazioni strutturali o scelte morfologiche improprie, difficilmente da uno scarso affinamento dei calcoli. Ciò è quanto emerge dai risultati delle visite sopralluogo e dall'esame dei rapporti redatti dai centri di ricerca più accreditati. 4 VECCHI PARADIGMI COMPOSITIVI I paradigmi architettonici che guidano le scelte compositive non sempre sono correlati con i requisiti antisismici; alcuni sono perfino pregiudizievoli. Gli esempi sono numerosi. Il più significativo riguarda lo schema dell'edificio su pilotis, ispirato dalla concezione della "Maison Domino" proposta da Le Corbusier all'inizio del secolo scorso. Era il primo dei cinque punti della "Nouvelle Architecture" 4. Le Corbusier non si interessava però di morfologie antisismiche, né se ne interessava allora l'ingegneria Sismica. Con la premessa ora fatta, la "Maison Domino" è stata realmente una concezione innovativa perché ha associato la composizione architettonica alle prestazioni di un nuovo materiale: il cemento armato. Il sistema è razionale ed elegante e facilita gli aspetti 4 Le Corbusier, Vers une architecture, Edition Crès, 1923.

5 compositivi; perciò è diventato il più frequente riferimento progettuale. Nei confronti degli attacchi sismici però, quando questi superano una certa intensità, diventa pericoloso, o peggio disastroso. E' indicato sempre come prima causa dei disastri. L'effetto "soft storey" che ne deriva non dipende dalla resistenza dei pilastri; se così fosse sarebbe denunciato dalle verifiche tradizionali. Dipende invece dalla scarsa capacità dissipativa del meccanismo di collasso che si forma quando si superano i limiti elastici dei materiali. Risultato: lo spostamento della parte superiore del fabbricato può essere ampio; il conseguente effetto "pidelta" produce forti sollecitazioni nei pilastri a causa dei momenti dovuti ai pesi delle parti superiori ed il crollo rovinoso del piano terra avviene spesso senza che neppure si manifestino danni gravi, se non quelli dovuti alla caduta. Questo perverso meccanismo può essere causato anche da un fattore architettonico, cioè dall'effetto irrigidente dovuto alle tamponature presenti ai piani superiori. Eppure in questo modo si è ripetutamente costruito e si costruisce ancora nelle zone sismiche 5 Nei colloqui questi argomenti trovano sempre un largo consenso. Non hanno trovato invece la dovuta attenzione dei progettisti militanti né di un'appropriata ricerca compositiva.

6 Questo disinteresse trova un fondamento proprio nelle difficoltà che si incontrano quando si propongono nuovi paradigmi in ambienti nei quali si erano prima radicate e diffuse altre abitudini ed altre preoccupazioni. CONTENUTI CONVENZIONALI DELLE PROCEDURE DI PROGETTO Si è detto che le procedure di progetto contengono un consistente tasso di convenzionalità. Dipende da vari cause, anche dal fatto che, per essere applicate nella pratica progettuale esse devono aggirare un certo numero di fattoti di indeterminazione. Non si intende confutare le norme, perché sono il risultato di approfonditi studi sviluppati nei più accreditati centri di ricerca. Sarebbe come confutare le gare di tiro a segno dove si usano armi differenti (frecce, carabine, dardi), ognuna delle quali ha il suo grado di (im)precisione e non tutte si adattano ugualmente bene ai differenti bersagli (distanti, ravvicinati, in movimento). Il valore insostituibile delle norme deve essere visto nella loro globalità. Spetta alla professionalità del progettista utilizzarle ogni volta in modo appropriato. Senza soffermarsi sui dettagli è sufficiente riflettere sulle situazioni elencate di seguito per prenderne atto e trarne le conseguenze. Questa riflessione si basa sui seguenti postulati. Il terremoto impone un movimento alla base della costruzione ed immette in essa una certa quantità di energia; la costruzione deve gestirla con le dissipazioni associate alle sue oscillazioni elastiche e, se necessario, anelastiche 5. Il moto sismico, complicato ed imprevedibile, è descritto dagli spettri di risposta con i quali le norme stabiliscono l'input di progetto. Le intensità e le forme spettrali sono definite mediando le registrazioni ottenute in situazioni ritenute geologicamente simili. Interessano prevalentemente, ma non esclusivamente, le componenti orizzontali del moto. Gli spettri di progetto si riferiscono ad una risposta elastica, ma le intensità degli attacchi sismici possono superare largamente i limiti elastici dei materiali. Il terremoto si manifesta con caratteristiche sempre differenti che, pur nello stesso sito, possono presentarsi ogni volta in modo diverso; è sufficiente che un evento sia originato da nuove sorgenti per determinare sostanziali differenze del moto di superficie. Alcune spiegazioni sintetiche riguardanti le indeterminazioni che trovano la loro origine su questi presupposti sono illustrate nelle note riportate di seguito. Conclusione: non è ragionevole affidare il delicato problema della sicurezza sismica delle costruzioni soltanto a dei calcoli numerici automatici che si basano su questi presupposti rinunciando a pretendere appropriate idee progettuali INDETERMINAZIONI NELLE PROCEDURE DI PROGETTO I punti interrogativi che appaiono nelle figure seguenti indicano le principali cause di indeterminazione presenti in un normale processo progettuale; dipendono dalla natura propria dei fenomeni oppure dalle schematizzazioni dei modelli di calcolo. Una descrizione sintetica è indicata nelle note riportate di seguito. 6. Le norme definiscono gli spettri di progetto per un valore convenzionale dello smorzamento, ipotizzato di tipo viscoso ed uguale al 5% del valore critico; nella realtà però le costruzioni possono dissipare energia 5 Questo postulato non corrisponde all'idea delle sollecitazioni indotte da sistemi di "forze equivalenti" che per lungo tempo ha regolato il progetto antisismico.

7 con meccanismi di tipo diverso (plastico, per attrito, ecc.) e con capacità molto differenti. L'intensità di progetto è definita mediante l'accelerazione di ancoraggio (PGA) dello spettro; questo è il parametro più significativo, ma non l'unico dal quale dipende il potenziale distruttivo. Spesso non si considera l'interazione suolo-struttura, mentre le registrazioni si ottengono nel "free soil". Le rappresentazioni spettrali non indicano la durata del terremoto, sebbene questo fattore sia importante per valutare i progressivi danneggiamenti che precedono il collasso. Dalle rappresentazioni spettrali non si evince l'eventuale presenza di lunghi pulsi di accelerazione che potrebbero spostare il fenomeno oscillatorio verso un comportamento di natura impulsiva; la differenza può avere importanza nello studio dei ribaltamenti. 7 Altri aspetti riguardano l'analisi modale usata per il calcolo elastico che, con opportuni aggiustamenti, costituisce l'abituale fondamento dei metodi di progetto. Non sempre le forme modali corrispondono alla reale deformazione della costruzione; in parte a causa della variabilità delle caratteristiche meccaniche dei materiali, di più per l'interazione degli elementi ritenuti non strutturali.

8 Nel dominio delle frequenze si perdono le informazioni temporali; per combinare le risposte modali occorre usare regole pratiche, come quella quadratica. Non si può prevedere il modo in cui negli elementi portanti (pilastri o pareti) le forze assiali prodotte dalle componenti verticali del moto sismico si combinano con quelle associate agli effetti di "rocking". Altri problemi si pongono quando si definiscono i modelli delle analisi numeriche 6. Se ne elencano alcuni. Gli elementi "beam" riproducono travi e pilastri eliminando le dimensioni trasversali e considerando una successione continua di sezioni; ciò richiede vari arrangiamenti per valutare il comportamento di molti punti singolari, come i nodi dei telai, punto cruciale per la loro resistenza orizzontale. Non tengono conto neppure dello stato fessurativo, fisiologico per il cemento armato, che varia mentre varia l'intensità delle sollecitazioni. I materiali, maggiormente le murature, non si comportano linearmente neppure nel campo delle piccole deformazioni. Il comportamento non lineare delle deformazioni plastiche, in particolare delle cerniere plastiche, può essere riprodotto solo in modo approssimativo (aspetto che è alla base dei principi del Capacity Design). E così via... Alcune delle considerazioni fatte valgono anche quando si progettano strutture poste fuori delle zone sismiche, ma tutte acquistano una rilevanza particolare nel caso sismico, specialmente quando si progettano costruzioni poste nelle zone ad alto rischio dove sono attesi i terremoti più violenti SVILUPPI E RETAGGI DELL'INGEGNERIA SISMICA Le scienze meccaniche sono nate in Europa con il pensiero illuminista del XVIII secolo, quando si è compreso che la conoscenza del mondo fisico si ottiene osservando direttamente i fenomeni naturali senza posizioni preconcette. L'Ingegneria Strutturale si è sviluppata nel secolo successivo trovando un utile fondamento nella Teoria dell'elasticità. Il successo è stato grande, perché ha consentito di realizzare molte importanti opere che hanno caratterizzato la fine del XIX secolo. La Teoria dell'elasticità, che ne è stata il supporto, costituisce ancora oggi un affidabile strumento scientifico di notevole potenzialità, ma (attenzione!) nell'ambito dei suoi presupposti che sono: comportamento elastico lineare e continuità delle deformazioni. L'Ingegneria Sismica si è sviluppata dopo, quando queste concezioni si erano 8 consolidate ed avevano stabilito il modo di affrontare la progettazione strutturale. Solo più tardi si è visto però che l'ingegneria Sismica pone problemi che vano oltre quest'ambito. 6 In chiave ironica, l'ingegneria strutturale è stata definita (Kelsey, "Finite Element Method in Civil Engineering") come «l'arte di formare con materiali che nella realtà non si conoscono, delle forme che nella realtà non si possono analizzare, per resistere a delle forze che nella realtà non si possono valutare, in modo tale che la gente non possa, nella realtà, sospettarlo» (Wikipedia, Ingegneria Civile).

9 Nei primi anni del XX secolo alcuni violenti terremoti hanno colpito città intensamente costruite (San Francisco 1906 in California, Messina e Reggio Calabria 1908 in Italia, Great Kanto Earthquake1923 a Tokyo, ecc.). Sono apparse allora le prime norme che hanno introdotto il calcolo numerico nella progettazione strutturale. L'idea di isolare alla base le costruzioni circolava già allora. Dopo il terremoto di Messina in Italia sono stati rilasciati alcuni brevetti. Si trattava però di semplici idee che non hanno trovato applicazione e non hanno suscitato neppure un appropriato interesse della cultura accademica. All'inizio si è pensato di riprodurre l'azione sismica mediante forze statiche orizzontali dell'ordine del 10% dei pesi della costruzione. Il riferimento della Teoria dell'elasticità ha indotto a svolgere il calcolo strutturale in campo lineare per eseguire le verifiche di resistenza valutando le "tensioni ammissibili"; un approccio quindi di natura statica con controlli corrispondenti a condizioni di normale esercizio. L'implicito ma incerto presupposto prevedeva che gli abituali margini di sicurezza fossero sufficienti per affrontare eventuali attacchi più severi. Del resto non si possedevano le informazioni necessarie per affrontare due argomenti la cui rilevanza sarebbe stata riconosciuta solo più tardi: l'aspetto dinamico del problema e la capacità dissipativa post-elastica delle strutture. L'applicazione di questi criteri si è protratta a lungo con aggiornamenti normativi che non hanno modificato l'impostazione di base. Ciò ha lasciato un pesante retaggio nella mentalità di molti progettisti ed in parte anche nell'ambito dei percorsi formativi. Il primo passo verso un approccio dinamico è stato compiuto nella metà del secolo scorso, quando sono stati registrati i primi accelerogrammi di terremoti reali. Elaborando quei dati è stata definita la tecnica dello "spettro di risposta" 7. Con questo strumento si è acquisita, in termini quantitativi, un'importante informazione: la reale distribuzione delle frequenze con le quali i terremoti trasportano la loro energia. Gran parte di questa energia arriva in superficie in un campo di frequenze abbastanza elevato, superiore ad 1hertz, nel quale rientrano molte delle costruzioni di tipo corrente 8. Fra le prime registrazioni utilizzate per definire gli spettri di progetto quella di El Centro (California, 1940) aveva indicato un picco di accelerazione di 0.34g (componente NS). Per un 9 7 Hudson ha illustrato questo strumento di calcolo alla prima WCEE (World Conference on Earthquake Engineering)di San Francisco nel Questa informazione sarà utilizzata ai fini pratici solo molti anni più tardi per introdurre la "Base Isolation".

10 certo tempo si è pensato che questo valore fosse indicativo delle massime intensità sismiche. Si era però lontani dalla realtà. Un terremoto molto importante nella storia dell'ingegneria Sismica moderna è stato quello dell'imperial Valley (San Fernando, California, 1971). Erano presenti numerose postazioni di rilevamento, molte nella zona epicentrale dove è stato registrato un picco di accelerazione maggiore di 1g (!). Le nuove informazioni e l'analisi dei danni molto gravi, subiti questa volta da importanti opere di cemento armato di nuova costruzione (edifici e viadotti), hanno imposto una svolta decisiva alla progettazione antisismica. Si è visto chiaramente quanto fosse importante definire nuovi criteri di approccio ed approfondire la conoscenza del comportamento post-elastico delle strutture, quando queste sono sottoposte a cicli ripetuti di ampie deformazioni plastiche alternate (fatica plastica), prima di arrivare al collasso. Dopo questi eventi sono stati condotti molti studi sperimentali e teorici 9. L'attenzione è stata concentrata sugli aspetti energetici e sulle capacità dissipative delle risposte anelastiche delle strutture. La scuola di Berkeley è stata molto attiva in questo campo, mentre molte sperimentazioni sono state fatte soprattutto in Giappone; la concezione innovativa è venuta però dalla scuola di Christchurch (Newa Zealand) dove all'inizio degli anni '80 sono stati definiti i principi del Capacity Design. L'espressione indica quel criterio di progetto, finalizzato a rendere massime le dissipazioni energetiche, che è diventato poi il principale fondamento delle normative sismiche. Nello stesso periodo hanno iniziato a diffondersi le applicazioni della Base Isolation che 10 9 Ricerche sperimentali su questi argomenti si era iniziato a svolgerle da alcuni anni specialmente in Giappone, ma diverranno più intense negli anni successivi.

11 ormai aveva superato la fase pionieristica 10. Più ancora che dalle valutazioni teoriche e sperimentali l'efficacia del sistema, fondato sul disaccoppiamento dinamico della costruzione dal terreno, è stata confermata dalle registrazioni ottenute durante i terremoti di Loma Prieta (Los Angeles, 1994) e di Kobe (Giappone, 1995), poi da molte altre registrazioni ottenute in Giappone. Insieme ai precedenti sistemi si è diffuso anche l'uso di vari tipi di dispositivi dissipativi (viscosi, elasto-plastici, leghe a memoria di forma, ecc.). Questi possono essere impiegati anche per realizzare sistemi di Base Isolation. Negli anni '80 e '90 del secolo scorso, in Italia sono stati protetti in questo modo gli impalcati di numerosi viadotti stradali 11. Nell'edilizia sistemi analoghi possono funzionare in parallelo con la struttura principale. E' necessario però che quest'ultima sia sufficientemente flessibile per sopportare le deformazioni richieste. Si trascura in questa sede la descrizione di altri metodi speciali (masse accordate, sistemi attivi, semiattivi, ibridi). Sono applicazioni affascinanti, essendo però molto complesse sono giustificate per costruzioni di grande mole e di notevole importanza, come la Landmark Tower di Yokohama o l'applause Building di Osaka. Con le concezioni del Capacity Design e della Base Isolation si può concludere questa breve sintesi son la quale si è arrivati alle attuali concezioni della progettazione antisismica. 11 REQUISITI PRESTAZIONALI Riprendendo quanto si è detto all'inizio, nelle zone ad alto rischio, dove la domanda può superare la capacità di resistenza dei materiali, i principali requisiti progettuali sono: prevenire i crolli e minimizzare i danni. Questi si perseguono controllando principalmente due grandezze: capacità dissipativa e deformazioni 12,13,14,15. force elastic step cyclic dissipate d energy plastic step displacement residual damage A. Parducci: Seismic isolation: why, where, when: design options for ordinary isolated structures, International Post-Smirt Conference Seminar on Isolation, Energy Dissipation, Cheju (Korea), August Un esempio significativo è il viadotto Coltano, formato da tratte di circa 450 metri continue su più campate, per una lunghezza complessiva di quasi 10 km (dispositivi FIP di A. Parducci e Alga di E. Ciampi). E. Elsesser, New ideas for structural configurations, 8th U.S. NCEE, San Francisco (CA), April A. Parducci, Nuove concezioni per il progetto sismico - Una sfida per l'architettura e per l'ingegneria, "Eda, esempi di architettura", edizioni Il Prato, numero speciale, Giugno 2007 (traduzione in inglese).

12 stored E i ENERGY E k + E v + structural E e + E h Si semplifica per agevolare le descrizioni. Si ammette pertanto: che la risposta ciclica della struttura possa essere modellata da un comportamento bilineare elasto-plastico; che alla reversible kinetic elastic fase elastica corrispondano dissipazioni viscose, di efficacia limitata, dipendenti dalle velocità, non dissipate viscous hysteretic dalle deformazioni; che alla fase plastica d corrispondano dissipazioni plastiche isteretiche, più dissipative delle precedenti (specialmente se sono rispettati i principi del Capacity Design), dipendenti dalle deformazioni, non dalle velocità. Lo scopo delle semplificazioni è di mettere in evidenza il contributo isteretico associato al danneggiamento della costruzione. Siano pertanto: E i l'energia complessiva immessa nella costruzione, E k l'energia cinetica delle masse in movimento, E v l'energia viscosa associata alla risposta elastica, E i l'energia potenziale delle deformazioni elastiche, E i l'energia di deformazione isteretica associata alle deformazioni plastiche irreversibili (danneggiamenti) Durante il terremoto la costruzione accumula energia. Se è capace di assorbirla con le dissipazioni viscose della fase elastica (in tal caso occorre una buona deformabilità strutturale) la struttura oscilla senza subire danni 9. Se ciò non basta, deve mobilitare anche le deformazioni anelastiche della fase plastica e si danneggia. Se questi meccanismi sono sufficienti la struttura non crolla e, se l'intervento risulterà economicamente conveniente, potrà essere riparata. Il crollo rovinoso può essere attribuito invece all'insufficienza di queste prestazioni che non sempre è semplice assicurare SINTESI DEL PANORAMA NORMATIVO ITALIANO Con i recenti aggiornamenti le norme italiane hanno seguito le direttive degli Eurocodici. Le procedure illustrate di seguito riguardano il progetto dei nuovi edifici. I ponti e le costruzioni esistenti sono trattati a parte. I requisiti sono espressi in termini di Stati Limite, definiti secondo criteri prestazionali. Di fatto, si considerano due SL. SLV = Stato Limite di salvaguardia della Vita, nei confronti di eventi rari di forte intensità, attesi con periodi di ritorno di circa anni 16 ; la struttura può subire danni anche significativi, ma deve conservare parte della resistenza per azioni verticali ed orizzontali. SLD = Stato Limite di danno, nei confronti degli eventi più frequenti con periodi di ritorno di anni; la costruzione deve rimanere immediatamente utilizzabile, pur con qualche danno locale agli elementi non A. Parducci: Nuovi orizzonti per un'architettura antisismica, Atti del Seminario CNR, Roma, Settembre 2007 (pubblicato in "Nuovi Sistemi e Tecnologie Antisismici", 21 Secolo, Roma, Febbraio 2008) M. Mezzi, Deformation vs stiffness - motion vs fixity - New vision in seismic conceptual design, The 14 th WCEE, October 2008, Beijing, China. I periodi di ritorno sono assegnati in funzione di differenti tempi di riferimento attribuiti convenzionalmente alle varie destinazioni d'uso delle costruzioni, secondo un criterio di pericolosità uniforme.

13 strutturali ed agli impianti. Il progetto degli edifici è trattato in due sezioni differenti. La prima, più generale, riguarda le costruzioni tradizionali, dotate di fondazioni "fisse" collegate direttamente al terreno; l'altra riguarda gli edifici dotati di sistemi di Base Isolation. Nel primo caso si applicano i principi del Capacity Design per assicurare un'adeguata capacità dissipativa che dia significato ad un calcolo lineare svolto con intensità ridotta rispetto a quella dello spettro elastico. Lo SLV si soddisfa aggiustando i risultati del calcolo secondo regole pratiche definite nel modo seguente: si prevedono zone critiche progettate per un'elevata duttilità locale, poste in posizioni strategiche (cerniere plastiche in prossimità dei nodi dei telai); si evita che deformazioni anelastiche possano manifestarsi fuori delle zone critiche (sovradimensionamento delle zone non critiche); si favorisce la formazione di meccanismi di collasso che mobilitino effettivamente le zone critiche previste, evitando meccanismi impropri poco dissipativi, come quello del "soft storey" (regola del pilastro forte e trave debole). Queste regole intendono assicurare la disponibilità di una capacità dissipativa globale che rende ragionevole ridurre notevolmente i valori dello spettro elastico (per esempio 4 5 volte, oppure meno, oppure più), secondo le configurazioni dei differenti sistemi strutturali. Su questo aspetto progettuale intervengono pertanto le scelte morfologiche architettoniche. I requisiti per lo SLD riguardano invece le deformazioni, per le quali sono assegnate limitazioni in funzione delle tipologie strutturali (scorrimenti relativi di piano). Quando gli edifici sono dotati di Base Isolation si richiede che il disaccoppiamento conduca ad un valore dell'input spettrale molto basso. Pertanto, perché la Base Isolation abbia senso, lo SLV deve essere ottenuto con la struttura che rimane praticamente in campo elastico, senza bisogno di mobilitare importanti dissipazioni plastiche I CONCETTI DI RESISTENZA E DI DEFORMAZIONE Paradosso della resistenza. E' un aspetto tipico del progetto sismico. L'input sismico che riceve una costruzione dipende dai campi in cui si collocano due distribuzioni di frequenze: quello dei movimenti sismici, evidenziato dalla forma dello spettro di risposta del sito, e quello delle oscillazioni proprie della struttura. L'aumento della resistenza conduce ad aumentare le dimensioni degli elementi strutturali; a ciò corrisponde un aumento della rigidezza. Si riduce così il periodo di oscillazione della costruzione e, nella maggior parte dei casi, ne deriva un aumento della domanda. Perseverare sulla strada della resistenza è come sfidare il terremoto in una lotta facilmente perdente. In più, aumentano le accelerazioni orizzontali trasmesse ai piani. Le norme non curano quest'ultimo aspetto e non forniscono prescrizioni per limitare le accelerazioni di piano in quanto tali. Questo controllo è però ugualmente importante, perché da esso dipende la protezione delle parti non strutturali, degli impianti e dei contenuti. Per alcune destinazioni d'uso, come ospedali, ambienti contenenti materiali pericolosi o di valore, può diventare la prestazione principale. Sisma e vento. Entrambe le azioni sollecitando le strutture in direzione orizzontale, ma oltre alle differenti intensità, esiste una differenza di fondo nel modo in cui si 13

14 manifestano. Prescindendo dai fenomeni aeroelastici che non hanno rilevanza per l'edilizia civile, la circolazione dell'aria intorno ad una costruzione di fatto non risente delle deformazioni strutturali, che pertanto non modificano l'input di progetto. Anche le frequenze delle raffiche sono molto più lente rispetto a quelle con cui oscillano gli edifici. L'azione e gli effetti del vento possono essere interpretati quindi mediante un'azione statica equivalente. L'azione sismica dipende invece dalle forze d'inerzia delle masse ed è legata alla velocità degli spostamenti; è quindi tanto minore quanto più lentamente le strutture oscillano. In più, la capacità dissipativa isteretica mobilitata nelle fasi di danneggiamento dipende direttamente dall'ampiezza dalle deformazioni. In definitiva, i concetti di resistenza e di deformabilità devono essere opportunamente bilanciati, attribuendo la dovuta attenzione al secondo, perché può essere favorevole anche in campo elastico. Non è del tutto valido quindi il primo termine della famosa triade che Vitruvio indicava per la Roma imperiale nel I secolo B.C. 17, sempre ricordata nei corsi di Architettura: firmitas, venustas, utilitas (solidità, bellezza, utilità). ESPERIENZE PRECEDENTI Salvo poche esperienze (talune peraltro di rilievo) una cultura compositiva capace di orientare decisamente la progettazione architettonica verso la ricerca di morfologie finalizzate al problema sismico stenta ancora ad affermarsi. Si può tentare di indicare, sempre semplificando, alcune cause che possono condizionare l'interesse dell'architettura 18, sperando di stimolare almeno gli architetti più giovani 19. Alcune delle cause seguenti riguardano anche i comportamenti dettati dal cosiddetto senso comune Marco Vitruvio Pollonio, De architettura, Giulio Einaudi editore, Torino 1997 (testi latino e italiano). Umberto Garimberti sostiene che «... anche la scienza può essere psicanalizzata e sottoposta a terapia allo scopo di smascherare le pigrizie intellettuali che sostengono determinate scelte concettuali e operative, le motivazioni inconsce che inducono a dare per scontate certe nozioni, i bisogni pratici che spingono in una direzione anziché in un'altra, la caparbietà di insistere su idee collaudate ma prive di prospettive», Paesaggi dell'anima, Oscar Mondadori, Max Planck, premio Nobel per la Fisica del 1918, affermava che «una nuova idea non si impone perché i suoi oppositori si convertono..., ma perché i suoi avversari muoiono e la generazione che cresce acquista fin dall'inizio familiarità con essa». "La conoscenza del mondo fisico" (Wege zu Physikalischen Erkenntnis).

15 Concezione verticale. Gli edifici sono concepiti per restare in campo gravitazionale, verticale, permanente. Spesso il disegno architettonico esalta questa sensazione. Allo stesso modo sono concepiti i sistemi resistenti, come del resto tutti concepiscono lo spazio: «... tutte le direzioni orizzontali sono uguali e formano un piano di estensione illimitata. Il modello più elementare dello spazio esistenziale è un piano orizzontale attraversato da un asse verticale» 20. Questa visione contrasta la percezione che occorre per affrontare il problema sismico. Concezione statica. La "firmitas" di Vitruvio, cui si è già fatto cenno, ha sempre condizionato la concezione strutturale. L'immaginario comune vuole che le costruzioni siano solide e ferme. Ciò è quanto di solito si afferma nelle facoltà di Architettura 21. Elementi compositivi. Per le strutture degli edifici oggi non è più il mattone, ma è la maglia di telaio che è diventata l'entità realizzativa elementare: il trilite di migliaia di anni fa che è diventato telaio quando le tecniche costruttive dell'acciaio e del cemento armato hanno realizzato la continuità strutturale fra montanti e traversi attraverso i nodi. Se si esamina il comportamento di una maglia di telaio è facile constatare però che questo elemento, pur così diffuso, può essere adattato alle esigenze sismiche (a ciò provvede per esempio il Capacity Design), ma non possiede in modo intrinseco i migliori attributi necessari per opporsi alle azioni sismiche. La deformabilità laterale di un telaio spaziale dipende dalle deformazioni per flessione e taglio dei suoi elementi, soprattutto dei montanti, associate agli scorrimenti di interpiano. I momenti sono massimi presso i nodi (zone critiche) dove possono formarsi cerniere plastiche. Gli stessi nodi sono elementi critici, perché il loro mancato funzionamento rende labile l'intero sistema. Senza gli accorgimenti del Capacity Design 22 la capacità dissipativa di un telaio sarebbe inadeguata per una zona sismica ad alto rischio. Intensità dell'impatto sismico. Le scale macrosismiche dei geofisici sono logaritmiche. La constatazione può apparire banale, ma chi non è abituato ad usarle (come gli addetti all'informazione mediatica) può sottovalutare la grande diversità che esiste quando, per esempio, la Magnitudo cresce "solo" di due gradi. Orientativamente, il rapporto è di 1/100 in termini di spostamenti, di 1/1000 in termini di energia (!). Valore convenzionale delle analisi numeriche. L'argomento è stato discusso ed è stato messo in luce l'elevato tasso di convenzionalità delle analisi numeriche che non consente di Norberg e Schulz, frase citata da Rudolf Arnheim in The dynamics of architectural fform, University of California Press, Berkeley, E. Torroja, Razón y ser de los tipos estructurales, Istituto técnico de la construcción y del cemento, Sia pure ad un livell di razionalità elevato, questo argomento ricorda in un certo senso i "cerotti" dei quali parlava C. Arnold (vedi nota 2).

16 basare il progetto antisismico solo su una potenzialità computazionale che nella realtà non esiste. ESEMPI DI ARCHITETTURE ANTISISMICHE TRADIZIONALI Si è detto che in passato il progetto antisismico si è basato essenzialmente sul concetto di resistenza. Quando le rappresentazioni spettrali hanno mostrato che la domanda diminuisce con l'aumento del periodo di oscillazione, l'altezza degli edifici non è apparsa più come un fattore limitativo. Può essere quindi interessante esaminare come il problema della resistenza laterale sia stato affrontato nei casi più impegnativi, riferendosi al progetto dei grattacieli, sebbene in genere per queste strutture si sia pensato più agli uragani che al terremoto. Il riferimento è sempre il telaio spaziale trattato però con appropriati accorgimenti ed aggiunte. In questo caso, oltre una certa altezza, per proteggere le parti non strutturali e gli impianti, occorre limitare la deformabilità laterale. Le soluzioni adottate sono di vario tipo. Piano tecnico. Si fraziona l'altezza di un telaio in blocchi separati mediante piani tecnici che funzionino come piastre rigide. Pier Luigi Nervi ha usato questo criterio per il grattacielo di Montreal. L'idea progettuale ha armonizzato vari aspetti: quello strutturale, per cui ogni blocco funziona come un elemento vincolato ad incastro sopra e sotto, per ridurre le flessioni nei pilastri e trasferire la flessione totale alle forze assiali (trazione-compressione) dei montanti di spigolo; quello estetico, che interpreta il funzionamento strutturale assegnando un forte valore architettonico ai montanti di spigolo; quello tecnologico, che utilizza i piani rigidi per distribuire gli impianti tecnici lungo l'altezza. All'epoca del progetto (1963) non si pensava alle dissipazioni di energia. Gli schemi di questo tipo lasciavano comunque la possibilità di bilanciare i parametri progettuali per ottenere le migliori prestazioni. Irrigidimenti diagonali. La concezione è quella del sistema reticolare della bicicletta da corsa che risponde a 16

17 tutte le sollecitazione richieste dall'atleta. Sono mobilitate solo sollecitazioni assiali (trazionecompressione), ottenendo così la massima resistenza con il minimo peso. Questo sistema è stato usato per costruire alcuni grattacieli. Il più noto è il "John Hancock Building" di Chicago (Illinois, 1969); edificio di 100 piani, alto 344 metri. Possiede una struttura tubolare esterna di forma leggermente affusolata, irrigidita da grandi elementi diagonali lasciati in vista. Le analisi di progetto hanno evidenziato che le diagonali partecipano in modo consistente a sopportare i carichi verticali. Quest'ultima osservazione ha suscitato l'interesse di I. M. Pei, che ha progettato l'incredibile edificio della "Bank of China" di Hong Kong, superando i valori gerarchici fra verticale e orizzontale. La struttura reticolare riporta entrambi i carichi sui montanti periferici per scaricarli al suolo roccioso di base. La moderna Pagoda. La Transamerica Pyramid, edificio del 1972 che si impone nelle skyline di San Francisco, merita un'attenzione particolare perché sono stati registrati i suoi spostamenti durante il terremoto di Loma Prieta del 1989 (M= 7,2). L'edificio possiede una significativa deformabilità laterale; il periodo di oscillazione è di 3 secondi. Al 49-esimo piano sono state misurate oscillazioni di ampiezza ±20 cm (cinque volte maggiori di quelle della base), che si sono protratte per quasi un minuto senza provocare danni. Le dissipazioni di natura "viscosa" hanno potuto assorbire lentamente l'energia trasmessa dal terremoto mantenendo in campo elastico una struttura sufficientemente deformabile. L'edificio possiede una struttura metallica interna, le facciate sono prefabbricate e la base è formata da grossi elementi strutturali intrecciati. Questi ultimi lasciano liberi ampi spazi aperti su più piani senza incorrere nell'effetto "pilotis". E' possibile che un certo contributo 17

18 irrigidente sia stato prodotto dagli elementi prefabbricati di facciata e che i piccoli scorrimenti relativi che questi hanno subito abbiano contribuito agli effetti dissipativi. La forma della costruzione è singolare. Alcuni ritengono che in generale, una forma affusolata, qui molto marcata, sia un requisito morfologico favorevole. E' comunque evidente la somiglianza di configurazione con quella delle pagode giapponesi che nel corso dei secoli hanno superato terremoti molto forti. La figura confronta la piramide di San Francisco con la Horinji pagoda di Nara (Giappone) di 1300 anni fa. Il comportamento sismico delle pagode è stato esaminato da alcuni studiosi giapponesi che hanno messo in luce alcuni effetti di configurazione che meritano di essere approfonditi. Al momento però non sono stati ancora sperimentati possibili trasferimenti alle esigenze costruttive attuali. 23 Configurazioni critiche. L'irrigidimento dei telai ottenuto con pareti di taglio, nuclei scatolari o fasce di travi alte, può produrre conseguenze indesiderate se le configurazioni che ne derivano rendono di forma tozza ("shear beam") altri elementi con i quali essi interferiscono. Ciò favorisce le rotture per taglio, poco dissipative, degli elementi tozzi. La situazione è particolarmente critica nel caso di elementi compressi ("captive column") di cemento armato, esposti a forti frantumazioni K. Fujita et Al., "Earthquake response of ancient five-story pagoda structure of Horyu-Ji temple in Japan", 13 th WCEE, Vancouver, Canada, 2004.

19 PARTE 2 LA BASE ISOLATION 19

20 LA BASE ISOLATION La Base Isolation (BI) è un sistema di protezione sismica che riduce in modo consistente l'energia trasmessa dal terremoto ad una costruzione. Il risultato si ottiene disponendo la costruzione sopra appoggi molto deformabili nella direzione orizzontale, modificando così il periodo di oscillazione. Il principio si fonda sulla circostanza che i terremoti trasportano energia in un campo di frequenze abbastanza ristretto. Le maggiori accelerazioni di risposta, amplificate rispetto al suolo, sono distribuite su periodi inferiori ad un secondo. Nello stesso campo si trovano i periodi delle risposte elastiche di gran parte delle costruzioni di piccola e media altezza, che pertanto sono esposte ad un rischio maggiorato. Se il periodo supera questa zona critica, la domanda si riduce rapidamente e diventa molto piccola quando si arriva a periodi di almeno 2 secondi. Alla riduzione in termini di accelerazioni corrisponde però un aumento della domanda in termini di spostamenti. La situazione propone due riflessioni. La prima fa comprendere una delle ragioni per cui spesso il terremoto distribuisce i suoi effetti in modo non uniforme (a "macchia di leopardo"). La seconda suggerisce una strada per sfuggire ai suoi effetti con l'astuzia, anziché con la forza 24. Cenno normativo. La figura mostra, come caso tipico, lo spettro di risposta elastico espresso in forma "capacitiva" (accelerazioni di risposta S a rappresentate in funzione degli spostamenti S d ) che le norme italiane assegnano alla città dell'aquila (zona ad elevata pericolosità). Lo spettro si riferisce allo SLV (Stato Limite di salvaguardia della Vita) ed è riferito ad un edificio pubblico soggetto a grande affollamento (evento raro, con probabilità 10% con periodo di riferimento V N =712 anni); può trattarsi di una scuola che si trovi in pianura su un suolo di media qualità (suolo C). Progetto a base fissa. Norme italiane armonizzate con l'eurocodice 8. Si progetta per lo "Why fight an earthquake? Why not join it and beat it with astuteness?" (Perché lottare contro un terremoto? Perché non unirsi a lui per superarlo con l'astuzia?) scrisse Frank Lloyd Wright nelle sue memorie ricordando che per l'imperial Hotel di Tokyo aveva realizzato elementi "galleggianti" sopra un suolo melmoso. "Rigidity was not the right answer, but flexibility and resilience were" (La rigidità non era la risposta giusta, ma lo erano la flessibilità e la resilienza). L'edificio superò indenne il Great Kanto Earthquake di Tokyo del 1923(M 8).

21 SLU (Stato Limite Ultimo), accettando la previsione di un danneggiamento anche severo, ma senza crolli. Per rendere significativo un calcolo in campo elastico l'input si valuta dividendo le accelerazioni spettrali S a per un fattore di struttura q. Maggiore è la riduzione q, maggiore deve essere la potenziale capacità dissipativa anelastica della costruzione; più ampie e più duttili devono essere le deformazioni plastiche che la struttura può sopportare. Applicando i principi del Capacity Design le norme definiscono q in funzione: della tipologia del sistema resistente, di assegnate classi di duttilità. Per strutture a telaio di cemento armato di forma regolare il fattore q varia da 3.0 (tipologia poco dissipativa con bassa duttilità) fino a 5.85 (tipologia dissipativa con alta duttilità). Progetto di edificio isolato. Il progetto si esegue con lo stesso spettro elastico S a, ma il fattore di riduzione q è molto piccolo, circa 1.5, perché si pretende che la riduzione spettrale consenta di mantenere la struttura isolata in campo elastico, al più con qualche lieve danneggiamento. Non sono necessari quindi particolari requisiti di duttilità. Gli spostamenti degli isolatori si calcolano senza riduzioni dello spettro elastico. Nel caso dell'aquila occorrerebbero ±35 cm, più alcuni margini di garanzia. Isolatori elastomerici. Gli isolatori più utilizzati per queste applicazioni sono i dispositivi multistrato gomma-acciaio HDRB ("High Damping Rubber Bearing"), oppure LRB ("Lead Rubber Bearings"). Sono formati da sottili strati di gomma siliconica (6 10 mm), alternati a lamierini metallici vulcanizzati (2 3 mm). Questi dispositivi sono molto deformabili per taglio in direzione orizzontale (distorsioni fino al 200%, limite di norma). Il confinamento riduce lo schiacciamento della gomma, sicché i dispositivi sono poco deformabili in direzione verticale e possono essere utilizzati come appoggi strutturali. La figura illustra l'andamento delle curve di risposta forza-spostamento ottenute con prove "quasi statiche" (cioè con lenti cicli di deformazioni alternate) di differenti ampiezze. Le aree racchiuse dai diagrammi misurano l'energia dissipata in ogni ciclo. La rigidezza secante k dipende dall'ampiezza della deformazione: è grande (k 1 ) per piccole ampiezze; piccola (k 2 ) per grandi ampiezze. Questo comportamento è utile perché occorrono ampi spostamenti affinché il sistema sia efficace nei confronti dei terremoti violenti; occorrono maggiori rigidezze per rispondere alle normali azioni di esercizio, come quelle del vento, senza spostamenti significativi. 21

22 La capacità dissipativa degli isolatori non è grande. Nei dispositivi LRB è incrementata da un cilindro di piombo inserito all'interno. D'altra parte, come si vedrà, la BI riduce l'input sismico mediante il disaccoppiamento dinamico, non tanto mediante la dissipazione. Lo smorzamento viscoso equivalente, può essere valutato mediante un criterio equienergetico 25. Lo smorzamento degli isolatori HDRB è dell'ordine del 10% del valore critico ( 0.10); con i dispositivi LRB può arrivare al 25 30%, valore che può essere utile per ridurre gli spostamenti. Considerazioni pratiche. Per gli edifici multipiano la BI trova le applicazioni più convenienti quando la costruzione ha un locale seminterrato, (garage o magazzino). Ciò evita di realizzare un solaio in più altrimenti non necessario. Gli isolatori 22 possono essere disposti sui i muri di contenimento e sui pilastri interni per isolare l'edificio superiore, lasciando il locale interrato a contrasto con il terreno. Per aumentare il periodo di oscillazione si possono disporre in parallelo con gli isolatori dispositivi scorrevoli ("sliders") a basso coefficiente di attrito SINTESI DI UN'ANALISI TEORICA Lo schema sintetizza una struttura isolata con un sistema ad un grado di libertà, deformabile come un m telaio shear-type, definito dalla massa m e dalla building rigidezza k. La deformazione dell'edificio k, c isolators corrispondente a (q - q 0 ). L'inserimento degli k m 0, c isolatori e l'aggiunta della massa m 0 0 conducono ad 0 un in sistema a due gradi di libertà. L'input sismico è definito da una storia di accelerazioni a g (t) del terreno compatibile con lo spettro di progetto. La struttura è definita dalle seguenti grandezze: struttura non isolata: m = massa dell'edificio, k = rigidezza dell'edificio, c = coefficiente dissipativo dell'edificio. q 0 q 25 Entro determinati limiti si utilizza la relazione =(1/4 ) (W D /W EL ) che lega lo smorzamento viscoso all'energia che il dispositivo dissipa in ogni ciclo. Le grandezze W D e W EL =½kd 2 corrispondono alle aree indicate in figura.

23 sistema d'isolamento: m 0 = massa della fondazione isolata, k 0 = rigidezza elastica del sistema d'isolamento, = smorzamento del sistema d'isolamento, c 0 spostamenti: q 0 = spostamento per deformazione degli isolatori, q = spostamento dell'edificio (massa m, rispetto al terreno). Ai fini di un'analisi orientativa si valuta la risposta elastica del sistema con i metodi dell'analisi modale considerando i seguenti parametri: frequenza corrispondente al periodo di oscillazione T BF della struttura a base fissa: 2 k m T 2 m BF k frequenza di riferimento 0 e corrispondente periodo di oscillazione T 0 dell'intero sistema isolato, considerato indeformabile, mobile sopra gli isolatori: 2 k 0 0 m0 m T0 2 m0 m k0 Si assumono due parametri adimensionali: = rapporto delle masse, = rapporto dei periodi: m mo m TBF T 0 Si riconosce che è minore di 1, ma dello stesso ordine di grandezza, perché la massa m dell'intero edificio è preponderante rispetto a m 0. Si supponga che il parametro sia piccolo ( <<1), cioè che il periodo di riferimento T 0 sia sensibilmente maggiore di quello T BF della struttura a base fissa (esempio: T 0 3T BF, per cui 0.1). Con queste ipotesi si può scrivere il sistema delle due equazioni che, in campo lineare, descrivono il moto del sistema a due gradi di libertà: m0 q ( k0 k ) q0 k q m a( t ) m k q0 k q m a( t ) Separando le variabili, procedendo secondo i metodi dell'analisi modale e considerando le quantità piccole come infinitesimi trascurabili, si calcolano le caratteristiche delle due forme modali del sistema isolato [i valori di esempio corrispondono ad = 0,1]. 23 Primo modo periodo T (1) T 0 forma modale u 0 = 1 u 1 + massa partecipante m ( 1 ) = (m 0 + m)(1-2 ) [> 0.99 (m 0 + m)] (!) Secondo modo periodo T (2) T BF forma modale u 0 = 1 1 u = ( 1 ) massa partecipante m ( 2 ) = (m 0 + m)(1 - ) 2 [< 0,01] (!) Requisito di compattezza. L'analisi modale svolta nella nota precedente conduce ad un risultato importante valido quando il rapporto = (T BS /T 0 ) 2 fra periodo a base fissa e periodo isolato è piccolo. Ciò accade quando la costruzione protetta è rigida. Il primo modo riproduce quasi completamente la risposta dell'intero sistema al quale partecipa quasi tutta la massa (m+m 0 ) della costruzione. Il periodo isolato corrisponde di fatto alla sola deformazione degli

24 isolatori mentre la costruzione oscilla quasi indeformata. Il sistema è poco sensibile al secondo modo, quello che deforma la struttura, perché la massa partecipante è quasi nulla. Il risultato indica le seguenti condizioni per il funzionamento ottimale della BI: il periodo di oscillazione isolato (T IS T 0 immediatamente valutabile) deve essere grande perché la costruzione si trovi certamente nella zona delle basse accelerazioni di risposta (T IS >2, ma può essere facilmente maggiore); è bene che la struttura posta sugli isolatori sia rigida, poco deformabile (T 0 >3T BF ), perché il disaccoppiamento dinamico sia sicuramente efficace. La seconda condizione rivaluta l'impiego di molte tecniche costruttive tradizionali, come quelle delle murature, con apporto favorevole agli attuali problemi delle bio-architetture. PRESTAZIONI DELLA BASE ISOLATION La BI presenta molteplici vantaggi. Il primo è la riduzione delle sollecitazioni trasmesse dagli attacchi sismici violenti. La BI consente di ottenere una risposta quasi elastica, priva di danni significativi. Separando delle competenze la BI elimina il paradosso della resistenza. La deformazione è affidata agli isolatori, appositamente progettati e controllati sperimentalmente. La struttura superiore più che resistente deve essere rigida, per cui la limitazione le deformazioni d'interpiano sono limitate. La BI riduce le accelerazioni di piano ed i danni all'interno degli edifici. Le immagini seguenti 26 mostrano gli effetti del terremoto di Northridge 1994 dentro l'ospedale di Olive View, ricostruito dopo il 1971 con pareti irrigidenti molto resistenti e molto rigide. Le accelerazioni di 0.8g registrate alla base e di 1.53g. in sommità non hanno danneggiato le Il materiale illustrativo e le informazioni su questo argomento sono stati fornite dal prof. Edoardo Cosenza dell'università di Napoli.

25 strutture. I danni agli impianti ed alle parti non strutturali hanno procurato danni gravissimi all'esercizio ospedaliero e pesanti conseguenze economiche. BASE ISOLATION E PROGETTO ARCHITETTONICO La protezione sismica passiva contrasta con il concetto di firmitas. Lo stesso Vitruvio avrebbe definito i requisiti necessari con termini del tipo motus, scissio, deformatio (movimento, separazione, deformazione). I due modelli della figura corrispondono ad una semplice applicazione della BI e ad una variante formata da un edificio sospeso ("bell building") le cui oscillazioni sono controllate da dispositivi dissipativi 27,28. Non sono gli unici schemi compatibili con la BI, perché elaborando schemi di questo tipo si aprono nuove strade per sperimentare forme architettoniche che ampliano la libertà compositiva. Possono diventare antisismiche anche configurazioni più complesse come quelle della figura a fianco. La Union House di Auckland (New Zealand 1980) è un esempio in cui l'assetto architettonico sottolinea il funzionamento della BI. La fondazione è formata da pali "mobili" che attraversano un terreno poco consistente e poggiano sulla formazione compatta di fondo. I pali sono vincolati alla struttura mediante cerniere; sono contenuti in una camicia di diametro maggiore che consente alle loro teste di spostarsi. Un sistema di dissipatori metallici elasto-plastici collegati ad una piattaforma fissa posti alla base del fabbricato contrasta gli spostamenti orizzontali. La struttura in elevazione è irrigidita da controventi diagonali che sottolineano la concezione sismica del progetto: irrigidiscono la struttura e A. Parducci, Seismic isolation and architectural configuration, Conceptual Conference on the Conceptual Approach to Structural Design, Singapore, M. Mezzi, A. Parducci, Aseismic suspended building based on energy dissipation, 10 th ECEE, Wien, 1994.

26 riportano i carichi verticali ed orizzontali sugli isolatori. La soglia plastica degli isolatori è tarata in modo da non trasmettere forze orizzontali superiori alla capacità di resistenza della struttura. 26

27 PARTE 3 ALCUNE APPLICAZIONMI DELLA BASE ISOLATION IN ITALIA PRIMA DEL TERREMOTO DELL'AQUILA

28 IL NUOVO CENTRO DELLA PROTEZIONE CIVILE PER L'ITALIA CENTRALE L'iniziativa è stata finanziata dalla Regione Umbria. Gli edifici del Centro sono il risultato di una ricerca progettuale svolta mediante realizzazioni concrete con un duplice intento: divulgare le tecniche della BI in un Paese nel quale, con qualche difficoltà, queste iniziavano a diffondersi; sperimentare l'importanza dell'architettura nel problema sismico attuale. Si è voluto dimostrare come, in una concezione olistica del processo progettuale, la BI non limita le scelte architettoniche; apre invece nuove strade verso la definizione di forme compositive capaci di mobilitare importanti sinergie antisismiche. La planimetria indica gli edifici costruiti in una zona di alta pericolosità con soluzioni della BI differenziate per le quali si è tenuto conto delle destinazioni d'uso e delle funzioni. Nelle descrizioni seguenti un'attenzione maggiore è rivolta alle due realizzazioni ritenute più significative, che sono state progettate dall'autore di questo report con la collaborazione dell'architetto Guido Tommesani, dell'ingegnere Alfredo Marimpietri e del Professore Marco Mezzi. (A) EDIFICIO SALE OPERATIVE. E' il cuore funzionale del Centro. Ha la forma di una falsa cupola di 32 metri di diametro. La struttura poggia su 10 isolatori elastomerici HDRB, diametro di 1000 mm, disposti lungo il perimetro di base. Un sistema di doppie vele riporta su di essi i carichi soprastanti, lasciando visibile un solaio composto da nervature che si intersecano secondo un'articolata serie di spazi vuoto-pieno. Dal primo livello, in 28

29 corrispondenza degli appoggi, partono 10 semiarchi di cemento armato che si incontrano in chiave. Alla chiave della volta è appeso un nucleo formato da due tubi concentrici di cemento armato precompresso, dove sono contenuti i percorsi verticali. Il tubo centrale è prolungato sotto il piano campagna per contenere l'extracorsa dell'ascensore. I solai di piano collegano il nucleo con gli archi perimetrali. L'edificio ha una struttura compatta: al suo interno sono disponibili ampi spazi privi di pilastri ed il pianoterra è praticabile pur senza la configurazione dei pilotis. Fattori progettuali che ottimizzano la BI in questo edificio Elevato periodo di oscillazione (T IS =2,6). E' un valore lontano dalle frequenze sismiche che caratterizzano il sito. Ciò assicura una forte riduzione della domanda che in questo campo diventa quasi indipendente dall'intensità del sisma. La costruzione è progettata per una PGA=0,49g, prescritta dalle norme per lo SLV; corrisponde ad un periodo di ritorno di 950 anni. La prestazione è largamente verificata. La costruzione può oscillare lentamente, quasi indeformata, con spostamenti di ±40 cm. 29 Elevato rapporto dei periodi di oscillazione (T IS /T BF > 3). La costruzione protetta più che resistenza possiede compattezza; le deformazioni spettano agli isolatori. Benché abbia ambienti ampi e privi di pilastri, ha una compattezza notevolmente maggiore di una struttura a telaio. Oscilla orizzontalmente secondo il primo modo con la partecipazione del 99% della massa totale. Forma ed effetti di rocking. Il baricentro basso riduce gli effetti di rocking (situazione tipica delle forme affusolate). Ciò riduce le variazioni della compressione sugli isolatori durante le oscillazioni sismiche.

30 Regolarità di forma. La forma regolare sostanzialmente simmetrica rispetta i requisiti di regolarità. Centrifugazione delle rigidezze. La disposizione periferica degli isolatori assicura il minimo disturbo dovuto agli effetti torsionali. Fattori migliorativi della capacità resistente del cemento armato Compressione dei semiarchi. Gran parte del peso è sostenuto dal nucleo centrale che riporta il carico sui semiarchi sollecitandoli prevalentemente a compressione. 30 Centratura della compressione. In presenza delle azioni sismiche la centratura della compressione degli archi è assicurata dai collegamenti orizzontali con il nucleo. Le dimensioni sono richieste più da esigenze architettoniche (elementi frangisole) che da

31 requisiti di resistenza. I fattori C/D (capacità/domanda) calcolati sono prossimi a 2. Punti critici. La configurazione non presenta zone critiche nelle quali possano prodursi significative concentrazioni delle sollecitazioni. Riconoscimenti. Premio di eccellenza AICAP Progetto vincitore del premio AICAP (Associazione Italiana per il Cemento Armato e Precompresso) L'interesse del progetto è stato riconosciuto in ambito internazionale ed è inserito nella homepage del sito Earthquake Architecture del CUREE (Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering). 31 Noi abbiamo pensato, abbiamo discusso, abbiamo progettato, abbiamo calcolato; loro hanno sudato ed hanno sofferto i disagi del lavoro di cantiere. Sono loro, gli operai, che con le loro mani hanno costruito l'opera.

32 (B) MAGAZZINO BENI CULTURALI. Il progetto costituisce un esempio per la protezione sismica degli edifici industriali che, in caso di sima ed in relazione alle loro lavorazioni o ai loro conenuti, possono provocare il rischio di incidente rilevante 29,30. Il fabbricato ha una pianta ottagonale di 2000 m 2 ed è alto circa 9 m; le pareti perimetrali sono appese. La struttura principale che sostiene la copertura è formata da quattro travi d'acciaio disposte a croce, poggiate mediante un sistema d'isolamento su 12 pilastri circolari di cemento armato: 8 pilastri periferici in corrispondenza degli angoli dell'ottagono e 4 pilastri centrali). Le quattro travi della copertura sono prolungate a sbalzo per sorreggere una trave perimetrale alla quale sono appese le pareti periferiche di chiusura. L isolamento è stato ottenuto con dispositivi LRB disposti sulla sommità dei pilastri perimetrali e da appoggi scorrevoli disposti sui pilastri interni. Il pavimento, separato dalla parte isolata, è solidale al terreno. L'isolamento protegge pertanto tutte le struttura dell'elevazione: coperture e pareti di chiusura. 32 La scelta di sospendere le pareti, oltre ad ottenere la protezione di tutte le masse del fabbricato, ha consentito di evitare necessità di realizzare le fondazioni delle pareti periferiche che avrebbero dovuto sostenere le azioni sismiche trasmesse dalle pareti stesse dotate di una notevole altezza. La costruzione è stata progettata con lo stesso input dell'edificio adiacente e possiede un periodo di oscillazione molto simile; pertanto le prestazioni sono analoghe A. Parducci, F. Brancaleoni, Terremoto del 6 maggio 1976 nel Friuli. Considerazioni sul comportamento degli edifici industriali; Industria Italiana del Cemento, Roma (Italia) F. Menegotto, La prefabbricazione strutturale: aspetti teorici, Giornate AICAP, Stresa (Italia) 1987.

33 (C) ALTRI EDIFICI DEL CENTRO. Non hanno un interesse particolare per lo specifico argomento trattato, perché l'architettura degli edifici era stata già definita prima di decidere l'opzione isolamento. Si è trattato di prevedere i necessari adattamenti. Per esempio, nel lungo edificio a volume unico dei Vigili del Fuoco una parte è destinata ad alloggi, un'altra ad autorimesse. Si sono dovute prevedere due differenti posizione degli isolatori e, per mantenere la continuità della copertura, sono state separate le due parti con un collegamento interno scorrevole. (D) NUOVA SCUOLA JOVINE. Nel 2002 un terremoto aveva distrutto la scuola di San Giuliano di Puglia provocando la morte di 27 bambini. Il progetto della nuova scuola prevedeva due edifici contigui dalle forme irregolari. L'adeguamento alle nuove norme avrebbe richiesto un aumento, stimato del 42%, delle resistenze previste con conseguenze sulle soluzioni architettoniche. L'opzione della BI, voluta dalla Protezioni Civile, ha risolto il problema assicurando una sicurezza perfino maggiore del progetto a base fissa 31. L'interesse di questo intervento si trova nell'applicazione di un'idea, peraltro già suggerita per alcune realizzazioni giapponesi di maggiori dimensioni: invece di isolare direttamente gli edifici, isolare un'intera piattaforma di base; idea che, sia pure con diverse finalità, in parte sarà ripresa con successo dal Progetto C.A.S.E. illustrato di seguito. 33 (E) EDIFICI IN MURATURA Edificio ATER di Corciano. Le costruzioni in muratura sono viste oggi con molto interesse dalla Bio-Archiettura. In passato, le concezioni tradizionali tendevano a considerare la muratura non idonea per le zone sismiche, soprattutto per la scarsa duttilità degli elementi resistenti. La BI rivaluta oggi la muratura come un interessante sistema antisismico. Una 31 Il progetto di adeguamento sismico del progetto è stato redatto da P. Clemente e G. Buffarini dell'enea con la consulenza esterna di M. Dolce e A. Parducci.

34 configurazione regolare e ben organizzata, che garantisca un buon comportamento "scatolare" è un semplice accorgimento progettuale che, già da solo, assicura ottime prestazioni ad una costruzione isolata alla base, soprattutto per quella "compattezza" essenziale per ottenere il disaccoppiamento dinamico sul quale la BI fonda la sua efficacia. A scopo sperimentale, nel 2007 l'ater di Perugia ha realizzato a Corciano, in una zona sismica di pericolosità medioalta (PGA = 0.25g), l'edificio residenziale in muratura mostrato in figura Premio SIRICA La BI si abbina bene con i requisiti di una Bio-Architettura interessata al risparmio energetico portando un contributo sinergico. Ciò è stato messo in evidenza con il progetto Bio-Sisma, vincitore del "Premio Sirica 2010" (concorso architettonico dedicato a questo argomento) 33, al quale ha partecipato l'autore di queste note. Anche qui è stata prevista un'unica piastra di fondazione, poggiata sugli isolatori, che funziona da volano termico. Nello spazio sottostante, dove si trovano gli isolatori, circola l'aria utilizzata per la ventilazione interna dell'edificio A. Parducci (progettista dell'edificio), La Muratura come Sistema Costruttivo per le Zone Sismiche, ANDIL, Costruire in Laterizio, 2007/n.115. M. Carli (Capo gruppo del progetto), Residenze BioSisma - Perugia, CNAPPC (Consiglio Nazionale degli Architetti), "Premio Sirica 2010, Sicurezza nell'abitare", Di Baio editore, Milano.

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36 PARTE 4 LE APPLICAZIONI ITALIANE DELLA BASE ISOLATION DOPO IL TERREMOTO DELL'AQUILA DEL 2009 IL PROGETTO C.A.S.E. 36

37 IL TERREMOTO DELL'AQUILA Il 6 aprile del 2009 un violento terremoto che ha raggiunto il IX-X grado MKS ha colpito in pieno L'Aquila, città storica di abitanti, ricca di testimonianze artistiche, capoluogo della Regione Abruzzo. Non solo la vetustà degli edifici, ma anche la qualità delle costruzioni di cemento armato costruite in epoca più recente, progettate però con normative obsolete e talvolta senza neppure adeguati accorgimenti tecnici, hanno reso la situazione catastrofica. Il risultato è stato: 308 vittime, 1500 feriti, edifici crollati o dichiarati inagibili, oltre persone sfollate. 37 IL PROGFETTO C.A.S.E. La Protezione Civile è intervenuta prontamente. Oltre ad occuparsi degli interventi di soccorso immediato, ha programmato e realizzato anche il "Progetto C.A.S.E." 34 con il quale ha condotto una prima fase della ricostruzione. In poco più di 6 mesi, ha potuto concludere le costruzione 185 nuovi edifici utilizzando la BI secondo una nuova concezione. Dal 29 settembre al 19 febbraio successivo 4450 nuovi alloggi completamente arredati sono stati consegnati a circa persone rimaste senza casa. Uno degli aspetti più significativi di questa operazione è stato il modo in cui è stata impiegata la BI. La descrizione che segue è incentrata proprio sul'uso della BI e sul ruolo centrale che ha svolto nella realizzazione del progetto. Descrizioni riguardanti tutta 34 Acronimo di "Complessi Antisismici Sostenibili Ecocompatibili". L'iniziativa è stata portata a buon fine, ma ha suscitato critiche e dibattiti che hanno coinvolto il mondo politico. Qui è descritta in relazione alla funzione che nella vicenda ha avuto l'impiego della Base Isolation.

38 l'operazione, complete di documentazioni fotografiche, sono disponibili online in versione italiano/inglese sul sito della Protezione Civile. Impostazione generale del progetto. Il progetto a "piastra isolata" riprendeva in parte l'idea sperimentata a San Giuliano di Puglia dove, anziché isolare gli edifici, era stata isolata l'intera fondazione; qui però con la variante di utilizzare lo spazio sottostante e soprattutto con una diversa finalità. Il progetto per la costruzione di tutti gli edifici è stato ricondotto ad un unico prototipo composto di due parti. La parte inferiore è formata: da due piastre di cemento armato di m 21x57 dello spessore di 50 cm; da colonne di sostegno, generalmente metalliche, disposti su una maglia di m 6x6; dai dispositivi d'isolamento del tipo "friction pendulum" sistemati sopra le colonne. Per la parte superiore è stato previsto un prototipo di edificio di tre piani da porre in opera successivamente, sopra la piattaforma superiore isolata, dotato di una capacità insediativa minima di 70 persone. Le piastre di cemento armato ed i montanti. Il progetto e la realizzazione delle due parti, pur essendo destinate a costituire un unico organismo, è stato concepito in due fasi indipendenti. Si doveva definire infatti un procedimento che risolvesse quanto più rapidamente possibile le esigenze ed i tempi delle cantierizzazioni. Le strutture inferiori consistevano in un prototipo ripetitivo, di semplice esecuzione, da usare per tutti gli edifici. E' stato progettato pertanto a livello esecutivo valutando le caratteristiche del sistema d'isolamento con criteri prestazionali, entro parametri prestabiliti della costruzione soprastante. Ciò ha permesso di iniziare i lavori immediatamente. Per la parte superiore è stato preparato invece un progetto preliminare da usare come riferimento per le gare riguardanti la progettazione e la costruzione degli edifici, che dovevano rientrare entro parametri compatibili con il sistema di isolamento progettato. In questo modo è stato possibile affidare i progetti e le esecuzioni a numerosi soggetti esterni qualificati mediante gare che potevano essere svolte durante la costruzione delle parti inferiori. La strategia era compatibile con le differenti caratteristiche delle imprese costruttrici che 38

39 dovevano essere coinvolti in gran numero ed in tempi brevi. Il prototipo definito dal progetto preliminare non era indicato come esempio di una soluzione architettonica, ma come un dettagliato riferimento da interpretare secondo una logica prestazionale, lasciando la massima libertà riguardante l'assetto compositivo, la scelta dei materiali ed il sistema costruttivo. Le dimensioni delle piastre e le posizioni dei pilastri sono state stabilite mediante un calcolo preliminare tenendo conto di fattori distributivi. E' stato valutato un carico di circa 1 MN a pilastro. Poi è stato eseguito un dimensionamento di maggior dettaglio compatibile con l'ipotesi di differenti tipologie costruttive degli edifici (acciaio, legno, cemento armato, prefabbricazione) che avrebbero potuto presentare le ditte costruttrici. In modo analogo è stato stimato il periodo di oscillazione dei fabbricati mediante formule orientative (T C S H 0.75, essendo H l'altezza dell'edificio prototipo e C s compreso tra e 0.085). Le tre figure mostrano la distribuzione delle sollecitazioni flessionali della piastra superiore prodotte da un sollevamento locale occorrente per l'eventuale sostituzione di un dispositivo o per la sua posa in opera (in alcuni casi, per esigenze di tempo, i dispositivi sono stati posti in opera dopo la costruzione della piastra). Gli isolatori. La scelta è ricaduta su dispositivi del tipo FPS "Friction Pendulum System" 35. Questi dispositivi funzionano consentendo il movimento relativo grazie allo scorrimento di un elemento articolato lungo le superfici di calotte sferiche di acciaio. I dispositivi istallati sono stati oltre Il bando prevedeva la possibilità di utilizzare altri tipi di isolatori, come quelli in gomma-acciaio. La scelta è stata fatta dalle ditte concorrenti dispositivi ed è stata D. M. Fenz, M. C. Constantinou, Behaviour of the double concave Friction Pendulum bearing, Earthquake Engng Struct. Dyn. June 2006.

40 condizionata principalmente da motivi riguardanti i ristretti tempi di consegna necessari per rispettare i programmi di lavorazione. La figura mostra uno dei diagramma F-d (forza vs spostamento) ottenuti con prove di laboratorio eseguite sugli isolatori unificati di raggio R=4 m. Il progetto definitivo dell'intero sistema isolato è stato eseguito pertanto assumendo una forza F orizzontale di risposta corrispondente all'espressione F=(mg) +(mg/r)d, essendo mg il peso dell'edificio, =3% il coefficiente di attrito, d lo spostamento imposto. La rigidezza secante K eff =14.6 kn/mm corrispondente allo spostamento massimo di 0.20 m è stata valutata nel modo indicato nel grafico. Risultato: periodo isolato T=3.29 secondi, smorzamento =20.1%. Le verifiche 40

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