NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICO UNA SFIDA PER L'ARCHITETTURA E PER L'INGEGNERIA

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1 NUOVE CONCEZIONI PER IL PROGETTO SISMICO UNA SFIDA PER L'ARCHITETTURA E PER L'INGEGNERIA Alberto Parducci È probabilmente vero che nella storia del pensiero umano gli sviluppi più fruttuosi si verificano spesso nei punti d interferenza tra due diverse linee di pensiero. Se esse vengono a trovarsi in rapporti sufficientemente stretti da dare origine ad un effettiva interazione, si può allora sperare che possano seguirne nuovi ed interessanti sviluppi. Werner Heisenberg 1 Il mondo è pieno di cose ovvie che nessuno si prende la cura di osservare. Sherlok Holmes, Il Mastino dei Baskerville PROBLEMI ED AUSPICI 1. L Imperial Hotel di Tokyo di Frank Lloyd Wright. Verso la fine degli anni 20 del secolo scorso Frank Lloyd Wright progettò l Imperial Hotel di Tokyo affrontando il problema sismico in modo originale. Progettò un edificio complesso (Fig. 1), ma lo suddivise in corpi scatolari pensati come elementi galleggianti sopra un terreno deformabile. Li fondò su una cortina di pali infissi in uno shallow cheese soil superficiale, senza portarli nella formazione melmosa sottostante; ciò perché il sistema fondale potesse funzionare come uno shock adsorber (così lo chiamò) deformabile capace di assicurare un effetto di isolamento dinamico nei confronti del sisma (Fig. 2). Nelle sue memorie scrisse: Perché lottare contro il terremoto? Perché non mettersi in sintonia con esso per superarlo in astuzia?. Wright dovette usare le sua forte personalità per imporre quest idea ad un ingegneria ancora vincolata alle concezioni di resistenza e di rigidità, arrivando a modificare d autorità i disegni strutturali. La costruzione era stata appena ultimata quando nel 1923 un violentissimo terremoto, il Great Kanto Earthquake (M=7.9), colpì Tokyo provocando oltre vittime. L hotel rimase quasi indenne e poté essere usato per alloggiare gli sfollati. Hotel stands undamaged as monument of your genius fu il testo del telegramma che il barone Okura inviò a Wright consegnando alla storia la geniale intuizione dell architetto americano. Nel 1968 l hotel fu demolito; non sono chiare le ragioni di questa decisione e non si dispone più dei documenti di progetto. Ciò rende difficile oggi separare il mito dalla realtà della vicenda. Tuttavia, le dichiarazioni di Wright appaiono come il manifesto storico di una concezione che per la prima volta aveva indirizzato il progetto di un edificio verso la concreta applicazione di un sistema di protezione sismica 17

2 editoriale 2. Dettagli costruttivi disegnati da Wright per l Imperial Hotel di Tokyo. differente da quello che proponeva l ingegneria tradizionale, anzi antitetico. La rigidità non era la risposta giusta, ma lo erano la flessibilità e la resilienza, aveva affermato anticipando concetti sui quali si fonda oggi l ingegneria sismica. Era riuscito ad armonizzare architettura ed ingegneria per proporre una nuova idea progettuale; ma l ingegneria dell epoca non era pronta e non lo comprese, sicché mancò lo sviluppo auspicato da Heisenberg. La vicenda di Wright e l esortazione di Heisenberg, prima ancora di introdurre l argomento di questo numero speciale, invitano a riflettere sull annosa discrasia della quale troppo spesso soffre il progetto delle costruzioni. Il problema riguarda, ancora una volta, il rapporto fra architettura e struttura nella pratica professionale corrente, dove non sempre ci si rende conto di quanto sia importante l armonia fra queste due componenti progettuali; armonia essenziale nelle zone sismiche. L ambiente d affari in cui si lavora separa la funzione di un architetto, che definisce l opera essendo impegnato a risolvere problemi distributivi da inserire in forme compositive rispondenti ai codici della scuola di appartenenza, da quella di un ingegnere, che interviene dopo ritenendosi custode di magici procedimenti numerici, ormai automatizzati e neppure sempre efficaci, da soli, nel caso sismico. 2 Entrambi sembrano però convinti che il filtraggio attraverso un codice di calcolo minuzioso 3, possa rendere veramente antisismica qualunque costruzione così progettata. L anomalia è favorita anche, non certo meno, dall ormai tradizionale separazione culturale fra i percorsi formativi delle due categorie professionali. In questo contesto, a più di 60 anni dall esperienza di Tokyo, si inseriscono le nuove tecniche dell isolamento e della dissipazione di energia, con le quali l ingegneria sismica apre ora nuovi orizzonti; con quali aspettative? Questa volta le concezioni di fondo nascono come risultato di una ricerca scientifica di natura ingegneristica; appaiono differenti, ma di fatto sono fondate sugli stessi principi intuiti da Wright. I nuovi sistemi si articolano in differenti modalità di applicazione con lo scopo di innalzare sostanzialmente i livelli di sicurezza delle costruzioni, maggiormente nei confronti degli attacchi sismici più violenti. Le recenti norme 4 ne hanno liberalizzato l impiego, prima soggetto a tormentati iter di approvazione, ed hanno stabilito le procedure occorrenti per il progetto delle costruzioni e per la qualificazione dei sistemi. L industria italiana produce dispositivi di elevata qualità che soddisfano un ampio spettro di esigenze realizzative. I costi di costruzione non sono elevati; sono elevati invece i benefici economici attesi dalla collettività, dovuti alle riduzioni dei danni e degli interventi richiesti dopo le grandi catastrofi. Le analisi di redditività indicano che l isolamento può abbassare di circa due gradi l intensità del terremoto percepito dalla costruzione. Questo numero di EdA si propone di illustrare le applicazioni più significative delle tecniche di isolamento di tipo passivo che, in linea con quanto accade nei Paesi più esposti al rischio sismico, si stanno sviluppando ora anche in Italia. 5 L auspicio è che ciò possa favorire un incontro fra le 18 eda speciale giugno La sfida dell isolamento sismico

3 nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l architettura e per l ingegneria differenti competenze progettuali per stimolare la ricerca di appropriate configurazioni morfologiche e strutturali atte a perseguire il duplice obiettivo di ampliare il campo delle soluzioni architettoniche proponibili e di ottimizzarne l impiego. Le tecniche d isolamento sismico richiedono strutture che possano rispondere all input sismico subendo ampi movimenti rispetto alla base, oppure fra parti di esse. Appare già questo un motivo forte per rinnovare le abituali concezioni ereditate dal principio vitruviano di firmitas. Alcune caratteristiche morfologiche, solitamente considerate improprie, possono diventare adeguate in conseguenza del diverso peso che assumono alcune irregolarità e destrutturazioni delle forme; oppure perché la deformabilità favorisce l impiego dei dissipatori. Allo stesso tempo, nuovi concetti ignorati dalle consuetudini progettuali, come quelli di movimento, discontinuità e deformazione, ( motus, scissio e deformatio ) possono diventare la base per impostare nuove idee architettoniche. L importanza dell argomento non è contestata, ma pochi autori hanno trattato lo scabroso problema delle configurazioni compositive per le zone sismiche. Negli ultimi anni un certo numero di pubblicazioni è cominciato ad apparire, ma l isolamento sismico stenta a farne parte. I lavori riflettono ancora un punto di vista prevalentemente ingegneristico, lasciando da colmare ampi spazi per affrontare il problema con una mentalità più orientata verso gli aspetti architettonici. IL PROBLEMA SISMICO E LE TECNICHE DI ISOLAMENTO Il terremoto è un evento naturale imprevedibile; nelle sue manifestazioni più intense produce scosse d intensità molto superiore alla capacità di resistenza dei materiali da costruzione. Le abitudini progettuali acquisite inducono a sottovalutare questo aspetto. Pur nella consapevolezza di questa inadeguatezza, i requisiti progettuali richiesti dalle precedenti norme erano limitati ad assicurare la resistenza dei singoli elementi strutturali occorrente per superare senza danni i terremoti più frequenti, di media intensità, attesi con periodi di ritorno dell ordine dei anni. Si trattava US Geological Service Descriptor Magnitude Average annually Great 8 and greater 1 Major Strong Moderate Light (estimated) Minor (estimated) di eventi la cui intensità, ai massimi livelli di pericolosità, è definita moderata (M=5-6) nell allegata tabella 6 del US Geological Service. La sicurezza nei confronti dei terremoti più severi era lasciata alle generiche risorse residue delle strutture, senza però che ne fosse richiesto un esplicito controllo progettuale. In armonia con l EC.8, il progetto sismico esige oggi un valore aggiunto. L attenzione è rivolta in maggior misura al controllo degli effetti prodotti dagli attacchi più violenti. Dovendo accettare nei loro confronti danni anche gravi, occorre intervenire progettualmente, sia pure con controlli semplificati, per scongiurare quei crolli rovinosi che potrebbero pregiudicare la sicurezza delle persone e la protezione dei valori intangibili, quali sono per esempio i beni storici ed artistici. Il riferimento è diventato quello di un evento raro, definito da un periodo medio di ritorno di circa 500 anni 7, caratterizzato da accelerazioni del suolo quasi dieci volte maggiori di quelle del riferimento precedente. Per una costruzione a base fissa si stima preliminarmente la capacità che può esserle attribuita per opporsi a questo evento estremo in condizioni danneggiate, ma potendo sviluppare un adeguata capacità dissipativa globale associata a deformazioni anelastiche duttili. Si definiscono così appropriati coefficienti con i quali si valuta ancora un terremoto di progetto ridotto, la cui intensità è però correlata alla capacità postelastica dissipativa della particolare costruzione in esame. Le norme agevolano questa fase del progetto definendo, oltre a quelli di dettaglio, i requisiti di configurazione che servono per colmare la disparità tra la performance richiesta dall evento raro e la resistenza effettiva delle strutture. Più di quanto possano indicare gli schemi delle norme, basati in Alberto Parducci 19

4 editoriale 3. Divario tra domanda sismica e capacità di risposta. genere su concetti di regolarità, i requisiti di configurazione dipendono però in larga misura dalle configurazioni strutturali condizionate dalle scelte morfologiche del progetto architettonico. La Fig. 3 sintetizza, mediante una rappresentazione spettrale, il divario che può esistere fra la capacità di risposta di una normale struttura antisismica e la domanda del terremoto di 4. La Transamerica Pyramid di San Francisco (secolo XX) e la Horyuji Pagoda di Kyoto (secolo XIV). riferimento. Nella figura sono indicati i fattori che possono consentirle di superare questo severo impatto. Sono importanti gli ultimi due, connessi proprio con il danneggiamento: l aumento del periodo di oscillazione conseguente alla minore rigidezza globale della struttura danneggiata e l aumento della capacità dissipativa dovuto alle deformazioni ripetute imposte alle zone critiche plasticizzate. Il primo effetto si legge come uno spostamento verso destra lungo la retta tratteggiata che porta il periodo di oscillazione verso verso i periodi in cui la domanda si attenua in modo sostanziale; al secondo corrisponde la riduzione, anch essa tratteggiata, della domanda medesima guadagnata grazie agli effetti dissipativi. I due meccanismi sono efficaci quando le zone critiche del sistema che si oppone al sisma possiedono la deformabilità anelastico-dissipativa potenzialmente necessaria, purché la configurazione del meccanismo anelastico che si produce in fase di danneggiamento abbia un forma appropriata per mobilitare realmente tutte le potenzialità disponibili. Quanto ora detto contiene già la sostanza dei principi dell isolamento sismico. Nella concezione del capacity design, che regola il progetto delle costruzioni a base fissa, tutte le membrature strutturali dovrebbero contribuire alla resistenza ed alla dissipazione di energia mediante un danneggiamento diffuso, senza concentrazioni improprie (Fig. 4). Con le tecniche dell isolamento invece queste prestazioni si attribuiscono, anziché alle strutture danneggiate, a particolari dispositivi meccanici, isolatori e dissipatori, opportunamente disposti nel sistema resistente. L isolamento sismico passivo si consegue pertanto utilizzando una o entrambe le seguenti strategie di progetto: isolamento alla base, con il quale si tende ad ottenere un forte aumento del periodo di oscillazione; incremento della capacità dissipativa, consistente nell inserimento di appositi dissipatori opportunamente distribuiti. L isolamento alla base ( base isolation ) è il sistema più semplice. Si ottiene disponendo la costruzione sopra un letto di isolatori molto deformabili in direzione orizzontale (Fig. 5), per lasciare che questa possa oscillare lentamente come un corpo rigido indeformato e con periodi compresi nel campo delle minori domande (per esempio, 2 o 3 secondi). In gene- 20 eda speciale giugno La sfida dell isolamento sismico

5 nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l architettura e per l ingegneria re, nelle applicazioni si utilizzano isolatori di gomma multistrato rinforzati mediante lamierini di acciaio (Fig. 6). La capacità di ridurre le accelerazioni trasmesse da questi dispositivi aumenta al crescere delle deformazioni imposte; vale a dire che, entro i limiti di progetto, questi isolatori sono tanto più efficaci quanto maggiore è l intensità degli attacchi sismici (Fig. 7). Il sistema si applica bene agli edifici multipiano, dove si riducono le accelerazioni trasmesse ai piani stessi a beneficio degli oggetti e dei valori contenuti. L aggiunta di una certa capacità dissipativa non è essenziale, ma è utile per attenuare ulteriormente la domanda e per ridurre l ampiezza delle deformazioni richieste agli isolatori, che possono essere molto grandi, anche dell ordine di 30 o 40 cm. 5. Edificio residenziale dello IERP a Città di Castello (PG), isolato alla base mediante dispositivi HDRB. In una rappresentazione spettrale di tipo capacitivo, dove le accelerazioni di risposta elastica (S a =ω 2 S d ) sono riprodotte in funzione degli spostamenti equivalenti (S d ) e dove i periodi di oscillazione T corrispondono alle rette uscenti dall origine degli assi, si illustra bene l essenza dell isolamento alla base (Fig. 8). Si consideri, come semplice esempio, un edificio a base fissa che abbia un periodo di oscillazione di 0.5 secondi e si accetti, sempre per semplicità, il criterio di uguale spostamento. Se nel suo complesso la struttura dispone di una duttilità post-elastica uguale a 5 (μ=5) il sistema resistente può essere progettato per un input sismico 5 volte inferiore alla domanda del terremoto raro (q=5). L edificio può sopravvivere all at- 6. Dispositivi HDRB. 7. Curve di isteresi di una coppia di isolatore HDRB sottoposti a carichi ripetuti di ampiezza crescente. 8. Isolamento alla base in una rappresentazione capacitiva. Alberto Parducci 21

6 editoriale 9. Stantuffi a comportamento viscoso (VD) ed elasto-plastico (EPD) (A. Whittaker UB/MCEER) - sopra - e appoggio elasto-plastico EPD di una struttura da ponte (dispositivo FIP, brevetto Parducci Medeot)- sotto -. tacco sismico estremo perché lo spostamento equivalente richiesto corrisponde al limite della sua capacità di deformarsi oltre i limiti elastici (le deformazioni plastiche locali dei singoli elementi strutturali possono essere però molto ampie). Se la stessa costruzione è posta sopra un letto di isolatori deformabili capaci di portare, per esempio, il periodo di oscillazione a 2.5 secondi, il grafico mostra come questa, oscillando lentamente, potrebbe sopportare il terremoto estremo senza neppure mobilitare deformazioni superiori ai limiti elastici. Occorre solo che la capacità deformativa degli isolatori sia sufficientemente ampia. 11. Adeguamento sismico mediante controventi dissipativi. Università di Taipei (Taiwan). 10. Edificio della Union House di Auckland (NZ, 1981) isolato alla base con dispositivi EPD. Un comportamento analogo si consegue anche inserendo alla base del fabbricato dissipatori di tipo viscoso, simili agli ammortizzatori automobilistici (Fig. 9), oppure dissipatori capaci di un ampio comportamento elasto-plastico, ottenuto in genere per deformazione plastica di elementi metallici duttili (Fig. 10). Dissipatori di questo tipo possono essere inseriti anche nei riquadri delle strutture intelaiate 22 eda speciale giugno La sfida dell isolamento sismico

7 nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l architettura e per l ingegneria (Fig. 11) per funzionare in parallelo durante le deformazioni laterali imposte dal sisma. Quest ultimo è il caso, per esempio, delle costruzioni metalliche che possono sopportare deformazioni orizzontali piuttosto ampie, tali da consentire ai dispositivi di sviluppare la loro capacità dissipativa. Inoltre, le strutture metalliche possono essere configurate anche in modo da far funzionare particolari sistemi di controventi dissipativi che all occorrenza si deformano plasticamente insieme agli stessi elementi strutturali. I controventi dissipativi possono essere usati convenientemente anche per l adeguamento sismico di strutture intelaiate, purché queste abbiano una deformabilità di piano sufficiente. La configurazione del primo piano soffice ( soft first storey ), derivata dai pilotis di Le Corbusier, sebbene sia ancora largamente usata, è particolarmente pericolosa nel caso sismico, perché possiede una capacità dissipativa molto povera quando la resistenza flessionale dei montanti è mobilitata oltre i limiti elastici. I piani soprastanti non si danneggiano perché le forze orizzontali trasmesse non possono superare la resistenza del piano critico. La capacità dissipativa rimane però concentrata in poche cerniere plastiche. Ciò non può evitare il rapido aumento delle deformazioni laterali e, ad aggravare la situazione, fa intervenire il cosiddetto effetto pi-delta (momento corrispondente al prodotto del 13. Adeguamento sismico di un complesso su "pilotis" mediante inserimento di VD. peso delle masse soprastanti per lo spostamento rispetto alla base) che conduce presto al crollo rovinoso dell intero fabbricato (Fig. 12). L adeguamento sismico di questo schema non può essere ottenuto aumentando la resistenza dei montanti del primo piano perché ciò aumenterebbe la capacità di trasmettere le azioni sismiche ai piani superiori. Il problema può essere risolto invece aumentando la capacità dissipativa del piano critico mediante l inserimento di VD e confinando le potenziali cerniere plastiche mediante cerchiature ottenute con materiale flessibile (Fig. 13). L isolamento sismico ha visto le prime applicazioni all inizio degli anni 80 in Nuova Zelanda, in California ed in Giappone. Gli edifici sono stati muniti in genere di sistemi di isolamento alla base, secondo schemi diventati ormai tradizio- 12. Due crolli tipici degli edifici con "primo piano soffice": a sinistra un edificio di Izmit (Kocaeli Eartrhquake, Turchia); a destra un edificio di Taipei (Chi Chi Earthquake, Taiwan). 14. Risposta ai vari piani dell edificio isolato alla base di Sanda (Kobe) durante lo Hyogoken-Nanbu Earthquake del 1995 (M=7.2). Alberto Parducci 23

8 editoriale nali. Il momento decisivo che ne ha lanciato definitivamente l impiego è stato il terremoto di Kobe del 1995 (lo Hyogoken Nanbu Earthquake, detto anche Great Hanshin-Awaji Earthquake, M=7.2). Nella località di Sanda erano presenti due fabbricati isolati alla base, le cui registrazioni di risposta hanno mostrato con evidenza la forte riduzione delle accelerazioni sismiche trasmesse dagli isolatori (Fig. 14). Fu la definitiva conferma di ciò che era stato registrato l anno precedente all USC Hospital di Los Angeles, durante il terremoto di Northridge. A Kobe fu perfino possibile confrontare le risposte di due edifici analoghi ed adiacenti, uno isolato l altro no; in testa al primo furono registrate accelerazioni di piano pari a solo il 20% (!) di quelle misurate nell altro. L isolamento sismico ha trovato un importante impiego anche nel settore delle infrastrutture stradali. In Italia, verso la fine del secolo scorso, era stato raggiunto un certo primato, perché erano stati isolati gli impalcati di oltre un centinaio di ponti. In queste applicazioni furono preferiti dispositivi dissipativi di tipo elasto-plastico, disposti in sostituzione dei normali appoggi delle travate (Fig. 15). Un significativo esempio di queste applicazioni è pubblicato in un altro numero di EdA, dedicato alle infrastrutture. Nelle relazioni che seguono, presentate dagli specialisti del settore, sono descritte le più significative applicazioni dei sistemi cui si è fatto cenno, realizzate prevalentemente in Italia. NOTE 1. Premio Nobel per la fisica nel 1932; enunciò il principio d indeterminazione. 2. Nella misura in cui le leggi della matematica si riferiscono alla realtà non sono certe. Nella misura in cui sono certe non si riferiscono alla realtà, Albert Einstein, Geometry and Experience, dalla conferenza tenuta all Accademia delle Scienze Prussiana il 27 Gennaio Non c è errore più comune di quello di presumere che, siccome sono stati effettuati calcoli matematici lunghi ed accurati, l applicazione del risultato a qualche realtà strutturale sia assolutamente sicura ; Alfred North Whitehead (citato da J. D. Barrow in Teorie del Tutto, Milano, Adelphi, 2003). 4. Ordinanze PCM 3274/03 e 3431/05, la cui applicazione è purtroppo ritardata da una continue di proroghe che tollerano ancora l impiego delle precedenti norme. 5. Non sono trattati un questa sede i sistemi attivi (ibridi o semi-attivi), considerati troppo sofisticati per poterne prevedere un utilizzo diffuso. 6. La Magnitudo M è la misura logaritmica di uno spostamento di riferimento; ogni aumento di un grado corrisponde ad uno spostamento 10 volte maggiore! 7. Come l EC.8, le norme assumono ora come riferimento l evento che ha la probabilità di occorrenza del 10% in 50 anni corrispondente, per l esattezza, ad un periodo di ritorno di 475 anni. Gli edifici scolastici e le costruzioni strategiche, comprendenti gli ospedali, si progettano per periodi di ritorno maggiori. 24 eda speciale giugno La sfida dell isolamento sismico

9 nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l architettura e per l ingegneria RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 1. W. Heisenberg, Wandlungen in den Grundlagen der Naturwissenschaft, Hirzel Verlag, 1959 (Trad. it. Mutamenti nelle basi della scienza, Torino, Bollati Boringhieri, 2000). 2. E. Kaufmann editor, An American Architecture - Frank Lloyd Wright, New York, Bramhall House, Christopher Arnold & Robert Reitherman, Building Configuration and Seismic Design, John Wiley & Son, 1982 (Trad. it., Morfologia Edilizia e Progetto Sismico, Bologna, Edizioni Luigi Parma, 1985). 4. C.C. Thiel, Life cycle cost consideration in structural systems selection, ATC-17, San Francisco (CA), C. Arnold, Architectural Considerations, in Seismic Design Handbook, F. Naeim editor, Von Nostrand, New York, R. I. Skinner, W. H. Robinson, G. H. McVerry, An Introduction to Seismic Isolation, John Wiley & Sons, A. Parducci, M. Mezzi: Economics in Seismic Isolation Options - Expected Benefits Versus Construction Costs, PCEE, Melbourne (Australia), A. Parducci, Seismic Isolation: Why, Where, When: Design Options for Ordinary Isolated Structures - International Post-Smirt Conference Seminar on Isolation, Energy Dissipation and Control of Vibration of Structures - Cheju (Korea), A. W. Charleson, M. Taylor, Towards an Earthquake Architecture, 12 th WCEE, Auckland (NZ), A. Parducci, Seismic Isolation and Structural Configurations - The Italian experience, Special meeting held at the Forell/Elsesser Company, San Francisco (California), , A. Parducci Seismic Isolation and Architectural Configuration - Special Conference on Conceptula Design od Structures, Singapore, A. W. Charleson, M. Taylor, Earthquake Architecture Exploration,13 th WCEE, Vancouver, M. Mezzi, A. Parducci, Conceptual Seismic Design and State-of-the Art Protection Systems, U. S. National Conference on Earthquake Engineering, San Francisco (CA), M. Mezzi, Architectural and Structural Configuration of Buildings with Innovative Aseismic Systems, 13 th WCEE, Vancouver, A. Parducci ed Altri, Base Isolation and Structural Configuration - The New Emergency Management Centre in Umbria, 9 th World Seminar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active Vibration Control of Structures, Kobe, Japan, M. Dolce, A. Martelli, G. Panza, Moderni Metodi di Protezione dagli Effetti del Terremoto, E. Elsesser, New Ideas for Structural Configurations, 8 th U. S. National Conference on Earthquake Engineering, San Francisco (CA), A. Parducci, M. Mezzi (coordinatori) ed Altri, Configurazioni Strutturali per l Ottimizzazione delle Prestazioni dei Sistemi Innovativi di Protezione Sismica, Reluis, Linea 7, Unità E1, Report preliminare A. Parducci, A Synergic Dissipation Approach to Retrofit Framed Structures with a Soft First Storey (invited paper) - 9 th World Seminar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active Vibration Control of Structures, Kobe, Japan, June 13-16, A. Parducci, Nuovi Sistemi di Protezione Sismica dei Ponti - Il Viadotto Coltano, in corso di stampa in EdA. Esempi di architettura, n 2, R. Reitherman, A.W. Charleson, Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering, CUREE, sito internet, http// Alberto Parducci 25

10 editoriale NEW CONCEPTS FOR SEISMIC PROJECTS A CHALLENGE FOR ARCHITECTURE AND ENGINEERING It is probably true quite generally that in the history of human thinking the most fruitful developments frequently take place at those points where two different lines of thought meet. If they are at least so much related to each other that a real interaction can take place, then one may hope that new and interesting developments may follow. Werner Heisenberg 1 The world is full of obvious things which nobody by any chance ever observes. Sherlock Holmes, The Hound of Baskervilles PROBLEMS AND AUSPICES Towards the end of the 20 s, Frank Lloyd Wright designed the Imperial Hotel in Tokyo by dealing with the seismic problem in an original manner. He designed a complex building (Fig. 1) but divided it into boxed components thought of as floating elements on a deformable ground. For their foundation, he used a pile screen embedded in superficial shallow cheese soil without penetrating through to the underlying muddy formation; this was so the foundation system could operate as a deformable shock absorber able to ensure a dynamic isolation effect against a seism (Fig. 2). In his memoirs, he wrote: Why fight an earthquake? Why not join it and beat it with astuteness? Wright was obligated to use his strong personality to impose this idea on the engineering industry, at that time still bound to concepts of resistance and rigidity, and he finally modified the structured design using his authority. The building had just been completed when a violent earthquake (the Great Kanto Earthquake -M = 7.9) hit Tokyo in 1923, causing over 120,000 victims. The hotel remained quite intact and was used to house evacuees. The telegram Baron Okura sent Wright read Hotel stands undamaged as monument of your genius, thus allowing the brilliant intuition of the American architect to go down in history. The hotel was demolished in 1968; reasons behind this decision are not clear and project documents are no longer available. This makes separating the event s myth from reality difficult today. Nevertheless, Wright s statements are the historical programme of a concept, which for the first time guided a building s project towards the concrete application of a seismic protection system different or rather antithetical from those proposed by traditional engineering. Rigidity was not the right answer, but flexibility and resilience were, he stated anticipating concepts on which seismic engineering is based today. He was able to harmonise architecture and engineering to propose a new design idea; but engineering at the time was not ready and didn t understand this, so the development hoped for by Heisenberg did not take place. Before introducing the subject of this special edition, Wright s vicissitude and Heisenberg s exhortation are an invitation for us to reflect on the age-old dyscrasia, which engineering projects are far too often subjected to. Once again, the problem concerns the relationship between architecture and structure in current professional practice, where often the importance of harmony between these two design components is overlooked; essential harmony in seismic areas. The business environment in which we work separates the functions of an architect, who defines the work and is committed to resolving distribution problems to be included in component shapes that correspond to codes from the school one belongs to, from that of an engineer, who intervenes afterwards, acting as the custodian of magic numeric procedures, now automated and not even always effective, and alone, in the seismic case 2. However, both seem convinced of the fact that filtering performed using a minute calculation code 3 can truly make any building designed this way aseismic. This anomaly is certainly not any less favoured by the now traditional cultural separation of the training these 2 professional categories go through. In this context and more than 60 years after the experience in Tokyo, new isolation and energy dissipation techniques are being added, with which seismic engineering is now opening new horizons; with what expectations? This time, the basic concepts are the result of scientific research based on engineering; they appear different, but in fact they are based on the same principles intuited by Wright. The new systems are divided into different application methods with the purpose of substantially raising building safety levels in the event of violent seismic attacks. Recent legislation 4 has deregulated use, previously the subject of tormented approval procedures, and has established procedures required for engineering projects and systems qualifications. The Italian industry produces quality devices meeting a broad range of realisation requirements. Construction costs are not high; on the other hand, the economic benefits expected by the general public are high owing to the reduction of damage and the interventions required after large catastrophes. Profitability analyses indicate that isolation can decrease the intensity of an earthquake 26 eda speciale giugno La sfida dell isolamento sismico

11 nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l architettura e per l ingegneria perceived by a building by about two degrees. This edition of EdA illustrates the most significant applications of passive isolation techniques which, in line with what happens in countries most subject to seismic risk, are also currently being developed in Italy 5. The hope is that this may favour a meeting between different project expertise to stimulate researching appropriate morphological and structural configurations aimed at pursuing the double goal of broadening the field of proposable architectural solutions and optimising use. Seismic isolation techniques require structures that can respond to seismic input by sustaining ample movements with respect to their base, or between parts of them. This is an important reason to renew the usual concepts inherited from the Vitruvian principle of firmitas. Several morphological characteristics usually considered improper can become suitable as a result of the different weight several irregularities and destructuring of shapes take on, or because deformability favours the use of dissipators. At the same time, new concepts ignored by planning customs, such as movement, discontinuity and deformation ( motus, scissio and deformatio ) can become the basis on which to formulate new architectural ideas. The importance of the subject is not questioned, but few authors have dealt with the delicate problem of component configurations for seismic areas. Over the last few years, a number of publications have begun appearing, but seismic isolation is rarely a part of them. The works still reflect an engineering point of view, leaving wide gaps to deal with the problem from a mentality more oriented towards architectural aspects. THE SEISMIC PROBLEM AND ISOLA- TION TECHNIQUES Earthquakes are a natural, unpredictable event; in their most intense forms they produce shocks whose intensity is much stronger than the resistance capacity of building materials. Acquired project practices induce this aspect to be underestimated. Although quite aware of this inadequacy, project requirements demanded by previous legislation were limited to ensuring the resistance of individual structural elements required to overcome - without any damage - the most frequent earthquakes of medium intensity and expected every years. The intensity of these events at maximum danger levels is defined as moderate (M=5-6) as per the enclosed chart 6 by the US Geological Service. Safety against the most severe earthquakes was left to a structure s residual generic resources, without requiring any explicit project controls. In keeping with EC 8, today seismic projects require added value. Attention is aimed at a measure for greater control of the effects produced by the most violent attacks. Having to accept even more serious damage, intervention must be made at the planning stage, even through simplified controls, to prevent those disastrous collapses that could jeopardise the safety of people and safeguard intangible valuables, such as for example historical and artistic assets. The reference has become that of a rare event, defined by an average return period of approximately 500 years 7, characterised by ground accelerations almost 10 times greater than those of the previous reference. Preliminary estimations for a fixed-base construction include the capacity it can be attributed with to oppose this extreme event in damaged conditions, but while developing an overall adequate dissipative capacity associated with ductile inelastic deformations. This is the definition of the appropriate coefficients with which a less intense earthquake is still assessed, whose intensity however is correlated to the dissipative, post-elastic capacity of the specific building being examined. Legislation facilitates this project phase by defining the configuration as well as the detailed requirements, which serve to reduce the inequality between the performance required by the rare event and the effective resistance of the structures. Configuration requirements depend to a great extent on structural configurations conditioned by the morphological choices of the architectural project more than the indications of legislation outlines, which are generally based on concepts of regularity. Using a spectral representation, figure 3 summarises the gap that can exist between the response capacity of a normal aseismic structure and the demand of the reference earthquake. The figure indicates factors that can allow this severe impact to be overcome. The last two are important, and are connected precisely to damage: the increased oscillation period resulting from the lesser overall rigidity of the damaged structure and the increased dissipative capacity owing to repeated deformations imposed on the plasticised critical areas. The first effect can be read as a displacement to the right along the outlined line bringing the oscillation period towards periods in which demand is substantially decreased; the second corresponds to the reduction, also outlined, of the same demand gained thanks to the dissipative effects. The two mechanisms are effective when the critical areas of the system opposing the seism possess potentially necessary inelastic-dissipative deformability, as long as the configuration of the inelastic mechanism produced during the damage phase has the appropriate shape to truly mobilise all potentialities available. Alberto Parducci 27

12 editoriale These statements already contain the substance of the principles of seismic isolation. In the concept of capacity design, which regulates engineered projects with a fixed base, all structural framework should contribute to the resistance and dissipation of energy through widespread damage, without improper concentrations (Fig. 4). But by using isolation techniques, this performance is attributed to special mechanical devices, isolators and dissipators appropriately located in the resisting structure, rather than the damaged structures. Passive seismic isolation therefore results, by using one or both of the following project strategies: base isolation, which tends to obtain a significant increase to the oscillation period; increased dissipative capacity, consisting in the addition of specific dissipators appropriately distributed. Base isolation is the simplest solution. This is obtained by arranging the building on a bed of highly deformable isolators in a horizontal direction (Fig. 5), so it can slowly oscillate as a non-deformed rigid body and at periods included in the field of lesser demands (for example 2 or 3 seconds). Generally, multilayer, reinforced rubber isolators are used in applications through steel metal sheets (Fig. 6). The capacity to reduce the accelerations transmitted from these devices increasingly builds the deformations set; in other words this means that within the project limits, the greater the intensity of the seismic attacks, the greater the effectiveness of these isolators (Fig. 7). This system can be applied quite well to multi-level building, where the accelerations transmitted to the storeys themselves are reduced to benefit the objects and valuables contained within. The addition of a certain dissipative capacity is not essential, but it is useful to further reduce demand and the breadth of the deformations required by the isolators - which might be quite large - by even up to 30 or 40 cm. A capacitive-type spectral representation, where the accelerations of elastic response (S a =ω 2 S d ) are reproduced as a function of equivalent displacements (S d ) and where oscillation periods T correspond to the lines leaving the origin of the axes, is a good illustration of the essence of base isolation (Fig. 8). Consider as a simple example a building with a fixed base whose oscillation period is 0.5 seconds and for the sake of simplicity, accept the criteria of equal displacement. If overall, the structure has a post-elastic ductile equal to 5(μ=5), the resistant system can be planned for a seismic input 5 times less than the demand of a rare earthquake (q=5). The building can survive an extreme seismic attack because the equivalent displacement required corresponds to the limit of its capacity to deform itself beyond the elastic limits (the local plastic deformations of the individual structural elements can however be quite broad). The graph indicates how this building, while slowly oscillating, might support an extreme earthquake without even mobilising greater deformations at the elastic limits if the same building is located on top of a bed of deformable isolators able, for example, to bring the oscillation period to 2.5 seconds. It is only necessary that the isolators capacity to deform be sufficiently ample. Analogous performance is also obtained by adding viscous dissipators similar to automobile shock absorbers (Fig. 9) to the base of the building, or dissipators capable of a broad elastic-plastic performance generally obtained due to the plastic deformation of ductile metal elements (Fig. 10). This type of dissipator can also be added to the panels of the framed structures (Fig. 11) to function simultaneously during lateral deformations caused by the seism. The latter is the case, for example, of metal constructions that can support rather broad horizontal deformations such as to allow the devices to develop their dissipative capacity. In addition, the metal structures can also be configured so as to operate special dissipative bracing systems, which when required, plastically deform together with the same structural elements. Dissipative bracing can also conveniently be used for the seismic adaptation of framed structures, as long as their storey deformability is sufficient. Although still largely used, the configuration of the soft first storey derived from pilotis by Le Corbousier is particularly dangerous in a seismic case because it has a very poor dissipative capacity when the flex resistance of the posts is moved beyond the elastic limits. The upper storeys are not damaged because the horizontal forces transmitted cannot exceed the resistance of the critical storey. However, the dissipative capacity remains concentrated in just a few plastic hinges. This cannot prevent the rapid increase of lateral deformations and, to make matters worse, causes the so-called pi-delta effect (a moment corresponding to the product of the weight of the above masses due to displacement with respect to the base), soon bringing about the disastrous collapse of the entire building (Fig. 12). The seismic adaptation cannot be obtained by increasing the resistance of the first-storey posts because this would increase the capacity to transmit the 28 eda speciale giugno La sfida dell isolamento sismico

13 nuove concezioni per il progetto sismico. una sfida per l architettura e per l ingegneria seismic actions to the storeys above. However, the problem can be resolved by increasing the dissipative capacity of the critical storey by adding VDs and confining potential plastic hinges through spiral reinforcements obtained using flexible material (Fig. 13). Seismic isolation was first applied at the beginning of the 80 s in New Zealand, California and Japan. Buildings were generally equipped with base isolation systems, according to norms that have now become traditional. The decisive moment that definitely launched this use was the 1995 Kobe Earthquake (the Hyogoken Nanbu Earthquake, also known as the Great Hanshin-Awaji Earthquake, M=7.2). There were two base-isolated buildings in Sanda, whose recorded responses clearly demonstrated the significant reduction of the seismic accelerations transmitted by the isolators (Fig. 14). It was a decisive confirmation of the previous year s recordings made by the USC Hospital in Los Angeles during the Northridge Earthquake. In Kobe, it was even possible to compare the responses of the two, similar buildings located next to each other, one being isolated and the other not; at the top of the first, the storey accelerations registered were only equal to 20% (!) of those measured in the other building. Seismic isolation has also found an important use in the road infrastructures sector. Towards the end of the last century in Italy, a specific precedence was set because the decks of over a 100 bridges were isolated. Elastic-plastic dissipative devices were favoured in these applications, placed to replace the normal supports of the decks (Fig. 15). A significant example of these applications is published in another edition of EdA, dedicated to infrastructures. The following reports presented by industry specialists describe the most significant applications of the systems mentioned, realised mainly in Italy. NOTES 1 Winner of the Nobel prize in physics in 1932; he enunciated the principle of uncertainty. 2 As far as the laws of mathematics refer to reality, they are not certain; and as far as they are certain, they do not refer to reality, Albert Einstein, Geometry and Experience, from the conference held 27th January 1921 at the Prussian Academy of Sciences. 3 There is no more common error than to assume that, because prolonged and accurate mathematical calculations have been made, the application of the result to some fact of nature is absolutely certain ; Alfred North Whitehead (cited by J. D. Barrow in Teorie del Tutto, Adelphi, 2003). 4 Ordinances by Italian Prime Minister 3274/03 and 3431/05, whose application is unfortunately delayed by continuous postponements still tolerating the use of previous legislation. 5 Active (hybrids or semi-active) systems are not treated here as they are considered too sophisticated for widespread use. 6 Magnitude M is the logarithmic measure of a reference displacement; each 1 degree increase corresponds to a displacement 10 times greater! 7 As with EC 8, legislation now uses as its reference an event whose probability of corresponding occurrence equals 10% in 50 years, precisely to a return period of 475 years. Scholastic buildings and strategic constructions, including hospitals, are planned for increased return periods. Alberto Parducci 29