Cuba Parducci - Esempi di Architettura

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 1932.
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 consolidate1. 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
Thomas S. Kuhn, The structure of scientific revolution, University of Chicago, 1970.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
1
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 marginali2. 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
costruzione3. 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
3
Christofer Arnold, Robert Reitherman, Building configuration and seismic design, John Wiley & Sons,
1982. 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».
«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).
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
2
PARTE 1
L'ARCHITETTURA NEL PROGETTO ANTISISIMCO
3
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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.
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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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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
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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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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.
.• 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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
•
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 numeriche6. 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
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).
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
8
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
7
8
Hudson ha illustrato questo strumento di calcolo alla prima WCEE (World Conference on Earthquake
Engineering)di San Francisco nel 1956.
Questa informazione sarà utilizzata ai fini pratici solo molti anni più tardi per introdurre la "Base Isolation".
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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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 teorici9. 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
9
Ricerche sperimentali su questi argomenti si era iniziato a svolgerle da alcuni anni specialmente in Giappone,
ma diverranno più intense negli anni successivi.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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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.
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 deformazioni12,13,14,15.
10
11
12
13
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
1999.
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 2006.
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).
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
11
Si semplifica per agevolare le descrizioni. Si
ammette pertanto: che la risposta ciclica della
struttura possa essere modellata da un
Ei
Ek + Ev + Ee + Eh
comportamento bilineare elasto-plastico; che alla
fase elastica corrispondano dissipazioni viscose, di
kinetic
elastic
reversible
efficacia limitata, dipendenti dalle velocità, non
dalle deformazioni; che alla fase plastica
dissipate
viscous
hysteretic
corrispondano dissipazioni plastiche isteretiche, più
d
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:
stored
ENERGY
structural
Ei l'energia complessiva immessa nella costruzione,
Ek l'energia cinetica delle masse in movimento,
Ev l'energia viscosa associata alla risposta elastica,
Ei l'energia potenziale delle deformazioni elastiche,
Ei 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 danni9. 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.
•
•
14
15
16
SLV = Stato Limite di salvaguardia della Vita, nei confronti di eventi rari di forte intensità, attesi con
periodi di ritorno di circa 500÷1000 anni16; 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 50÷100 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 14th
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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
12
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.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------13
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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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 giovani19. Alcune delle cause seguenti riguardano anche
i comportamenti dettati dal cosiddetto senso comune.
17
18
19
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, 1996.
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).
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
14
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
20
21
22
Norberg e Schulz, frase citata da Rudolf Arnheim in The dynamics of architectural fForm, University of
California Press, Berkeley, 1977.
E. Torroja, Razón y ser de los tipos estructurales, Istituto técnico de la construcción y del cemento, 1960.
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).
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
15
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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
16
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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
17
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.
18
23
K. Fujita et Al., "Earthquake response of ancient five-story pagoda structure of Horyu-Ji temple in
Japan", 13th WCEE, Vancouver, Canada, 2004.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
PARTE 2
LA BASE ISOLATION
19
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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 Sa rappresentate in funzione degli
spostamenti Sd) 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
VN=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
24
"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).
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
20
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 Sa 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 Sa, 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 (k1) per piccole ampiezze; piccola (k2) 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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
21
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 equienergetico25. 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
q
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 - q0). L'inserimento degli
k0, c0
q0
isolatori e l'aggiunta della massa m0 conducono ad
m0
un in sistema a due gradi di libertà. L'input sismico è
definito da una storia di accelerazioni ag(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.
25
Entro determinati limiti si utilizza la relazione  =(1/4)×(WD/WEL) che lega lo smorzamento viscoso 
all'energia che il dispositivo dissipa in ogni ciclo. Le grandezze WD e WEL=½kd2 corrispondono alle aree
indicate in figura.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
•
sistema d'isolamento:
m0 = massa della fondazione isolata,
k0 = rigidezza elastica del sistema d'isolamento,
c0 = smorzamento del sistema d'isolamento,
•
spostamenti:
q0
q
= spostamento per deformazione degli isolatori,
= 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 TBF della struttura a base fissa:
k
m
TBF  2
m
k
frequenza di riferimento 0 e corrispondente periodo di oscillazione T0 dell'intero sistema isolato,
considerato indeformabile, mobile sopra gli isolatori:
2 
•
 02 
k0
m0  m
T0  2
m0  m
k0
Si assumono due parametri adimensionali:  = rapporto delle masse,  = rapporto dei periodi:
 
 0 

  
m
mo  m
  
2
T
  BF
 T0




2
Si riconosce che  è minore di 1, ma dello stesso ordine di grandezza, perché la massa m dell'intero edificio è
preponderante rispetto a m0.
Si supponga che il parametro  sia piccolo ( <<1), cioè che il periodo di riferimento T0 sia sensibilmente
maggiore di quello TBF della struttura a base fissa (esempio: T0≈3TBF, 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 )
 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].
m
Primo modo
Secondo modo
periodo
T(1) ≈ T0
forma modale
massa partecipante
u0 = 1
u
≈ 1 +
m ( 1 ) = (m0 + m)(1 -  2)
periodo
T(2) ≈ TBF
forma modale
u0
= 1
u
= 
massa partecipante
1 

[> 0.99 (m0 + m)] (!)
(1 )
m ( 2 ) = (m0 + m)(1 - )  2
[< 0,01] (!)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Requisito di compattezza. L'analisi modale svolta nella nota precedente conduce ad un
risultato importante valido quando il rapporto = (TBS/T0)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+m0) della costruzione. Il periodo isolato corrisponde di fatto alla sola deformazione degli
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
23
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 (TIS≈T0
immediatamente valutabile) deve essere
grande perché la costruzione si trovi
certamente nella zona delle basse accelerazioni di risposta (TIS>2, ma può essere
facilmente maggiore);
• è bene che la struttura posta sugli isolatori sia rigida, poco deformabile (T0>3TBF), 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
seguenti26 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
26
Il materiale illustrativo e le informazioni su questo argomento sono stati fornite dal prof. Edoardo Cosenza
dell'Università di Napoli.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
24
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 dissipativi27,28. 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
27
28
A. Parducci, Seismic isolation and architectural configuration, Conceptual Conference on the Conceptual
Approach to Structural Design, Singapore, 2001.
M. Mezzi, A. Parducci, Aseismic suspended building based on energy dissipation, 10th ECEE, Wien, 1994.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
25
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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
PARTE 3
ALCUNE APPLICAZIONMI DELLA BASE ISOLATION IN ITALIA
PRIMA DEL TERREMOTO DELL'AQUILA 2009
27
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
28
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 (TIS=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.
• Elevato rapporto dei periodi di oscillazione (TIS/TBF > 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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
29
• 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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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 2010-11. 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 .
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
(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 m2 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.
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.
29
30
A. Parducci, F. Brancaleoni, Terremoto del 6 maggio 1976 nel Friuli. Considerazioni sul comportamento
degli edifici industriali; Industria Italiana del Cemento, Roma (Italia) 1976.
F. Menegotto, La prefabbricazione strutturale: aspetti teorici, Giornate AICAP, Stresa (Italia) 1987.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
32
(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.
(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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
33
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 32.
34
Premio SIRICA 2010. 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.
32
33
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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
35
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
PARTE 4
LE APPLICAZIONI ITALIANE DELLA BASE ISOLATION
DOPO IL TERREMOTO DELL'AQUILA DEL 2009
IL PROGETTO C.A.S.E.
36
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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 75˙000 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, 20˙000 edifici crollati o dichiarati
inagibili, oltre 25˙000 persone sfollate.
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
15˙000 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.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
37
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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
38
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≈CS×H0.75, essendo H l'altezza
dell'edificio prototipo e Cs compreso tra 0.050 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 7300. 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
35
D. M. Fenz‡, M. C. Constantinou, Behaviour of the double concave Friction Pendulum bearing,
Earthquake Engng Struct. Dyn. June 2006.
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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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 Keff=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
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
41
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
sismiche in campo non-lineare sono state eseguite utilizzando accelergorammi spettrocompatibili con gli spettri di norma derivati dalle registrazioni di noti eventi reali (L'Aquila
2009, Imperial Valley 1979, Loma Prieta 1989,
Northridge 1994, Kobe 1995, Taiwan 1999).
Costruzione degli alloggi. Le figure mostrano
alcune delle fasi costruttive. Di interesse è la
soluzione adottata in alcuni casi per gli impianti,
inseriti in una struttura metallica appesa al disotto
della piastra superiore isolata. La soluzione evita la
necessità di collegamenti flessibili.
Sostenibilità ambientale e consumi energetici.
Un aspetto significativo, riguardante il modo in cui
sono stati trattati questi aspetti, meriterebbe di essere
approfondito; esula però dagli scopi di questa
presentazione incentrata sulla BI.
•
•
•
•
•
Conclusione. Il costo dell'intera operazione è stato elevato, in totale 705 milioni di euro
comprensivo di arredi, utenze e sistemazioni a verde e manutenzioni iniziali, così ripartiti:
basamenti antisismici
160
edifici
424
arredi ed impianti
56
ascensori
10
urbanizzazioni e sistemazioni giardini
55
Altrettanto elevato sarebbe stato però il costo per il mantenimento di 15˙000 persone,
stimato per 1.5 milioni per ogni giorno in più senza casa.
Nel febbraio del 2010, dopo 10 mesi dal terremoto, sono state completate le consegne di
quasi 4500 alloggi completamente arredati. La Protezione Civile, ultimato il suo impegno, ha
consegnato tutto alle autorità locali. Ma da qui è iniziata una storia molto differente.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------QUANDO NON SI ESEGUIVANO CALCOLI OCCORREVANO IDEE PROGETTUALI
Un passo indietro per concludere. Il terremoto di Lisbona del 1755, uno dei maggiori eventi avvenuti in
epoca storica, è stata la prima occasione nella quale si cercò di definire una tecnica antisismica dotata di un
certo contenuto ingegneristico. Nacque l'idea della casa a gaiola,
detta anche gajola pombalina dal nome del marchese di Pombal,
che con saggezza e maestria gestì la ricostruzione. Era basata su un
sistema strutturale composto da un telaio di legno ad elementi
resistenti incrociati, riempito di materiale inerte. Il riempimento era
di mattoni crudi o perfino di terra compattata. Non si eseguivano
calcoli, ma il sistema era interessante perché aveva tre pregi.
Primo, la resistenza: la struttura di legno con elementi incrociati
era ben congegnata per resistere ad azioni orizzontali. Secondo,
l'uniformità: la struttura era compatta e ben distribuita per tutta
l'altezza. Terzo, la capacità di dissipare energia dovuta alle
deformazioni del materiale inerte. Nei confronti di attacchi sismici più severi questo materiale, meglio se
confinato dalla struttura lignea, avrebbe potuto svolgere un'utile funzione dissipativa. Forse le conoscenze non
erano mature per considerare importante quest'ultimo contributo sinergico, ma nella realtà ciò non ne riduceva
EdA, Esempi di architettura, maggio 2012
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l'efficacia. E' interessante ricordare che questo sistema costruttivo è utilizzato ancora oggi in Portogallo, dove
era nato, per eseguire interventi strutturali negli edifici esistenti.
Una tecnica costruttiva molto simile fu usata anche in Italia in epoca borbonica, dopo il terremoto della
Calabria Ulteriore (Italia meridionale) del 1873. Ne sono rimasti alcuni residui, in genere poco significativi. La
concezione di questo sistema è
testimoniata comunque dai disegni
dell'architetto Ferraresi che compaiono
nei testi dell'epoca36. In alcuni disegni
un'intelaiatura
di
legno
doppia
consentiva di riempire gli spazi mediante
un utile costipamento del materiale
interno.
E' interessante osservare come in
varie nazioni dell'America Latina sono
rimasti ricordi (da non dimenticare) di
costruzioni di interesse storico formate da telai di legno riempiti di "tierra pisada".
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
36
Giovanni Vivenzio: Istoria e teoria de’ tremuoti in generale ed in particolare di quelli della Calabria, e di
Messina del 1783, Stamperia Regale, Napoli, 1783.
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