ISOLAMENTO ALLA BASE E PROGETTAZIONE ARCHITETTONICA - BASE-ISOLATION AND ARCHITECTURAL DESIGN

Ingegneria Sismica

ISOLAMENTO ALLA BASE E PROGETTAZIONE ARCHITETTONICA

L’utilizzo dell’isolamento sismico si fonda su una concezione nuova del progetto strutturale e richiede pertanto una revisione ed un aggiornamento di alcune abitudini progettuali. Questo è dovuto al fatto che la risposta sismica delle strutture isolate è completamente diversa da quelle non isolate, e coinvolge problematiche teorico-costruttive nuove e del tutto differenti. É necessario comunque precisare che, attualmente in Italia, non in tutti gli ambiti delle costruzioni civili questa innovazione nei metodi e nelle tecniche progettuali comporta lo stesso livello di “novità”. Infatti, a differenza di quanto è avvenuto nella costruzione dei ponti (soprattutto autostradali), nei quali l’isolamento sismico è largamente impiegato da oltre 20 anni, l’isolamento alla base di edifici ad uso residenziali o commerciale ha riguardato un numero piuttosto limitato di realizzazioni.

In quest’ambito il progetto architettonico costituisce un aspetto critico della progettazione antisismica mediante isolamento alla base, coinvolgendo le implicazioni che derivano dal processo secondo il quale, nella pratica corrente, si sviluppa il progetto delle costruzioni in zona sismica. L’obiettivo fondamentale che si cerca di raggiungere è quello di armonizzazione le morfologie architettoniche, e le conseguenti configurazioni strutturali, con le prestazioni specifiche dei sistemi di isolamento. In altri termini, l’importanza della risposta sismica della costruzione isolata è legata alla propria configurazione strutturale, la quale è fortemente condizionata dalla morfologia architettonica. L’armonizzazione della configurazione architettonica e strutturale, con i requisiti dell’isolamento sismico, costituisce una priorità fondamentale affinché questa tecnica di protezione sismica possa assicurare le sue prestazioni nel modo più efficace. Questa necessità scaturisce dall’osservazione che fra le cause dei danni strutturali prodotti dai terremoti, spesso viene individuata la configurazione del sistema resistente. Quest’ultima, infatti, rappresenta il principale fattore che condiziona le modalità di risposta delle costruzioni.

A questo proposito c’è comunque da sottolineare un aspetto positivo della strutture isolate, che ne incoraggia l’utilizzo: l’isolamento alla base è capace di ridurre l’importanza degli effetti negativi di molte irregolarità strutturali, consentendo ai progettisti maggiori scelte compositive. In particolare, la predominanza del primo modo di vibrare consente di ridurre, o di eliminare completamente, le deformazioni torsionali alla base delle strutture in elevazione. Questa particolare peculiarità riduce in maniera consistente le sollecitazioni massime nei pilastri degli edifici in cui siano presenti distribuzioni eccentriche delle rigidezze.

É importante aggiungere che una progettazione sviluppata su questi criteri costituisce anche il principale fattore che consente di ridurre i costi di realizzazione. Infatti, l’isolamento può raggiungere le massime prestazioni soltanto quando le esigenze dell’isolamento stesso siano tenute in conto fin dalle prime fasi progettuali. Contrariamente, se il progetto architettonico viene elaborato senza considerare un futuro impiego di uno specifico sistema di protezione sismica, la successiva decisione di inserire l’isolamento può creare difficoltà non facilmente superabili. Le soluzioni da adottare possono dar luogo ad arrangiamenti che richiedono maggiori costi, con l’eventualità di non poter sfruttare in pieno le potenzialità del sistema di protezione scelto.

È quindi fondamentale analizzare la relazione tra morfologia architettonica, configurazione strutturale e comportamento dinamico degli edifici dotati di dispositivi antisismici, in particolare, l'utilizzo di sistemi innovativi di protezione sismica, come l’isolamento alla base e i dispositivi di dissipazione di energia. L’obiettivo è quello di definire i criteri per una corretta concezione architettonica del progetto e per l’individuazione di forme anche complesse, per ottenere un adeguato comportamento sismico. L'idea di base è che alcune caratteristiche essenziali, come irregolarità volumetrica, materiali non omogenei, mancanza di simmetria, allineamento, forma recidivante, di solito non sufficientemente valutate, al contrario devono essere opportunamente considerate per ottenere importanti effetti di smorzamento e di dissipazione di energia.

Queste considerazioni, accennate in questa breve introduzione, indicano che i grandi vantaggi (strutturali ed economici) legati all’impiego dell’isolamento alla base, potranno essere tali solamente, se fin dall’inizio della progettazione, l’edificio viene concepito nella sua globalità, armonizzando necessità strutturali ed esigenze architettonico-compositive.

********************************

BASE-ISOLATION AND ARCHITECTURAL DESIGN

Marco Bozza

The use of seismic isolation is based on a new concept of structural design and therefore requires a review and an update of some design habits. This since the seismic response of isolated structures is completely different from those non-isolated, and involves problematic theoretical-constructive new and completely different. Is necessary however to specify that, currently in Italy, within of the civil constructions this innovation in the methods and in the design techniques does not involve the same level of "novelty”. Indeed, unlike what happened in the construction of bridges (mostly highway), where the seismic isolation is widely used for over 20 years, the base-isolation of buildings for residential or commercial involved a relatively small number of achievements.

In this context, the architectonic project is a critical aspect of the antiseismic design with base isolation, involving the implications arising from the process whereby, in usual practice, develops the project of buildings in seismic zones.

The fundamental objective that seeks to achieve is to harmonize the architectural morphology and their structural configurations, with the specific performance of isolation devices.

In other words, the importance of the seismic response of isolated construction is related to their structural configuration, which is strongly influenced by architectonic morphology.

The harmonization of architectural and structural configuration, with seismic isolation requirements, constitutes a fundamental priority so that this technique of seismic protection can assure its performances in the more effective way. This need gushes from the observation that among the causes of the structural damage caused by earthquakes, often it is individualized the configuration of the resistant system. This last one, in fact, represents the main factor that conditions the modalities of the constructions response.

In this regard there should be pointed out a positive aspect of isolated structures, which encourages their use: the base isolation is able to reduce the importance of the negative effects of many structural irregularities, allowing designers greater formative choices. In particular, the predominance of first mode of vibration can reduce or completely eliminate, the torsional deformation at base of structures in elevation. This particular feature substantially reduces the maximum stresses in the columns of buildings where there are eccentric distributions of stiffness.

It is important to add that a design developed on these criteria is also the main factor that allows to reduce the realization costs. Indeed, the isolation can achieve maximum performance only when the same isolation requirements needs to be taken into account right from first design phases. Contrarily, if the architectural design is developed without to consider a future use of a specific system of seismic protection, the subsequent decision to include isolation devices may create difficulties not easily superable. The solutions to adopt can give rise to agreements that require greater costs, with the possibility that it could not take advantage of fully the potentiality of the protection system chosen.

Is then fundamental to analyze the relation between architectural morphology, structural configuration and dynamic behavior of buildings equipped with antiseismic systems, particularly use of innovative seismic protection systems, as base-isolation and energy dissipating devices. The purpose is to outline the criteria for proper architectural conception of project and for the identification of even complex forms, to achieve a suitable seismic behavior. The basic idea is that some essential characteristics, like volumetric irregularity, non-homogeneous materials, lack of symmetry, alignment, recurrent shape, usually considered non appropriate, on the contrary have to be suitably used to achieve important damping effects and energy dissipation.

These considerations, mentioned in this brief introduction, indicate that the great advantages (structural and economic), associated to use of the base isolation, can be such only if, right from the start of design, the building is conceived in its totality, merging structural needs and architectural-formative requirements.