MORFOLOGIE ARCHITETTONICHE E CONFIGURAZIONI … · base e la dissipazione di energia, che modificano, esaltandole, le prestazioni dell’edificio, stabiliscono nuove correlazioni

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INTRODUZIONE

Il comportamento di una costruzione soggetta ad attac-chi sismici dipende in modo determinante dalla configura-zione globale e locale del sistema resistente. Ciò è chiara-mente confermato dai collassi e dai danneggiamenti osser-vati in occasione degli eventi reali [1,2,3]. Questo aspetto,che pure interessa tanto la configurazione strutturale quantola morfologia architettonica [4,5], non sempre è tenuto nellagiusta considerazione nel progetto architettonico. Quest’ul-timo viene sviluppato indipendentemente dalla definizionedel sistema strutturale che deve poi adattarsi ad una morfo-logia già definita, senza poter più ricercare soluzioni ottimali.

I fattori che caratterizzano la configurazione di unsistema sismo-resistente sono riconducibili a due concetti

fondamentali: la regolarità morfologica, corrispondentealla presenza di percorsi chiari e continui delle sollecita-zioni indotte dalle azioni sismiche, e l’impiego di materialie di dettagli costruttivi appropriati che assicurino un’ade-guata capacità elastica e post-elastica degli elementi e delsistema resistente.

I principi che recentemente sono stati introdotti per ilprogetto di un sistema sismo-resistente si basano essenzial-mente sul controllo della risposta da valutare in termini dispostamento e di capacità di dissipare energia. Le nuove tec-nologie di protezione sismica passiva, quali l’isolamento allabase e la dissipazione di energia, che modificano, esaltandole,le prestazioni dell’edificio, stabiliscono nuove correlazioni traforma, struttura, e prestazione. Da ciò deriva la necessità diindividuare nuovi principi guida per la concezione architetto-

Marco Mezzi - Alberto Parducci

MORFOLOGIE ARCHITETTONICHE E CONFIGURAZIONISTRUTTURALI

EdA_Parducci.qxp:EdA PARDUCCI 26-06-2007 18:38 Pagina 31

nica delle costruzioni sismo-resistenti,applicando i quali alcune caratteristichemorfologiche, tradizionalmente consi-derate inappropriate, possono perfinodiventare subordinate.

MORFOLOGIA

In linea generale, il concetto di unamorfologia architettonica sismo-resi-stente va cercato nell’interpretazioneindicata da Arnold e Reitherman [5]che comprende sia gli aspetti dimensio-nali e di forma, sia un’articolazione deglielementi strutturali e non strutturalicapace di conferire uniformità e regola-rità al complesso resistente. I parametridi controllo che riguardano la formaglobale della costruzione sono:• la dimensione,• la compattezza,• la simmetria, • la regolarità.

Nelle prime prescrizioni riguardantigli edifici in zona sismica [6] si trovano

limitazioni delle dimensioni globali degliedifici, in particolare dell’altezza. Inseguito al miglioramento della qualitàdei materiali disponibili, si è compresopoi che non è tanto l’altezza di per sé arappresentare un fattore negativo (fat-tore che può anche determinare unfavorevole incremento del periodo dioscillazione) quanto il rapporto fraaltezza e larghezza, cioè un fattore diforma globale da cui dipendono la pos-sibilità di ribaltamento e l’eccesso dicarico assiale (compressione-trazione)dei pilastri perimetrali.

La compattezza e la simmetria sonoconcetti rilevanti per il raggiungimentodegli obiettivi perseguiti dai principi del“capacity design”, secondo il quale in unedificio a base fissa tutte le membratu-re strutturali dovrebbero contribuire inmaniera omogenea alla resistenza edalla dissipazione dell’energia. I due fat-tori hanno entrambi lo scopo di evitareconcentrazioni e centrifugazioni dellesollecitazioni e riducono la dispersionedei baricentri delle masse e delle rigi-dezze, limitando così gli effetti torsio-nali. Ovviamente queste richiesteinfluenzano la morfologia architettonicadi un edificio, perché impongono vinco-li sostanziali alla sua forma; forma chedovrebbe essere “semplice”, secondogli schemi illustrati nella Fig. 1, contrap-posti a quelli “complessi”, indicati inve-ce nella figura 2.

L’omogeneità e la regolarità delleforme contribuiscono ad evitare l’in-

staurarsi di zone critiche nelle qualiun’elevata domanda di resistenza o diduttilità potrebbe portare rapidamentea situazioni di collasso. Anche questi cri-teri introducono vincoli severi che siripercuotono sulla concezione morfo-logica in quanto impongono regolestringenti sulle variazioni di forma, dimassa, di rigidezza e di resistenza, sia inpianta, sia lungo l’altezza dell’edificio,fino ad escludere soluzioni, come quelladel “piano soffice”, emblematiche dimolte espressioni architettoniche.

TECNOLOGIA

La tecnologia è anch’essa un fattorerilevante ai fini della configurazione diun sistema sismo-resistente, in relazio-ne alle caratteristiche dei materialistrutturali, impegnati sia dalle azioniverticali della gravità, sia da quelle oriz-zontali di natura sismica. L’impiego otti-male dei materiali può indurre a realiz-zare configurazioni specifiche sia dellacostruzione nel suo insieme, sia deglielementi strutturali. grandi strutturerealizzate dall’uomo si osserva che “laforma è il materiale” [7], basti pensarealle strutture piramidali concepite indifferenti contesti di civiltà (Fig. 3) oall’attuale impiego di un materiale leg-gero e resistente come l’acciaio chedetermina la presenza di elementi snelliche necessitano di strutture controven-tanti, o ancora ad un materiale privo di

1. Forme semplici per configurazioni in piantaed in elevazione.

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resistenza a trazione, come la muratu-ra, che conduce invece alla realizzazio-ne di sistemi sismo-resistenti a pareti.

SOLUZIONE STRUTTURALE E SOLU-ZIONE ESTETICA

Di solito, la soluzione strutturale noninfluenza in modo sostanziale e senz’al-tro non determina la morfologia di unedificio. Essa rappresenta spesso uno deicomponenti del sistema complesso del-la costruzione e può diventare determi-nante soltanto a seguito di una precisascelta architettonica orientata in tal sen-so. In casi particolari, di cui gli archi e levolte (Fig. 4-5) sono un esempio, la solu-zione strutturale determina la morfolo-gia. Al contrario, in alcune soluzioniarchitettoniche (Fig. 6), la morfologia èdeterminata soltanto da considerazioniestetiche ed espressive, tanto che lastruttura diviene un semplice supportoinvisibile e neppure immaginabile.

I NUOVI PRINCIPI DI CONFIGURAZIONE

I nuovi e più avanzati sistemi di pro-tezione sismica di tipo passivo, qualil’isolamento sismico ed i sistemi dissi-pativi, come anche quelli attivi o ibridi,informano la progettazione concettua-le (“conceptual design”) [8,9,10] intro-ducendo concetti assolutamente diver-si, talvolta perfino contrastanti, rispettoa quelli di una progettazione tradizio-nale. Tali concetti sono: • la deformabilità,• il movimento,• la discontinuità,• la visibilità dei dispositivi,

• la forma,• il comfort degli occupanti.

La deformabilità (Fig. 7) è necessarianelle situazioni in cui controventi dissi-pativi sono inseriti nelle maglie struttu-rali, in modo da dissipare energia inassociazione con gli spostamenti relatividel sistema resistente primario (scorri-menti tra piani contigui). In tal caso, glispostamenti tra i nodi collegati daidispositivi consentono di produrre unasignificativa dissipazione di energia,riducendo così l’ampiezza della rispostastrutturale.

2. Forme complesse per configurazioni inpianta ed in elevazione.

4. Soluzione strutturale ed estetica: AcquedottoRomano, Segovia.

5. Soluzione strutturale ed estetica: Cupola diSanta Maria del Fiore (Brunelleschi), Firenze.

3. Piramidi egizie di Gizah (a); Piramide Mayaa Cancun (b); Zigurat di Ur (c).

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In altre situazioni è necessario con-sentire il movimento, cioè la capacitàdella costruzione, o di porzioni di essa,di cambiare nel tempo la sua posizionenello spazio (Fig. 8), in contrapposizio-ne al concetto vitruviano di firmitas.Anche in questo modo è possibileottenere una significativa dissipazionedi energia, grazie alla deformazione pla-stica o viscosa di dispositivi montati tral’edificio ed il terreno, oppure tra por-zioni diverse in moto relativo.

La discontinuità è associata allacapacità di movimento e rappresentaun tema nuovo per la progettazionearchitettonica. Le soluzioni di continuitàconsentite dai movimenti possono pre-sentarsi in varie situazioni (Fig. 9).

La visibilità dei dispositivi va riguar-data anch’essa come un nuovo temaper il progetto architettonico. Questioggetti possono essere costituiti damateriali, come la gomma, avulsi dall’im-

maginario abituale del progettista. Pos-sono essere meccanismi o vere mac-chine nascoste come un segreto pre-stazionale della costruzione, ma posso-no anche essere presentati come ele-menti “giustificati” nella visione dell’edi-ficio (Fig. 10), o perfino ostentati comesegno espressivo della capacità sismo-resistente (Fig. 11).

La forma è da correlare ai nuovisistemi di protezione sismica secondodue principi fondamentali. In primo luo-go deve ottimizzare le prestazioni siadel sistema di protezione applicato, siadella struttura primaria. Ciò può com-portare criteri specifici da individuareper ciascuna configurazione [11], cosìcome può portare ad individuare nuo-ve morfologie (Fig. 12, [12,13]). D’altraparte, la concezione formale puòanche essere liberata dai vincoli impostidai requisiti prestazionali tradizionali. Inparticolare, i nuovi sistemi di protezio-

ne sismica attenuano fortemente lerichieste di regolarità e di uniformità, inquanto possono essere progettati perinserire nella struttura effetti di regola-rizzazione che riducono le concentra-zioni delle sollecitazioni e delle doman-de di duttilità [14,15].

6. Soluzione strutturale ed estetica: Museo Guggenheim, Bilbao (Frank Gehry).

7. Capacità di deformazione verticale ed oriz-zontale.

9. Configurazioni con discontinuità.

8. Capacità di movimento.

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È da notare infine che il requisito dideformabilità di un edificio tende aridurre le accelerazioni orizzontali deipiani, producendo in genere un effettobenefico sul comfort delle persone,perché riduce la percezione del motosismico. All’opposto, spostamenti

eccessivi possono produrre effettinegativi di malessere o perfino di pani-co dovuti, per esempio, alla sensazionedi movimento dell’orizzonte. Pertanto,in sede di progetto le caratteristichedel movimento devono essere valutatein modo opportuno.

10. Visibilità dei dispositivi: vista globale e dettaglio della Union House, Auckland (New Zealand).


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11. Visibilità dei dispositivi: vista globale e dettaglio della Scuola Jovine, Potenza (Italia).

12. La forma per l'ottimizzazione prestazionale:il Centro della Protezione Civile di Foligno (progetto A. Parducci, G. Tommesani).


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RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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13. M. Mezzi, (2003), Optimum StructuralConfigurations of Seismic Isolated Build-ings, 2nd Int.Spec.Conf on The Concep-tual Approach to Structural Design,Milan, Italy.

14. A. Parducci, (2005), A Synergic Dissipa-tion Approach to Retrofit Framed Struc-tures with a Soft First Storey, 9th WorldSeminar on Seismic Isolation, EnergyDissipation and Active Vibration Con-trol of Structures, Kobe, (Japan).

15. M. Mezzi, A. Parducci, (2005), Preserva-tion of Existing Soft-First-Story Configura-tions by Improving the Seismic Perform-ance, 3rd Int.Spec.Conf on The Concep-tual Approach to Structural Design, Sin-gapore.

Nota. I disegni sono stati realizzati daDomenico Basile.

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INTRODUCTION

The behaviour of a building under seis-mic attack basically depends on the globaland local configuration of the resisting sys-tem. This is clearly confirmed by collapsesand damage seen during real occurrences[1,2,3]. This aspect, involving both structuralconfiguration and architectural morpholo-gy [4,5], is not always duly considered dur-ing the architectural project. The latter isdeveloped independent of the structuralsystem which then needs to adapt to adefined morphology, and can no longersearch for the best solution.

Factors characterising the configurationof a seismic-resistant system go back totwo basic concepts: morphological regular-ity, corresponding to clear, continual pathsin forces caused by seismic action, and theuse of suitable materials and buildingdetails guaranteeing adequate elastic andpost-elastic capacity of elements and theresisting system.

Principles recently introduced for a seis-mic-resistant project system are mainlybased on control of the response to beassessed regarding movement and capacityto dissipate energy. New passive seismicprotection technologies, such as base isola-tion and energy dissipation, modifying build-ing performance by exalting it, establish newcorrelations between, shape, structure andperformance. This leads to the need to sin-gle out new guiding principles for the archi-tectural design of seismic-resistant buildings,whereby applying certain morphologicalcharacteristics, traditionally considered notappropriate, can even become subordinate.

MORPHOLOGY

Generally, the concept of seismic-resist-ant architectural morphology must belooked for in the interpretation indicatedby Arnold and Reitherman [5] includingboth size and shape aspects, and articula-tion of structural and non structural ele-ments able to make the resistant complexuniform and regular. Global shape controlparameters for the building are:• size,• compactness,• symmetry, • regularity.

In the first prescriptions for buildings inthe seismic area [6] you find limits to thesize of the buildings as a whole, especiallyheight. With improved quality of materialsavailable, it was then understood that itwas not height in itself the negative factor(factor that can cause a considerableincrease in the oscillation period) but theheight width ratio, that is a global shapefactor on which the overturning possibilityand excess axial load (compression-trac-tion) of perimeter pillars depend.

Compactness and symmetry areimportant concepts for “capacity design”principle targets according to which in afixed base building all structural membersshould uniformly contribute to resistanceand dissipating energy. The two factors aremeant to both avoid stress concentrationand centrifuging and reduce dispersion ofmass barycentre and rigidness thus limitingtorsion effects. These obviously influence abuilding’s architectural morphology as theyplace substantial limits on its shape; a shapethat should be “simple” according to thefigure 1 diagrams, compared to the “com-plex” ones indicated instead in figure 2.

Shape uniformity and regularity helpavoid critical areas being created where anexcessive demand for resistance or ductili-ty could rapidly lead to collapsing. These

criteria also introduce strict limits that thenaffect the morphological conception asthey strictly regulate shape, mass, stiffnessand strength variations, both at the baseand along the entire height of the building,till they exclude solutions, like the “softstorey” one, emblematic of many architec-tural designs.

TECHNOLOGY

Technology is also an important factorwhen configurating a quake-resistant sys-tem, related to the characteristics of build-ing materials, affected both by vertical grav-ity actions and by horizontal, seismic ones.The best use of materials can lead to creat-ing specific building and structural elementconfigurations. From the very first largestructures built by man you can see that“shape is the material” [7]: just think of thepyramids built in different civilisations (Fig.3) or today’s use of a light, resistant materi-al like steel meaning the presence of slen-der elements requiring bracing structures,or stillmaterial with no traction resistancelike brickwork leading to the building ofquake-resistant wall systems.

STRUCTURAL SOLUTION AND

AESTHETICAL SOLUTION

Normally, the structural solution doesnot influence and does not determine abuilding’s morphology. It often representsone of the components of the complexbuilding system and can only become adetermining factor following a specificarchitectural choice in that direction. Inspecial cases, of which arches and vaults(Fig. 4-5) are an example, the structuralsolution determines morphology. On thecontrary, in some architectural solutions

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ARCHITECTURALMORPHOLOGY ANDSTRUCTURAL CONFIGURATIONS


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(Fig. 5), morphology is only determined byaesthetical, expressive considerations, sothe structure becomes a simple invisible,not even imaginable, support.

NEW CONFIGURATION PRINCIPLES

New, more advanced seismic protec-tion systems of the passive type, such asseismic isolation and dissipation systems,also like the active, hybrid ones, inform“conceptual design” [8,9,10] introducingcompletely different concepts, at timeseven contrasting, to traditional design.These concepts are: • deformability,• movement,• discontinuity,• visible devices,• shape,• occupant comfort.

Deformability (Fig. 7) is necessary in sit-uations where dissipating devices areinserted in structural mesh to dissipateenergy along with the movements of themain resistant system (sliding betweenadjacent storeys). In this case, movementsbetween nodes connected by the devicescause considerable energy dissipation, thusreducing the size of the structuralresponse.

Other situations need to let move-ments, that is the capacity of the buildingor parts of it, to change its position in thespace (Fig. 8), countering the Vitruvian con-cept of firmitas. In this way, you can dissi-pate considerable energy, thanks to theplastic or viscous deforming of devicesmounted between building and ground, orbetween different portions in relativemotion.

Discontinuity is associated to the capac-ity of movement and is a new architecturaldesign topic. The continuity solutions per-

mitted by movement can present them-selves in different situations (Fig. 9).

Device visibility must also be consid-ered a new architectural design topic.These objects can be made of materials,like rubber, that are far removed from thedesigner’s normal imaginary. They can bemechanisms or real machines, hidden like abuilding’s performance secret, but can alsobe presented as “justified” elements whenseeing the building (Fig. 10), or even high-lighted as an expression of its seismic-resistant capacity (Fig. 11).

Shape must be linked to the new seis-mic protection systems based on two fun-damental principles. Firstly, it must optimiseperformance of both the protection sys-tem used and the main structure. This canmean specific criteria to be singled out foreach configuration [11], and can also leadto new morphologies (Fig. 12, [12,13]). Onthe other hand, formal conception can alsobe freed of limits imposed by traditionalperformance requirements. In particular,new seismic protection systems stronglylimit the requests for regularity and unifor-mity as they can be designed to fit regulat-ing effects into the structure reducingstress concentration and demands for duc-tility [14,15].

Finally, we must note that the deforma-bility requirement for a building tends toreduce the horizontal acceleration ofstoreys, generally producing comfort bene-fits for people, as it reduces the seismicmotion perception. On the contrary,excessive movements can have negative ill-being or even panic effects due, for exam-ple, to the sensation that the horizon ismoving. So, movement characteristics mustbe assessed carefully during the designstage.

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