perchè l’acciaio? perché la regolarità strutturale?
why steel? why a steel regular building?
L’acciaio è un materiale dalle eccezionali ca- pacità se confrontato con altri materiali da co- struzione come cemento armato, muratura, legno. L’acciaio è il materiale ‘perfetto’, ha un comportamento meccanico elasticolineare con elevata resistenza a trazione.
Se adeguatamente protette contro la corrosio- ne, le strutture in acciaio possono mantene- re un alto livello di affidabilità anche a lungo termine. Oggi può essere già considerato un materiale ‘storico’, in quanto spesso presente in molti edifici di importanza storico-artisti- ca e monumentale sotto forma di presidi per il consolidamento strutturale (principalmente catene per archi e volte o anti-ribaltamento di facciate) ma è al contempo un materiale forte- mente ‘innovativo’ per la capacità di incarnare i moderni principi di sostenibilità e reversibi- lità. Infatti, la struttura in acciaio costituisce un ‘sistema a secco’ (che consente all’edifi- cio nuovo di essere utilizzato quanto prima) e, quando l’edificio deve essere dismesso, la strut- tura in acciaio può essere smantellata o per re- alizzare un valore residuo significativo non conseguibile con altri materiali o per essere in toto o in parte riutilizzabile, risparmiando così i costi di smaltimento.
Valerio Alecci, Mario De Stefano
Università degli Studi di Firenze University of Florence
Structural steel has fundamental capabilities while compared with other construction ma- terials as reinforced concrete, masonry, tim- ber. Steel material is the ‘perfect’ one, it has a linear-elastic mechanical behavior withhigh tensile strength. Using modern techniques for corrosion protection, the use of steel provides structures having a long reliable life. Today, it can be considered a historic material, as it is often present in many masonry historical and monumental buildings in form of structur- al device (mainly iron-ties on arches, vaults, facades) but it is also very contemporary and ‘innovative’ embodying the principles of sus- tainability and reversibility. As a matter of fact, steel structure constitutes a ‘dry system’ (avail- able at the earliest possible date so that interi- or finishing can be advanced and the building occupied sooner)and,when the useful life of a steel structure is over, it can be disman- tled both realizing a significant residual val- ue not achievable with other materials and/or being usable again so saving disposing costs. But crucial property of steel is related to its capability to accommodate large deforma- tions beyond its elastic limit, giving impor- tant warnings (by evident deflections) before
memoria e tecnica • riccardo renzi • riccardo renzi 34
Ma una proprietà fondamentale dell’acciaio è legata alla sua capacità di assecondare gran- di deformazioni, ben oltre il suo limite elasti- co, generando importanti ‘avvertimenti’ (con evidenti deformazioni) prima di raggiungere le condizioni di collasso: è un materiale dut- tile! La duttilità è un requisito strettamente ri- chiesto alle strutture dalle moderne norme sismiche perché, in caso di terremoto, siffat- te strutture consentono grande dissipazione di energia e accettando limitati danneggiamenti. Ma, non solo per i problemi sismici…la capa- cità deformativa dell’acciaio e le sue perfor- mance sono estremamente preziose in caso di errori di progettazione, fenomeni di fatica, corrosione o creep. Può essere utilizzato per coprire grandi luci con un peso proprio rela- tivamente basso, generando spazi interni am- pi senza colonne intermedie e — eliminando le pareti portanti esterne — aree finestra- te molto grandi. Come noto, per gli architet- ti la struttura edilizia più desiderabile è quella meno invadente, in quanto produce la massi- ma superficie utile e grandi aree open-space. Di conseguenza, gli architetti amano l’accia- io strutturale perché consente loro la massima espressività e inventiva.
D’altra parte, l’uso delle tipiche strutture d’acciaio intelaiate evita la distribuzione ir- regolare di masse e rigidezze di piano (irre- golarità in pianta) e discontinuità di massa, rigidezza o resistenza lungo lo sviluppo al- timetrico dell’edificio (irregolarità in eleva- zione). L’irregolarità in pianta è dovuta ad
collapse conditions are reached: it is ductile! Ductility is a specific requirements of mod- ern seismic codes because, in case of seismic actions, it allows large energy dissipation and enough capacity to accommodate damages. But, not only for seismic issues…The capaci- ty of steel for plastic deformations is extremely valuable as a safeguard against design over- sight, failure by cracking due to fatigue, cor- rosion or creep.
It can be used to obtain long spans with a rel- atively low self-weight allowing column-free internal spaces and — eliminating the ex- ternal wall as load-bearing elements — very large window areas. For architects the most effective building structure is the one which is least obtrusive, producing maximum usa- ble floor area and large open-space areas. As a consequence, architects love structural steel because it allows their maximum expressive- ness and inventiveness be completely devel- oped. On another hand, the use of ‘common’ framed steel structures avoids uneven plan dis- tribution of earthquake-resistant structures or masses (plan irregularity) and mass, stiffness or strength discontinuities along the building height (vertical irregularity). Plan irregular- ity is due to a non-symmetrical plan, result- ing from a particular functional distribution of the spaces which leads to concentrate stiff- ness and/or strength on one side of the build- ing plan (stiff side) compared to the other side (flexible side). It may also be due to mass con- centration on one side of the building, which
perchè l’acciaio? perché la regolarità strutturale? • valerio alecci, mario de stefano• valerio alecci, mario de stefano 35
una distribuzione asimmetrica degli elemen- ti strutturali derivante spesso da una particola- re organizzazione funzionale degli spazi che porta a concentrare la rigidezza e/o la resisten- za su un lato dell’edificio (lato rigido) rispetto all’altro lato (lato flessibile). In caso di azioni sismiche, la risposta di un tale edificio è carat- terizzata da rotazioni dell’impalcato di piano (comportamento torsionale) con notevole au- mento della richiesta di duttilità su taluni ele- menti strutturali, portando quindi a danni o collassi prematuri e molto gravi.
L’irregolarità in elevazione è dovuta a varia- zioni di massa, rigidezza (e resistenza) lungo l’altezza dell’edificio, che provocano la forma- zione di piani soffici in cui può generarsi un prematuro collasso. Infatti, sia le irregolarità in pianta che in elevazione determinano una so- vra-richiesta sismica in taluni elementi struttu- rali che può portare al loro collasso prematuro, impedendo all’intera struttura dell’edificio di sfruttare appieno la propria capacità in termi- ni di duttilità. In effetti, gli eventi sismici degli ultimi decenni hanno mostrato l’alta vulnera- bilità degli edifici irregolari. L’irregolarità — concetto sconosciuto nell’architettura classica e postclassica — è divenuta una condizione particolarmente diffusa nell’architettura post- moderna e razionale. Infatti, i famosi ‘cinque punti’ dell’architettura di Le Corbusier hanno generato, per molti decenni, edifici altamente irregolari, caratterizzati da facciate libere, pia- ni soffici con colonne sottili (pilotis), alternati a piante completamente chiuse o aperte, fasce
becomes the flexible side. In case of seismic actions, building response is characterized by floor rotations (torsional behavior) with in- crease ductility demands on structural ele- ments often leading to very severe damage or collapse.
Vertical irregularity is due to sudden varia- tions in mass, stiffness (and strength) along the building height, which result in formation of soft/weak stories where an earlier collapse can develop due to concentration in member forc- es and ductility demands.
Both plan and vertical irregularities result in seismic over-demand into specific structures/ elements which can lead to their early col- lapse, while not allowing the entire building structure to exploit its full ductile capacity. As a matter of fact, seismic events of recent dec- ades showed the high vulnerability of irregular buildings. Building irregularity — unknown concept in the classical and post-classical ar- chitecture — became a particularly wide- spread condition in postmodern and rational architecture. In fact, the famous ‘five points’ of Le Corbusier’s architecture generated, for many decades, highly irregular buildings, characterized by free facades, soft stories with slim columns (pilotis), alternating to fully closed or/and opened floor plans, long strips of ribbon windows (and consequent short columns), etc. Otherwise, in the more re- mote past, wonderful ‘regular’ buildings were built, based on obvious structural and con- structive assumptions. In that period, architect
memoria e tecnica • riccardo renzi • riccardo renzi 36
lunghe di finestre a nastro (e conseguenti pila- stri tozzi), ecc. D’altro canto, nel passato più remoto, sono stati costruiti meravigliosi edifi- ci ‘regolari’, basati su ovvie ipotesi strutturali e costruttive. In quel periodo le figure dell’ar- chitetto e dell’ingegnere coesistevano e il loro contributo era perfettamente integrato. Que- sta condizione, che consente di integrare i pro- blemi architettonici e strutturali, ha avuto un ruolo cruciale per l’ottimizzazione del proget- to finale. Questo tipo di integrazione archi- tettura / struttura, auspicabile per il successo del progetto, è inoltre strettamente necessa- rio quando si progetta in zona sismica, dove la mancanza di integrazione architettura / strut- tura può comportare pesanti perdite in termi- ni di vite umane.
Negli ultimi decenni, l’apparente rigore (più da un punto di vista architettonico che strut- turale, come abbiamo evidenziato sopra) dei movimenti postmodernisti ha comportato una sorta di anarchia compositiva di cui l’architet- tura decostruttivista è la massima espressione. Il decostruttivismo è orientato verso soluzioni architettoniche basate sul concetto di ‘deco- struzione’ al posto di quello di ‘costruzione’, a favore di schemi non rigidi, forme non regola- ri e, più in generale, evitando regole geometri- che e, quindi, i canoni classici di simmetria e regolarità. Il risultato di questa filosofia è la cre- scente proliferazione di edifici esteticamente spettacolari, con forme audaci e di notevoli di- mensioni, sostenuti da una chiara propensione degli appaltatori e dei finanziatori a progettare
and engineer coexisted and their contribu- tion to the final project was perfectly integrat- ed. This condition, which allows architectural and structural issues to be perfectly integrated, played a crucial role for optimizing the final project. This kind of architecture/structure in- tegration, desirable for the success of the pro- ject, is strictly necessary when designing in seismic zone, where the lack of architecture/ structure integration can involve heavy losses in terms of human lives.
In the last decades, the apparent rigor (more from an architectural than structural point of view, as we highlighted above) of postmod- ernist movements involved a sort of com- positional anarchy whose deconstructivist architecture is the maximum expression. De- constructivism worked in pursuing archi- tectural solutions based on the concept of ‘deconstruction’ in place of ‘construction’, fa- voring non-rigid schemes, non-regular shapes and, more generally, avoiding geometric rules and classical canons of symmetry and regular- ity. The result of this philosophy is the grow- ing proliferation of aesthetically spectacular buildings, with audacious shapes and impres- sive dimensions, supported by a clear propen- sity of contractors and funders to design and realize buildings outside the traditional and classical rules, gaining a ‘status symbol func- tion’ and getting a positive impact on their brand image.
In this contest, it is not possible (and really desirable) to prevent the design of irregular
perchè l’acciaio? perché la regolarità strutturale? • valerio alecci, mario de stefano• valerio alecci, mario de stefano 37
e realizzare edifici al di fuori delle regole tra- dizionali e classiche, per assegnargli una sor- ta di ‘funzione di status symbol’ ed avendo così un ritorno quanto mai positivo in termini com- merciali. In questo contesto, non è possibile (e neppure auspicabile) evitare la progettazione di edifici irregolari ma è necessario lavorare af- finché i progettisti conoscano le conseguen- ze della loro progettazione architettonica su un piano propriamente sismico e, più in ge- nerale, strutturale. Il progettista architettonico dovrebbe quindi avere una ‘formazione sismi- ca’, con l’obiettivo non di impedire la sua tota- le libertà di espressione compositiva ma con lo scopo di renderlo edotto e consapevole degli effetti che le sue scelte formali ed architettoni- che possono avere in un ambito sismico.
buildings while it has to be pursued that de- signers know the consequences of their archi- tectural design on a seismic and, more generally, structural field. The architectural designer would achieve a ‘seismic’ training, with the aim at not forbidding his ambitions but at making him aware of the effects of his architectural choices.