1. NHAZCA OPEN DAY
ROMA
31 – 01 – 2013
Preservation of Cultural Heritage
P. Clemente
2. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
Roma, Sapienza Università di Roma, 31 gennaio 2013
INTRODUCTION
Monuments = the witnesses of history and of the historical environmental
phenomena, whose knowledge requires several centuries of observations
Earthquakes: the return periods used in the structural design are very long
History of Italian seismicity: reconstructed also thanks to the historical
documents, which reported descriptions about the damages of several
monuments
The analysis and interpretation of the historical documents should also
accounting for all the changes occurred on it, due to:
Material degradation
Changes in loads, Seismic actions, Traffic-induced vibrations
Presence of other buildings
Historical Analysis
Analysis in the present situation (experimental and numerical analyses)
Check of the present structural capacity
Choice of a suitable intervention
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3. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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ENEA: CASE STUDIES
Monuments
Flaminio Obelisk
Antonina Column
Traiana Column
Colosseum
Minerva Medica Templum
Tempio Rotondo at Foro Boario
Duomo of Orvieto Historical Centres
Lateran Obelisk Theatre building in Cerreto di Spoleto
CEDRAV building in Cerreto di Spoleto
Historical buildings Marchesale Palace in S. Giuliano di P.
Hospidal of Pievepelago Orsini Palace in Morlupo
Villa Farnesina in Rome C3 building in S. Giuliano di P.
Civicl Tower in S. Martino in Rio
Bell Tower at S.Giorgio in Trignano
Basilica S. Maria Infraportas a Foligno
S. Giuliano Church in S.Giuliano
Piazza Italia School in Lagonegro
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4. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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FLAMINIO OBELISK
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5. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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MONUMENTS: VELOCITY VALUES
Monument Basement Top
Effective Peak Effective Peak
values values values values
Arco di Costantino 0,097 0,340 0,210 0,283
Tempio di Minerva 0,115 0,379 0,711 2,210
Colonna Antonina 0,026 0,064 0,130 0,284
Colonna Traiana 0,033 0,094 0,340 0,478
Anfiteatro Flavio 0,122 0,155 0,121 0,325
Trofei di Mario 0,072 0,128 0,069 0,245
Terme di Caracalla 0,032 0,075 0,164 0,395
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6. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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COLOSSEUM
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MINERVA MEDICA TEMPLUM
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8. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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LATERAN OBELISK
Mode 1 NS Mode 2 WE Mode 3 NS Mode 4 WE
f = 1.27 Hz f = 1.27 Hz f = 6.15 Hz f = 6.73 Hz
surface
underground
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9. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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VILLA FARNESINA
0.04
Verticale
0.03 Trasversale
Acc. (g)
Longitudinale
0.02
0.01
0
C D E F G
Punto di applicazione dell'impulso
1
Vel. (mm/sec) - P/Q/R/S
0.8
Verticale
0.6 Orizzontale
0.4
0.2
0
P Q R S
1
Vel. (mm/sec) - Verticale
0.8
P/Q/R/S
0.6 P"/Q"/R"/S"
0.4
0.2
0
P Q R S
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10. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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MASONRY ARCH BRIDGES
0.10 0 .0 4 5 5
0 .0 4 0
Shake table 0 .0 3 5
C H 1 -C H 8 C 1
0.05 C 4 4
0 .0 3 0
Frequency (Hz)
C 7
CSD
0 .0 2 5
Acc. (g)
0.00 0 .0 2 0 C 9 3
5 10 15 20 25 0 .0 1 5
-0.05 0 .0 1 0
2
0 .0 0 5
0 .0 0 0
-0.10
0 5 10 15 1
Time (s)
-0.15 180
0
Phas e Factor
90
0.0015 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9
Shake table 0
20
-90
PSD (g^2/Hz)
0.0010 16
-1 80
Damping (%)
0 5 10 15
1 .0
12
0.0005
Cohere nce
8
0 .5
0.0000 4
0 5 10 15 20 25 0 .0
0
Freq. (Hz) 0 5 F re q . (H z) 10 15
C1 C4 C7 C9
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11. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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HOSPITAL, PIEVEPELAGO (MODENA)
1.50E+02
1.00E+02 A8
Acc (cm/s^2)
5.00E+01
0.00E+00
-5.00E+01 7 9 11 13 15
-1.00E+02 t (s )
-1.50E+02
2.00E+02
1.50E+02 A9
Acc (cm/s^2)
1.00E+02
5.00E+01
0.00E+00
-5.00E+01 7 9 11 13 15
-1.00E+02 t (s )
-1.50E+02
6.00E+01
A1x
Acc (cm/s^2) 4.00E+01
2.00E+01
0.00E+00
-2.00E+01 7 9 11 13 15
t (s)
-4.00E+01
6.00E+01
4.00E+01 A1y
Acc (cm/s^2)
2.00E+01
0.00E+00
-2.00E+01 7 9 11 13 15
-4.00E+01 t (s)
-6.00E+01
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12. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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BELL TOWER OF S.GIORGIO CHURCH, TRIGNANO
Ch5 Ch6
Ch4
3 cm offset
N
Ch2 Ch1
W E
Ch3
3.00E+02
S
1.E+00 3.2
2.70E+02
CH6 IA Freq. 1
2.40E+02 1.E-01
I [1-20]
3.0 Freq. 2
2.10E+02
I [5-10] y = -0.0512Ln(x) + 2.5272
Frequency (Hz)
CH5 1.E-02
Acceleration (cm/s^2)
1.80E+02
I [1-5] 2
2.8 R = 0.9366
IA (cm/s)
1.50E+02 1.E-03
CH4
1.20E+02
1.E-04 2.6
9.00E+01
CH3
6.00E+01 1.E-05
2.4 y = -0.0687Ln(x) + 2.215
CH2 2
3.00E+01 R = 0.9461
1.E-06
0.00E+00
2.2
1.E-07
-3.00E+01 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00
5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Time (s)
Earthquake Number IA (cm/s)
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13. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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S. FRANCESCO IN ASSISI: SMA
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DUOMO OF ORVIETO
Vel. (mm/s) ORV03301
1.5E-01
1.0E-01 a)
5.0E-02
0.0E+00
-5.0E-02
-1.0E-01
0 10 Time (s) 20 30
Vel. (mm/s) ORV03305
3.0E-01
2.0E-01 b)
1.0E-01
0.0E+00
-1.0E-01
-2.0E-01
0 10 Time (s) 20 30
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15. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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CEDRAV, CERRETO DI SPOLETO
2,0E-02
Vel. (mm/s)
1,0E-02 a) Ch09
0,0E+00
-1,0E-02
-2,0E-02
0 10 Time (s) 20 30
3,0E-01
Vel. (mm/s)
2,0E-01 b) Ch09
1,0E-01
0,0E+00
-1,0E-01
-2,0E-01
-3,0E-01
0 10 Time (s) 20 30
1,0E-01
Vel. (mm/s)
5,0E-02 c) Ch09
0,0E+00
-5,0E-02
-1,0E-01
8 10 12 Time (s) 14 16
0,1 4,0E-03
cdrvch11 cdrvch28
Acc. (g)
2,0E-03
Vel. (m/s)
0 0,0E+00
-2,0E-03
-4,0E-03
-0,1
13 15 17 19
8 9 10 11Time (s) 12 13 14 15 Time (s)
0,1 8,0E-03
cdrvch09 4,0E-03 cdrvch15
Vel. (m/s)
Acc. (g)
0 0,0E+00
-4,0E-03
-0,1 -8,0E-03
8 9 10 11 Time (s) 12 13 14 15 13 15 17 19
Time (s)
0,1 4,0E-03
cdrvch01 cdrvch06
Acc. (g)
2,0E-03
Vel. (m/s)
0 0,0E+00
-2,0E-03
-4,0E-03
-0,1
13 15 17 19
8 9 10 11 Time (s) 12 13 14 15 Time (s)
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16. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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LOCAL SEISMIC RESPONSE
stazione velocimetrica della configurazione in dorsale faglie certe
stazione velocimetrica della configurazione in piana faglie presunte
stazione accelerometrica della rete fissa ENEA
CERRETO
delibera MUNICIPIO colonia
faglia
municipio
cedrav
CERRETO
TORRE
riferimento
provinciale
CERRETO
CAMPO
cacciatore
case popolari
campo
sportivo
misia
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17. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
Roma, Sapienza Università di Roma, 31 gennaio 2013
LOCAL SEISMIC RESPONSE
stazione velocimetrica della configurazione in dorsale faglie certe
stazione velocimetrica della configurazione in piana faglie presunte
stazione accelerometrica della rete fissa ENEA
CERRETO
delibera MUNICIPIO colonia
faglia
municipio
cedrav
CERRETO
TORRE
riferimento
provinciale
CERRETO
CAMPO
cacciatore
case popolari campo
sportivo
misia
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18. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
Roma, Sapienza Università di Roma, 31 gennaio 2013
LOCAL SEISMIC RESPONSE
stazione velocimetrica della configurazione in dorsale faglie certe
stazione velocimetrica della configurazione in piana faglie presunte
stazione accelerometrica della rete fissa ENEA
CERRETO
delibera MUNICIPIO colonia
faglia
municipio
cedrav
CERRETO
TORRE
riferimento
provinciale
CERRETO
CAMPO
cacciatore
case popolari campo
sportivo
misia
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19. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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PALAZZO MARGHERITA, L’AQUILA
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20. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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HISTORICAL BUILDINGS
Designed without accounting for the seismic actions
Vulnerable even to moderate events;
Often characterized by:
irregular shape, both in plan and in elevation,
not effective vertical connections between the walls,
in-plane flexibility of floor slabs,
shallow foundations.
Seismic rehabilitation is quite delicate:
The safety factor should be high enough due to the daily
presence of tourists;
The original monumental characteristics, identity and
historical value should be preserved.
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21. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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TRADITIONAL TECNIQUES
Are based on the increasing of strength and ductility,
Are not suitable for the seismic rehabilitation of cultural heritage
buildings:
Are often not reversible
Make use of materials different and incompatible with the
original ones
Determine changes in the original structural conception
Besides:
Under earthquakes of high intensity, they can just guarantee
against the collapse
They cannot avoid heavy damages to structural and non-
structural elements
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22. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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SEISMIC ISOLATION
Is a suitable solution for the rehabilitation of historical structures
Aims to reduce seismic actions,
Avoid significant damages to the structure and its contents even
under strong earthquakes,
Presents very low interference with the structure itself.
Seismic isolation was already used in the retrofit of existing
historical buildings
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23. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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CITY HALL IN SAN FRANCISCO
Destroid by the earthquake of 1906
Recostructed in 1912
Damaged during the earthquake of
Loma Prieta in 1989
Retrofit, 2000 (530 LRB, 62 SD)
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24. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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SCHOOL BUILDING IN VANADZOR, ARMENIA
Masonry building 4 levels (55 years)
Retrofit, by means of “Medium Damping
Rubber Bearings” (MDNB),
2002
(courtesy by prof. M. Melkumyian)
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25. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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IRAN BASTAN MUSEUM (TEHRAN)
Onset of damage
agi = 0.024g
Collapse
agi = 0.24 g
PGA
ag = 0.5 g
(P. Clemente, A. Santini, M.G. Ashtiany)
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26. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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BASE ISOLATION AT THE FOUNDATION LEVEL
Insertion of the isolation devices:
just below the ground level of the building or
just under the foundations
This solution:
requires traditional work,
is not very expensive,
But presents the disadvantages of
requires the modification of the foundations,
is not reversible.
It is not always applicable in practice for historical constructions.
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27. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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S.I. STRUCTURE FOR EXISTING BUILDINGS
International patent by P. Clemente, A. De Stefano, G. Barla
Isolated platform under the foundations of the building, without
touching the building itself Earth
Gap
Rigid
connection
External Upper cilindrical
wall Internal sector
wall
Isolators Lower cilindrical sector
Inserted after removal of the Pipes inserted by means of auger boring
special elements of the pipes or micro-tunnelling technique; D ≥ 2 m
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28. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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SISEB: INSERTION OF THE PIPES
excavation of a trench at one side of the building
Insertion of horizontal pipes by means of auger boring or micro-
tunnelling (no dig techniques);
Diameter of pipes ≥ 2 m, to allow the inspection.
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29. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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SISEB: SPECIAL PIPES
Have a particular shape;
Are composed of two portions,
the lower and the upper sectors,
respectively, which are connected
by means of removable elements:
Red elements: where the
isolators will be inserted
Grey elements
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30. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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SISEB: ISOLATION DEVICES
Removal of the connection elements (red) placed in correspondence of
the isolation devices;
Joining each pipe with the two adjacent ones (r. c. elements);
Positioning of the isolation devices;
Joining of the upper adjacent sectors at the isolator places;
Removal of the other connection elements (grey), so the lower and
upper sectors are definitely separated;
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31. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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SISEB: VERTICAL WALLS
Vertical walls along the four sides;
Rigid connection between the building and the isolation system, by
means of a concrete slab or other;
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32. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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CONCLUSIONS
New isolation system for the seismic retrofit of existing
buildings, based on the realization of a isolated platform under
the building foundation.
The building and its architectural aspect are not changed and so
are the underground levels;
Historical centers: also for complex structure.
Tunnels for pedestrian or vehicles.
Existing chemical and power production plants, including the
nuclear ones, in which separate buildings or components are
connected by complex lifelines, pipes and other links
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33. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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PREVENTION = INFORMATION
BUILDINGS OPEN TO THE PUBLIC AND WITH A RELEVANT
PRESENCE OF TOURISTS
NON ANTI-SEISMIC
BUILDING
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34. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
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ENEA - ANDIL BUILDING AT SULMONA
Nuovo Centro Servizi Comunali:
muratura in laterizio con isolamento sismico
architettura basata sull’uso di un materiale strutturale affidabile e
di moderne tecnologie antisismiche,
risposta in termini di eccellenza ai parametri previsti dalla
normative per l’efficienza energetica e la sostenibilità ambientale.
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35. NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturale
Roma, Sapienza Università di Roma, 31 gennaio 2013
END
Thank You
PAOLO CLEMENTE – PRESERVATION OF CULTURAL HERITAGE