PAOLO CLEMENTE – PRESERVATION OF CULTURAL HERITAGE
NHAZCA Open Day – Fenomeni di intsbailità geologica e strutturaleRoma, Sapienza Università di Roma, 31 gennaio 2013
INTRODUCTIONMonuments = the witnesses of history and of the historical environmentalphenomena, whose knowledge requires several centuries of observations
Earthquakes: the return periods used in the structural design are very longHistory of Italian seismicity: reconstructed also thanks to the historicaldocuments, which reported descriptions about the damages of severalmonuments
The analysis and interpretation of the historical documents should alsoaccounting for all the changes occurred on it, due to: Material degradation Changes in loads, Seismic actions, Traffic-induced vibrations Presence of other buildings
Historical AnalysisAnalysis in the present situation (experimental and numerical analyses)Check of the present structural capacityChoice of a suitable intervention
PAOLO CLEMENTE – PRESERVATION OF CULTURAL HERITAGE
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ENEA: CASE STUDIESMonuments Flaminio Obelisk Antonina Column Traiana Column Colosseum Minerva Medica Templum Tempio Rotondo at Foro Boario Duomo of Orvieto Lateran Obelisk
Historical buildings Hospidal of Pievepelago Villa Farnesina in Rome 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
Historical Centres Theatre building in Cerreto di Spoleto CEDRAV building in Cerreto di Spoleto Marchesale Palace in S. Giuliano di P.
Orsini Palace in Morlupo C3 building in S. Giuliano di P.
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FLAMINIO OBELISK
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MONUMENTS: VELOCITY VALUES
Monument Basement Top
Effective values
Peak values
Effective values
Peak 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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COLOSSEUM
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MINERVA MEDICA TEMPLUM
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Mode 1 NS f = 1.27 Hz
Mode 3 NS f = 6.15 Hz
Mode 2 WE f = 1.27 Hz
Mode 4 WE f = 6.73 Hz
LATERAN OBELISK
surface
underground
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0
0.01
0.02
0.03
0.04
C D E F GPunto di applicazione dell'impulso
Acc
. (g)
VerticaleTrasversaleLongitudinale
Vel. (mm/sec) - P/Q/R/S
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
P Q R S
VerticaleOrizzontale
Vel. (mm/sec) - Verticale
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
P Q R S
P/Q/R/SP"/Q"/R"/S"
VILLA FARNESINA
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MASONRY ARCH BRIDGES
0
1
2
3
4
5
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9
Freq
uenc
y (H
z)
Shake table
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
5 10 15 20 25
Time (s)
Acc
. (g)
Shake table
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0 5 10 15 20 25Freq. (Hz)
PSD
(g^2
/Hz)
0 . 0 0 0
0 . 0 0 5
0 . 0 1 0
0 . 0 1 5
0 . 0 2 00 . 0 2 5
0 . 0 3 0
0 . 0 3 5
0 . 0 4 0
0 . 0 4 5
0 5 1 0 1 5
CSD
C 1C 4
C 7C 9
C H 1 - C H 8
- 1 8 0
- 9 0
0
9 0
1 8 0
0 5 1 0 1 5
Phas
e Fa
ctor
0 . 0
0 . 5
1 . 0
0 5 1 0 1 5F r e q . ( H z )
Coh
eren
ce
0
4
8
12
16
20
C1 C4 C7 C9
Dam
ping
(%)
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A1x
-4.00E+01
-2.00E+01
0.00E+00
2.00E+01
4.00E+01
6.00E+01
7 9 11 13 15t (s)
Acc
(cm
/s^2
)
A1y
-6.00E+01-4.00E+01-2.00E+010.00E+002.00E+014.00E+016.00E+01
7 9 11 13 15
t (s)
Acc
(cm
/s^2
)
A8
-1.50E+02-1.00E+02-5.00E+010.00E+005.00E+011.00E+021.50E+02
7 9 11 13 15
t (s)
Acc
(cm
/s^2
)
A9
-1.50E+02-1.00E+02-5.00E+010.00E+005.00E+011.00E+021.50E+022.00E+02
7 9 11 13 15t (s)
Acc
(cm
/s^2
)
HOSPITAL, PIEVEPELAGO (MODENA)
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3 cm offset
Ch3
Ch2 Ch1
Ch4Ch5 Ch6
S
EW
N
BELL TOWER OF S.GIORGIO CHURCH, TRIGNANO
y = -0.0687Ln(x) + 2.215R2 = 0.9461
y = -0.0512Ln(x) + 2.5272R2 = 0.9366
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00
IA (cm/s)
Freq
uenc
y (H
z)
Freq. 1Freq. 2
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65Earthquake Number
IA (c
m/s
)
IAI [1-20]
I [5-10]
I [1-5]
-3.00E+01
0.00E+00
3.00E+01
6.00E+01
9.00E+01
1.20E+02
1.50E+02
1.80E+02
2.10E+02
2.40E+02
2.70E+02
3.00E+02
5 10 15 20 25 30 35Time (s)
Acc
eler
atio
n (c
m/s
^2)
CH6
CH5
CH4
CH3
CH2
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S. FRANCESCO IN ASSISI: SMA
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DUOMO OF ORVIETO
-1.0E-01-5.0E-020.0E+005.0E-021.0E-011.5E-01
0 10 20 30Time (s)
Vel. (mm/s) ORV03301 a)
-2.0E-01-1.0E-010.0E+001.0E-012.0E-013.0E-01
0 10 20 30Time (s)
Vel. (mm/s) ORV03305b)
PAOLO CLEMENTE – PRESERVATION OF CULTURAL HERITAGE
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cdrvch11
-0,1
0
0,1
8 9 10 11 12 13 14 15Time (s)
Vel
. (m
/s)
cdrvch09
-0,1
0
0,1
8 9 10 11 12 13 14 15Time (s)
Vel
. (m
/s)
cdrvch01
-0,1
0
0,1
8 9 10 11 12 13 14 15Time (s)
Vel.
(m/s
)
-4,0E-03-2,0E-030,0E+002,0E-034,0E-03
13 15 17 19Time (s)
Acc
. (g) cdrvch06
-8,0E-03-4,0E-030,0E+004,0E-038,0E-03
13 15 17 19Time (s)
Acc
. (g)
cdrvch15
-4,0E-03-2,0E-030,0E+002,0E-034,0E-03
13 15 17 19Time (s)
Acc
. (g) cdrvch28
a) Ch09
-2,0E-02-1,0E-020,0E+00
1,0E-022,0E-02
0 10 20 30Time (s)
Vel.
(mm
/s)
b) Ch09
-3,0E-01-2,0E-01-1,0E-010,0E+001,0E-012,0E-013,0E-01
0 10 20 30Time (s)
Vel.
(mm
/s)
c) Ch09
-1,0E-01-5,0E-020,0E+00
5,0E-021,0E-01
8 10 12 14 16Time (s)
Vel.
(mm
/s)
CEDRAV, CERRETO DI SPOLETO
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riferimento
cedrav
municipiofaglia
coloniadelibera
provinciale
misia
campo sportivo
cacciatore
case popolari
CERRETO MUNICIPIO
CERRETO CAMPO
stazione velocimetrica della configurazione in dorsale
stazione velocimetrica della configurazione in piana
stazione accelerometrica della rete fissa ENEA
faglie certe
faglie presunte
CERRETO TORRE
LOCAL SEISMIC RESPONSE
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riferimento
cedrav
municipiofaglia
coloniadelibera
provinciale
misia
campo sportivo
cacciatore
case popolari
CERRETO MUNICIPIO
CERRETO CAMPO
stazione velocimetrica della configurazione in dorsale
stazione velocimetrica della configurazione in piana
stazione accelerometrica della rete fissa ENEA
faglie certe
faglie presunte
CERRETO TORRE
LOCAL SEISMIC RESPONSE
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riferimento
cedrav
municipiofaglia
coloniadelibera
provinciale
misia
campo sportivo
cacciatore
case popolari
CERRETO MUNICIPIO
CERRETO CAMPO
stazione velocimetrica della configurazione in dorsale
stazione velocimetrica della configurazione in piana
stazione accelerometrica della rete fissa ENEA
faglie certe
faglie presunte
CERRETO TORRE
LOCAL SEISMIC RESPONSE
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PALAZZO MARGHERITA, L’AQUILA
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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 dailypresence of tourists;
The original monumental characteristics, identity andhistorical value should be preserved.
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TRADITIONAL TECNIQUES
Are based on the increasing of strength and ductility,
Are not suitable for the seismic rehabilitation of cultural heritagebuildings:
Are often not reversible
Make use of materials different and incompatible with theoriginal ones
Determine changes in the original structural conception
Besides:
Under earthquakes of high intensity, they can just guaranteeagainst the collapse
They cannot avoid heavy damages to structural and non-structural elements
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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 evenunder strong earthquakes,
Presents very low interference with the structure itself.
Seismic isolation was already used in the retrofit of existinghistorical buildings
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Destroid by the earthquake of 1906Recostructed in 1912Damaged during the earthquake ofLoma Prieta in 1989Retrofit, 2000 (530 LRB, 62 SD)
CITY HALL IN SAN FRANCISCO
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Masonry building 4 levels (55 years) Retrofit, by means of “Medium Damping Rubber Bearings” (MDNB),2002(courtesy by prof. M. Melkumyian)
SCHOOL BUILDING IN VANADZOR, ARMENIA
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IRAN BASTAN MUSEUM (TEHRAN)
(P. Clemente, A. Santini, M.G. Ashtiany)
Onset of damageagi = 0.024g
Collapseagi = 0.24 g
PGAag = 0.5 g
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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.
BASE ISOLATION AT THE FOUNDATION LEVEL
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Internal wall
IsolatorsInserted after removal of the special elements of the pipes
Upper cilindrical sector
Lower cilindrical sectorPipes inserted by means of auger boring
or micro-tunnelling technique; D ≥ 2 m
Earth
Gap
S.I. STRUCTURE FOR EXISTING BUILDINGSInternational patent by P. Clemente, A. De Stefano, G. Barla
Isolated platform under the foundations of the building, without touching the building itself
External wall
Rigid connection
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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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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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SISEB: ISOLATION DEVICES
Removal of the connection elements (red) placed in correspondence ofthe 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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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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CONCLUSIONS
New isolation system for the seismic retrofit of existingbuildings, based on the realization of a isolated platform underthe building foundation.
The building and its architectural aspect are not changed and soare the underground levels;
Historical centers: also for complex structure.
Tunnels for pedestrian or vehicles.
Existing chemical and power production plants, including thenuclear ones, in which separate buildings or components areconnected by complex lifelines, pipes and other links
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PREVENTION = INFORMATION
NON ANTI-SEISMICBUILDING
BUILDINGS OPEN TO THE PUBLIC AND WITH A RELEVANT PRESENCE OF TOURISTS
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ENEA - ANDIL BUILDING AT SULMONANuovo Centro Servizi Comunali:muratura in laterizio con isolamento sismico
architettura basata sull’uso di un materiale strutturale affidabile edi moderne tecnologie antisismiche,
risposta in termini di eccellenza ai parametri previsti dallanormative per l’efficienza energetica e la sostenibilità ambientale.
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