Progettazione sismica avanzata: implementazione e valutazione delle performance di diversi sistemi di isolamento sismico in un caso studio

21 Ott

AUTORE: Michael Mattia Cottin

TUTOR: Prof. Marco Zucca, Prof. Crespi

MASTER: “Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili”

 

Da ormai qualche decennio le tecniche di isolamento sismico hanno visto, nel mondo, numerose applicazioni, in modo particolare a seguito del terremoto di Kobe del 1995, in Giappone, dove vi fu evidenza di come le strutture con isolatori sismici erano rimaste perfettamente integre a seguito dell’evento sismico.

In tempi più recenti il tema dell’isolamento sismico ha iniziato anche ad essere analizzato rispetto al tema della sostenibilità ambientale, dal momento che permette di evitare, nella quasi totalità dei casi, la demolizione di edifici a seguito di un terremoto.

Questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di valutare i miglioramenti, prodotti dall’uso di alcuni di questi dispositivi, e di confrontare i risultati ottenuti rispetto ad una stessa struttura non isolata. In particolare, si mettono a confronto le performance, dello stesso edificio, in relazione alle seguenti diverse opzioni progettuali:

  • Edificio non isolato
  • Edificio isolato con isolatori elastomerici ad alta dissipazione (HDRB)
  • Edificio isolato con isolatori in gomma – piombo (LRB)
  • Edificio isolato con isolatori a pendolo scorrevole (PS)

Allo scopo di effettuare una valutazione quantitativa, oltre che qualitativa, delle performance di ogni opzione progettuale, sono stati valutati i vari sistemi in relazione a:

  1. Drift interpiano
  2. Sollecitazioni negli elementi strutturali

Figura 1 – Drift di interpiano, esempio di confronto tra edificio con e senza sistema di isolamento alla base

 

Il lavoro è stato strutturato in modo da individuare, a partire dallo stesso modello di edificio, la risposta dello stesso nei quattro diversi casi oggetto di analisi.

Si è proceduto secondo i seguenti step:

  • è stato modellato e verificato l’edificio, in relazione alle NTC18, secondo la progettazione tradizionale, ovvero senza dotare l’edificio di alcun dispositivo di isolamento. Questo primo passaggio è servito a valutare il comportamento globale della struttura e la distribuzione delle sollecitazioni negli elementi strutturali, in base ai risultati ottenuti attraverso un software di analisi agli elementi finiti, allo scopo di avere un riferimento numerico di base, da utilizzare come metro di confronto per i casi successivi

Figura 2 – Sollecitazioni nei setti strutturali estratte dal software di calcolo

 

  • è stato modellato l’edificio dotandolo di isolatori (nelle tre diverse opzioni progettuali: HDRB, LRB, PS) ed è stato analizzato, attraverso lo stesso software, per ottenere i valori numerici del drift di interpiano e delle sollecitazioni negli elementi, individuati come key performance parameters di progetto.
  • sono stati poi analizzati criticamente i risultati, in relazione ai KPI precedentemente scelti, ed è stata individuata l’opzione progettuale caratterizzata dalla migliore risposta al sisma di progetto.
  • il lavoro si conclude con la scelta di un dispositivo, da catalogo, avente le caratteristiche geometriche e prestazionali derivate dal calcolo effettuato. La scelta è ricaduta su un isolatore a pendolo scorrevole modello RESTON PENDULUM PD (Duplo) – PD – 4, che aderisce perfettamente alle caratteristiche geometriche e di performance derivate dai calcoli.

Figura 3 – Isolatore RESTON PENDULUM PD (Duplo) – Scelta del modello da catalogo fornitore.

 

 

FOR THE INTERNATIONAL STUDENT

For several decades now, seismic isolation techniques have seen numerous applications around the world, particularly following the 1995 Kobe earthquake in Japan, where there was evidence of how structures with seismic isolators had remained perfectly intact following the seismic event.

In more recent times, the topic of seismic isolation has also begun to be analyzed with respect to the topic of environmental sustainability, since it allows us to avoid, in almost all cases, the demolition of buildings following an earthquake.

This thesis work aims to evaluate the improvements produced by the use of some of these devices, and to compare the results obtained with respect to the same non-isolated structure. In particular, the performances of the same building are compared in relation to the following different design options:

  • Non-isolated building
  • Building isolated with high dissipation elastomeric isolators (HDRB)
  • Building isolated with lead-rubber isolators (LRB)
  • Building isolated with frction pendulum isolators (PS)

 

In order to perform a quantitative, as well as qualitative, evaluation of the performance of each design option, the various systems were evaluated in relation to:

  1. Inter-storey drift
  2. Stresses in the structural elements

Figure 1 – Inter-storey drift, example of comparison between building with and without base isolation system

The work was structured in such a way as to identify, starting from the same building model, its response in the four different cases under analysis.

 

The following steps were followed:

  • the building was modeled and verified, in relation to the NTC18, according to traditional design, i.e. without equipping the building with any isolation device. This first step was used to evaluate the global behavior of the structure and the distribution of stresses in the structural elements, based on the results obtained through a finite element analysis software, in order to have a basic numerical reference, to be used as a comparison yardstick for subsequent cases.

Figure 2 – Stresses in the structural walls extracted from the calculation software

  • the building was modelled by equipping it with isolators (in the three different design options: HDRB, LRB, PS) and analysed, using the same software, to obtain the numerical values ​​of the inter-storey drift and the stresses in the elements, identified as key performance parameters of the project.
  • the results were then critically analysed in relation to the previously chosen KPIs, and the design option characterised by the best response to the project earthquake was identified.
  • the work concludes with the choice of a device, from the catalogue, having the geometric and performance characteristics derived from the calculation carried out. The choice fell on a sliding pendulum isolator model RESTON PENDULUM PD (Duplo) – PD – 4, which adheres perfectly to the geometric and performance characteristics derived from the calculations.

Figure 3 – RESTON PENDULUM PD (Duplo) isolator – Selection of model from supplier catalogue.