Titolo della tesi: Analisi e modellazione di sistemi di isolamento sismico applicati ad un edificio in cemento armato. Confronto con la soluzione a base fissa
Master: Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili
Autore: Paolucci Chiara
Tutor: Prof. Crespi
La mitigazione degli effetti dei terremoti sulle costruzioni costituisce un elemento centrale nella progettazione strutturale dei nostri giorni, soprattutto in un Paese ad alta sismicità come l’Italia.
Tra le tecnologie più efficaci a questo scopo rientra l’isolamento sismico, che tramite dispositivi a bassa rigidezza orizzontale — come gli isolatori elastomerici — permette di aumentare il periodo proprio dell’edificio e di ridurre l’energia trasmessa alla sovrastruttura, separandone in parte il moto rispetto al terreno.
Tale beneficio si traduce in un abbattimento delle richieste di taglio e momento flettente ai vari livelli dell’edificio, una significativa diminuzione delle sollecitazioni interne e degli spostamenti di interpiano, garantendo al contempo limitati danni strutturali e non strutturali e continuità operativa anche dopo eventi sismici severi, concentrando le deformazioni in corrispondenza dei dispositivi.
Il presente elaborato approfondisce in dettaglio questi aspetti, ponendo l’attenzione sulla riduzione delle azioni sulle strutture grazie a sistemi di isolamento sismico alla base quali isolatori elastomerici HDRB e LRB, applicati a un edificio multipiano ad uso residenziale in cemento armato.
L’obiettivo principale è analizzare in maniera critica gli aspetti connessi all’impiego dell’isolamento sismico quale strategia di mitigazione nei confronti degli eventi sismici, con particolare riferimento a quelli caratterizzati da elevata severità.
A tal fine, si procede con la modellazione di un edificio a bassa duttilità con configurazione convenzionale a telaio a base fissa e alla sua verifica allo SLD.
Successivamente allo stesso modello si sostituiscono i vincoli di incastro alla base costituenti il piano di fondazione, con link elastici di rigidezza Dx, Dy e Dz rappresentanti i dispositivi di isolamento sismico, sia HDRB che LRB.
Il presente lavoro può essere quindi articolato in tre parti.
Nella prima parte si sviluppa la progettazione dell’edificio a base fissa, integrato da un’analisi dinamica modale finalizzata all’individuazione dei modi di vibrare significativamente partecipativi nelle direzioni principali del fabbricato.
In una seconda fase del lavoro, vengono progettati ed implementati due sistemi di isolamento sismico alla base, il primo mediante isolatori elastomerici HDRB (High Damping Rubber Bearings) e successivamente mediante isolatori LRB (Lead Rubber Bearings).
La modellazione di tali dispositivi viene effettuata attraverso un sistema lineare equivalente in quanto risultano rispettate le condizioni imposte dalle NTC-18, Par. 7.10.5.2 e EC8, Par. 10.9.2.
Si adotta pertanto una rigidezza equivalente riferita allo spostamento totale di progetto per lo stato limite in esame di ciascun dispositivo del sistema di isolamento.
La capacità dissipativa del sistema di isolamento invece è considerata mediante l’introduzione di uno spettro di risposta sovrasmorzato grazie al coefficiente di smorzamento viscoso equivalente.
I dati di progetto, al fine del corretto dimensionamento degli isolatori, sono la scelta del periodo proprio della struttura isolata e delle caratteristiche meccaniche della gomma, inoltre tale progettazione dei dispositivi viene condotta allo SLC (NTC-18, Par. 7.10.6.2.2).
Il comportamento degli isolatori è riprodotto nel modello numerico all’interno del software Midas Gen (Figura 1.) tramite elementi equivalenti a molle (Elastic link). Vengono definite pertanto le rigidezze orizzontale, verticale e rotazionale, permettendo di eseguire una analisi dinamica lineare, i cui risultati evidenziano una notevole riduzione delle sollecitazioni interne rispetto al modello a base fissa.
L’incremento del periodo proprio di oscillazione della struttura isolata, in accordo con l’andamento tipico degli spettri di risposta sismica, comporta una significativa diminuzione delle sollecitazioni trasmesse alla sovrastruttura.
L’introduzione del sistema di isolamento determina inoltre un efficace disaccoppiamento dinamico tra la sottostruttura, che segue il moto del terreno, e la sovrastruttura, che risponde quindi in modo più attenuato, riducendo così l’energia sismica trasmessa agli elementi strutturali superiori.
Le verifiche dei dispositivi di isolamento in termini di sollecitazioni sono eseguite allo SLC, successivamente vengono svolte verifiche secondo EN 15129:2009, verifiche di deformabilità allo SLD e di deformazioni e taglio allo SLV.
Nella fase conclusiva del lavoro, si procede al confronto tra i risultati delle analisi dei due modelli considerati (a base fissa e a base isolata con isolatori HDRB e LRB), mettendo in evidenza i benefici derivanti dall’adozione dell’isolamento sismico (Figura 2., Figura 3., Figura 4.). I risultati ottenuti dimostrano infatti come tale tecnologia consenta di raggiungere livelli di sicurezza e prestazioni globali superiori rispetto alle strutture tradizionali, confermando l’efficacia dell’isolamento sismico come strategia di protezione sismica avanzata.
Le tre soluzioni progettuali considerate risultano tutte praticabili; tuttavia, l’adozione dell’isolamento sismico alla base offre prestazioni decisamente superiori. Con questa configurazione infatti il comportamento globale dell’edificio durante il sisma è nettamente più favorevole rispetto alla soluzione tradizionale a base incastrata.
Di conseguenza, pur richiedendo un investimento iniziale più elevato per l’installazione dei dispositivi di isolamento, le spese che ci si può attendere negli anni per eventuali interventi di ripristino dopo un terremoto si riducono drasticamente.
Figura 1. – Deformabilità allo SLD
Figura 2. – Spostamenti ai piani allo SLV
Figura 3. – Taglio alla base (kN)
FOR THE INTERNATIONA STUDENT
Mitigating the effects of earthquakes on buildings constitutes a central element in modern structural design, especially in a highly seismic country such as Italy.
Among the most effective technologies for this purpose is seismic isolation, which, through low horizontal stiffness devices—such as elastomeric bearings—allows an increase in the building’s fundamental period and a reduction in the energy transmitted to the superstructure, partially separating its movement from that of the ground.
This benefit translates in a significant reduction in shear and bending moment demands at the building’s various levels, a substantial decrease in internal stresses and inter-story drifts, while ensuring limited structural and non-structural damage and operational continuity even after severe seismic events, by concentrating deformations at the devices level.
This paper delves into these aspects in detail, focusing on the reduction of actions on structures through base seismic isolation systems like HDRB (High Damping Rubber Bearings) and LRB (Lead Rubber Bearings) elastomeric bearings, applied to a multi-story residential building made of reinforced concrete.
The main goal is to critically analyse the aspects related to the use of seismic isolation as a mitigation strategy against seismic events, with particular reference to those characterized by high severity.
The procedure begins with the modelling of a low-ductility building with a conventional fixed-base frame configuration and its verification at the Damage Limit State (SLD).
Subsequently, the fixed-base constraints constituting the foundation level are replaced with elastic links of stiffness Dx, Dy, and Dz representing the seismic isolation devices, for both HDRB and LRB types.
The present work can therefore be organized into three parts.
In the first part, the design of the fixed-base building is developed, complemented by a modal dynamic analysis aimed at identifying the modes of vibration that significantly participate in the building’s principal directions.
In a second phase, two base seismic isolation systems are designed and implemented: the first using HDRB (High Damping Rubber Bearings) and subsequently using LRB (Lead Rubber Bearings).
The modelling of these devices is carried out using an equivalent linear system, as the conditions imposed by NTC-18, §7.10.5.2, and EC8, §10.9.2, are satisfied.
Therefore, an equivalent stiffness referred to the total design displacement for the limit state under consideration is adopted for each isolation device. The dissipative capacity of the isolation system is instead accounted for by introducing a highly damped response spectrum using the equivalent viscous damping coefficient.
The design data, for the correct sizing of the isolators, involves the selection of the fundamental period of the isolated structure and the mechanical characteristics of the rubber.
Furthermore, the design of these devices is conducted at the Collapse Limit State (SLC) (NTC-18, Par. 7.10.6.2.2).
The behavior of the isolators is reproduced in the numerical model within the Midas Gen software (Figure 1.) through equivalent spring elements (Elastic links).
The horizontal, vertical, and rotational stiffnesses are therefore defined, enabling the execution of a linear dynamic analysis whose results reveal a significant reduction in internal stresses compared to the fixed-base model.
The increase in the natural period of the isolated structure, in agreement with the typical trend of seismic response spectra, results in a substantial decrease in the forces transmitted to the superstructure.
The introduction of the isolation system also results in an effective dynamic decoupling between the substructure, which follows the ground motion, and the superstructure, which responds in a more attenuated manner, thus reducing the seismic energy transmitted to the upper structural elements.
The verification of the isolation devices in terms of stresses is carried out at the SLC, subsequently, verifications are carried out according to EN 15129:2009, deformability verifications at the SLD, and deformation and shear verifications at the SLV.
In the final phase of the work, a comparison is made between the results of the elastic analyses of the two models considered (fixed-base and base-isolated with HDRB and LRB devices), highlighting the benefits derived from adopting seismic isolation (Figures 2, 3, and 4).
The results obtained indeed demonstrate how this technology allows for reaching superior levels of safety and overall performance compared to traditional structures, confirming the effectiveness of seismic isolation as an advanced seismic protection strategy.
All three design solutions considered are feasible; however, the adoption of base seismic isolation offers significantly superior performance.
With this configuration, the overall behaviour of the building during an earthquake is markedly more favourable than the traditional fixed-base solution.
Consequently, although the installation of isolation devices requires a higher initial investment, the expected long-term costs for potential post-earthquake repairs are drastically reduced.
Figure 1. – Drift check (SLD)
Figure 2. – Story Displacement (SLV)
Figure 3. – Shear (kN)