Analisi dell’affidabilità sismica delle strutture isolate mediante dispositivi Friction Pendulum Bearings System

Abstract

The thesis investigates the seismic reliability of isolated structures with FPBs (Friction Pendulum Bearings) towards failure due to high vertical component excitation and friction coefficient variations. In the end, it has been studied the influence of the uncertainty of the input excitation on the vulnerability of complex structures such as viaducts in the case of different seismic isolation strategies application. The last seismic events (Christchurch 2011, L’Aquila 2009) have highlighted lacks in the actual design philosophies (PBD) due to the high structural damage experimented by structures. The Passive Control Technique of seismic response allows high structural performances respect to the one of fixed base structures, in this way making sustainable the repairing costs of structures in the case of medium high intensity seismic event. After introducing a rich bibliography on matemathical theory of base isolated structures, with some remarks on the state space formulation which allow to carry out modal analysis of non classically damped structures such as the one object of the study, on the mechanical and dynamical behavior of Friction Pendulum System device and on the current Technical Code in Italy (NTC08), it has been introduced the theme to be investigated. Being the FPS behavior related to the friction force, the seismic response can be affected by particular seismic event as near fault event characterized by high vertical component intensity of seismic excitation. Moreover the degradation of the sliding interface due to velocity, pressure and temperature variations can influence the seismic response of the device. To the scope of investigating the collapse phenomenon of the device, non linear dynamic analysis have been carried out through deterministic parametric methods with different near fault input excitations, on two different systems: the first described by a rigid superstructure and isolation system described by the Nagarajaiah model (1990), the second representative of a benchmark r.c. building of four levels (Almazan 2003). The subsequent stochastic analysis carried out by means of the use of Montecarlo simulation, taking advantage of the inversion method, on a system described by rigid superstructure and isolation system described by a rigid-plastic behavior with hardening, have highlighted the relation between the stochastic response and the uncertainty of the friction coefficient in the case of sinusoidal excitation. Finally, it has been investigated the vulnerability of bridge structures in different isolation system design configurations by using fragility analysis, carried out taking advantage of the Multi Stripes method (Baker 2014). Results show the probability of exceedance of the limit state considered variations taking into account the uncertainty of the input excitation. [edited by author]

Il lavoro di tesi ha indagato l’affidabilità sismica delle strutture isolate mediante dispositivi FPBs (Friction Pendulum Bearings) nei confronti dei fenomeni dello scalottamento e delle variazioni del coefficiente d’attrito che caratterizza l’interfaccia di scorrimento del dispositivo. In ultima analisi, è stata indagata l’influenza dell’aleatorietà dell’input in ingresso sulla vulnerabilità di strutture complesse quali viadotti nel caso di applicazione di differenti strategie di isolamento. Gli ultimi eventi sismici (Christchurch 2011, L’Aquila 2009) hanno evidenziato carenze nelle filosofie prestazionali attuali (PBD) a causa dell’elevato danneggiamento agli elementi strutturali sperimentato dalle costruzioni. Le tecniche di controllo passivo della risposta sismica consentono elevate prestazioni in termini di performance strutturali rispetto a quelle a base fissa, in tal modo rendendo sostenibili i costi di riparazione delle costruzioni in caso di eventi sismici di medio alta intensità. Dopo una ricca bibliografia sulla teoria matematica alla base delle strutture isolate, con cenni alla formulazione nello spazio degli stati che consente l’analisi modale di strutture non classicamente smorzate, sul comportamento meccanico e dinamico del dispositivo Friction Pendulum System e sulle attuali Norme Vigenti in Italia (NTC08), si è introdotta la problematica oggetto di studio. Essendo il comportamento del dispositivo FPS dipendente dalla forza d’attrito, la risposta sismica può essere affetta da particolari eventi sismici di tipo near fault caratterizzati da componenti verticali dell’eccitazione sismica di elevata intensità. Inoltre l’usura della superficie di scorrimento dovuta a variazioni di velocità, pressione e temperatura può influenzare la risposta sismica del dispositivo. Al fine di indagare il fenomeno dello scalottamento del dispositivo sono state condotte analisi dinamiche non lineari mediante metodologie deterministiche parametriche con differenti eccitazioni in ingresso di tipo near fault, su un sistema descritto da una sovrastruttura rigida e sistema di isolamento descritto dal modello di Nagarajaiah (1990), e su un sistema rappresentativo di un edificio benchmark in c.a. a 4 livelli (Almazan 2003). Inoltre, le successive analisi stocastiche condotte mediante l’utilizzo della simulazione Montecarlo, sfruttando il metodo dell’inversione, su un sistema descritto da sovrastruttura rigida e sistema di isolamento descritto da una legge attritiva rigido plastica con incrudimento, hanno messo in evidenza la dipendenza della risposta stocastica dall’aleatorietà del coefficiente d’attrito nei confronti di eccitazioni sinusoidali. Infine è stata indagata la vulnerabilità di strutture da ponte in differenti configurazioni di progetto del sistema di isolamento mediante analisi di fragilità condotte sfruttando il metodo Multi Stripes (Baker 2014). Esse mostrano le variazioni nella probabilità di superamento degli stati limite in considerazione dell’aleatorietà dell’input in ingresso. [a cura dell'autore]