Design, mechanical modelling and testing of innovative seismic isolation devices

Abstract

This work takes a pioneering approach to a bio-inspired design of seismic isolation systems. There is a growing demand for tunable seismic isolation devices to be widely used in developing countries at affordable cost. This thesis work employs architecture materials concepts and a bio-inspired design approach to formulate, manufacture, and experimentally test a novel seismic isolator. The unit cell of the analyzed device is formed by rigid linkages mimicking the bones of the limbs of the human body, which are connected to a central post through stretchable tendons. The central post carries the vertical load transmitted by the superstructure and can slide against the basis of the system. This seismic ‘sliding-stretching’ isolator dissipates mechanical energy via friction and the pseudo-elastic recentring force of the tendons. Its displacement capacity can be finely tuned through an optimized design of the geometry of the limb members, while dissipative effects can be adjusted for the application at hand by playing with the geometry, the training cycles, and the material of the tendons. It can be manufactured in-house using 3D printers and metallic parts provided by local metal framing companies or online suppliers, and hence does not require heavy industry or expensive materials. Its development paves the way to a customizable approach to the protection of artworks, small houses, and essential equipment in industrialized and developing countries. .. [edited by Author]

Questo lavoro riguarda la progettazione di un dispositivo di isolamento sismico innovativo, bio-ispirato. Ad oggi, vi è una crescente domanda di dispositivi di isolamento sismico che possono essere regolati a seconda delle esigenze, da poter utilizzare nei paesi in via di sviluppo a costi accessibili. Questo lavoro di tesi impiega concetti architettonici e un approccio progettuale bio-ispirato per progettare, produrre e testare sperimentalmente un isolatore sismico innovativo. La cella unitaria del dispositivo analizzato è formata da connessioni rigide che imitano il movimento delle ossa degli arti del corpo umano, ricollegati ad un elemento centrale attraverso elementi estensibili, che fungono da tendini. L’elemento centrale sostiene il carico verticale trasmesso dalla sovrastruttura e può scorrere rispetto alla base del sistema. Questo isolatore sismico "scorrevoleallungante" dissipa l'energia meccanica attraverso l'attrito e la forza di ricentraggio pseudo-elastica dei tendini. La sua capacità di spostamento può essere regolata con precisione attraverso una progettazione basata sull’ottimizzazione della geometria degli elementi dell'arto, mentre gli effetti dissipativi possono essere regolati agendo sulla geometria, sui cicli di precarico e sul materiale degli elementi estensibili (“tendini”). Questo dispositivo può essere prodotto interamente utilizzando delle stampanti 3D ed elementi metallici forniti da aziende locali o da venditori online, e quindi non richiede l'industria pesante o materiali costosi. Il suo sviluppo apre la strada ad un approccio personalizzabile della protezione di opere d'arte, di piccoli edifici e attrezzature essenziali nei paesi industrializzati e in via di sviluppo. .. [a cura dell'Autore]