Characterization and optimization of sliding pendulum with special material and application to antiseismic hospitals

For high sensitive structures, whose integrity is of vital importance in a society’s survival capability, the need of preserving full operation without any damages to both structural and non structural elements during a seismic event suggests the use of base isolation. Between the multiple choice the sliding pendulum system is proposed and analyzed in the thesis’ work. The seismic performance of the sliding pendulum depends on the friction of the sliding surfaces. Advantages and disadvantages of state of art materials for the sliding surfaces are discussed and the need for a novel material with enhanced properties in terms of thermal stability of the coefficient of friction is pointed out, in order to cope with the huge temperatures developed at the sliding surface during seismic loading in presence of high speeds and high friction forces. The sliding material is deeply characterized for its mechanical and tribological properties and its suitability for use in seismic isolators assessed by means of a custom procedure. A new model accounting for velocity, pressure and cycling dependence is proposed and a simplified method for linear analyses is eventually proposed and justified. Finally sliding pendulum isolators with the characterized sliding material are used in numerical analysed of San Giovanni Rotondo hospital and their performance is evaluated based on the absence of damage to non structural elements of the isolated building.

Le strutture ospedaliere costituiscono una risorsa di importanza strategica per la gestione della emergenza post-sismica, e la cui funzionalità dopo un terremoto è una misura fondamentale della capacità di resilienza di una società. Attraverso la tecnica dell’isolamento sismico diventa possibile, anche in caso di terremoti di forte intensità, evitare significativi danni agli elementi sia strutturali che non strutturali, come gli impianti, gli arredi e le apparecchiature medicali ivi contenute, garantendo così la funzionalità degli edifici anche dopo l’evento. Fra le diverse soluzioni oggi disponibili per realizzare l’isolamento sismico si ritiene che gli isolatori di tipo pendolare (“sliding pendulum isolators”) possano rappresentante una efficace soluzione per le strutture ospedaliere, anche se ad oggi il loro utilizzo per questo tipo di strutture vede solo pochissime applicazioni. Una dettagliata analisi di vantaggi e svantaggi di questo dispositivo, mette infatti in luce come i principali limiti siano attualmente imputabili ai materiali oggi utilizzati nelle superfici di strisciamento. Esistono infatti problematiche legate al riscaldamento delle superfici per attrito: la resistenza caratteristica dei materiali plastici si riduce all’aumentare della temperatura, e si ha, inoltre, un decadimento dell’attrito con conseguente diminuzione dell’energia dissipata. Per ovviare a questi limiti sono stati recentemente proposti materiali innovativi, e su uno di questi si concentra la presente tesi. Il materiale è sottoposto ad una accurata caratterizzazione, per la quale è stata proposta e sviluppata una nuova procedura sperimentale, finalizzata a determinare le sue caratteristiche meccaniche e di attrito in condizioni rappresentative dell’impiego negli isolatori sismici. È stato quindi formulato un modello costitutivo che descrive la dipendenza del coefficiente di attrito dalla pressione, dalla velocità e dal degrado ciclico, e assieme è stato proposto e giustificato un metodo semplificato per l’esecuzione di analisi lineari. Infine le caratteristiche di isolatori di tipo pendolare con il nuovo materiale sono stati utilizzati nelle analisi numeriche condotte nel progetto preliminare di rifunzionalizzazione del complesso ospedaliero ‘Casa sollievo della Sofferenza’ di San Giovanni Rotondo e la loro performance validata sulla base di assenza di danno sugli elementi non strutturali dell’edificio isolato.