Advanced tools for the design of sliding isolation systems for seismic-retrofitting of hospitals

Hospitals’ full operation after a major seismic event is of primary importance for the management of post-earthquake emergency. However, the traditional approach for earthquake-resistant structures based on strengthening the building structure may turn out not to be the optimal design strategy, because hospitals are characterized by a massive presence of non-structural components and valuable technological content (e.g. medical equipment) that are largely sensitive to displacements and accelerations induced by earthquakes. Since its introduction, base isolation strategy proved to be an effective solution for the protection of hospitals and hospital content from earthquake-induced damages,enhancing their resilience and entailing substantial decrease in time and cost of repair compared to a conventional fixed-base structure. Sliding isolators, over other devices, present some valuable advantages especially for the seismic retrofitting of existing buildings: high load-carrying and displacements capacity combined with compact dimensions, independence of the oscillation period on the mass of the superstructure, and minimization of torsional effects in case of asymmetric buildings. Nevertheless, in spite of the large diffusion worldwide occurred in the last decade, a full understanding of the performances, and limits, of sliding isolators has not been yet completely achieved. Shaded areas are the properties of the sliding materials, the behaviour of the isolator under real earthquakes rather than laboratory tests, and the unavailability of finite element formulations for structural analysis capable to represent the actual behaviour of the isolators in particular conditions (e.g. at breakaway and during long duration excitation). Within this framework, the scope of this research project is the development of new tools for the design of seismic retrofitting interventions of buildings with high technological content (with a focus on hospitals) by means of sliding isolation systems. The cornerstones of the study are: (1) the establishment of a FEM approach for the assessment of the frictional heating in sliding isolators; (2) the numerical investigation of the re-centring capability; (3) the improvement of an existing finite element formulation of the “isolator” element in order to reproduce both the resistance to sliding at breakaway and the decrease in damping due to the frictional heating; (4) proposal of a "step by step" procedure for the design of the isolation layout suitable for retrofitting interventions of strategic buildings by means of sliding isolators; (5) application of the proposed tools to a real case-study hospital.

La piena operatività degli ospedali dopo un evento sismico è di primaria importanza per la gestione dell’emergenza post-sisma. Tuttavia, poiché gli ospedali sono caratterizzati da una massiccia presenza di componenti non strutturali (es. apparecchiature mediche) che sono fortemente vulnerabili agli spostamenti e alle accelerazioni provocate dai terremoti, la progettazione antisismica tradizionale, basata sull’irrigidimento della struttura, potrebbe non essere la strategia ottimale. Fin dalle prime applicazioni, la tecnica di isolamento alla base si è dimostrata una soluzione efficace per la protezione sismica degli ospedali e dei relativi contenuti dai danni indotti dal terremoto, aumentandone la resilienza e riducendone i tempi e i costi di riparazione rispetto alle strutture tradizionali a “base fissa”. Gli isolatori a scorrimento, rispetto ad altri dispositivi, offrono alcuni vantaggi che sono molto importanti soprattutto negli interventi di adeguamento sismico di edifici esistenti: un’elevata capacità di carico e di spostamento nonostante le dimensioni compatte, l’indipendenza del periodo di oscillazione dalla massa della sovrastruttura e la minimizzazione degli effetti torsionali in caso di edifici asimmetrici. Eppure, nonostante la grande diffusione a livello mondiale che gli isolatori a scorrimento hanno avuto nell’ultimo decennio, una piena comprensione delle loro prestazioni e dei loro limiti non è stata ancora raggiunta. Le principali criticità conoscitive riguardano le proprietà dei materiali di scorrimento, il comportamento degli isolatori durante i terremoti reali (che potrebbe differire da quello misurato nelle prove di laboratorio) e la mancanza di formulazioni agli elementi finiti in grado di simulare il comportamento effettivo degli isolatori in condizioni particolari (es. primo distacco ed eccitazioni sismiche di lunga durata). In questo contesto, lo scopo di questo progetto di ricerca è lo sviluppo di nuovi strumenti per la progettazione di interventi di adeguamento sismico di edifici ad elevato contenuto tecnologico (in particolare ospedali) mediante sistemi di isolamento a scorrimento. I capisaldi dello studio sono: (1) la definizione di un approccio FEM per la valutazione del riscaldamento per attrito negli isolatori a scorrimento; (2) lo svolgimento di un'indagine numerica sulla capacità ricentrante di tali sistemi; (3) il raffinamento di una formulazione già esistente agli elementi finiti per renderla capace di riprodurre sia l’incremento di resistenza attritiva prima dell’inizio dello scorrimento che il degrado dello smorzamento dovuto al riscaldamento per attrito; (4) la proposta di una procedura "step by step" per la progettazione di interventi di adeguamento sismico di edifici strategici mediante sistemi di isolamento a scorrimento; (5) l'applicazione di tali strumenti ad un caso studio di ospedale realmente esistente.