The influence of the static coefficient of friction of curved surface sliders on the response of seismically base-isolated structures

Curved Surface Sliders are among the most used isolation devices for seismic mitigation design. However, despite the worldwide diffusion that occurred in the last decade, a full understanding of their performances and limits has not yet been completely achieved. The most challenging issue which has been addressed in the present thesis is the determination of the influence of the static coefficient of friction on the response of seismically base-isolated structures equipped with Curved Surface Sliders; then, the effect of the mass distribution between the base slab and the superstructure and the possible links with the breakaway effect has been investigated. The building prototype considered for these analyses is a shear-type frame made of reinforced concrete; it has been modeled as a lumped mass system in OpenSees, a Finite Element Analysis software which allows to simulate the response of structural systems subjected to earthquakes. Two structural models have been investigated: the first model considers the weight of the base slab equal to that of a single floor, the second model considers it as the double. Nonlinear Time History Analyses with real accelerograms have been developed. Different sets of materials and friction cases have been considered and a suitable selection of the isolators effective radius have been developed. The parameters which have been investigated for the isolation system are the activation instant and the trigger acceleration, the shear force acting at the base, the maximum and the residual displacements; for the structure, the maximum floor accelerations, the interstorey drifts and the columns shear have been considered. Among the main results, it has been demonstrated that the theoretical formulation of the trigger acceleration based on the target response spectrum leads to severe underestimation. The trigger acceleration, as well as the activation instant of these devices, have a relevant importance because if the isolators are not triggered and sliding initiates, the structure behaves like a normal “fixed-base” structure, and it is excited by higher accelerations. The breakaway effect has been proved to be substantial for the trigger acceleration and for the base shear. Furthermore, it has considerable effects on the maximum floor accelerations, the interstorey drifts, and the columns shears. Apparently, it does not have a significant effect on the maximum and on the residual displacements of the isolators. The mass distribution is a parameter which must be carefully taken into account: it has been proved to considerably influence the base shear but a clear dependance on the static coefficient of friction could not be determined.

Gli isolatori a superfici curve sono uno dei sistemi di isolamento più impiegati per la mitigazione dell’azione sismica. Tuttavia, nonostante la diffusione mondiale avvenuta nell'ultimo decennio, non è ancora stata raggiunta una piena comprensione delle loro prestazioni e dei loro limiti. L’obiettivo principale di questo elaborato di tesi è quello di determinare l'influenza del coefficiente di attrito statico sulla risposta di strutture isolate alla base per mezzo di dissipatori a superfici curve; in secondo luogo, sarà analizzato come la distribuzione della massa tra la soletta di base e la sovrastruttura caratterizza la risposta strutturale, e se ci sono collegamenti con l’effetto di scollamento (il cosiddetto “breakaway”). Il prototipo di edificio considerato per queste analisi è un telaio di tipo a taglio realizzato in cemento armato; questo è stato modellato come un sistema a masse distribuite in OpenSees, un software di analisi agli elementi finiti che consente di simulare la risposta di sistemi strutturali sotto l’azione di terremoti. Sono stati presi in considerazioni due modelli strutturali: nel primo caso la massa di base era uguale a quella di un singolo piano, nel secondo caso era il doppio. Le analisi sismiche sono state effettuate tramite analisi non lineari di tipo dinamico utilizzando accelerogrammi reali. Sono stati considerati diversi materiali e diversi casi di attrito, ed è stato sviluppato un adeguato procedimento per la scelta del raggio efficace degli isolatori. I parametri analizzati per il sistema di isolamento sono l’istante e l’accelerazione di attivazione, la forza di taglio agente alla base e gli spostamenti massimi e residui; per quanto riguarda la struttura sono state analizzate le massime accelerazioni di piano, lo scorrimento interpiano e la forza di taglio nei pilastri. Tra i risultati principali di questa analisi è stato dimostrato che la formulazione teorica dell'accelerazione necessaria per l’attivazione, che è basata sullo spettro elastico di riferimento, porta ad una considerevole sottostima di questo valore. L’accelerazione di innesco e l'istante di attivazione di questi dispositivi hanno una notevole importanza perché se gli isolatori non vengono innescati ed iniziano a scorrere, la struttura si comporta come se fosse una normale struttura a base fissa, con la conseguenza di essere sottoposta ad accelerazioni maggiori. È stato dimostrato che l’attrito di primo distacco ha una notevole influenza sull’accelerazione di innesco e sulla forza di taglio agente sull’isolatore. Inoltre, produce effetti considerevoli sulle massime accelerazioni di piano, sugli scorrimenti interpiano e sui tagli nei pilastri. Per quanto riguarda gli spostamenti dell’isolatore sembra che non ci siano effetti dovuti all’attrito statico. La distribuzione della massa è un parametro che va tenuto a debita considerazione; è stato dimostrato che influenza notevolmente il taglio agente alla base ma non è stato possibile determinare una correlazione con l’attrito statico.