3D seismic base isolation of large structures using elastomeric bearings

Elastomeric bearing-based isolation system is one of the most adopted solutions to protect structures from intense earthquakes. This kind of isolation systems have been designed with great results for horizontal isolation. The field of the 3D isolation, i.e. elastomeric bearings systems that guarantee isolation in horizontal and vertical directions, is continuously evolving. In this thesis, a design approach for a 3D isolation system made of high damping rubber bearings with low shape factor (S<5) is proposed relaxing the more conservative procedure prescribed by European Standards. To validate the approach, a case study is presented and isolated at the base. The European Extremely Large Telescope, E-ELT, is selected thank to its great importance both in terms of dimension of the structure and sensitivity to vibrations in every direction. To verify the designed 3D isolation system, a model of the single bearing is created and analyzed on OpenSees using the ElastomericX element by Kumar [2016], that models the bearing behaviour considering the coupling between vertical and horizontal responses. The analyses evidence the complexity of elastomeric bearing response and the difficulty to predict its actual behaviour through a simplified model. However, for the E-ELT case study, the bearing response can be modelled in horizontal directions by an idealized hysteresis cycle whereas in vertical direction as linear elastic. The whole isolated structure model is created and analyzed on SAP2000. The results highlight the beneficial effects of the designed 3D isolation system. The absolute accelerations undergo an overall reduction, in particular in horizontal directions. Vertical isolation is particularly effective in the high-frequency range, eliminating risks of resonance with the research equipment. The analysis is performed with El Centro seismic action so the 3D isolation proposal must be considered as a preliminary design for which further analyses are required. Due to the more complex setting and the relatively smaller amount of experimental and theoretical studies, 3D isolation continues to be an open field for the research of widespread practical and economical solutions [Kelly and Lee, 2018].

Sistemi di isolamento composti da isolatori elastomerici rappresentano una delle soluzioni più adottate per proteggere le strutture da forti sismi. Questi sistemi sono stati progettati con ottimi risultati per l'isolamento orizzontale. L'isolamento 3D, ovvero isolatori elastomerici che garantiscono isolamento in orizzontale e verticale, è in continuo sviluppo. In questo lavoro di tesi viene proposto un approccio per progettare un sistema di isolamento 3D composto da isolatori elastomerici ad elevato smorzamento con basso fattore di forma (S<5), che permette di rilassare le prescrizioni più conservative imposte da normativa Europea. Per validare la procedura proposta, essa viene applicata ad un caso di studio. L'E-ELT viene selezionato grazie alla sua imponenza e sensitività alle vibrazioni in ogni direzione. Per verificare il sistema di isolamento 3D progettato, viene creato ed analizzato il modello di un singolo isolatore su OpenSees usando l'elemento ElastomericX implementato da Kumar [2016], che riproduce il comportamento dell'isolatore considerando l'accoppiamento tra risposta orizzontale e verticale. Le analisi evidenziano la complessità della risposta dell'isolatore e la difficoltà nel predire il suo comportamento attraverso un modello semplificato. Tuttavia, nel caso dell'E-ELT, la risposta dell'isolatore può essere modellata da un ciclo idealizzato di isteresi in direzione orizzontale e come lineare elastica in direzione verticale. La struttura isolata viene poi modellata e analizzata su SAP2000. I risultati evidenziano gli effetti benefici del sistema di isolamento 3D progettato. Le accelerazioni assolute della struttura subiscono una generale riduzione, in particolare in direzione orizzontale. L'isolamento verticale è particolarmente efficace per le alte frequenze, eliminando rischi di risonanza con la strumentazione di ricerca. L'analisi viene svolta con azione sismica di El Centro, perciò la proposta si considera come progetto preliminare per cui sono necessarie ulteriori analisi. A causa della maggior complessità del comportamento dell'isolatore 3D e il minor numero di studi teorici e sperimentali, l'isolamento 3D continua ad essere un campo aperto per la ricerca di soluzioni pratiche ed economiche [Kelly and Lee, 2018].