Studio dei dispositivi di dissipazione basati sulla deformazione del piombo

This thesis, whose aim comes from the seismic protection of constructions, deals with the study of a Lead extrusion damper, through both the numerical modelling and the experimentation on a prototype. The damper is composed by a stell cyclinder, which encloses the lead core, and a shaft characterised by the presence of a bulge, which during the movement of the shaft produces the extrusion of lead through an orifice between the bulge itself and the internal wall of the cylinder. First, the device was numerically modelled with Abaqus/CAE, and then the results were compared with the ones from the experimentation performed on a prototype. The behaviour of the damper is fairly reproduced by the numerical model and the model proves able to identify the main issues of the device, such as the debonding of lead streamlines from the bulge and internal air gaps in the lead chamber. Experimentation has shown that the closing system of the cylinder influences the force-displacement relation, that the response is stable and repeatable only if the closing is controlled, and that the temperature reached by the lead, during the dissipation process, influences the response. After the comparison between the numerical and experimental results, parametrical analyses were carried out. The analyses allowed to study the effect of the variation of geometry on the response of the damper. The following parameters have been investigated: diameter of the shaft, diameter of the bulge, length of the shaft and internal diameter of the cylinder. Overall, it has been observed that the increase in force is caused from an increase in length of the shaft, a decrease in the diameter of the shaft, a decrease of the diameter of the cylinder and an increase on the diameter of the bulge. Thanks to the results, pre-sizing charts have been built to make easier the design phase allowing the manufacturer to choose the geometry of the device according to the design force.

La tesi si inserisce nell’ambito delle costruzioni antisismiche e tratta dello studio di un dispositivo di dissipazione di energia basato sull’estrusione del piombo, sia dal punto di vista della modellazione numerica che tramite la sperimentazione su un prototipo. Il dissipatore è composto da un cilindro esterno in acciaio che circonda il piombo, ovvero l’elemento plasticamente deformabile e da uno stelo, con un allargamento nella parte centrale, che muovendosi permette l’estrusione del piombo attraverso un orifizio. Il dispositivo è stato modellato numericamente tramite l’utilizzo del software Abaqus/CAE e i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla campagna sperimentale condotta su un prototipo progettato sulla base dei risultati della modellazione. Il modello riproduce il comportamento del dissipatore e ne coglie le principali criticità e problematiche, come per esempio il distacco di piombo dallo stelo e la presenza di aria all’interno della camera. La sperimentazione ha mostrato che il serraggio del sistema di chiusura influenza le curve forza-spostamento, che la risposta è stabile e ripetibile solo nel caso in cui il sistema di chiusura sia controllato e che la temperatura raggiunta dal piombo, durante la dissipazione, influenzi la risposta del dispositivo. Dopo aver validato il modello, sono stati effettuati una serie di analisi parametriche che hanno permesso di studiare l’influenza della variazione della geometria sulla risposta del dissipatore. Sono stati variati i seguenti parametri: diametro dello stelo, diametro del bulbo, lunghezza dello stelo e diametro del cilindro. Complessivamente si è osservato che l’incremento della forza si registra con l’aumento della lunghezza dello stelo, la diminuzione del diametro dello stelo, la diminuzione del diametro del cilindro e l’aumento del diametro del bulbo. Grazie ai risultati della analisi parametriche sono stati costruiti degli abachi di predimensionamento che agevolano la fase progettuale permettendo di scegliere in modo immediato la geometria del dispositivo in funzione della forza di progetto.