3D seismic isolation of the European extremely large telescope using elastomeric bearings

Seismic base isolation represents an innovative method for earthquake protection, that has been utilized with great success in reducing the danger from the horizontal ground motions. This thesis investigates the capability of an elastomeric bearing-based isolation system in terms of isolation in both the horizontal and the vertical direction. To this aim, the elastomeric bearings in question have been modelled with a low value of the shape factor (S<5), which is expected to lower the vertical stiffness and provide sufficient isolation from the vertical earthquake-induced load. The design process is in accordance with the European Standards, with an exception in the defining of the design axial load, which is performed through a simplified approach that allows a relaxation of the strict requirements of the European Standards, at the cost of a reasonable reduction in the safety factor. The efficiency of the elastomeric bearings is tested through their implementation in a structure with considerable proportions and mass, in particular the European – Extremely Large Telescope, set to be the largest telescope in the world. This building is chosen, apart from its size, due to its sensitivity to high frequency vibrations. Validation of the bearings’ design is performed through analyses in the OpenSees, using the ElastomericX element object by Kumar [2016], that models the bearing as a two-node, 12 degree-of-freedom element with six springs that represent the mechanical behavior in all directions. Analyses of the entire structure are performed using the recorded ground motions from the El Centro (1940) earthquake, which exhibited a similar horizontal elastic response spectrum as the one of El Cerro Armazones, where the structure is located. The analyses results produce useful insight concerning the bearings’ behavior, such as the clear elastic response in the vertical direction. Moreover, the horizontal response exhibits strong similarities with the idealized bi-linear behavior. However, the results from the OpenSees analysis indicate the difficulty in accurately prediction the behavior of a 3D seismic isolation system, which will remain a field open for future studies and development.

L'isolamento della base sismica rappresenta un metodo innovativo per la protezione antisismica, che è stato utilizzato con grande successo nel ridurre il pericolo dai movimenti orizzontali del terreno. Questa tesi indaga la capacità di un sistema di isolamento basato su cuscinetti elastomerici in termini di isolamento sia nella direzione orizzontale che in quella verticale. A tale scopo, i cuscinetti elastomerici in questione sono stati modellati con un basso valore del fattore di forma (S<5), che dovrebbe abbassare la rigidità verticale e fornire un sufficiente isolamento dal carico verticale indotto dal terremoto. Il processo di progettazione è conforme agli standard europei, con un'eccezione nella definizione del carico assiale di progettazione, che viene eseguito attraverso un approccio semplificato che consente un rilassamento dei severi requisiti degli standard europei, al costo di una ragionevole riduzione del fattore di sicurezza. L'efficienza dei cuscinetti elastomerici viene testata attraverso la loro implementazione in una struttura con proporzioni e massa considerevoli, in particolare il Telescopio Europeo – Estremamente Grande, destinato a essere il più grande telescopio al mondo. Questo edificio è scelto, a parte le sue dimensioni, per la sua sensibilità alle vibrazioni ad alta frequenza. La convalida del design dei cuscinetti viene eseguita attraverso analisi negli Opensee, utilizzando L'oggetto elemento elastomericx di Kumar [2016], che modella il cuscinetto come un elemento a due nodi, 12 gradi di libertà con sei molle che rappresentano il comportamento meccanico in tutte le direzioni. Le analisi dell'intera struttura vengono eseguite utilizzando i movimenti del terreno registrati dal terremoto di El Centro (1940), che mostrava uno spettro di risposta elastica orizzontale simile a quello di El Cerro Armazones, dove si trova la struttura. I risultati delle analisi producono informazioni utili sul comportamento dei cuscinetti, come la chiara risposta elastica nella direzione verticale. Inoltre, la risposta orizzontale presenta forti somiglianze con il comportamento bi-lineare idealizzato. Tuttavia, i risultati Dell'analisi di OpenSees indicano la difficoltà di prevedere con precisione il comportamento di un sistema di isolamento sismico 3D, che rimarrà un campo aperto per futuri studi e sviluppo.