Elastomeric bearings for 3D base isolation : constitutive models and applications

Among the earthquake protective systems, the elastomeric bearing-based isolation system is one of the most widespread solutions. Practically, the introduction of such kind of device in the plane between the foundation and the superstructure allows to protect the superstructure from the earthquake ground motions, since only a small amount of their energy has been transmitted to it. The first part of this work is focused on the formulation of the constitutive law of the elastomeric material. Due to its visco-hyperelastic nature, this compound possesses properties of both viscous and elastic materials and this is why analysing "rubber" behaviour is not always an easy task. In this thesis, two different constitutive models have been deeply discussed, which are the Bergstrom-Boyce Model and a simplified version of the Three Networks Viscoplastic Model. Both models are made up by the combination of springs and dashpots, which allow to detect the high non-linearities and also some damaging aspects, such as the Mullins Effect and the Payne Effect, that strongly influence rubber response. These constitutive models have been then exploited for calibrating the material characterizing the elastomeric bearings of the Enea IRIS Reactor. The calibration procedure has been performed through MCalibration software. Successively, some FE analysis through Abaqus have been carried out in order to simulate the seismic response of such device. The last part of this work is devoted to the study of a 3D isolation system, whose benefits are still under debates and investigation, since the influence of rocking modes can cause the uplift on the corners of the structure. However, the adoption of 3D isolation system is really useful for buildings which house equipment that are sensitive to vertical motions such as elecronic equipment and some nuclear reactors. The design and check procedure for this kind of device have been shown, with references to a full standard and a holed bearing layout, according to European Standards. Finally, some FE analysis of the holed device have been performed through Abaqus, in order to simulate the response of a 3D isolation device under different loading conditions and to discuss its benefits and its weak points.

I sistemi di isolamento tramite l'utilizzo di isolatori elastomerici rappresentano una delle soluzioni più diffuse per proteggere le strutture da sismi di importante entità. L'introduzione di questo tipo di dispositivo nel piano tra la fondazione e la struttura consente di proteggere la struttura stessa dagli eventi sismici, in quanto gran parte dell'energia viene assorbita dal sistema di isolamento e soltanto una piccola porzione viene dunque trasmessa alla struttura. La prima parte dell'elaborato si focalizza sulla formulazione della legge costitutiva degli elastomeri. A causa della loro natura visco-elastica, essi possiedono proprietà di carattere sia elastico che viscoso ed è per questa ragione che il loro studio risulta spesso essere un compito non banale. In questo lavoro di tesi, due modelli costitutivi sono stati discussi, ossia il modello Bergstrom-Boyce ed una versione semplificata del modello TNV-Three Network Viscoplastic. Entrambi i modelli sono formati mediante la combinazione di molle e smorzatori, che consentono l'identificazione delle forti non linearità e di alcuni effetti negativi, quali l'effetto Mullins e l'effetto Payne che influenzano estremamente la risposta del materiale. Grazie a tali modelli, è stato possibile calibrare il materiale di cui è composto il generico dispositivo utilizzato nel reattore IRIS. La calibrazione del materiale e dei suoi parametri è stata condotta tramite il software MCalibration. Successivamente, con l'utilizzo del software Abaqus, sono state effettuate delle analisi agli elementi finiti, al fine di simulare il responso sismico di tale dispositivo. L'ultima parte dell'elaborato è incentrata sulla trattazione di isolatori elastomerici 3D, i cui vantaggi sono ancora oggetto di dibattiti, a causa di alcuni deficit mostrati nella loro risposta, quali la possibilità di sollevamento e di ribaltamento in corrispondenza degli angoli della struttura. Ad ogni modo, l'adozione di un isolamento 3D risulta essere molto utile per strutture che contengono apparecchiatura sensibile alla componente verticale del sisma, quali attrezzatura elettronica o alcuni reattori nucleari. Riguardo questa tipologia di dispositivo, sono state mostrate le procedure di progetto e verifica in accordo con le normative europee, quali la UNI EN:15129. Infine, sono state condotte alcune analisi agli elementi finiti con lo scopo di simulare il comportamento di questo dispositivo quando sottoposto a condizioni di carico diverse, evidenziando i vantaggi e gli svantaggi nell'utilizzo di tale dispositivo.