Fiber-reinforced elastomeric isolators (FREIs) with high-damping for low rise masonry buildings: numerical and experimental insight

Seismic base isolation is considered effective in reducing the vulnerability of structures, and it represents an optimal retrofitting solution in terms of reliability and effectiveness. Steel-reinforced elastomeric isolator (SREI) is the method of seismic isolation used most frequently. It consists of several rubber pads interspersed with steel laminas for vertical reinforcement. Since these devices are generally too expensive due to the need to introduce thick connection steel plates and the high energy consumed for manufacturing, they are unsuitable for ordinary residential buildings, especially in developing countries. Fiber-reinforced elastomeric isolator (FREI) is a new type of elastomeric device. Instead of steel lamina, thin fiber layers are used. Compared with SREIs, FREIs have considerably lower weight and can be manufactured through cold vulcanization. They can be applied to the structure in several ways: bonded (traditional), unbonded, and partially bonded. In unbonded conditions (UFREI), the isolators can be installed between the upper structure and foundation without any bonding or fastening, reducing costs hugely. Furthermore, the dissipation energy without steel supports improves thanks to the shear load transferred through the friction generated between the isolator and the structure surfaces. However, UFREIs cannot resist tensile forces, making them unsuited for situations where overturning is of concern or where large vertical accelerations are anticipated. Moreover, the isolator could slip under certain loading conditions, resulting in permanent displacements. These concerns can be addressed by partially bonded applications (PBFREI), where only parts of the contact surfaces of the device are bonded to the connection steel plates. Many beneficial characteristics of the unbonded application, like dissipation energy improved, and of bonded one, like the resistance to uplift forces and slip, are retained in partial bonding. Nonetheless, the costs associated with the production in terms of material are still high due to the presence of steel plates. This can limit their implementation. So, the possibility of unbonded application remains a promising feature of the FREIs, especially for developing countries, because of their low-cost and easy fabrication and installation. The PhD research aims to propose a low-cost elastomeric isolator for masonry buildings in developing countries (e.g., India, Indonesia, and South America) with isolation and dissipation properties, emphasizing the concept of a high-performance rubber pad able to guarantee good durability and cyclic dissipation. The final device will be a composition of rubber pads alternating with glass fiber fabric layers. It will be proposed in the bonded, unbonded, and partially bonded applications, and a comparison, with an experimental and numerical investigation, between these different boundary conditions will be reported, highlighting the weakness and the straightness of each application typology.

L'isolamento sismico è considerato efficace nella riduzione della vulnerabilità delle strutture, e rappresenta una soluzione ottimale di ristrutturazione in termini di affidabilità ed efficacia. L'isolatore elastomerico rinforzato in acciaio (SREI) è il metodo di isolamento sismico utilizzato più frequentemente. Esso consiste in diversi strati di gomma alternati a lamine di acciaio per il rinforzo verticale. Dato che questi dispositivi sono generalmente troppo costosi a causa della necessità di introdurre piastre di collegamento in acciaio spesse e dell'alto consumo energetico per la produzione, essi non sono adatti per edifici residenziali ordinari, specialmente nei paesi in via di sviluppo. L'isolatore elastomerico rinforzato in fibra (FREI) è un nuovo tipo di dispositivo elastomerico. Al posto delle lamine di acciaio, vengono utilizzati strati sottili di fibra. Rispetto agli SREI, i FREI hanno un peso considerevolmente inferiore e possono essere fabbricati attraverso la vulcanizzazione a freddo. Possono essere applicati alla struttura in diversi modi: vincolato con piastre di collegamento (tradizionale), non vincolato e parzialmente vincolato. In condizioni non vincolate (UFREI), gli isolatori possono essere installati tra la struttura superiore e la fondazione senza alcun collegamento o fissaggio, riducendo enormemente i costi. Inoltre, la dissipazione di energia migliora grazie al carico di taglio trasferito attraverso l'attrito generato tra l'isolatore e le superfici della struttura. Tuttavia, gli UFREI non possono resistere a forze di trazione, rendendoli inadatti per situazioni in cui è presente il rischio di ribaltamento o dove sono previste grandi accelerazioni verticali. Inoltre, l'isolatore potrebbe scivolare sotto certe condizioni di carico, risultando in spostamenti permanenti. Queste problematiche possono essere risolte con l'applicazione parzialmente vincolata (PBFREI), dove solo parti delle superfici di contatto del dispositivo sono incollate alle piastre di collegamento in acciaio. Nell'applicazione parzialmente vincolata si conservano numerose qualità vantaggiose sia dell'opzione non vincolata, quali l'incremento nella dissipazione di energia, sia di quella vincolata, come la capacità di resistere alle forze di sollevamento e allo scivolamento. Nonostante ciò, i costi associati alla produzione in termini di materiale sono ancora alti a causa della presenza delle piastre di collegamento. Questo può limitarne l'implementazione. Quindi, la possibilità di applicazione non vincolate rimane una caratteristica promettente dei FREI, specialmente per i paesi in via di sviluppo, a causa del loro basso costo e della facile fabbricazione e installazione. La ricerca di dottorato mira a proporre un isolatore elastomerico a basso costo per edifici in muratura nei paesi in via di sviluppo (ad esempio, India, Indonesia e Sud America) con proprietà di isolamento e dissipazione, enfatizzando il concetto di un cuscinetto di gomma ad alte prestazioni in grado di garantire una buona durabilità e dissipazione ciclica. Il dispositivo finale sarà una composizione di strati di gomma alternati a strati di tessuto in fibra di vetro. Esso sarà proposto nelle applicazioni vincolate, non vincolate e parzialmente vincolate, e verrà riportato un confronto, con un'indagine sperimentale e numerica, tra queste diverse condizioni, evidenziando le debolezze e i punti di forza di ogni tipologia.