L'effetto delle componenti rotazionali della sollecitazione sismica nell'analisi di strutture isolate alla base

The present thesis dissertation deals with the development of a complete “six-dimensional” seismic input model for the analysis of large structures resting on rigid mat foundations. The seismic action is subject to a filtering operation performed by the foundation and is characterized by the definition of three translational components and three rotational contributes, which include the torsional component and the rocking ones. The topic is first illustrated within the framework of both the linearized theory of dynamic soil-structure interaction and the nature of the kinematic transformation between the free-field seismic motion and the motion of the rigid mat. On this basis, the complete spectral description (direct and cross power density functions) of the 6D motion of the rigid mat is derived from the space-time stochastic model of the free field displacement at the base of the structural system. Because of the absence of specific formulas related to the coherency between orthogonal translational components of ground displacements, innovative forms of the coherency function relating the horizontal and vertical motion are proposed. The rigid-mat excitation model is then applied to the stochastic dynamic analysis of the reactor building designed within the IRIS international project, this being a classical example of rigid system, i.e. of a structural system which, once base-isolated, tends to behave as a rigid body. The effect of the rotational input components is studied, by a classical random vibration approach, in view of characterizing their effect on the isolators, especially in term of the values of the root mean square of the relative displacements between the bases of the devices and of the correspondence internal forces. The values of the root mean square of the absolute accelerations of the structure are also analyzed. The effect of the models assumed for the coherency between the horizontal and vertical free-field motion at a point is also enlightened. In the present work the validity of such formulations is also tested by experimental investigation.

Il presente lavoro di ricerca è finalizzato allo sviluppo di un modello completo di sollecitazione sismica per l’analisi di strutture di significative dimensioni e dotate di una fondazione rigida e massiccia. L’azione sismica, filtrata dalla stessa fondazione, viene compiutamente definita mediante la caratterizzazione delle tre componenti traslazionali e dei tre contributi di rotazione, comprensivi pertanto di quello torsionale e della coppia di componenti di rocking. L’argomento è sviluppato mediante il ricorso alla teoria lineare dell’interazione dinamica tra suolo e struttura ed avvalendosi della trasformazione cinematica tra il moto sismico free field del terreno e quello della rigida fondazione. In tal caso, la completa descrizione spettrale del moto della fondazione è ricavata a partire dalla modellazione stocastica della variabilità spazio-temporale tra componenti traslazionali del moto sismico free field del suolo che agisce alla base del complesso strutturale, proponendo modelli innovativi della funzione di coerenza in assenza di specifiche formulazioni presenti in letteratura. Il modello di sollecitazione sismica che interessa la fondazione è quindi impiegato per l’analisi stocastica della risposta dinamica di un impianto nucleare, rappresentato dalla struttura che ospita il reattore sviluppato nell’ambito del progetto internazionale IRIS e dalla sua fondazione. Isolato alla base mediante l’impiego di dispositivi elastomerici armati ad elevato smorzamento, l’edificio si configura come un classico esempio di sistema rigido nell’ambito della meccanica strutturale. Sulla base della classica teoria delle vibrazioni aleatorie, gli effetti legati alla presenza delle componenti rotazionali del moto sismico della fondazione sono dunque indagati in relazione all’entità delle deviazioni standard sia delle accelerazioni assolute della struttura, sia degli spostamenti relativi tra le basi dei dispositivi di isolamento e delle corrispondenti azioni interne. Si analizzano anche i risultati ricavati dall’impiego di diversi modelli di coerenza puntuale tra componenti ortogonali del moto sismico traslazionale della superficie libera del suolo, ideati e successivamente verificati sperimentalmente nel presente lavoro di tesi.