IT201800007222A1 - Negative stiffness modular device for vertical seismic isolation - Google Patents

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Description

DISPOSITIVO MODULARE CON RIGIDEZZA NEGATIVA MODULAR DEVICE WITH NEGATIVE RIGIDITY

PER ISOLAMENTO SISMICO VERTICALE FOR VERTICAL SEISMIC ISOLATION

Campo dell'invenzione Field of the invention

La presente invenzione riguarda un dispositivo modulare che utilizza la rigidezza negativa per l’isolamento sismico verticale. L'invenzione può essere applicata per ottenere un isolamento alla base tridimensionale delle strutture utilizzando tali dispositivi verticali a rigidezza negativa. The present invention relates to a modular device that uses negative stiffness for vertical seismic isolation. The invention can be applied to obtain an insulation at the three-dimensional base of the structures using such vertical devices with negative stiffness.

Background tecnico Technical background

Durante eventi sismici, tipicamente terremoti, la terra vibra e le vibrazioni vengono trasmesse a strutture come edifici, piante, monumenti e simili. Numerosi studi e soluzioni sono stati proposti per analizzare le vibrazioni sismiche e proteggere le strutture da esse, mediante sistemi di isolamento. During seismic events, typically earthquakes, the earth vibrates and vibrations are transmitted to structures such as buildings, plants, monuments and the like. Numerous studies and solutions have been proposed to analyze seismic vibrations and protect structures from them, by means of insulation systems.

Per decenni l'isolamento sismico alla base ha focalizzato l'attenzione della comunità scientifica dell'ingegneria strutturale. In effetti, svolge un ruolo speciale nel mitigare l'effetto sismico sulle strutture. Gli isolatori alla base infatti risultano essere in grado di: For decades, seismic isolation at the base has focused the attention of the structural engineering scientific community. Indeed, it plays a special role in mitigating the seismic effect on structures. The insulators at the base are in fact able to:

(i) spostare le frequenze naturali strutturali principali lontano dalle più pericolose frequenze sismiche; (i) shift the main structural natural frequencies away from the more dangerous seismic frequencies;

(ii) agire come un fusibile interno per le forze di interazione; (ii) act as an internal fuse for the interaction forces;

(iii) dissipare parte dell'energia introdotta; (iii) dissipate part of the energy introduced;

(iv) fornire smorzamento aggiuntivo. (iv) provide additional damping.

Pertanto, è ampiamente accettato (e standardizzato) che l'isolamento alla base dia il miglior impatto architettonico, essendo quasi invisibile, e abbia una migliore prestazione sismica rispetto alle altre tecniche di protezione strutturale. Therefore, it is widely accepted (and standardized) that base insulation gives the best architectural impact, being nearly invisible, and has better seismic performance than other structural protection techniques.

Lo standard attuale EN 1998-1 (2003) riguarda la progettazione di strutture sismicamente isolate in cui il sistema di isolamento, al di sotto della massa principale della struttura, mira a ridurre la risposta sismica del sistema resistente alla forza laterale. Anche in questo caso, l’EN 15129 (2009) specifica che gli isolatori forniscono isolamento contro le sole azioni sismiche orizzontali. The current standard EN 1998-1 (2003) concerns the design of seismically isolated structures in which the isolation system, below the main mass of the structure, aims to reduce the seismic response of the lateral force resistant system. Again, EN 15129 (2009) specifies that the insulators provide insulation against only horizontal seismic actions.

Il brevetto US 8857110 riconosciuto a Constantinou et al. descrive un dispositivo a rigidezza negativa per la protezione sismica di una struttura. Il dispositivo ha un telaio di ancoraggio e un telaio di movimento che può traslare lateralmente rispetto al telaio di ancoraggio. Il telaio di ancoraggio e il telaio di movimento hanno rispettive componenti estensibili. Un collegamento è imperniato alla porzione estensibile del telaio di ancoraggio. Una molla compressa ha una prima estremità collegata alla porzione di estensione del telaio di movimento e una seconda estremità collegata al leveraggio. In uno stato di riposo, la molla compressa non applica una forza laterale al telaio di movimento. In uno stato attivo, la molla compressa è configurata per applicare una forza laterale per spostare il telaio di movimento nella direzione laterale del carico sismico. La forza della molla viene amplificata dal collegamento quando il telaio di movimento viene spostato lateralmente. US patent 8857110 recognized to Constantinou et al. describes a negative stiffness device for the seismic protection of a structure. The device has an anchoring frame and a movement frame that can translate laterally with respect to the anchoring frame. The anchor frame and the movement frame have respective extendable components. A connection is pivoted to the extendable portion of the anchor frame. A compressed spring has a first end connected to the extension portion of the motion frame and a second end connected to the linkage. In a rest state, the compressed spring does not apply lateral force to the motion frame. In an active state, the compressed spring is configured to apply a lateral force to move the motion frame in the lateral direction of the seismic load. The spring force is amplified by the connection when the motion frame is moved sideways.

Nonostante sia stato a lungo ipotizzato che la considerazione dell'effetto della componente orizzontale dei terremoti sia sufficiente per l'affidabilità sismica delle strutture, è stato dimostrato in molti casi (ad esempio per terremoti near-field) che la componente verticale dovrebbe essere considerata unitamente a quella orizzontale. US 8857110 non tratta la componente verticale e la sua influenza sulle strutture protette dal dispositivo ivi descritto. Questo aspetto è di importanza preponderante per i convenzionali sistemi di isolamento sismico che sono in grado di ridurre gli effetti strutturali della componente orizzontale di un terremoto, mentre la componente verticale viene trasmessa direttamente nella struttura. Di conseguenza, esiste un notevole e crescente interesse di ricerca in tutto il mondo nei sistemi di isolamento verticale e tridimensionale (3D) per proteggere una vasta gamma di strutture e elementi di valore come i beni patrimoniali e apparecchiature speciali. Infatti, essi non sono solo unici e costosi, ma anche critici per la sicura operatività (Basu et al., 2014 Perotti et al., 2014; Abdollahiparsa et al., 2016; Zhou et al., 2016). In letteratura si possono anche trovare alcuni esempi di applicazione di sistemi di isolamento alla base 3-D che consistono nella modifica dei parametri di progettazione per isolatori in gomma laminata (ID Aiken, 1989; Kelly, 1988; Okamura et al., 2011). Although it has long been assumed that the consideration of the effect of the horizontal component of earthquakes is sufficient for the seismic reliability of structures, it has been shown in many cases (e.g. for near-field earthquakes) that the vertical component should be considered together. to the horizontal one. US 8857110 does not deal with the vertical component and its influence on the structures protected by the device described therein. This aspect is of paramount importance for conventional seismic isolation systems which are able to reduce the structural effects of the horizontal component of an earthquake, while the vertical component is transmitted directly into the structure. As a result, there is considerable and growing worldwide research interest in vertical and three-dimensional (3D) insulation systems to protect a wide range of structures and valuables such as assets and specialty equipment. In fact, they are not only unique and expensive, but also critical for safe operation (Basu et al., 2014 Perotti et al., 2014; Abdollahiparsa et al., 2016; Zhou et al., 2016). In the literature one can also find some application examples of 3-D base insulation systems which consist in modifying the design parameters for laminated rubber insulators (ID Aiken, 1989; Kelly, 1988; Okamura et al., 2011).

Il sistema GERB (JM Kelly, 1990) è stato introdotto nel 1990 e consiste in molle elicoidali in acciaio flessibili orizzontalmente e verticalmente. La molla è essenzialmente non smorzata e quindi tale sistema deve essere usato in combinazione con ammortizzatori supplementari. Il sistema è stato applicato in due edifici in California. I limiti di tale sistema possono essere identificati nell'accoppiamento tra il movimento orizzontale e verticale a causa di non linearità geometriche. The GERB system (JM Kelly, 1990) was introduced in 1990 and consists of horizontally and vertically flexible steel coil springs. The spring is essentially undamped and therefore this system must be used in conjunction with additional shock absorbers. The system was applied in two buildings in California. The limits of this system can be identified in the coupling between the horizontal and vertical movement due to geometric non-linearities.

Suhara (Suhara, 2003) ha sviluppato un dispositivo di isolamento sismico tridimensionale che utilizza un isolatore in gomma laminata per la direzione orizzontale e una molla pneumatica a rotolamento nella direzione verticale. Il problema di questo dispositivo sono gli effetti di beccheggio e rotazione, quindi deve essere usato in combinazione con un apposito sistema di soppressione di tali oscillazioni. Suhara (Suhara, 2003) has developed a three-dimensional seismic isolation device that uses a laminated rubber isolator for the horizontal direction and a rolling pneumatic spring in the vertical direction. The problem with this device are the effects of pitch and rotation, so it must be used in combination with a special system for suppressing these oscillations.

I sistemi di isolamento sismico 3D per la protezione delle centrali nucleari sono anche reperibili in letteratura. Vengono proposte soluzioni diverse, come (i) l'isolamento alla base 3-D dell'intero edificio o (ii) l'isolamento verticale di selezionati elementi strutturali (o impiantistici) critici in parallelo all'isolamento orizzontale alla base dell'edificio (Inoue, 2004; Morishita, 2004). 3D seismic isolation systems for the protection of nuclear power plants are also available in the literature. Different solutions are proposed, such as (i) the 3-D base insulation of the entire building or (ii) the vertical insulation of selected critical structural (or plant) elements in parallel to the horizontal insulation at the base of the building ( Inoue, 2004; Morishita, 2004).

La protezione delle strutture attraverso dispositivi a molla a carico costante contro i terremoti di tipo near-field, caratterizzati da una componente verticale della stessa intensità di quelli orizzontali, è oggetto di indagine in (Asai, 2008). The protection of structures through constant load spring devices against near-field earthquakes, characterized by a vertical component of the same intensity as the horizontal ones, is investigated in (Asai, 2008).

Sono state anche studiate soluzioni di controllo ibrido per lo sviluppo di un sistema di isolamento delle vibrazioni 3-D che assembla unità meccaniche ed elettromagnetiche (Hoque, 2011). Hybrid control solutions were also investigated for the development of a 3-D vibration isolation system that assembles mechanical and electromagnetic units (Hoque, 2011).

Un recente rapporto MCEER confronta diverse soluzioni alternative per trasformatori elettrici isolati sismicamente. In particolare, le prestazioni di soluzioni non isolate, isolate orizzontalmente e poi tridimensionalmente vengono analizzate considerando dispositivi a pendolo (FP) in direzione orizzontale e gli smorzatori viscosi in quella verticale (Kitayama, 2016). A recent MCEER report compares several alternative solutions for seismically isolated electrical transformers. In particular, the performance of non-isolated solutions, isolated horizontally and then three-dimensionally are analyzed considering pendulum devices (FP) in the horizontal direction and viscous dampers in the vertical one (Kitayama, 2016).

L'isolamento strutturale alla base contro le vibrazioni verticali in parallelo all'isolamento alla base orizzontale standard rimane una sfida sia nella ricerca che nella pratica applicativa. Structural base insulation against vertical vibrations in parallel with standard horizontal base insulation remains a challenge in both research and application practice.

Sintesi dell'invenzione Summary of the invention

Uno scopo della presente invenzione è quello di affrontare la riduzione degli effetti dinamici strutturali e non strutturali associati alla componente verticale dello scuotimento sismico del terreno. La presente invenzione supera la presente limitazione dei sistemi di isolamento alla base standard che mitigano esclusivamente le forze sismiche orizzontali. I concetti di tensegrità e rigidezza negativa sono implementati per fornire un efficace assorbimento verticale delle vibrazioni in strutture bistabili vincolate. An object of the present invention is to address the reduction of the structural and non-structural dynamic effects associated with the vertical component of the earthquake shaking. The present invention overcomes the present limitation of standard base isolation systems which only mitigate horizontal seismic forces. The concepts of tensegrity and negative stiffness are implemented to provide effective vertical vibration absorption in constrained bistable structures.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di affrontare la grande sfida di come realizzare un sistema di isolamento alla base 3D per proteggere una vasta gamma di strutture e beni preziosi, superando gli inconvenienti e gli svantaggi dell'arte nota, fornendo un dispositivo che utilizza il principio della rigidezza negativa per l’isolamento sismico verticale. Inoltre, il dispositivo della presente invenzione può essere di tipo modulare in modo tale da poter essere facilmente applicato per proteggere strutture aventi massa diversa semplicemente adottando un numero appropriato di moduli. La modularità del dispositivo rende facile e relativamente economica la sua produzione di massa e la sua diffusione. Un altro scopo dell'invenzione è quello di fornire un dispositivo che sia semplice, economico, affidabile, di facile manutenzione anche senza l'uso di personale specializzato o strumenti personalizzati. Another object of the present invention is to face the great challenge of how to realize a 3D base isolation system to protect a wide range of structures and precious goods, overcoming the drawbacks and disadvantages of the prior art, providing a device that uses the principle of negative stiffness for vertical seismic isolation. Furthermore, the device of the present invention can be of the modular type so that it can be easily applied to protect structures having different masses simply by adopting an appropriate number of modules. The modularity of the device makes its mass production and diffusion easy and relatively cheap. Another object of the invention is to provide a device which is simple, economical, reliable, easy to maintain even without the use of specialized personnel or customized tools.

Un aspetto particolare del dispositivo consiste nell'indebolimento del suo comportamento verticale, che simula quindi il cedimento del sistema globale, senza modificare la reale rigidezza della struttura. Questo consente di allontanare la risposta strutturale da possibili fenomeni pericolosi legati all'amplificazione della risposta. Pertanto, il meccanismo disaccoppia lo scuotimento verticale del terreno dalla sovrastruttura, generando così l'isolamento verticale alla base. A particular aspect of the device consists in the weakening of its vertical behavior, which therefore simulates the failure of the global system, without modifying the real stiffness of the structure. This allows the structural response to be removed from possible dangerous phenomena linked to the amplification of the response. Therefore, the mechanism decouples the vertical shaking of the ground from the superstructure, thus generating vertical isolation at the base.

Sfruttandone il vantaggio costitutivo, viene descritto un dispositivo modulare che utilizza rigidezza negativa per l'isolamento sismico verticale. Il dispositivo modulare comprende un elemento del corpo superiore da fissare per l’utilizzo alla struttura da isolare dalle vibrazioni. Il dispositivo comprende inoltre un elemento del corpo inferiore che è in grado di scorrere verticalmente rispetto all’elemento del corpo superiore, e che è adattato a scorrere orizzontalmente sostanzialmente senza attrito rispetto alla fondazione della struttura. Almeno una molla precompressa è compresa tra la struttura del corpo superiore e la struttura del corpo inferiore così da trasferire forze sostanzialmente nulle dalla fondazione alla struttura. La capacità dell’elemento del corpo inferiore di scorrere sostanzialmente senza attrito rispetto alla base, mentre allo stesso tempo può scorrere verticalmente rispetto alla struttura del corpo superiore, fornisce il disaccoppiamento desiderato dell'isolamento sismico verticale da quello orizzontale, e questo quindi rende il dispositivo particolarmente vantaggioso ed efficace. Taking advantage of its constitutive advantage, a modular device is described that uses negative stiffness for vertical seismic isolation. The modular device includes an element of the upper body to be fixed for use to the structure to be isolated from vibrations. The device also includes an element of the lower body which is able to slide vertically with respect to the element of the upper body, and which is adapted to slide horizontally substantially without friction with respect to the foundation of the structure. At least one prestressed spring is included between the structure of the upper body and the structure of the lower body so as to transfer substantially zero forces from the foundation to the structure. The ability of the lower body element to slide substantially frictionlessly relative to the base, while at the same time being able to slide vertically relative to the upper body structure, provides the desired decoupling of the vertical seismic isolation from the horizontal one, and this then makes the device particularly advantageous and effective.

Secondo un altro aspetto, il dispositivo utilizza rigidezza negativa per l'isolamento sismico verticale. Il dispositivo può essere facilmente riprodotto in modo modulare, preferibilmente utilizzando una forma cilindrica che può essere composta da diversi settori modulari, come fossero fette di una torta. Il dispositivo può quindi essere facilmente impiegato per proteggere strutture con massa diversa semplicemente adottando un numero appropriato di moduli o settori. According to another aspect, the device uses negative stiffness for vertical seismic isolation. The device can be easily reproduced in a modular way, preferably using a cylindrical shape that can be composed of different modular sectors, as if they were slices of a cake. The device can therefore be easily used to protect structures with different masses simply by adopting an appropriate number of modules or sectors.

Secondo un aspetto particolare, viene considerata l'idea alternativa di inserire un dispositivo a rigidezza negativa (negative stiffness device - NSD) solo nella direzione verticale, all'interno di un sistema di isolamento alla base orizzontale convenzionale, generando in questo modo un sistema di isolamento 3D. According to a particular aspect, the alternative idea is considered of inserting a negative stiffness device (NSD) only in the vertical direction, inside a conventional horizontal base isolation system, thus generating a system of 3D isolation.

In una sua forma realizzativa, il meccanismo consente di isolare la sovrastruttura dalla componente verticale del terremoto può comprendere un assieme meccanico di componenti passivi (cioè molle, barre, perni). Il concetto di tensegrità (assemblaggio di elementi tesi e compressi - Fuller 1961) guida il concetto insieme a quello di rigidezza negativa (Molyneaux, 1957). Il controllo delle vibrazioni può essere effettuato modificando il livello di auto-stress della struttura per spostare le frequenze naturali lontano dall'eccitazione (Bel Hadj Ali e Smith 2010). Ricerche recenti hanno dimostrato che strutture bistabili vincolate possono fornire un'efficace capacità di assorbimento delle vibrazioni orizzontali (ad esempio Pasala et al., 2015; Sarlis et al., 2016). In one of its embodiments, the mechanism allows to isolate the superstructure from the vertical component of the earthquake and can comprise a mechanical assembly of passive components (i.e. springs, bars, pins). The concept of tensegrity (assembly of tense and compressed elements - Fuller 1961) guides the concept together with that of negative stiffness (Molyneaux, 1957). Vibration control can be accomplished by changing the structure's self-stress level to shift natural frequencies away from excitation (Bel Hadj Ali and Smith 2010). Recent research has shown that constrained bistable structures can provide an effective absorption capacity of horizontal vibrations (e.g. Pasala et al., 2015; Sarlis et al., 2016).

Secondo un aspetto particolare, il meccanismo per l'isolamento alla base verticale qui descritto adotta soluzioni meccaniche consolidate. Diversamente dagli approcci attuali (Suhara et al., 2003; Inoue et al., 2004; Morishita et al., 2004; Zhou et al., 2016; Kitayama et al., 2017) che si basano su molle elastiche lineari (elicoidale e molla pneumatica), il dispositivo qui descritto è in grado di mostrare un comportamento indebolente non lineare che è importante per limitare le forze esterne che potrebbero essere trasmesse direttamente alla sovrastruttura. According to a particular aspect, the mechanism for the vertical base insulation described here adopts consolidated mechanical solutions. Unlike current approaches (Suhara et al., 2003; Inoue et al., 2004; Morishita et al., 2004; Zhou et al., 2016; Kitayama et al., 2017) which are based on linear elastic springs (helical and air spring), the device described here is capable of exhibiting non-linear weakening behavior which is important for limiting external forces that could be transmitted directly to the superstructure.

Il concetto di rigidezza negativa è stato introdotto per la prima volta nella pubblicazione pionieristica di Molyneaux (Molyneaux, 1957) in diverse proposte di sistemi di isolamento dalle vibrazioni. Successivamente Platus (Platus, 1991; Platus, 2007) ha proposto un efficace isolatore passivo a rigidezza negativa meccanico solo per l'isolamento delle vibrazioni a bassa frequenza. L'isolamento del movimento verticale è fornito da una molla rigida che supporta un carico (peso), combinato con un meccanismo di rigidezza negativa. Il limite di questo dispositivo è che richiede forze di precarico dell'ordine del peso supportato. Pertanto, viene solitamente utilizzato per attrezzature speciali leggere. The concept of negative stiffness was first introduced in Molyneaux's pioneering publication (Molyneaux, 1957) in several proposals for vibration isolation systems. Subsequently Platus (Platus, 1991; Platus, 2007) proposed an effective passive isolator with negative mechanical stiffness only for the isolation of low frequency vibrations. Vertical movement isolation is provided by a rigid spring that supports a load (weight), combined with a negative stiffness mechanism. The limitation of this device is that it requires preload forces of the order of the supported weight. Therefore, it is usually used for light special equipment.

Finora, quindi, l'applicazione dei dispositivi NSD è stata limitata all'isolamento delle vibrazioni di apparecchiature piccole e altamente sensibili, o di sedili nelle automobili (Lee et al., 2007), poiché per strutture massive sono richieste forze di grandi dimensioni per sviluppare la rigidezza negativa (tipicamente lo stesso ordine del peso dell'edificio). So far, therefore, the application of NSD devices has been limited to vibration isolation of small and highly sensitive equipment, or of seats in automobiles (Lee et al., 2007), since large forces are required for massive structures to develop negative stiffness (typically the same order as the weight of the building).

Sono stati anche sviluppati alcuni esempi di applicazioni di un sistema di rigidezza pseudo-negativa per strutture di ingegneria civile. I cicli di isteresi "negativi" vengono dapprima ottenuti utilizzando un dispositivo idraulico completamente attivo o semi-attivo (Iemura e Pradono, 2003). Quindi, Iemura et al. (2006) hanno proposto un ammortizzatore variabile con una combinazione di cicli di attrito con rigidezza pseudo-negativa (cicli di isteresi "negativi"), per ridurre l'accelerazione della struttura assieme agli spostamenti. Tuttavia, la dipendenza dell'ammortizzatore variabile sulla potenza esterna e il segnale di retroazione per generare i circuiti di isteresi negativa ne limita le applicazioni. Il metodo della rigidezza negativa è considerato una strategia di controllo promettente per la riduzione della risposta assoluta, tranne per il fatto che un tale controllo richiede, in generale, dispositivi attivi o semi-attivi. In (Iemura, 2008) una struttura è posizionata sopra dispositivi a pendolo convesso, esattamente l'opposto rispetto agli isolatori a pendolo ad attrito che utilizzano una superficie concava. Quindi la rigidezza negativa viene generata dai carichi verticali della struttura applicati sulla superficie convessa, mentre gli isolatori elastomerici sono disposti in parallelo per fornire una rigidezza positiva. Some application examples of a pseudo-negative stiffness system for civil engineering structures have also been developed. The "negative" hysteresis loops are first obtained using a fully active or semi-active hydraulic device (Iemura and Pradono, 2003). Hence, Iemura et al. (2006) proposed a variable damper with a combination of friction cycles with pseudo-negative stiffness ("negative" hysteresis cycles), to reduce the acceleration of the structure along with displacements. However, the dependence of the variable damper on the external power and the feedback signal to generate the negative hysteresis circuits limits its applications. The negative stiffness method is considered a promising control strategy for reducing absolute response, except that such control generally requires active or semi-active devices. In (Iemura, 2008) a structure is placed on top of convex pendulum devices, exactly the opposite of friction pendulum isolators which use a concave surface. Hence the negative stiffness is generated by the vertical loads of the structure applied to the convex surface, while the elastomeric isolators are arranged in parallel to provide positive stiffness.

Il concetto di NSD presenta alcune somiglianze con il sistema di protezione basato su indebolimento e smorzamento (weakening and damping - WeD) della struttura (Cimellaro et al., 2009; Reinhorn et al., 2009; Viti et al., 2006). Tuttavia anche se il WeD è in grado di ridurre sia le accelerazioni che le derive interpiano della risposta strutturale, genera danni e deformazioni permanenti. The concept of NSD has some similarities with the protection system based on weakening and damping (WeD) of the structure (Cimellaro et al., 2009; Reinhorn et al., 2009; Viti et al., 2006). However, even if the WeD is able to reduce both the accelerations and the inter-plane drifts of the structural response, it generates permanent damage and deformation.

Nagarajaiah et al. (Nagarajaiah et al., 2010) hanno proposto il concetto di "indebolimento apparente" in cui l'NSD viene impiegato per simulare il cedimento del sistema globale (indebolimento) senza modificare la reale rigidezza della struttura. Pertanto, consente di muovere la condizione del sistema lontano dalla condizione di risonanza. In pratica, viene creato uno pseudo snervamento che è inferiore a quello reale della struttura. L'NSD non è progettato per trasferire forze alla struttura fino a quando lo spostamento è maggiore dello spostamento del gap (spostamento quando si verifica lo pseudo-cedimento). Tuttavia, il concetto così proposto in questa fase risulta impraticabile per le grandi strutture. Al fine di ottenere la rigidezza negativa in modo più economico, un nuovo dispositivo di controllo strutturale che realizza una rigidezza negativa in modo passivo è stato inizialmente proposto da Sarlis et al. (Sarlis et al., 2013) e testato su un tavolo vibrante all'Università di Buffalo (Pasala et al., 2013; Pasala et al., 2014). Nagarajaiah et al. (Nagarajaiah et al., 2010) proposed the concept of "apparent weakening" in which NSD is used to simulate global system failure (weakening) without changing the actual stiffness of the structure. Therefore, it allows you to move the system condition away from the resonant condition. In practice, a pseudo yield strength is created which is lower than the real one of the structure. The NSD is not designed to transfer forces to the structure as long as the displacement is greater than the gap displacement (displacement when pseudo-failure occurs). However, the concept thus proposed at this stage is impractical for large structures. In order to obtain negative stiffness more economically, a new structural control device that realizes negative stiffness in a passive way was initially proposed by Sarlis et al. (Sarlis et al., 2013) and tested on a vibrating table at the University of Buffalo (Pasala et al., 2013; Pasala et al., 2014).

Il comportamento di indebolimento apparente e le prestazioni negative del dispositivo di rigidezza sono stati approfonditi più recentemente analiticamente e sperimentalmente utilizzando sperimentazioni su tavola vibrante (Attary et al., 2015; Pasala et al., 2015; Sarlis et al., 2016). The apparent weakening behavior and the negative performance of the stiffness device have been investigated more recently analytically and experimentally using vibratory table experiments (Attary et al., 2015; Pasala et al., 2015; Sarlis et al., 2016).

Tuttavia, a conoscenza degli inventori, esistono studi limitati in letteratura per l'applicazione nell'ingegneria civile del concetto di NSD per ridurre le accelerazioni verticali negli edifici isolati alla base, cercando di realizzare quello che può essere chiamato isolamento alla base tridimensionale. Per esempio esiste uno studio teorico per l'isolamento alla base 3-D utilizzando un meccanismo di rigidezza negativa (Mochida, 2015). Esistono anche progettazioni di soluzioni a rigidezza negativa e quasi nulla (P. Alabuzhev, 1989). However, to the knowledge of the inventors, there are limited studies in the literature for the application in civil engineering of the concept of NSD to reduce vertical accelerations in base-isolated buildings, trying to achieve what can be called three-dimensional base insulation. For example, there is a theoretical study for 3-D base isolation using a negative stiffness mechanism (Mochida, 2015). There are also designs of solutions with negative and almost zero stiffness (P. Alabuzhev, 1989).

Certamente, le prestazioni trascurabili nella mitigazione dell'effetto verticale del terremoto dei sistemi convenzionali di isolamento alla base sono ben note. Sono inclusi gli isolatori in gomma rinforzata, i sistemi a pendolo ad attrito e i sistemi a rotolamento. Considerando la classe più comune degli isolatori elastomerici, la loro intrinseca rigidezza verticale non consente di isolare la risposta sismica eccitata da un movimento verticale del terreno. Sono stati proposti alcuni tentativi e delle soluzioni innovative per superare i limiti di isolamento nella direzione verticale. Si possono citare per esempio le disposizioni di molle in acciaio 3-D e gli isolatori elastomerici rinforzati con fibre (Harvey, 2016; Kelly e Van Engelen, 2016; Li et al., 2013 ). Certainly, the negligible performance in mitigating the vertical earthquake effect of conventional base isolation systems is well known. Reinforced rubber isolators, friction pendulum systems and rolling systems are included. Considering the most common class of elastomeric isolators, their intrinsic vertical stiffness does not allow isolating the seismic response excited by a vertical movement of the ground. Some attempts and innovative solutions have been proposed to overcome the isolation limits in the vertical direction. Examples include 3-D steel spring arrangements and fiber-reinforced elastomeric insulators (Harvey, 2016; Kelly and Van Engelen, 2016; Li et al., 2013).

In considerazione di quanto sopra, secondo un aspetto viene descritto un sistema di isolamento alla base 3-D per controllare sia le componenti orizzontali che verticali del movimento del terreno. Il sistema adotta un dispositivo a rigidezza negativa che può essere considerato come un sistema di protezione passivo adattivo, che quindi può apparentemente cambiare la rigidezza della struttura. Attraverso simulazioni numeriche è stato studiato il comportamento di mitigazione del dispositivo a rigidezza negativa contro forti terremoti nella direzione verticale. Il sistema di isolamento alla base può comprendere isolatori elastomerici che agiscono sia nella direzione orizzontale che verticale e dispositivi a rigidezza negativi che agiscono solo nella direzione verticale. Si può ottenere così un isolamento alla base tridimensionale, dove si assume che i dispositivi a rigidezza negativi influiscano solo sulla rigidezza verticale del sistema. Le analisi numeriche mostrano che la presenza di dispositivi a rigidezza negativa riduce l'accelerazione verticale nella struttura. Tuttavia, secondo la teoria del controllo passivo, gli spostamenti relativi aumentano. Pertanto, sembra consigliabile, anche se non necessario, che sia adottato smorzamento supplementare per mitigare tale effetto. Grazie alla presenza di isolatori in gomma, è possibile impiegare il loro smorzamento intrinseco senza introdurre ammortizzatori specifici nella direzione verticale. In view of the above, according to one aspect a 3-D base isolation system is described to control both the horizontal and vertical components of ground movement. The system adopts a negative stiffness device which can be considered as an adaptive passive protection system, which therefore can apparently change the stiffness of the structure. The mitigation behavior of the negative stiffness device against strong earthquakes in the vertical direction was studied through numerical simulations. The base isolation system may comprise elastomeric isolators which act in both the horizontal and vertical directions and negative stiffness devices which act only in the vertical direction. In this way, a three-dimensional base insulation can be obtained, where it is assumed that the devices with negative stiffness affect only the vertical stiffness of the system. Numerical analyzes show that the presence of negative stiffness devices reduces vertical acceleration in the structure. However, according to passive control theory, relative displacements increase. Therefore, it seems advisable, although not necessary, that additional damping be adopted to mitigate this effect. Thanks to the presence of rubber insulators, it is possible to use their intrinsic damping without introducing specific shock absorbers in the vertical direction.

Secondo quanto sopra, viene descritto un sistema di isolamento alla base 3-D che adotta un dispositivo NSD per la mitigazione delle vibrazioni in direzione verticale, combinato con dispositivi elastomerici che agiscono sul piano orizzontale. L'ipotesi principale è che l'NSD sia autonomo e quindi, una volta installato, influisca solo sulla rigidezza verticale del sistema lasciando la rigidezza orizzontale pari alla rigidezza degli isolatori. In altre parole, l'NSD non partecipa al trasferimento delle azioni orizzontali tra base strutturale e fondazione ma solo delle forze verticali di interazione. According to the above, a 3-D base isolation system is described which adopts an NSD device for the mitigation of vibrations in the vertical direction, combined with elastomeric devices acting on the horizontal plane. The main hypothesis is that the NSD is autonomous and therefore, once installed, affects only the vertical stiffness of the system, leaving the horizontal stiffness equal to the stiffness of the insulators. In other words, the NSD does not participate in the transfer of the horizontal actions between the structural base and the foundation but only of the vertical forces of interaction.

Apparecchiature leggere altamente sensibili o sculture e capolavori artistici potrebbero essere efficacemente protetti dal sistema di isolamento proposto. Highly sensitive light equipment or sculptures and artistic masterpieces could be effectively protected by the proposed insulation system.

Vengono riportati i risultati numerici di un sistema SDOF (singledegree-of-freedom) isolato alla base con un NSD installato in parallelo a livello del sistema di isolamento tradizionale costituito da isolatori in gomma. Vengono confrontati tre sistemi diversi: (i) a base fissa, (ii) isolato nella direzione orizzontale (tradizionale) e (iii) isolato con l’aggiunta di un dispositivo NSD considerando una serie di terremoti di riferimento. I risultati numerici mostrano che aggiungendo l'NSD nella direzione verticale è possibile ridurre le forze sismiche verticali nella struttura. The numerical results of a singledegree-of-freedom (SDOF) system isolated at the base with an NSD installed in parallel at the level of the traditional insulation system consisting of rubber insulators are reported. Three different systems are compared: (i) with a fixed base, (ii) isolated in the horizontal direction (traditional) and (iii) isolated with the addition of an NSD device considering a series of reference earthquakes. The numerical results show that adding the NSD in the vertical direction can reduce the vertical seismic forces in the structure.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

La figura 1 è un comportamento schematico forza-spostamento dell'NSD implementato nella struttura dove (a) sono le componenti di forza, (b) è la struttura l’NSD, (c) è l'effetto dello smorzatore in parallelo con la struttura NSD. Figure 1 is a schematic force-displacement behavior of the NSD implemented in the structure where (a) are the force components, (b) the structure is the NSD, (c) is the effect of the damper in parallel with the structure NSD.

La Figura 2 (a) è uno schema di una struttura isolata con NSD. Figure 2 (a) is a schematic of an isolated structure with NSD.

La Figura 2(b) mostra la legge F∆ verticale totale al livello dell'isolatore NSD. Figure 2 (b) shows the total vertical F∆ law at the level of the NSD isolator.

La figura 2 (c) mostra la rigidezza verticale: KA per struttura a base fissa, KB considerando le colonne e i dispositivi di isolamento (isolatore in gomma) in serie. Se l'NSD viene aggiunto in parallelo agli isolatori in gomma, KC è la rigidezza totale pre-snervamento e KD quella postsnervamento. Figure 2 (c) shows the vertical stiffness: KA for fixed base structure, KB considering the columns and isolation devices (rubber isolator) in series. If NSD is added in parallel to the rubber insulators, KC is the total pre-yield stiffness and KD is the post-yield stiffness.

La Figura 2 (d) mostra uno schema 3D del dispositivo NSD. Figure 2 (d) shows a 3D schematic of the NSD device.

La Figura 2 (e) mostra una sezione del dispositivo di Figura 2 (d) con il dettaglio del modulo radiale per l'isolamento verticale. Figure 2 (e) shows a section of the device of Figure 2 (d) with the detail of the radial module for vertical insulation.

La Figura 2 (f) mostra un dettaglio della sezione radiale del GSA. La Figura 2(g) mostra una forma deformata e lo schema tipo corpo libero del meccanismo NSD. Figure 2 (f) shows a detail of the radial section of the GSA. Figure 2 (g) shows a deformed shape and free-body-like pattern of the NSD mechanism.

La figura 3 mostra lo spettro di risposta di accelerazione orizzontale per (a) ξ=5%; (b) ξ=15%; e lo spettro di risposta di spostamento per (c) ξ=5%; e (d) ξ=15%. Figure 3 shows the horizontal acceleration response spectrum for (a) ξ = 5%; (b) ξ = 15%; and the displacement response spectrum for (c) ξ = 5%; and (d) ξ = 15%.

La figura 4 mostra lo spettro di risposta dell'accelerazione verticale per (a) ξ=5%; (b) ξ=15%; e lo spettro di risposta di spostamento per (c) ξ=5%; (d) ξ=15%. Figure 4 shows the vertical acceleration response spectrum for (a) ξ = 5%; (b) ξ = 15%; and the displacement response spectrum for (c) ξ = 5%; (d) ξ = 15%.

La figura 5 mostra la storia temporale orizzontale del terremoto di Cape Mendocino: (a) accelerazioni; (b) velocità; (c) spostamenti. Storia temporale verticale del terremoto di Cape Mendocino: (d) accelerazione; (e) velocità; (f) spostamenti. Figure 5 shows the horizontal time history of the Cape Mendocino earthquake: (a) accelerations; (b) speed; (c) travel. Vertical time history of the Cape Mendocino earthquake: (d) acceleration; (e) speed; (f) displacements.

La figura 6 mostra un confronto delle accelerazioni verticali per l'isolamento alla base tradizionale rispetto a quello che include l’NSD per diverse rigidezze verticali. Cape Mendocino (a), valori medi di tutti i registri dei terremoti (b). Figure 6 shows a comparison of the vertical accelerations for traditional base insulation compared to the one that includes the NSD for different vertical stiffnesses. Cape Mendocino (a), mean values of all earthquake logs (b).

La Figura 7 mostra un confronto dello spostamento verticale massimo a livello di isolatore per l'isolamento alla base tradizionale rispetto a quello che include l’NSD per diverse rigidezze verticali. Cape Mendocino (a), valori medi di tutti i registri dei terremoti (b). Sollevamento massimo: 24 mm nella struttura con NSD. Figure 7 shows a comparison of the maximum vertical displacement at the isolator level for traditional base insulation compared to that which includes the NSD for different vertical stiffnesses. Cape Mendocino (a), mean values of all earthquake logs (b). Maximum lift: 24 mm in the structure with NSD.

La Figura 8 mostra un confronto dello spostamento verticale minimo a livello di isolatore per l'isolamento alla base tradizionale rispetto a quello che include l’NSD per diverse rigidezza verticali. Cape Mendocino (a), valori medi di tutti i registri dei terremoti (b). Spostamento minimo: 56 mm nella struttura con NSD. Figure 8 shows a comparison of the minimum vertical displacement at the isolator level for traditional base insulation compared to that which includes the NSD for different vertical stiffnesses. Cape Mendocino (a), mean values of all earthquake logs (b). Minimum displacement: 56 mm in the structure with NSD.

La figura 9 mostra un confronto tra accelerazioni verticali della strategia di retrofit proposta rispetto alla quella di isolamento alla base tradizionale per diversi eventi di terremoto. Figure 9 shows a comparison of vertical accelerations of the proposed retrofit strategy versus the traditional base isolation strategy for different earthquake events.

La figura 10 mostra un confronto tra spostamento verticale dell'isolatore della strategia di retrofit proposta rispetto alla tradizionale struttura isolata alla base per diversi eventi sismici. Spostamento verticale massimo dell'isolatore (a), spostamento verticale minimo dell'isolatore (b). Figure 10 shows a comparison of the vertical displacement of the insulator of the proposed retrofit strategy with respect to the traditional isolated structure at the base for different seismic events. Maximum vertical displacement of the insulator (a), minimum vertical displacement of the insulator (b).

La Figura 11 mostra un confronto tra la deriva verticale della strategia di retrofit proposta rispetto alla tradizionale struttura isolata alla base per diversi eventi. Deriva verticale massima (a), deriva verticale minima (b). Figure 11 shows a comparison of the vertical drift of the proposed retrofit strategy versus the traditional isolated base structure for different events. Maximum vertical drift (a), minimum vertical drift (b).

La figura 12 mostra la forza di rigidezza negativa totale necessaria e normalizzata rispetto al peso dell'edificio. Figure 12 shows the total negative stiffness force required and normalized to the weight of the building.

La Figura 13 mostra l'energia di input verticale per diversi eventi di terremoti e strategie di retrofit Figure 13 shows the vertical input energy for different earthquake events and retrofit strategies

Descrizione dettagliata Detailed description

Caratteristiche dei dispositivi di rigidezza negativi Characteristics of negative stiffness devices

Quando l'NSD viene applicato in direzione orizzontale, presenta una rigidezza negativa reale ed è in grado di generare una forza che spinge la struttura isolata nella stessa direzione dello spostamento orizzontale relativo indotto dal moto sismico, tra la base della struttura e la fondazione (non nel opposto come nel caso di rigidezza positiva). La vera rigidezza negativa per le applicazioni strutturali è un concetto che è stato introdotto per la prima volta da Nagarajaiah et al. (S Nagarajaiah, 2010) e può essere realizzato senza alcun alimentatore di energia esterno, contrariamente alla rigidezza pseudo-negativa di dispositivi attivi e semi-attivi. When NSD is applied in the horizontal direction, it exhibits true negative stiffness and is capable of generating a force that pushes the isolated structure in the same direction as the relative horizontal displacement induced by seismic motion, between the base of the structure and the foundation (not in the opposite as in the case of positive stiffness). True negative stiffness for structural applications is a concept that was first introduced by Nagarajaiah et al. (S Nagarajaiah, 2010) and can be achieved without any external power supply, contrary to the pseudo-negative stiffness of active and semi-active devices.

L'NSD può essere classificato come un sistema di protezione sismica passiva ma appartiene a una tipologia più sofisticata, quella adattativa. Significa che è in grado di cambiare le sue caratteristiche quando si deforma. Inoltre, anche se è un dispositivo autonomo e intrinsecamente instabile, l'NSD è in grado di mostrare un comportamento stabile quando implementato in una struttura; in altre parole, è la struttura stessa che stabilizza il dispositivo. The NSD can be classified as a passive seismic protection system but belongs to a more sophisticated type, the adaptive one. It means that it is able to change its characteristics when it deforms. Furthermore, even though it is a self-contained and inherently unstable device, the NSD is capable of exhibiting stable behavior when implemented in a facility; in other words, it is the structure itself that stabilizes the device.

La rigidezza negativa è generata da una molla pre-compressa all'interno di un meccanismo, progettato per contenere l'elevata forza di compressione della molla. Quando l'NSD si deforma, la molla ruota e si estende dando una forza che assiste la struttura. Negative stiffness is generated by a pre-compressed spring within a mechanism, designed to contain the high compressive force of the spring. As the NSD deforms, the spring rotates and extends giving a force that assists the structure.

L'NSD simula un apparente indebolimento senza modificare la reale rigidezza della struttura, al fine di spostare il sistema in modo appropriato lontano dalla condizione di risonanza. In altre parole, viene creato uno pseudo snervamento, inferiore al reale snervamento della struttura. The NSD simulates an apparent weakening without changing the real stiffness of the structure, in order to move the system appropriately away from the resonant condition. In other words, a pseudo yield strength is created, lower than the actual yield strength of the structure.

L'NSD è progettato per trasferire forze quasi nulle alla struttura fino a quando lo spostamento è maggiore dello spostamento del gap (spostamento al quale si verifica lo pseudo snervamento). Per generare tale comportamento viene implementato un cosiddetto Gap Spring Assembly (GSA). Consiste in un paio di molle meccaniche, capaci di generare una rigidezza positiva elastica bilineare. Quando lo spostamento è inferiore al gap, il GSA è in grado di annullare la rigidezza negativa. Al contrario, quando lo spostamento supera la soglia di gap, la rigidezza del GSA è vicina a zero, quindi la rigidezza negativa del dispositivo viene trasferita alla struttura. The NSD is designed to transfer near zero forces to the structure as long as the displacement is greater than the gap displacement (displacement at which pseudo-yielding occurs). A so-called Gap Spring Assembly (GSA) is implemented to generate this behavior. It consists of a pair of mechanical springs, capable of generating a bilinear elastic positive stiffness. When the displacement is less than the gap, the GSA is able to cancel out the negative stiffness. Conversely, when the displacement exceeds the gap threshold, the stiffness of the GSA is close to zero, so the negative stiffness of the device is transferred to the structure.

L'NSD è stato originariamente utilizzato in parallelo con gli ammortizzatori passivi. Infatti, l'apparente riduzione della rigidezza produce un incremento di spostamento che deve essere controllato e, pertanto, è necessaria una piccola quantità di smorzamento. NSD was originally used in parallel with passive shock absorbers. Indeed, the apparent reduction in stiffness produces an increase in displacement which must be controlled and, therefore, a small amount of damping is required.

Dettagli sull’NSD possono essere trovati in Sarlis et al. (Sarlis et al., 2013), dove viene presentata la legge forza spostamento per l'NSD senza GSA, il GSA e il risultato della loro combinazione. La figura 1a illustra la legge forza spostamento per la struttura principale (elastica lineare), uno smorzatore passivo lineare e l'NSD con GSA. La figura 1b mostra il comportamento bilineare proveniente dalla struttura in parallelo con NSD e GSA senza smorzatore. La rigidezza dell’assemblaggio struttura NSD si riduce a Ka = Ks-KNSD oltre lo spostamento y1. Se F2 e y2 sono la forza e lo spostamento massimi per il sistema lineare, F3 e y3 sono la stesse variabili relative all’assieme. Lo spostamento massimo y3 risulta aumentato rispetto alla rigidezza lineare y2 (y3> y2). Quindi, l'introduzione di uno smorzatore in parallelo con l'NSD e la molla consente una risposta migliorata in termini di spostamento y’3 (Figura 1c). Details on the NSD can be found in Sarlis et al. (Sarlis et al., 2013), where the force displacement law for the NSD without GSA, the GSA and the result of their combination is presented. Figure 1a illustrates the displacement force law for the main (linear spring) structure, a linear passive damper, and the NSD with GSA. Figure 1b shows the bilinear behavior coming from the parallel structure with NSD and GSA without damper. The rigidity of the NSD structure assembly is reduced to Ka = Ks-KNSD beyond the displacement y1. If F2 and y2 are the maximum force and displacement for the linear system, F3 and y3 are the same variables relating to the assembly. The maximum displacement y3 is increased with respect to the linear stiffness y2 (y3> y2). Therefore, the introduction of a damper in parallel with the NSD and the spring allows for an improved response in terms of displacement y'3 (Figure 1c).

Un'ulteriore caratteristica positiva del NSD, del GSA e del sistema strutturale isolato è la possibilità di ricentraggio. Pertanto, vengono ripristinate le deformazioni residue al livello del sistema di isolamento alla base, a meno che la struttura principale non abbia sviluppato deformazioni plastiche dovute a snervamento. A further positive feature of the NSD, GSA and isolated structural system is the possibility of re-centering. Therefore, residual deformations are restored at the level of the base insulation system, unless the main structure has developed plastic deformations due to yielding.

In questa descrizione, per semplicità, la funzione NSD viene adottata con un modello bilineare e agisce solo in direzione verticale. Nel piano orizzontale viene implementata la funzione di isolamento disaccoppiata proveniente dagli isolatori in gomma. Poiché gli isolatori di gomma hanno già una capacità di smorzamento intrinseco, come già anticipato, quest'ultima può essere utile per limitare gli spostamenti verticali relativi. Descrizione del modello adottato In this description, for simplicity, the NSD function is adopted with a bilinear model and acts only in the vertical direction. In the horizontal plane the decoupled insulation function coming from the rubber insulators is implemented. Since rubber insulators already have intrinsic damping capacity, as already mentioned, the latter can be useful for limiting relative vertical displacements. Description of the model adopted

L'efficacia dell’NSD proposto per la mitigazione delle vibrazioni verticali è stata valutata utilizzando una struttura standard. Consiste in un telaio 2-D, un piano e una campata con dimensioni e caratteristiche generiche. Il caso studio non è correlato a un'applicazione specifica, ma è utile per valutare l'efficacia dell’NSD proposto nella direzione verticale. Comprende due colonne e una trave orizzontale rigida. La campata misura 9.15 m e l'altezza è di 3.96 m. La massa distribuita sulla trave è di 160000 kg. Il telaio ha una rigidezza orizzontale totale di 77000 kN/m, quindi il corrispondente periodo di vibrazione è di TH = 0,28 s. La rigidezza verticale totale del telaio è 5,7 × 106 kN/m, quindi il periodo verticale è TV = 0,033 s. Lo smorzamento per questa struttura è assunto pari a ξ=5% ed è stato incluso nell'equazione del moto usando la matrice di smorzamento alla Rayleigh. The effectiveness of the proposed NSD for the mitigation of vertical vibrations was evaluated using a standard structure. It consists of a 2-D frame, a floor and a span with generic dimensions and characteristics. The case study is not related to a specific application, but is useful for evaluating the effectiveness of the proposed NSD in the vertical direction. It includes two columns and a rigid horizontal beam. The span measures 9.15m and the height is 3.96m. The mass distributed on the beam is 160000 kg. The frame has a total horizontal stiffness of 77000 kN / m, so the corresponding vibration period is TH = 0.28 s. The total vertical stiffness of the frame is 5.7 × 106 kN / m, so the vertical period is TV = 0.033 s. The damping for this structure is assumed to be ξ = 5% and has been included in the equation of motion using the Rayleigh damping matrix.

Vengono confrontate le prestazioni di tre configurazioni strutturali: (i) una struttura a base fissa, (ii) una struttura isolata orizzontalmente con isolatori in gomma e (iii) una struttura isolata orizzontalmente con isolatori in gomma e con NSD nella direzione verticale (disaccoppiati orizzontalmente). La struttura a base fissa (i) e le versioni isolate (ii e iii) corrispondono al telaio con i parametri descritti all'inizio di questa sezione. Tuttavia, le tre tipologie studiate sono descritte in dettaglio in quanto segue: 1) Struttura a base fissa: The performance of three structural configurations are compared: (i) a fixed base structure, (ii) a horizontally insulated structure with rubber insulators, and (iii) a horizontally insulated structure with rubber insulators and with NSD in the vertical direction (horizontally decoupled ). The fixed base structure (i) and the isolated versions (ii and iii) correspond to the frame with the parameters described at the beginning of this section. However, the three types studied are described in detail in the following: 1) Fixed base structure:

La trave orizzontale è assunta rigida, le colonne deformabili e fissate alla base, quindi il telaio ha tre gradi di libertà: lo spostamento orizzontale, lo spostamento verticale e l'angolo di rotazione nel piano verticale (gli spostamenti sono riferiti al baricentro della trave). La matrice di rigidezza risulta: The horizontal beam is assumed to be rigid, the columns deformable and fixed to the base, therefore the frame has three degrees of freedom: the horizontal displacement, the vertical displacement and the angle of rotation in the vertical plane (the displacements refer to the center of gravity of the beam) . The stiffness matrix is:

dove T, N, M sono le forze interne nelle colonne: rispettivamente forza di taglio, forza assiale, momento flettente. E è il modulo Young, h la lunghezza totale, A e I l'area della sezione trasversale e il momento di inerzia, L la distanza tra le colonne (si veda la Figura 2a). Il termine K11 nella matrice (prima riga-prima colonna) è 77000 kN/m, mentre il termine nella seconda riga e nella seconda colonna K22 è 5,7 × 106 kN/m. where T, N, M are the internal forces in the columns: shear force, axial force, bending moment respectively. E is the Young modulus, h the total length, A and I the cross-sectional area and the moment of inertia, L the distance between the columns (see Figure 2a). The term K11 in the matrix (first row-first column) is 77000 kN / m, while the term in the second row and second column K22 is 5.7 × 106 kN / m.

Le equazioni dinamiche governanti il processo sono presentate nella Equazione (2), dove la matrice di smorzamento è omessa. La matrice di massa è diagonale e il termine corrispondente al grado di libertà di rotazione è il momento di inerzia della trave. Il secondo membro dell'equazione riporta le forze trasmesse dal movimento del terreno. Ovviamente, la parte rotazionale è trascurabile. The dynamic equations governing the process are presented in Equation (2), where the damping matrix is omitted. The mass matrix is diagonal and the term corresponding to the degree of freedom of rotation is the moment of inertia of the beam. The second member of the equation reports the forces transmitted by the movement of the ground. Obviously, the rotational part is negligible.

Con riferimento all'Equazione 2, m è la massa, x, y, θ le coordinate With reference to Equation 2, m is the mass, x, y, θ the coordinates

le componenti di accelerazione del movimento del the acceleration components of the movement of the

terreno rispettivamente nella direzione orizzontale e verticale. Il punto sopra le variabili rappresenta la derivata rispetto al tempo. È evidente come il movimento verticale sia disgiunto dagli altri due. ground in the horizontal and vertical direction respectively. The dot above the variables represents the derivative with respect to time. It is evident that the vertical movement is disjoint from the other two.

2) Struttura isolata: 2) Insulated structure:

Per questa configurazione, viene aggiunto un altro solaio al livello del piano di isolamento che è supportato da due isolatori. Il solaio è assunto rigido e ha la stessa massa m di quello sopra alle colonne deformabili. I nuovi gradi di libertà sono gli spostamenti orizzontali e verticali del centro di massa (x1, y1) al livello di isolamento. La rotazione a questo livello non viene considerata: in altre parole, il movimento rotazionale (tipo rocking) viene ignorato al livello di isolamento. Alla fine, nella struttura sono considerati cinque gradi di libertà. For this configuration, another slab is added to the insulation floor level which is supported by two insulators. The floor is assumed to be rigid and has the same mass m as the one above the deformable columns. The new degrees of freedom are the horizontal and vertical displacements of the center of mass (x1, y1) at the isolation level. Rotation at this level is not considered: in other words, rotational motion (such as rocking) is ignored at the isolation level. Ultimately, five degrees of freedom are considered in the structure.

Ogni isolatore ha un rapporto di smorzamento fissato al 15% e il loro comportamento è assunto elastico lineare. Questo valore è tipico per isolatori in gomma ad alto smorzamento, o isolatori in gomma a nucleo in piombo, ai cicli di isteresi più ampi (Abe et al., 2004; Perotti et al., 2013), in corrispondenza dei quali i benefici derivanti dal sistema di isolamento alla base, in termini di dissipazione e di disaccoppiamento del sistema dal movimento del terreno, sono più evidenti. L'equazione 3 riepiloga la matrice di rigidezza della struttura isolata di base: Each insulator has a damping ratio set at 15% and their behavior is assumed to be linear elastic. This value is typical for high damping rubber insulators, or lead-core rubber insulators, with the largest hysteresis loops (Abe et al., 2004; Perotti et al., 2013), in correspondence with which the resulting benefits from the base isolation system, in terms of dissipation and decoupling of the system from the ground movement, are more evident. Equation 3 summarizes the stiffness matrix of the basic isolated structure:

dove KSH e KSV sono rispettivamente la rigidezza orizzontale e verticale totale degli isolatori. Se si presume un sistema 2DOF per le strutture isolate base nella direzione orizzontale (x1, x2), la matrice di smorzamento viene determinata dai corrispondenti coefficienti di smorzamento a livello della sovrastruttura c2 e al livello dell'isolatore c1. In particolare, c2 è determinato assumendo che la sovrastruttura sia un sistema SDOF con un rapporto di smorzamento ξ=0,05, mentre c1 è determinato assumendo che la struttura di base isolata sia un sistema SDOF con un rapporto di smorzamento ξ=0,15. where KSH and KSV are the total horizontal and vertical stiffness of the insulators, respectively. If a 2DOF system is assumed for basic isolated structures in the horizontal direction (x1, x2), the damping matrix is determined by the corresponding damping coefficients at the level of the superstructure c2 and at the level of the insulator c1. In particular, c2 is determined by assuming that the superstructure is an SDOF system with a damping ratio ξ = 0.05, while c1 is determined by assuming that the isolated base structure is an SDOF system with a damping ratio ξ = 0.15 .

Le equazioni del moto si presentano infine nel modo seguente: Finally, the equations of motion are presented as follows:

Quindi, il problema verticale rimane disaccoppiato dagli altri. Hence, the vertical problem remains decoupled from the others.

3) Struttura isolata con NSD (Figura 2a): 3) Insulated structure with NSD (Figure 2a):

La struttura è la stessa del caso isolato, ma il dispositivo NSD proposto viene introdotto alla base. L'isolamento verticale relativo all’NSD è predisposto per essere disaccoppiato da quello orizzontale (relativo agli isolatori in gomma standard) e l’NSD è collegato alla struttura al baricentro di base. Pertanto, agisce solo nella direzione verticale e non fornisce alcuna forza nella direzione orizzontale. The structure is the same as in the isolated case, but the proposed NSD device is introduced at the base. The vertical insulation relating to the NSD is designed to be decoupled from the horizontal one (relating to the standard rubber insulators) and the NSD is connected to the structure at the base center of gravity. Therefore, it acts only in the vertical direction and does not provide any force in the horizontal direction.

Quindi, nella direzione orizzontale, gli isolatori in gomma garantiscono l'isolamento alla base, mentre la legge forza-spostamento verticale a livello del piano di isolamento risulta pari alla somma sia dell’NSD proposto che dei contributi degli isolatori in gomma che agiscono in parallelo. In pratica, la soluzione proposta è progettata per ottenere una specifica legge forza-spostamento come illustrato nella Figura 2b. Questa è elastica non lineare e i parametri che caratterizzano il comportamento sono i seguenti: Therefore, in the horizontal direction, the rubber insulators ensure the insulation at the base, while the vertical force-displacement law at the level of the insulation plane is equal to the sum of both the proposed NSD and the contributions of the rubber insulators acting in parallel. . In practice, the proposed solution is designed to obtain a specific force-displacement law as illustrated in Figure 2b. This is non-linear elastic and the parameters that characterize the behavior are the following:

• La rigidezza del primo ramo, pari alla rigidezza totale degli isolatori verticali KNSD. • The stiffness of the first branch, equal to the total stiffness of the KNSD vertical isolators.

• La rigidezza del secondo ramo, pari al 10% di KNSD. • The stiffness of the second branch, equal to 10% of KNSD.

• Il gap-displacement δ quando viene impegnata la soluzione NSD proposta. • The gap-displacement δ when the proposed NSD solution is used.

Quando il valore assoluto dello spostamento è inferiore a δ, il GSA fornisce una forza opposta all'NSD, in modo che la struttura si comporti come se l'NSD non fosse presente. In questo studio parametrico, vengono presi in considerazione cinque diversi intervalli di spazio: 1-2-3-4-5 mm. Le equazioni dinamiche sono le stesse del caso isolato, ad eccezione della seconda equazione, che risulta pari a: When the absolute value of the displacement is less than δ, the GSA provides an opposite force to the NSD, so that the structure behaves as if the NSD is not present. In this parametric study, five different gaps are considered: 1-2-3-4-5 mm. The dynamic equations are the same as in the isolated case, with the exception of the second equation, which is equal to:

Come estensione della precedente configurazione strutturale, il rapporto di smorzamento della sovrastruttura si assume pari al 5%, mentre si assume pari al 15% per gli isolatori in gomma, mentre la soluzione NSD proposta non prevede smorzamento. As an extension of the previous structural configuration, the damping ratio of the superstructure is assumed to be 5%, while it is assumed to be 15% for rubber insulators, while the proposed NSD solution does not provide for damping.

Le equazioni (4) e (5) del modello strutturale isolato alla base con NSD delineano come i risultati della risposta verticale sono disaccoppiati dagli altri. Tale aspetto quantitativo evidenzia la natura indipendente del sistema di isolamento 3D, in cui la funzione di isolamento verticale è autonoma dalla altre componenti. La figura 2c riassume le caratteristiche forza-spostamento nella direzione verticale per le tre configurazioni strutturali considerate. Tutte le simulazioni numeriche sono state eseguite utilizzando il software MATLAB (Matlab, 2015). Equations (4) and (5) of the structural model isolated at the base with NSD outline how the results of the vertical response are decoupled from the others. This quantitative aspect highlights the independent nature of the 3D insulation system, in which the vertical insulation function is autonomous from the other components. Figure 2c summarizes the force-displacement characteristics in the vertical direction for the three structural configurations considered. All numerical simulations were performed using MATLAB software (Matlab, 2015).

La figura 2d illustra la forma 3D del dispositivo 10 che è anche schematizzata nella figura 2a tra la sovrastruttura e la fondazione di base. Ha una forma cilindrica, rigidamente collegata alla sovrastruttura dalla superficie superiore 11 e scorrevole senza attrito alla fondazione di base attraverso la superficie di fondo 12. Pertanto, viene realizzato il comportamento disaccoppiato tra le forze di reazione orizzontali e verticali nel sistema di isolamento. Figure 2d illustrates the 3D shape of the device 10 which is also schematized in Figure 2a between the superstructure and the base foundation. It has a cylindrical shape, rigidly connected to the superstructure by the top surface 11 and sliding without friction to the base foundation through the bottom surface 12. Thus, the decoupled behavior between the horizontal and vertical reaction forces in the insulation system is realized.

La sezione radiale A-A in Figura 2e descrive il meccanismo interno (a riposo) che caratterizza il tipico modulo radiale, come una fetta o un settore. Le dimensioni principali dei componenti dell’NSD sono riportate e devono essere identificate durante il processo di progettazione, considerando le condizioni specifiche dell’applicazione. Lo stesso modulo radiale viene replicato simmetricamente nella soluzione proposta, ad es. per 4-6-8 volte secondo le dimensioni fissate del dispositivo. Il sistema proposto impiega la molla 13 altamente precompressa, preferibilmente una molla elicoidale orizzontale precompressa. La molla 13 appartiene a un meccanismo di amplificazione che viene realizzato attraverso la leva 14, preferibilmente una leva interna, che può ruotare attorno al perno C. La leva 14 è collegata al componente superiore 11 mediante un perno o similare. Pertanto, l'estensione della molla 13 viene amplificata dalla leva 14. The radial section A-A in Figure 2e describes the internal (at rest) mechanism that characterizes the typical radial module, such as a slice or sector. The main dimensions of the NSD components are reported and must be identified during the design process, considering the specific conditions of the application. The same radial modulus is replicated symmetrically in the proposed solution, e.g. for 4-6-8 times according to the fixed dimensions of the device. The proposed system employs the highly prestressed spring 13, preferably a prestressed horizontal helical spring. The spring 13 belongs to an amplification mechanism which is realized through the lever 14, preferably an internal lever, which can rotate around the pin C. The lever 14 is connected to the upper component 11 by means of a pin or the like. Therefore, the extension of the spring 13 is amplified by the lever 14.

Vale la pena notare che, poiché la leva 14 si inclina a causa degli spostamenti verticali (Figura 2e), la distanza Rp1 (dal centro all'estremità della leva 14) diminuisce a causa di Rp2 fissa. Pertanto, per evitare il blocco del meccanismo, viene introdotta una scanalatura orizzontale (asola) 16 sul punto di articolazione più a destra della leva 14, in cui si trova la spina 15. It is worth noting that, as the lever 14 tilts due to vertical displacements (Figure 2e), the distance Rp1 (from the center to the end of the lever 14) decreases due to fixed Rp2. Therefore, to avoid blocking the mechanism, a horizontal groove (slot) 16 is introduced at the rightmost pivot point of the lever 14, where the pin 15 is located.

La molla 13 precompressa rimane a riposo fino a quando le vibrazioni indotte dalla componente verticale del terremoto cambiano l'allineamento tra la leva 14 e la molla 13. Quindi la componente verticale della forza della molla precompressa 13 genera un momento flettente, a sinistra nella figura 2e, attorno al perno C, in equilibrio con il momento flettente generato a destra del perno C. Essendo la lunghezza del braccio a destra del perno C più piccola di quella a sinistra, la forza che agisce su la sovrastruttura sarà maggiore della componente verticale della forza della molla precompressa 13. In questo modo viene generata la riduzione della rigidezza verticale del sistema (indebolimento), che ha l'effetto di amplificare lo spostamento indotto dalla componente verticale del terremoto. Questo meccanismo disaccoppia il moto verticale del terreno dalla sovrastruttura, generando l'isolamento alla base verticale. I risultati preliminari evidenziano come il meccanismo di isolamento verticale sia efficace nel ridurre l'accelerazione verticale della sovrastruttura e promettente per ulteriori sviluppi e implementazioni su una vasta gamma di strutture. The prestressed spring 13 remains at rest until the vibrations induced by the vertical component of the earthquake change the alignment between the lever 14 and the spring 13. Then the vertical component of the force of the prestressed spring 13 generates a bending moment, on the left in the figure 2e, around the pin C, in equilibrium with the bending moment generated to the right of the pin C. Since the length of the arm on the right of the pin C is smaller than that on the left, the force acting on the superstructure will be greater than the vertical component of the force of the prestressed spring 13. In this way the reduction of the vertical stiffness of the system is generated (weakening), which has the effect of amplifying the displacement induced by the vertical component of the earthquake. This mechanism decouples the vertical motion of the ground from the superstructure, generating isolation at the vertical base. Preliminary results highlight how the vertical isolation mechanism is effective in reducing the vertical acceleration of the superstructure and promising for further development and implementation on a wide range of structures.

La Figura 2e riporta anche la posizione del meccanismo GSA all'interno dell'NSD, mentre il suo disegno dettagliato (sezione radiale a riposo) è fornito dalla Figura 2f. Il meccanismo GSA è caratterizzato dagli stessi principi di lavoro descritti in (Sarlis et al., 2013). Pertanto lo spostamento del gap δ, chiamato anche NSD engagement displacement, è definito dalla Eq. (17) in (Sarlis et al., 2013). Figure 2e also reports the position of the GSA mechanism inside the NSD, while its detailed drawing (radial section at rest) is provided by Figure 2f. The GSA mechanism is characterized by the same working principles described in (Sarlis et al., 2013). Therefore the displacement of the gap δ, also called NSD engagement displacement, is defined by Eq. (17) in (Sarlis et al., 2013).

Per definire il modello analitico del meccanismo di rigidezza negativa, devono essere considerati la configurazione deformata e il diagramma del corpo libero come in (Sarlis et al., 2013). Sono mostrati in Figura 2g senza il contributo del GSA, dove Pin e Kin sono rispettivamente la forza di pre-compressione e la rigidezza della molla. Lo spostamento verticale u della superficie di fondo 12 del dispositivo è uguale agli spostamenti dei punti B ed E (si presumono elementi indeformabili). To define the analytical model of the negative stiffness mechanism, the deformed configuration and the free body diagram must be considered as in (Sarlis et al., 2013). They are shown in Figure 2g without the contribution of GSA, where Pin and Kin are the pre-compression force and the spring stiffness, respectively. The vertical displacement u of the bottom surface 12 of the device is equal to the displacements of points B and E (non-deformable elements are assumed).

La lunghezza della molla 13 nella configurazione deformata del meccanismo è calcolata come The length of the spring 13 in the deformed configuration of the mechanism is calculated as

Dove Lp è la lunghezza della molla 13 quando u = 0 (configurazione indeformata) e l'incremento ∆Lp è dovuto alla rotazione della leva 14 attorno al punto di rotazione C, come indicato nella figura 2g. Quest'ultimo è Where Lp is the length of the spring 13 when u = 0 (undeformed configuration) and the increase ∆Lp is due to the rotation of the lever 14 around the pivot point C, as indicated in Figure 2g. The latter is

definito come defined as

Fs è la forza nella configurazione deformata della molla 13 e il suo componente può essere derivato come Fs is the force in the deformed configuration of the spring 13 and its component can be derived as

Scrivendo l'equilibrio della leva 14 attorno al punto di articolazione C, la forza esercitata nel punto B può essere calcolata come By writing the balance of the lever 14 around the pivot point C, the force exerted at point B can be calculated as

Movimenti del terreno Ground movements

Le strutture di ingegneria civile sono soggette a movimenti sismici tridimensionali, tuttavia, anche se sia la componente orizzontale che quella verticale sono state studiate e considerate per quanto riguarda le problematiche della progettazione strutturale, la componente verticale del movimento del terreno è stata frequentemente sottovalutata e trascurata (Ghaffarzadeh e Nazeri, 2015 ; Nagarajaiah et al., 2013; Shakib e Fuladgar, 2003). Alcune normative e codici di progettazione, ad es. NEHRP (1994) e UBC (1997), assumono anche che la componente verticale del movimento del terreno sia una frazione della componente orizzontale. Tuttavia, in terremoti distruttivi come il 1989 Loma Prieta, 1994 Northridge, 1995 Kobe e 1999 Chi-Chi, si è constatato che il movimento verticale del terreno può eguagliare o addirittura superare il movimento orizzontale del suolo localmente. Civil engineering structures are subject to three-dimensional seismic movements, however, although both the horizontal and vertical components have been studied and considered with regard to structural design issues, the vertical component of ground movement has frequently been underestimated and neglected. (Ghaffarzadeh and Nazeri, 2015; Nagarajaiah et al., 2013; Shakib and Fuladgar, 2003). Some regulations and design codes, eg. NEHRP (1994) and UBC (1997) also assume that the vertical component of the ground movement is a fraction of the horizontal component. However, in destructive earthquakes such as 1989 Loma Prieta, 1994 Northridge, 1995 Kobe and 1999 Chi-Chi, it was found that vertical ground motion can match or even exceed horizontal ground motion locally.

Esistono diversi metodi in letteratura per la selezione del moto del terreno da utilizzare per l'analisi della storia temporale della risposta strutturale in direzione orizzontale. Un riassunto di questi metodi esistenti può essere trovato in (NIST, 2011). Tuttavia, l'obiettivo principale rimane nella sola componente orizzontale, mentre non sono disponibili altrettanti criteri e approcci che possono essere utilizzati per le componenti verticali. There are several methods in the literature for the selection of the ground motion to be used for the analysis of the temporal history of the structural response in the horizontal direction. A summary of these existing methods can be found in (NIST, 2011). However, the main focus remains on the horizontal component only, while there are not as many criteria and approaches that can be used for the vertical components.

I principi qui adottati per la selezione del movimento del terreno consistono nel trovare registrazioni di terremoti con alta componente verticale del moto del suolo, ad esempio osservando l’accelerazione di picco (PGA) della componente verticale e analizzando la storia temporale di spostamento identificando i record con impulsi. Questa condizione è solitamente comune nei terremoti near-field in cui gli impulsi sono solitamente presenti sia nella direzione orizzontale che verticale. Il database adottato per la selezione dei terremoti è il database del PEER, mentre il set selezionato è mostrato nella Tabella 1. Il software OPENSIGNAL (Cimellaro e Marasco, 2014) è stato utilizzato in particolare per la selezione dei terremoti. Le analisi bidimensionali sono state eseguite considerando sia la componente verticale che quella massima orizzontale. Gli spettri di risposta media della serie selezionata in termini di spostamenti e accelerazioni nella direzione verticale sono mostrati nelle figure 3 e 4 dove viene mostrato anche il periodo della struttura analizzata nella direzione verticale. The principles adopted here for the selection of ground motion consist in finding records of earthquakes with a high vertical component of the ground motion, for example by observing the peak acceleration (PGA) of the vertical component and analyzing the displacement time history by identifying the records with pulses. This condition is usually common in near-field earthquakes where pulses are usually present in both the horizontal and vertical directions. The database adopted for the selection of earthquakes is the PEER database, while the selected set is shown in Table 1. The OPENSIGNAL software (Cimellaro and Marasco, 2014) was used in particular for the selection of earthquakes. The two-dimensional analyzes were performed considering both the vertical and the maximum horizontal component. The average response spectra of the selected series in terms of displacements and accelerations in the vertical direction are shown in Figures 3 and 4 where the period of the analyzed structure in the vertical direction is also shown.

Ad esempio, una registrazione di terremoto selezionato viene mostrata in Figura 5, dove sono indicate sia le componenti orizzontali che quelle verticali del movimento del terreno in termini di accelerazioni, velocità e spostamenti. Come si può osservare, gli spostamenti verticali del movimento al suolo sono due volte gli spostamenti orizzontali. For example, a selected earthquake record is shown in Figure 5, where both the horizontal and vertical components of ground motion are shown in terms of accelerations, velocities, and displacements. As can be seen, the vertical displacements of the ground motion are twice the horizontal displacements.

Progettazione del sistema di isolamento e dei dispositivi Design of the isolation system and devices

Al fine di valutare le caratteristiche del sistema di isolamento con i possibili benefici derivanti dall'utilizzo della soluzione NSD proposta, vengono considerate le tre tipologie descritte in precedenza: telaio a base fissa, isolato e isolato con NSD. Concentrandosi sui dispositivi tipo isolatori in gomma laminata, presupponendo un intervallo iniziale di rigidezza orizzontale per gli isolatori, l'obiettivo è quello di trovare la rigidezza a cui la soluzione NSD proposta è più efficiente nel mitigare l'accelerazione verticale della sovrastruttura. Per ottenere un intervallo ragionevole, la prima ipotesi è considerare un intervallo di rigidezza corrispondente a un periodo di vibrazione orizzontale compreso tra 1 s e 4 s. Quindi, per identificare la rigidezza verticale totale degli isolatori, si suppone di avere un rapporto tra le reazioni verticali e orizzontali pari a 1000. I test sono stati eseguiti in direzione verticale usando i terremoti elencati nella Tabella 1. Per ogni registrazione e per ogni rigidezza, si assumono tutti i 5 valori di gapdislocazione δ. In order to evaluate the characteristics of the insulation system with the possible benefits deriving from the use of the proposed NSD solution, the three types described above are considered: fixed base frame, insulated and insulated with NSD. By focusing on laminated rubber insulator-like devices, assuming an initial horizontal stiffness range for the insulators, the goal is to find the stiffness at which the proposed NSD solution is most efficient in mitigating the vertical acceleration of the superstructure. To obtain a reasonable interval, the first hypothesis is to consider a stiffness interval corresponding to a horizontal vibration period between 1 s and 4 s. Therefore, to identify the total vertical stiffness of the insulators, it is assumed to have a ratio of vertical to horizontal reactions equal to 1000. The tests were performed in the vertical direction using the earthquakes listed in Table 1. For each recording and for each stiffness , all 5 gapdislocation values δ are assumed.

La seconda parte dell'analisi riguarda il progetto degli isolatori. Dopo aver selezionato la rigidezza verticale ottimale, lo scopo è progettare un sistema di isolamento in grado di sopportare gli spostamenti e le sollecitazioni indotte dal carico sismico. Il design deve tener conto di alcuni requisiti e verifiche che appaiono nella maggior parte dei codici: il controllo della deformazione orizzontale a taglio, l'area ridotta, l'instabilità e lo stress dei materiali. The second part of the analysis concerns the design of the insulators. After selecting the optimal vertical stiffness, the aim is to design an insulation system capable of withstanding the displacements and stresses induced by the seismic load. The design must take into account some requirements and verifications that appear in most codes: the control of the horizontal shear deformation, the reduced area, the instability and the stress of the materials.

Quattro parametri geometrici e meccanici caratterizzano un isolatore in gomma e per ognuno viene selezionato un intervallo di valori verosimili e vengono considerate tutte le possibili combinazioni. Four geometric and mechanical parameters characterize a rubber insulator and for each a range of likely values is selected and all possible combinations are considered.

- il modulo di taglio dell'elastomero G (0,4 - 0,8 - 1,4 MPa) - the shear modulus of elastomer G (0.4 - 0.8 - 1.4 MPa)

- il diametro D (da 0,3 m a 2,5 m) - the diameter D (from 0.3 m to 2.5 m)

- il numero di strati di gomma n (da 3 a 60) - the number of rubber layers n (from 3 to 60)

- lo spessore di ogni strato t (da 3 mm a 50 mm) - the thickness of each layer t (from 3 mm to 50 mm)

La normativa (AASHTO, 2010) consente di individuare le soluzioni adeguate all'interno degli intervalli progettuali preliminari che sono state considerate nelle simulazioni numeriche. La prossima sezione è dedicata a presentare i risultati delle simulazioni numeriche in termini di mitigazione della risposta confrontando le tre diverse configurazioni strutturali. L'ultima parte dello studio mostra il confronto in termini di quantità di energia trasmessa nella sovrastruttura, così come ottenuto dall'integrazione delle equazioni del moto. The standard (AASHTO, 2010) makes it possible to identify suitable solutions within the preliminary design intervals that have been considered in the numerical simulations. The next section is dedicated to presenting the results of numerical simulations in terms of response mitigation by comparing the three different structural configurations. The last part of the study shows the comparison in terms of the amount of energy transmitted in the superstructure, as obtained from the integration of the equations of motion.

Risultati numerici Numerical results

Come descritto nel paragrafo precedente, le prime simulazioni si concentrano sulla ricerca della rigidezza verticale ottimale dell'isolatore rispetto a cui la soluzione NSD proposta risulta più efficace in termini di riduzione della componente di accelerazione verticale nella struttura, rispetto al caso isolato tradizionale (solo orizzontale). Ovviamente, la limitazione degli spostamenti a livello degli isolatori deve essere garantita. Risulta che il numero di registrazioni che impegna l'NSD con spostamento δ maggiore di 1 mm è trascurabile. Tuttavia, con il valore δ = 1mm i risultati sono soddisfacenti in termini di attenuazione verticale dell'accelerazione. Pertanto, ai fini di questo studio preliminare, tutte le analisi presentate nel seguito sono riferite a questo valore. As described in the previous paragraph, the first simulations focus on finding the optimal vertical stiffness of the insulator with respect to which the proposed NSD solution is more effective in terms of reducing the vertical acceleration component in the structure, compared to the traditional isolated case (only horizontal ). Obviously, the limitation of displacements at the level of the insulators must be guaranteed. It turns out that the number of registrations that engage the NSD with displacement δ greater than 1 mm is negligible. However, with the value δ = 1mm the results are satisfactory in terms of vertical attenuation of the acceleration. Therefore, for the purposes of this preliminary study, all the analyzes presented below refer to this value.

La figura 6a mostra l'accelerazione verticale massima corrispondente a ciascuna rigidezza verticale per il terremoto di Cape Mendocino. Nella Figura 6b sono presentati i valori medi e le deviazioni standard di tutti i movimenti del terreno considerati. Con lo stesso schema, la Figura 7 mostra la risposta in termini di spostamento verticale massimo a livello degli isolatori, mentre nella Figura 8 è mostrato lo spostamento minimo. Questi sono misurati dalla posizione zero assoluta degli isolatori. È importante separare lo spostamento massimo e minimo a causa del diverso comportamento della gomma in trazione rispetto alla compressione. La trazione è principalmente dovuta all'introduzione dell’NSD ma anche al movimento del terreno nella direzione verticale e alla dinamica del sistema. Infatti, come evidenziato dalle Figure 7 e 8, anche la semplice struttura isolata tramite isolatori in gomma tradizionali sperimenta la trazione per un determinato rapporto di rigidezza. Figure 6a shows the maximum vertical acceleration corresponding to each vertical stiffness for the Cape Mendocino earthquake. Figure 6b shows the mean values and standard deviations of all ground movements considered. With the same scheme, Figure 7 shows the response in terms of maximum vertical displacement at the level of the isolators, while Figure 8 shows the minimum displacement. These are measured from the absolute zero position of the insulators. It is important to separate the maximum and minimum displacement due to the different behavior of the rubber in traction versus compression. Traction is mainly due to the introduction of the NSD but also to the movement of the ground in the vertical direction and to the dynamics of the system. In fact, as shown in Figures 7 and 8, even the simple structure isolated by traditional rubber insulators experiences traction for a given stiffness ratio.

In Figura 7 e Figura 8, una linea tratteggiata rappresenta lo spostamento verticale statico che è una funzione a gradino perché dipende dalla rigidezza verticale. In Figure 7 and Figure 8, a dashed line represents static vertical displacement which is a step function because it depends on vertical stiffness.

Guardando le figure, si osserva una zona di transizione in cui la rigidezza è maggiore e il comportamento delle due tipologie di strutture è molto simile, perché gli spostamenti sono più piccoli. Quindi l’NSD è impegnata solo poche volte. Invece, quando la rigidezza è piccola, si ottiene una significativa riduzione delle accelerazioni. Tuttavia, per gli stessi casi vengono anche evidenziati gli spostamenti di trazione più elevati. La rigidezza ottimale è identificata all'interno dell'area di transizione evidenziata, dove viene raggiunta la riduzione di accelerazione più soddisfacente in direzione verticale, sperimentando spostamenti relativi verticali compatibili con la struttura isolata con isolatori in gomma. Looking at the figures, we observe a transition zone in which the stiffness is greater and the behavior of the two types of structures is very similar, because the displacements are smaller. So the NSD is only engaged a few times. On the other hand, when the stiffness is small, a significant reduction in accelerations is obtained. However, for the same cases the higher tractive displacements are also highlighted. The optimal stiffness is identified within the highlighted transition area, where the most satisfactory acceleration reduction in the vertical direction is achieved, experiencing relative vertical displacements compatible with the structure isolated with rubber insulators.

Viene adottato un valore di rigidezza di = 7,9 x 105 kN/m, che rappresenta il valore ottimale in termini di riduzione delle accelerazioni limitando gli spostamenti. A stiffness value of = 7.9 x 105 kN / m is adopted, which represents the optimal value in terms of acceleration reduction by limiting displacements.

Il passo successivo consiste nella progettazione di un isolatore di riferimento in grado di sopportare la domanda in termini di spostamenti e sollecitazioni, a partire dall'analisi preliminare. Dopo aver combinato i parametri indipendenti (G, D, n, t) descritti nel paragrafo precedente, l'isolatore selezionato ha le caratteristiche nella Tabella 2. The next step is to design a reference insulator capable of withstanding the demand in terms of displacements and stresses, starting with the preliminary analysis. After combining the independent parameters (G, D, n, t) described in the previous paragraph, the selected isolator has the characteristics in Table 2.

In questo studio, tutte le registrazioni utilizzate per le analisi generano grandi spostamenti verticali negli isolatori. Per essere compatibili con tali spostamenti, è necessario migliorare la deformabilità dei isolatori gestendo il numero e lo spessore degli strati di gomma. Le caratteristiche di ciascun isolatore corrispondente a ciascuna registrazione sismica sono riportate nella Tabella 3. In this study, all the recordings used for the analyzes generate large vertical displacements in the isolators. To be compatible with these displacements, it is necessary to improve the deformability of the insulators by managing the number and thickness of the rubber layers. The characteristics of each isolator corresponding to each seismic record are shown in Table 3.

Tutte le condizioni normative sono state soddisfatte tranne la (i) condizione di instabilità nel terremoto di Gazli e il (ii) limite di tensione ammissibile per cavitazione che viene superato sotto il record di Northridge. Per quanto riguarda la prima condizione, il carico verticale è inferiore al carico di punta, ma è maggiore della metà (4,34 MPa). Ciò significa viene influenzata che la rigidezza degli isolatori e quindi deve essere utilizzato un modello non lineare nell'analisi. Per quanto riguarda il secondo problema, anche se il limite teorico di cavitazione è superato per un breve periodo di tempo al picco della risposta strutturale, il progetto del sistema di isolamento per un'applicazione reale dovrebbe essere rivalutato. Tuttavia, queste domande non sono nello scopo di questo lavoro che rappresenta una fase preliminare del progetto, quindi i due casi descritti, relativi a al terremoto di Gazli e a quello di Northridge, sono state ignorati. All regulatory conditions were met except (i) the instability condition in the Gazli earthquake and the (ii) allowable voltage limit for cavitation which is exceeded under the Northridge record. Regarding the first condition, the vertical load is less than the buckling load, but it is greater than half (4.34 MPa). This means that the stiffness of the insulators is affected and therefore a non-linear model must be used in the analysis. Regarding the second problem, even if the theoretical cavitation limit is exceeded for a short time at the peak of the structural response, the design of the isolation system for a real application should be re-evaluated. However, these questions are not in the scope of this work which represents a preliminary phase of the project, so the two cases described, relating to the Gazli earthquake and the Northridge earthquake, have been ignored.

Vale la pena ricordare, relativamente alle forze di trazione in sistemi di isolamento di base, gli studi di Roussis; ad esempio (Roussis, 2009) dove sono presentate connessioni speciali tra i dispositivi e la struttura. Tali soluzioni che rimuovono la possibilità del trasferimento del carico verticale direttamente sull'isolatore provocando trazioni nel materiale vengono anche consentite dallo standard (EN15129, 2009). Tuttavia, l'implementazione di qualsiasi meccanismo di prevenzione del sollevamento potrebbe modificare il comportamento del sistema di isolamento e dovrebbe quindi essere inclusa nel modello di analisi. It is worth remembering, with regard to the tensile forces in basic insulation systems, the studies of Roussis; for example (Roussis, 2009) where special connections between the devices and the structure are presented. Such solutions that remove the possibility of transferring the vertical load directly on the insulator causing traction in the material are also allowed by the standard (EN15129, 2009). However, the implementation of any lift prevention mechanism could change the behavior of the isolation system and should therefore be included in the analysis model.

Il confronto della risposta delle tre tipologie di strutture adottate è mostrato nella Figura 9 e nella Figura 10. Le figure evidenziano come la soluzione NSD proposta sia molto efficace nel ridurre l'accelerazione verticale. Per alcuni terremoti la riduzione è rilevante, mentre per gli altri è inferiore. Tuttavia, il caso con la soluzione NSD proposta è quasi sempre l'opzione migliore. The comparison of the response of the three types of structures adopted is shown in Figure 9 and Figure 10. The figures show how the proposed NSD solution is very effective in reducing vertical acceleration. For some earthquakes the reduction is significant, while for others it is less. However, the case with the proposed NSD solution is almost always the best option.

Le figure 9 e 10 mostrano anche che gli spostamenti per i due casi isolati (struttura isolata e struttura isolata con rigidezza negativa) sono comparabili in trazione e compressione, con la sola eccezione del terremoto di Northridge. Figures 9 and 10 also show that the displacements for the two isolated cases (isolated structure and isolated structure with negative stiffness) are comparable in tension and compression, with the sole exception of the Northridge earthquake.

La Figura 11 mostra che i risultati in termini di derive verticali nella sovrastruttura sono soddisfacenti. Ci sono casi in cui la riduzione è significativa, mentre in altri casi non si verifica. Inoltre, la figura 12 mostra le forze necessarie nei dispositivi a rigidezza negativa per ottenere tali prestazioni, normalizzate rispetto al peso totale dell'edificio. Viene inoltre studiata la capacità della soluzione NSD proposta di limitare l'energia sismica trasmessa alla struttura durante il terremoto. La figura 13 mostra il confronto tra le tipologie strutturali considerate. Vengono mostrate le registrazioni di Cape Mendocino e Northridge e, in entrambi i casi, quando viene impiegata la soluzione NSD proposta, la quantità di energia in ingresso nella struttura è ridotta rispetto al caso a base fissa e alla versione semplicemente isolata. Figure 11 shows that the results in terms of vertical drifts in the superstructure are satisfactory. There are cases where the reduction is significant, while in other cases it does not occur. Furthermore, Figure 12 shows the forces required in negative-stiffness devices to achieve this performance, normalized with respect to the total weight of the building. The ability of the proposed NSD solution to limit the seismic energy transmitted to the structure during the earthquake is also investigated. Figure 13 shows the comparison between the structural types considered. Cape Mendocino and Northridge records are shown and, in both cases, when the proposed NSD solution is employed, the amount of energy entering the facility is reduced compared to the fixed base case and the simply insulated version.

In conclusione, è stato descritto l'inserimento del dispositivo di isolamento verticale proposto in parallelo con i isolatori in gomma in un edificio isolato dalla base per controllare la risposta strutturale 3D. La struttura è isolata orizzontalmente con un sistema di isolatori elastomerici e verticalmente con il dispositivo proposto in parallelo con gli isolatori in gomma. Entrambi gli elementi di rigidezza orizzontale e verticale sono implementati in modo indipendente e si ottiene pertanto un isolamento alla base 3-D con componenti di reazione disaccoppiati. In conclusion, the insertion of the proposed vertical isolation device in parallel with the rubber isolators in a building isolated from the base to control the 3D structural response was described. The structure is insulated horizontally with a system of elastomeric isolators and vertically with the proposed device in parallel with the rubber isolators. Both horizontal and vertical stiffness elements are implemented independently and thus a 3-D base isolation with decoupled reaction components is achieved.

Nell'analisi è stato considerato un telaio portante in acciaio standard SDOF per testare l'efficacia della configurazione proposta rispetto a quella a base fissa tradizionale e a quella isolata tradizionale. Una serie di registrazioni di terremoti near-field con la caratteristica forma ad impulso è stata selezionata per eseguire analisi dinamiche non lineari. In the analysis, a SDOF standard steel load-bearing frame was considered to test the effectiveness of the proposed configuration compared to the traditional fixed base and traditional insulated one. A series of near-field earthquake records with the characteristic pulse shape were selected to perform non-linear dynamic analyzes.

Le analisi numeriche mostrano che implementando il dispositivo verticale proposto nella direzione verticale, le accelerazioni verticali della risposta strutturale sono inferiori rispetto a una struttura semplicemente isolata. Tuttavia, coerentemente con la teoria dell'isolamento di base, vi sono incrementi di spostamento a livello del sistema di isolamento. Pertanto, il dispositivo di isolamento verticale proposto, se opportunamente progettato, è in grado di ridurre l’effetto delle forze sismiche verticali rispetto ai tradizionali sistemi di isolamento alla base, senza aumentare considerevolmente gli spostamenti assoluti e relativi. Il dispositivo di isolamento verticale proposto è anche in grado di ridurre l'energia in ingresso trasferita alla sovrastruttura. Numerical analyzes show that by implementing the proposed vertical device in the vertical direction, the vertical accelerations of the structural response are lower than in a simply isolated structure. However, consistent with basic insulation theory, there are increases in displacement at the level of the insulation system. Therefore, the proposed vertical isolation device, if properly designed, is able to reduce the effect of vertical seismic forces compared to traditional isolation systems at the base, without considerably increasing the absolute and relative displacements. The proposed vertical isolation device is also capable of reducing the input energy transferred to the superstructure.

Bibliografia Bibliography

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Tabella 1 – Lista deile registrazioni dei 10 terremoti utilizzati per le analisi. Table 1 - List of the records of the 10 earthquakes used for the analyzes.

Tabella 2 – Proprietà degli isolatori in gomma. Table 2 - Properties of rubber insulators.

Tabella 3 – Verifica di progetto dell’isolatore. Table 3 - Design verification of the insulator.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo modulare (10) che utilizza rigidezza negativa per l'isolamento sismico verticale, comprendente una struttura di corpo superiore (11) da fissare in uso ad una struttura da isolare dalle vibrazioni e una struttura di corpo inferiore (12) che è in grado di scorrere verticalmente rispetto alla struttura di corpo superiore (11) e che è atta a scorrere sostanzialmente priva di attrito rispetto ad una fondazione di base della struttura, almeno una molla precompressa (13) essendo compresa tra la struttura di corpo superiore (11) e la struttura di corpo inferiore (12) per trasferire sostanzialmente forze nulle alla struttura. CLAIMS 1. A modular device (10) that uses negative stiffness for vertical seismic isolation, comprising an upper body structure (11) to be fixed in use to a structure to be insulated from vibration and a lower body structure (12) which is able to slide vertically with respect to the upper body structure (11) and which is able to slide substantially without friction with respect to a base foundation of the structure, at least one prestressed spring (13) being included between the upper body structure (11 ) and the lower body structure (12) to transfer substantially zero forces to the structure. 2. Un dispositivo modulare secondo la rivendicazione 1, avente una configurazione generalmente cilindrica composta da un numero di sezioni radiali equispaziate, ciascuna comprendente almeno una molla precompressa. A modular device according to claim 1, having a generally cylindrical configuration composed of a number of equally spaced radial sections, each comprising at least one prestressed spring. 3. Un dispositivo modulare secondo la rivendicazione 2, comprendente quattro, sei o otto sezioni radiali. A modular device according to claim 2, comprising four, six or eight radial sections. 4. Un dispositivo modulare (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la molla precompressa (13) è compresa in un meccanismo di amplificazione a rigidezza negativa. A modular device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the prestressed spring (13) is comprised in a negative stiffness amplification mechanism. 5. Un dispositivo modulare (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una leva (14) articolata attorno ad un fulcro (C), la leva (14) essendo collegata alla struttura di corpo superiore (11), la leva (14) essendo collegata alla molla precompressa (13) per amplificarne l'estensione in base al rapporto della leva (14). A modular device (10) according to any one of the preceding claims, further comprising a lever (14) articulated around a fulcrum (C), the lever (14) being connected to the upper body structure (11), the lever ( 14) being connected to the pre-compressed spring (13) to amplify its extension according to the ratio of the lever (14). 6. Un dispositivo modulare (10) secondo la rivendicazione 5, in cui la leva (14) è collegata alla struttura di corpo superiore (11) mediante una spina (15) che interagisce con un’asola (16) su una estremità della leva (14) per evitare il blocco del meccanismo. A modular device (10) according to claim 5, wherein the lever (14) is connected to the upper body structure (11) by means of a pin (15) which interacts with a slot (16) on one end of the lever (14) to avoid blocking the mechanism. 7. Un dispositivo modulare (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un gruppo di molla a spaziatura (gap spring assembly GSA) che è in grado di annullare la rigidezza negativa quando lo spostamento è minore di una spaziatura fissata, uno spostamento maggiore della spaziatura portando la rigidezza del GSA prossima allo zero in modo tale che la rigidezza negativa del dispositivo sia trasferita alla sovrastruttura. A modular device (10) according to any one of the preceding claims, comprising a gap spring assembly GSA which is capable of canceling the negative stiffness when the displacement is less than a fixed spacing, a greater displacement of spacing bringing the stiffness of the GSA close to zero so that the negative stiffness of the device is transferred to the superstructure. 8. Un dispositivo modulare secondo la rivendicazione 7, in cui il gruppo di molla a spaziatura (GSA) comprende una coppia di molle meccaniche che generano una rigidezza positiva elastica bilineare. A modular device according to claim 7, wherein the spaced spring assembly (GSA) comprises a pair of mechanical springs which generate a bilinear elastic positive stiffness. 9. Un sistema di isolamento di basamento 3-D per controllare sia le componenti orizzontali che verticali dello scuotimento sismico del terreno, comprendente un dispositivo modulare (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti che fornisce solo rigidezza negativa nella direzione verticale. A 3-D basement insulation system for controlling both the horizontal and vertical components of the earthquake shaking, comprising a modular device (10) according to any one of the preceding claims which provides only negative stiffness in the vertical direction.
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