Comportamento dei dispositivi HDRB sotto grandi spostamenti ed elevati carichi assiali

Gli isolatori elastomerici ad elevato smorzamento (HDRB) sono stati studiati in modo approfondito, sia dal punto di vista sperimentale che da quello numerico, solo in condizioni di servizio, mentre esistono pochi studi orientati a caratterizzare la risposta per deformazioni maggiori, fino al raggiungimento di condizioni critiche. In questo articolo vengono riportati e discussi i risultati di un’ampia campagna sperimentale condotta su 3 isolatori aventi fattori di forma e mescola in gomma tipicamente utilizzati per l’isolamento sismico di edifici multipiano. Tali dispositivi sono stati sottoposti ad una serie di test a carichi verticali e spostamenti orizzontali crescenti, fino al raggiungimento di valori di deformazione utili alla comprensione della risposta in condizioni estreme.

La sequenza di prove ha messo in risalto come la tipica variazione delle proprietà a taglio dovuta alla successione di prove cicliche influenzi le condizioni di instabilità e il comportamento post-critico di questi dispositivi. La seconda parte dell'articolo è dedicata alla simulazione del comportamento degli isolatori elastomerici in condizioni estreme sulla base del modello tridimensionale sviluppato da Kikuchi e disponibile nella piattaforma OpenSees.

Questo modello tiene conto degli effetti geometrici non lineari ed è in grado di simulare l’accoppiamento tra la risposta in direzione orizzontale e verticale, che diventa molto significativo per grandi spostamenti e/o grandi carichi assiali.


Isolatori: come si comportano in condizioni critiche?

Il comportamento degli isolatori in condizione critiche, sensibilmente lontane da quelle di progetto, sta trovando un interesse crescente negli ultimi anni (Ponzo e Serino 2018) in quanto fondamentale per studiare il rischio sismico di edifici isolati alla base (Ragni et al. 2018). In questo articolo vengono ripresi e commentati i risultati di un’ampia campagna di prove sperimentale condotta presso il Laboratorio Prove Materiali e Strutture dell’Università degli Studi della Basilicata (Brandonisio et al. 2017) su tre isolatori elastomerici ad elevato smorzamento (HDRB) con diversi fattori di forma e soggetti a diversi livelli di carichi verticali.

In particolare la rielaborazione dei risultati è stata fatta al fine di influenzare in maniera significativa il raggiungimento della condizione limite di carico critico, corrispondente alla perdita di rigidezza orizzontale del dispositivo. La seconda parte dell'articolo è dedicata invece alla simulazione del comportamento degli isolatori elastomerici fino a condizioni di instabilità tramite un modello numerico di tipo fenomenologico. In particolare è stato utilizzato il modello tridimensionale di Kikuchi (Ishii e Kikuchi 2018) disponibile nella piattaforma OpenSees (Mc Kenna et al. 2010) che consiste in molle multi-assiali combinate con molle a taglio multidirezionali e che, tenendo conto degli effetti geometrici non lineari, è in grado di simulare l’accoppiamento tra la risposta in direzione orizzontale e verticale, che diventa molto significativo per grandi spostamenti e/o grandi carichi assiali.

Tuttavia, il modello utilizzato non descrive il danneggiamento della gomma dovuto a cicli successivi di carico, a differenza di altri modelli disponibili in letteratura (Grant et al. 2004, Tubaldi et al. 2017, Ragni et al. 2018). Pertanto per la simulazione delle prove sperimentali, oltre alla calibrazione iniziale dei parametri per la gomma non danneggiata, si è dovuto procedere ad una modifica di alcuni di essi al fine di simulare il danneggiamento accumulato nelle diverse sequenze di prova e la sua influenza sul comportamento degli isolatori in condizioni limite.

 

Prove sperimentali

La campagna di prove sperimentali condotte presso il Laboratorio di Materiale e Strutture dell’Università degli studi della Basilicata ha riguardato tre isolatori elastomerici realizzati con mescola morbida (Gnom=0.4 MPa) ad elevato smorzamento (xnom=0.15) e con diversi fattori di forma primario S1=D’/4tr (dove D’ è il diametro delle piastre di acciaio e tr lo spessore del singolo strato di gomma) e secondario S2=D/te, (pari al rapporto fra il diametro D del dispositivo e l’altezza totale della gomma te). Le caratteristiche sono riassunte in Tabella 1 (Brandonisio et al. 2017).

 

Comportamento dei dispositivi HDRB sotto grandi spostamenti ed elevati carchi assiali

 

Nel seguito si riporta un’elaborazione delle prove condotte sull’isolatore SI-S700-207. Le prove sono state effettuate in sequenza secondo la numerazione corrispondente al nome associato alla prova e comprendono sia prove cicliche a taglio (Shear Cyclic Tests, SCTs) condotte ad una frequenza di 0.5 Hz e a deformazioni di taglio massime (max) pari a 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5 con pressione verticale agente  paria 6 MPa, sia prove quasi-statiche (Shear Quasistatic Tests, SQTs) costituite da un solo ramo di carico e scarico effettuato a deformazioni positive  e a diverse pressioni verticali comprese tra 6MPa e 20 MPa. Si analizzano in primo luogo i test ciclici (Test 3, 6, 16) riportati in Figura 1a, da cui risulta evidente il comportamento degradante dell’isolatore dovuto sia alla ripetizione dei cicli di carico all’interno di ogni singola prova sia alle prove quasi-statiche (Figura 1 b-c-d) condotte tra una prova e l’altra.

 

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019