Effects of the seismic vertical component on base-isolated structures

Seismic isolation systems are widely used to reduce the horizontal seismic actions transmitted to structures, thanks to the decoupling principle between the building and the ground. These systems increase the fundamental period of the structure, ensuring a marked reduction of seismic accelerations. However, they do not guarantee the same effectiveness with respect to the vertical seismic component, which may become significant in near-fault conditions, where vertical accelerations can be comparable to or even higher than horizontal ones. Despite advances in research, many design codes, including the Italian one, still provide limited guidance on the assessment of the three-dimensional seismic components under near-fault conditions. The present work analyzes one of the possible design solutions to be adopted in the reconstruction of the historical center of Castelluccio di Norcia, severely damaged by the event of October 30, 2016. The project is based on the “Artificial Ground Isolation” technology, which allows entire portions of territory to be isolated through a single isolated slab. This study aims to evaluate the effects of three-dimensional seismic inputs in near-fault contexts on the isolation system adopted for the reconstruction of Castelluccio di Norcia. Initially, the influence of the vertical stiffness of the isolators and the vertical damping of the slab and buildings on the dynamic response of the structural system is assessed. Subsequently, the effects of the vertical component are investigated through the numerical model of the intervention, also proposing a simplified methodology for building modeling, useful for studying their dynamic interaction with the slab while reducing computational effort. Finally, once the “definitive” model is developed, the main design parameters are identified, taking into account the variability of the friction coefficient of the isolation devices.

I sistemi di isolamento sismico sono ampiamente utilizzati per ridurre le azioni sismiche orizzontali trasmesse alle strutture, grazie al principio di disaccoppiamento tra edificio e terreno. Tali sistemi aumentano il periodo fondamentale della costruzione garantendo una marcata riduzione delle accelerazioni sismiche. Tuttavia, essi non garantiscono la stessa efficacia nei confronti della componente verticale del sisma, che può rivelarsi significativa in condizioni near-fault, con accelerazioni verticali comparabili o superiori a quelle orizzontali. Nonostante i progressi nella ricerca, molte normative, tra cui quella italiana, forniscono ancora indicazioni limitate sulla valutazione delle componenti tridimensionali del sisma in condizioni near-fault. Il presente lavoro analizza una delle possibili soluzioni progettuali da adottare nella ricostruzione del centro storico di Castelluccio di Norcia, gravemente colpito dall’evento del 30 ottobre 2016. Il progetto si basa sulla tecnologia dell’“Artificial Ground Isolation”, che consente di isolare intere porzioni di territorio mediante un’unica piastra isolata. Lo studio si propone di valutare gli effetti di input sismici tridimensionali in contesti near-fault sul sistema di isolamento usato nella ricostruzione di Castelluccio di Norcia. Inizialmente viene valutata l’influenza della rigidezza verticale degli isolatori e dello smorzamento verticale della piastra e degli edifici sulla risposta dinamica del sistema strutturale. Successivamente vengono investigati gli effetti della componente verticale sul modello numerico dell’intervento, proponendo inoltre una metodologia semplificata per la modellazione degli edifici, utile a studiare l’interazione dinamica degli stessi con la piastra riducendo gli oneri computazionali. Infine, una volta definito il modello “finale”, vengono individuati i principali parametri progettuali tenendo conto della variabilità del coefficiente di attrito dei dispositivi di isolamento.