IT201800004948A1

IT201800004948A1 - INSULATION EQUIPMENT FOR SEISMIC PROTECTION AT THE BASE OF A STRUCTURE

Info

Publication number: IT201800004948A1
Application number: IT102018000004948A
Authority: IT
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-10-27

Description

APPARATO DI ISOLAMENTO PER LA PROTEZIONE SISMICA ALLA BASE DI UNA STRUTTURA INSULATION EQUIPMENT FOR SEISMIC PROTECTION AT THE BASE OF A STRUCTURE

Campo dell’invenzione Field of the invention

La presente invenzione si riferisce ad un apparato di isolamento per la protezione sismica alla base di una struttura. The present invention refers to an isolation apparatus for seismic protection at the base of a structure.

Stato della tecnica State of the art

L’isolamento sismico alla base di strutture di ingegneria civile è una delle soluzioni più diffuse per la mitigazione dei danni indotti dall’azione sismica sulle strutture. L’idea di base di tale sistema è quella di disconnettere la risposta della sovrastruttura dal moto del terreno. Poiché la componente significativa dell’azione sismica è prevalentemente quella ondulatoria, l’effetto di isolamento viene realizzato impiegando dispositivi generalmente caratterizzati da una bassa rigidezza (alta flessibilità) orizzontale combinata con una elevata rigidezza verticale per sostenere i carichi statici. The seismic isolation at the base of civil engineering structures is one of the most popular solutions for the mitigation of damage induced by seismic action on structures. The basic idea of this system is to disconnect the response of the superstructure from the motion of the ground. Since the significant component of the seismic action is mainly the wave one, the isolation effect is achieved by using devices generally characterized by a low horizontal stiffness (high flexibility) combined with a high vertical stiffness to support static loads.

I sistemi di isolamento esistenti sono classificati in base alle modalità con cui si ottiene l’elevata deformabilità in direzione orizzontale al piede della struttura. In commercio si individuano due principali tipologie di isolatori, ossia: isolatori in materiale elastomerico ed isolatori a scorrimento. I primi in genere sono costruiti in gomma naturale o elastomero di sintesi o neoprene, mentre i secondi costituiscono sostegni scorrevoli di acciaio-PTFE (acciaio-Teflon). Existing insulation systems are classified according to the way in which high deformability is obtained in the horizontal direction at the foot of the structure. There are two main types of insulators on the market, namely: insulators in elastomeric material and sliding insulators. The former are generally made of natural rubber or synthetic elastomer or neoprene, while the latter are steel-PTFE (steel-Teflon) sliding supports.

Gli isolatori elastomerici sono costituiti da strati alternati di gomma ed acciaio solidarizzati mediante vulcanizzazione a caldo. Gli strati di acciaio svolgono la funzione di confinamento della gomma, riducendone la deformabilità per carichi ortogonali alla giacitura degli strati, lasciandoli invece liberi di deformarsi per carichi paralleli sfruttando l’elevata deformabilità tangenziale della gomma (deformazioni maggiori del 300%), anche perché il solo elastomero presenta una bassa portanza per carichi verticali. The elastomeric insulators consist of alternating layers of rubber and steel which are solidified by means of hot vulcanization. The steel layers perform the function of confinement of the rubber, reducing its deformability due to loads orthogonal to the lay of the layers, leaving them free to deform due to parallel loads by exploiting the high tangential deformability of the rubber (deformations greater than 300%), also because the only elastomer has a low bearing capacity for vertical loads.

Gli isolatori a scorrimento sono costituiti rispettivamente da appoggi a scorrimento (acciaio-Teflon) caratterizzati tutti da bassi valori di resistenza per attrito in modo da trasmettere alla struttura il minor carico sismico possibile. All’interno di questa tipologia i più utilizzati sono gli isolatori a pendolo (FPS - Friction Pendulum System), costituiti da una piastra di scorrimento inferiore a superficie concava, il cui raggio di curvatura impone, per analogia con il meccanismo di un pendolo semplice, il periodo di oscillazione, indipendente dalla massa sovrastante, e consente lo spostamento orizzontale, mentre la componente ricentrante è offerta dalla geometria stessa delle superfici curve. È presente inoltre una piastra superiore in acciaio, sede di un’articolazione interna a calotta sferica con raggio di curvatura più piccolo del precedente, che consente la rotazione dell’isolatore. Tra le due superfici curve viene interposta una “rotula” centrale di scorrimento in acciaio (slider) le cui facce superiore ed inferiore, entrambe convesse e opportunamente sagomate per accoppiarsi a quelle concave delle suddette piastre, risultano realizzate o rivestite con materiali opportunamente trattati che manifestano una bassa resistenza d’attrito ma al contempo offrono un’elevata capacità portante nei confronti dei carichi verticali trasmessi dalla struttura. The sliding insulators are respectively constituted by sliding supports (steel-Teflon) all characterized by low values of resistance due to friction in order to transmit the lowest possible seismic load to the structure. Within this type the most used are the pendulum insulators (FPS - Friction Pendulum System), consisting of a lower sliding plate with a concave surface, whose radius of curvature imposes, by analogy with the mechanism of a simple pendulum, the period of oscillation, independent of the overlying mass, and allows horizontal displacement, while the re-centering component is offered by the geometry of the curved surfaces itself. There is also an upper steel plate, seat of an internal joint with a spherical cap with a radius of curvature smaller than the previous one, which allows the rotation of the insulator. Between the two curved surfaces there is a central sliding steel "patella" (slider) whose upper and lower faces, both convex and suitably shaped to couple with the concave ones of the aforementioned plates, are made or coated with suitably treated materials that show a low frictional resistance but at the same time offer a high bearing capacity towards the vertical loads transmitted by the structure.

Per assicurare una adeguata dissipazione energetica e per limitare gli spostamenti alla base, è necessario che il sistema di isolamento abbia un adeguato smorzamento. Questo nel caso degli isolatori in materiale elastomerico è garantito dal comportamento isteretico dei materiali che compongono tali dispositivi. Gli isolatori elastomerici, infatti, possono essere realizzati utilizzando mescole speciali di gomma ad alta dissipazione (HDRB - High Damping Rubber Bearings), ottenendo dispositivi con smorzamento viscoso equivalente che supera il 10%. In alternativa, la dissipazione può essere incrementata disponendo all’interno dell’isolatore un cilindro di piombo (presente nei dispositivi LRB - Lead Rubber Bearings), che consente di raggiungere valori di smorzamento superiori al 20%. Nel caso degli isolatori a scorrimento il meccanismo di dissipazione è dovuto all’attrito presente tra le interfacce di scorrimento. To ensure adequate energy dissipation and to limit displacements at the base, the insulation system must have adequate damping. This in the case of insulators made of elastomeric material is guaranteed by the hysteretic behavior of the materials that make up these devices. In fact, elastomeric isolators can be made using special high dissipation rubber compounds (HDRB - High Damping Rubber Bearings), obtaining devices with equivalent viscous damping that exceeds 10%. Alternatively, the dissipation can be increased by placing a lead cylinder inside the insulator (present in LRB - Lead Rubber Bearings devices), which allows damping values of more than 20% to be reached. In the case of sliding insulators, the dissipation mechanism is due to the friction present between the sliding interfaces.

Entrambe le tipologie di isolatori esistenti tuttavia presentano delle problematiche legate a potenziali fenomeni di instabilità per alte deformazioni laterali (LRB), fenomeni di uplifting (sollevamento) che si possono verificare sia nel caso di isolatori a scorrimento sia nel caso di isolatori elastomerici (abbassamento), insufficiente ricentraggio per geometria per gli isolatori a pendolo, specialmente se dotati di elevati raggi di curvatura, ed effetti imputati alla multi direzionalità del moto, per cui si osserva una differenza tra il comportamento sperimentale e quello teorico principalmente basato su idealizzazioni monodirezionali. However, both types of existing insulators present problems related to potential instability phenomena due to high lateral deformations (LRB), uplifting phenomena (lifting) that can occur both in the case of sliding insulators and in the case of elastomeric insulators (lowering) , insufficient re-centering for geometry for pendulum insulators, especially if equipped with high radii of curvature, and effects attributed to the multi-directionality of the motion, so that a difference is observed between the experimental and theoretical behavior mainly based on unidirectional idealizations.

Sommario dell’invenzione Summary of the invention

Uno scopo della presente invenzione è di realizzare un apparato di isolamento per la protezione sismica di una struttura che permetta di isolare con efficacia la struttura dall’eccitazione sismica orizzontale, superando le problematiche connesse con gli apparati di isolamento esistenti più diffusi. One purpose of the present invention is to create an isolation apparatus for the seismic protection of a structure that allows the structure to be effectively isolated from horizontal seismic excitation, overcoming the problems associated with the most common existing isolation apparatus.

Un altro scopo della presente invenzione è di realizzare un apparato di isolamento per la protezione sismica di una struttura che sia semplice dal punto di vista costruttivo e, pertanto, economico. Another object of the present invention is to provide an isolation apparatus for the seismic protection of a structure which is simple from the constructive point of view and, therefore, economic.

La presente invenzione raggiunge almeno uno di tali scopi, ed altri scopi che saranno evidenti alla luce della presente descrizione, mediante un apparato di isolamento per la protezione sismica di una struttura che comprende le caratteristiche della rivendicazione 1. The present invention achieves at least one of these objects, and other objects which will be evident in the light of the present description, by means of an isolation apparatus for the seismic protection of a structure which comprises the characteristics of claim 1.

Un ulteriore aspetto dell’invenzione riguarda una struttura di ingegneria civile comprendente almeno una base provvista del suddetto apparato di isolamento. Un altro aspetto dell’invenzione riguarda un sistema di isolamento per la protezione sismica di una struttura di ingegneria civile, detto sistema di isolamento comprendente un apparato di isolamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, atto ad di isolare la struttura nei riguardi di una eccitazione sismica orizzontale, combinato con un ulteriore apparato di isolamento, configurato per isolare la struttura nei riguardi di una eccitazione sismica verticale. A further aspect of the invention relates to a civil engineering structure comprising at least one base provided with the aforementioned insulation apparatus. Another aspect of the invention relates to an isolation system for the seismic protection of a civil engineering structure, said isolation system comprising an isolation apparatus according to any one of claims 1 to 10, suitable for isolating the structure from a horizontal seismic excitation, combined with an additional isolation apparatus, configured to isolate the structure against a vertical seismic excitation.

L’oggetto dell’invenzione consiste in un apparato per la protezione sismica delle strutture dell’ingegneria civile (edifici, ponti, serbatoi, centrali nucleari) nei riguardi dell’azione orizzontale, ossia della componente ondulatoria del sisma. The object of the invention consists of an apparatus for the seismic protection of civil engineering structures (buildings, bridges, tanks, nuclear power plants) with regard to the horizontal action, ie the wave component of the earthquake.

Vantaggiosamente l’invenzione si propone di sfruttare il meccanismo di dissipazione ad attrito, caratteristica degli isolatori a scorrimento, utilizzando una superficie piana (non curva) di scorrimento mentre la componente ricentrante elastica viene attribuita ad un elemento in elastomero. Advantageously, the invention aims to exploit the friction dissipation mechanism, characteristic of sliding insulators, using a flat (not curved) sliding surface while the elastic re-centering component is attributed to an elastomer element.

In una variante vantaggiosa l’apparato dell’invenzione presenta sostanzialmente una forma compatta e comprende una piastra di scorrimento inferiore, ad esempio quadrata o circolare, a superficie piana in acciaio, che consente lo spostamento orizzontale di un elemento centrale di forma preferibilmente cilindrica, in acciaio, collegato meccanicamente ad una piastra superiore in acciaio, ad esempio quadrata o circolare. L’elemento centrale di forma cilindrica e la piastra superiore sono collegati meccanicamente tra loro, ad esempio tramite un’ulteriore piastra intermedia in acciaio. L’apparato dell’invenzione presenta una corona circolare in elastomero, che costituisce la parte elastica dello stesso, vulcanizzata superiormente, direttamente o indirettamente, alla piastra superiore, e vulcanizzata inferiormente, direttamente o indirettamente, ad un membro periferico a forma di corona circolare, ad esempio avente una sezione trasversale a forma di C, collegato meccanicamente alla piastra di scorrimento inferiore. In an advantageous variant, the apparatus of the invention substantially has a compact shape and comprises a lower sliding plate, for example square or circular, with a flat steel surface, which allows the horizontal displacement of a central element having a preferably cylindrical shape, in steel, mechanically connected to a steel top plate, for example square or circular. The cylindrical central element and the upper plate are mechanically connected to each other, for example by means of an additional intermediate steel plate. The apparatus of the invention has an elastomer circular crown, which constitutes the elastic part of the same, vulcanized above, directly or indirectly, to the upper plate, and vulcanized below, directly or indirectly, to a peripheral member in the shape of a circular crown, for example having a C-shaped cross section, mechanically connected to the lower sliding plate.

Preferibilmente sulla parte inferiore dell’elemento centrale è incassato un disco realizzato con materiali opportunamente trattati (generalmente acciaio inossidabile lucidato, fluoropolimeri come il PTFE o polimeri ad alta resistenza) che manifestano una bassa resistenza d’attrito ma al contempo offrono un’elevata capacità portante nei confronti dei carichi verticali trasmessi dalla struttura. Questo disco può essere anche realizzato in materiale composito mediante l’inserimento di un rinforzo all’interno del suo spessore. Preferably on the lower part of the central element there is a disc made with suitably treated materials (generally polished stainless steel, fluoropolymers such as PTFE or high-strength polymers) which show a low friction resistance but at the same time offer a high bearing capacity against the vertical loads transmitted by the structure. This disc can also be made of composite material by inserting a reinforcement within its thickness.

Preferibilmente, l’elemento in elastomero può essere rinforzato con lamierini di acciaio. Preferably, the elastomer element can be reinforced with steel sheets.

Di seguito è riportato un elenco di alcuni dei vantaggi dell’apparato dell’invenzione. Below is a list of some of the advantages of the apparatus of the invention.

1. Distribuzione uniforme delle forze di contatto (rispetto ad isolatori ad attrito a superficie curva): 1. Uniform distribution of contact forces (compared to curved surface friction insulators):

Negli apparati isolatori a pendolo la traiettoria del baricentro delle forze di contatto (comprensive del contributo di richiamo e di quello attritivo) si discosta leggermente da quella seguita dallo slider, con differenze più rilevanti in prossimità dei punti di inversione del moto. Nel caso di superficie di scorrimento piana si ha una distribuzione più uniforme delle forze di contatto e quindi il baricentro coinciderebbe sempre con il centro geometrico dello slider. Questa circostanza riduce anche l’innesco di momenti ribaltanti parassiti nel dispositivo. In pendulum isolation devices, the trajectory of the center of gravity of the contact forces (including the return and the frictional contribution) differs slightly from that followed by the slider, with more significant differences in the vicinity of the motion reversal points. In the case of a flat sliding surface there is a more uniform distribution of the contact forces and therefore the center of gravity would always coincide with the geometric center of the slider. This circumstance also reduces the triggering of parasitic overturning moments in the device.

2. Distribuzione delle temperature di surriscaldamento più uniforme evitando picchi concentrati responsabili di una degradazione localizzata del coefficiente di attrito, garantendo quindi complessivamente un comportamento meccanico più stabile nel tempo rispetto agli isolatori a pendolo, grazie alla suddetta distribuzione uniforme delle forze di contatto. 2. More uniform distribution of superheating temperatures avoiding concentrated peaks responsible for a localized degradation of the friction coefficient, thus guaranteeing overall a more stable mechanical behavior over time compared to pendulum insulators, thanks to the aforementioned uniform distribution of contact forces.

3. Minori influenze sulle caratteristiche meccaniche della multi direzionalità del moto grazie alla superficie di scorrimento piana (rispetto agli isolatori a pendolo). Questo semplifica la previsione del comportamento meccanico dell’apparato e rende più attendibile la formulazione di un modello matematico basato su un’idealizzazione del comportamento in condizioni di moto monodirezionale, che risulta essere quella più diffusa. 3. Less influence on the mechanical characteristics of the multi-directional motion thanks to the flat sliding surface (compared to pendulum insulators). This simplifies the prediction of the mechanical behavior of the apparatus and makes the formulation of a mathematical model based on an idealization of the behavior in conditions of unidirectional motion more reliable, which is the most widespread.

4. Si evita l’insorgere di significativi spostamenti verticali associati al movimento orizzontale dell’apparato, che possono essere dannosi per la sovrastruttura in quanto possono generare sforzi normali parassiti sulle colonne. Questo è un vantaggio rispetto agli isolatori attualmente in commercio che manifestano spostamenti verticali conseguenti ad uno spostamento orizzontale: in particolare nel caso degli isolatori a pendolo, per la sua forma geometrica, ad uno spostamento orizzontale dovuto al sisma corrisponde sempre un innalzamento; negli apparati elastomerici, a seguito delle proprietà dell’elastomero sottoposto a carico verticale, in corrispondenza di uno spostamento orizzontale (specialmente per alte deformazioni a taglio) si hanno invece degli abbassamenti. 4. It avoids the occurrence of significant vertical displacements associated with the horizontal movement of the apparatus, which can be harmful to the superstructure as they can generate normal parasitic stresses on the columns. This is an advantage over the insulators currently on the market which show vertical displacements resulting from a horizontal displacement: in particular in the case of pendulum insulators, due to its geometric shape, a horizontal displacement due to the earthquake always corresponds to a rise; in elastomeric apparatuses, due to the properties of the elastomer subjected to vertical load, in correspondence of a horizontal displacement (especially for high shear deformations) there are lowerings instead.

5. La portanza del carico verticale è imputata tutta all’elemento centrale cilindrico in acciaio lasciando scarico l’elemento in elastomero, il quale non necessita dell’inserimento di piastrine metalliche al suo interno (cosa che invece è essenziale negli isolatori elastomerici in commercio quali LRB e HDRB/LDRB) e riduce al minimo l’influenza del carico verticale sulle caratteristiche meccaniche dell’elastomero, così da garantire un comportamento meccanico dell’apparato più stabile nel tempo. 5. The lift of the vertical load is attributed entirely to the central cylindrical steel element, leaving the elastomer element unloaded, which does not require the insertion of metal plates inside it (which is instead essential in the elastomeric insulators on the market such as LRB and HDRB / LDRB) and minimizes the influence of the vertical load on the mechanical characteristics of the elastomer, so as to ensure a more stable mechanical behavior of the apparatus over time.

6. L’apparato dell’invenzione presenta forme geometriche modulari e di semplice replicabilità grazie alla superficie di scorrimento piano (ciò rappresenta un vantaggio rispetto agli isolatori a pendolo, in cui bisogna sagomare opportunamente superfici curve con prefissati raggi di curvatura e garantire la compatibilità geometrica tra i vari elementi). 6. The apparatus of the invention has modular geometric shapes that are easy to replicate thanks to the flat sliding surface (this represents an advantage compared to pendulum insulators, in which curved surfaces with predetermined radii of curvature must be suitably shaped and geometric compatibility guaranteed among the various elements).

7. Possibilità di montare più apparati in serie per ottenere dimensioni più contenute. 7. Possibility of mounting several devices in series to obtain smaller dimensions.

8. Ricentraggio meccanico dovuto solo all’elasticità dell’elastomero (vantaggioso rispetto agli isolatori a pendolo in cui il ricentraggio è di tipo geometrico, e quindi dipendente dal valore del raggio di curvatura e influenzato da possibili errori durante il processo di produzione e lucidatura delle superfici coinvolte nel meccanismo di scivolamento). 8. Mechanical re-centering due only to the elasticity of the elastomer (advantageous compared to pendulum insulators in which the re-centering is of a geometric type, and therefore dependent on the value of the bending radius and influenced by possible errors during the production and polishing process of the surfaces involved in the sliding mechanism).

9. La corona circolare elastomerica è costituita da un pezzo unico, comportando vantaggi economici e di tempistiche di produzione perché si evita la necessità di effettuare processi di vulcanizzazione con lamierini di acciaio intermedi che rappresentano zone di debolezza (essendo queste sedi di concentrazioni di tensioni di aderenza). 9. The elastomeric circular crown is made up of a single piece, resulting in economic advantages and production times because it avoids the need to carry out vulcanization processes with intermediate steel sheets that represent areas of weakness (these being the sites of concentrations of stresses of adherence).

10. Risparmio economico nel processo di produzione delle superfici di acciaio, piane piuttosto che curve (rispetto agli isolatori a pendolo). 10. Economic savings in the production process of steel surfaces, flat rather than curved (compared to pendulum insulators).

11. Dimensioni ridotte rispetto ad altri apparati in commercio aventi analoghe prestazioni meccaniche. 11. Reduced dimensions compared to other apparatuses on the market with similar mechanical performance.

12. L’apparato dell’invenzione, contemplando l’utilizzo di elastomeri a basso smorzamento (dissipazione puramente attritiva), limita l’innesco dei fenomeni di degradazione delle caratteristiche meccaniche durante i cicli di isteresi. Invece, le proprietà meccaniche degli isolatori con elastomeri ad elevato smorzamento (HDRB) variano in modo significativo se sottoposti a cicli successivi. Una riduzione ciclica del modulo di bulk degli elastomeri, quando vengono sottoposti a deformazioni a taglio moderate-alte, si verifica sia in forma permanente al termine dei cicli di carico-scarico (in letteratura tale fenomeno è indicato come “scragging”) sia come una riduzione temporanea durante il processo di carico (in letteratura tale fenomeno è indicato come “Mullins effect”). 12. The apparatus of the invention, contemplating the use of low damping elastomers (purely attractive dissipation), limits the triggering of the phenomena of degradation of the mechanical characteristics during the hysteresis cycles. In contrast, the mechanical properties of high damping elastomer (HDRB) insulators vary significantly when subjected to successive cycles. A cyclical reduction of the bulk modulus of elastomers, when subjected to moderate-high shear deformations, occurs both permanently at the end of the loading-unloading cycles (in literature this phenomenon is referred to as "scragging") and as a temporary reduction during the loading process (in literature this phenomenon is referred to as the "Mullins effect").

L’apparato dell’invenzione può essere vantaggiosamente applicato ad edifici, ponti di grande luce, serbatoi, centrali nucleari ed altre strutture di ingegneria civile. Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative, ma non esclusive. The apparatus of the invention can be advantageously applied to buildings, large span bridges, tanks, nuclear power plants and other civil engineering structures. Further features and advantages of the invention will become more evident in the light of the detailed description of exemplary, but not exclusive, embodiments.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione particolari dell’invenzione. The dependent claims describe particular embodiments of the invention.

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

Nella descrizione dell’invenzione si fa riferimento alle tavole di disegno allegate, che sono fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui: In the description of the invention, reference is made to the attached drawing tables, which are provided by way of non-limiting example, in which:

la Fig. 1 illustra una vista laterale in sezione di una forma di realizzazione dell’apparato dell’invenzione in assenza di sollecitazione sismica; Fig. 1 illustrates a sectional side view of an embodiment of the apparatus of the invention in the absence of seismic stress;

la Fig. 2 illustra una vista dell’apparato di Fig. 1 in presenza di sollecitazione sismica; Fig. 2 illustrates a view of the apparatus of Fig. 1 in the presence of seismic stress;

le Figure da 3 a 10 illustrano ciascuna una vista dall’alto ed una vista laterale in sezione di un rispettivo componente dell’apparato di Fig.1; Figures 3 to 10 each illustrate a top view and a sectional side view of a respective component of the apparatus of Fig.1;

la Fig. 11 illustra una vista in sezione di una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione. Fig. 11 illustrates a sectional view of a further embodiment of the invention.

Gli stessi elementi, o gli elementi funzionalmente equivalenti, sono indicati con lo stesso numero di riferimento. The same elements, or functionally equivalent elements, are indicated with the same reference number.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative dell’invenzione Con riferimento alle Figure viene illustrato un apparato di isolamento 32, oggetto dell’invenzione, per la protezione sismica di una struttura di ingegneria civile. Detailed description of exemplary embodiments of the invention With reference to the Figures, an isolation apparatus 32, object of the invention, for the seismic protection of a civil engineering structure is illustrated.

In tutte le sue forme di realizzazione l’apparato dell’invenzione, definente un asse longitudinale X, comprende: In all its embodiments, the apparatus of the invention, defining a longitudinal axis X, includes:

- una piastra superiore 1 in materiale metallico, disposta trasversalmente all’asse X, preferibilmente ortogonale all’asse X; - a top plate 1 in metal material, arranged transversely to the X axis, preferably orthogonal to the X axis;

- un piastra inferiore 2 in materiale metallico, disposta parallelamente alla piastra superiore 1; - a lower plate 2 made of metallic material, arranged parallel to the upper plate 1;

- un elemento centrale interno 3 in materiale metallico, disposto tra la piastra superiore 1 e la piastra inferiore 2, ed avente una rispettiva superficie piana superiore solidalmente collegata ad una superficie piana inferiore della piastra superiore 1 ed una rispettiva superficie piana inferiore atta a scorrere su una superficie piana superiore della piastra inferiore 2; - an internal central element 3 made of metal material, arranged between the upper plate 1 and the lower plate 2, and having a respective upper flat surface integrally connected to a lower flat surface of the upper plate 1 and a respective lower flat surface able to slide on an upper flat surface of the lower plate 2;

- una parete anulare periferica 4, disposta tra la piastra superiore 1 e la piastra inferiore 2, radialmente all’esterno dell’elemento centrale 3 e distanziata da detto elemento centrale 3 in modo da definire uno spazio vuoto, all’interno del quale l’elemento centrale 3 può muoversi orizzontalmente. - a peripheral annular wall 4, arranged between the upper plate 1 and the lower plate 2, radially outside the central element 3 and spaced from said central element 3 so as to define an empty space, inside which the central element 3 can move horizontally.

Vantaggiosamente questa parete anulare periferica 4 comprende una porzione superiore 5 in materiale elastomerico ed una porzione inferiore 6 in materiale metallico. Advantageously, this peripheral annular wall 4 comprises an upper portion 5 in elastomeric material and a lower portion 6 in metal material.

La porzione superiore 5 in materiale elastomerico ha una rispettiva superficie superiore solidalmente collegata, preferibilmente mediante vulcanizzazione, alla superficie piana inferiore della piastra superiore 1 ed una rispettiva superficie inferiore solidalmente collegata, preferibilmente mediante vulcanizzazione, alla porzione inferiore 6 in materiale metallico. The upper portion 5 of elastomeric material has a respective upper surface integrally connected, preferably by vulcanization, to the lower flat surface of the upper plate 1 and a respective lower surface integrally connected, preferably by vulcanization, to the lower portion 6 of metallic material.

La porzione inferiore 6 ha una rispettiva superficie inferiore solidalmente collegata alla superficie piana superiore della piastra inferiore 2. Preferibilmente la porzione inferiore 6 è fissata meccanicamente alla piastra inferiore 2. The lower portion 6 has a respective lower surface integrally connected to the upper flat surface of the lower plate 2. Preferably the lower portion 6 is mechanically fixed to the lower plate 2.

Questa configurazione dell’apparato dell’invenzione permette, in presenza di una sollecitazione sismica, che l’elemento centrale 3 possa scorrere sulla superficie piana superiore della piastra inferiore 2. La porzione inferiore 6 in materiale metallico limita lo scorrimento massimo dell’elemento centrale 3, mentre la porzione superiore 5 in materiale elastomerico si deforma durante lo scorrimento dell’elemento centrale 3, che si muove insieme alla piastra superiore 1, e garantisce un ricentraggio dell’elemento centrale 3 e della piastra superiore 1 sull’asse longitudinale X, una volta che la sollecitazione sismica si è esaurita. This configuration of the apparatus of the invention allows, in the presence of a seismic stress, that the central element 3 can slide on the upper flat surface of the lower plate 2. The lower portion 6 in metal material limits the maximum sliding of the central element 3 , while the upper portion 5 made of elastomeric material deforms during the sliding of the central element 3, which moves together with the upper plate 1, and ensures a re-centering of the central element 3 and of the upper plate 1 on the longitudinal axis X, a once the seismic stress is exhausted.

In condizioni di riposo (Fig. 1) la piastra superiore 1, l’elemento centrale 3 e la piastra inferiore 2 sono coassiali tra loro, il loro asse coincidendo con l’asse X. Per una migliore dissipazione della componente ondulatoria del sisma è preferibile che il coefficiente di attrito dinamico tra l’elemento centrale 3 e la piastra inferiore 2 sia compreso tra 0,01 e 0,10, preferibilmente tra 0,02 e 0,07. In rest conditions (Fig. 1) the upper plate 1, the central element 3 and the lower plate 2 are coaxial with each other, their axis coinciding with the X axis. For a better dissipation of the wave component of the earthquake it is preferable that the dynamic friction coefficient between the central element 3 and the lower plate 2 is between 0.01 and 0.10, preferably between 0.02 and 0.07.

Per ottenere il suddetto coefficiente di attrito, la superficie inferiore dell’elemento centrale 3, preferibilmente in acciaio, è provvista di una rientranza 8 nella quale è alloggiato un disco piatto 7 di materiale polimerico, preferibilmente un fluoropolimero, che, sporgendo da detta rientranza 8, può scorrere con la sua superficie inferiore sulla superficie piana superiore della piastra inferiore 2, preferibilmente in acciaio. Il disco 7, di forma circolare, è formato da almeno uno strato di materiale polimerico, quale ad esempio il PTFE o un altro materiale ad alta resistenza e basso attrito. In questo caso l’elemento centrale 3 è preferibilmente un cilindro o un prisma, con la base inferiore provvista della rientranza circolare 8. To obtain the aforementioned coefficient of friction, the lower surface of the central element 3, preferably made of steel, is provided with a recess 8 in which a flat disc 7 of polymeric material, preferably a fluoropolymer, is housed which, protruding from said recess 8 , it can slide with its lower surface on the upper flat surface of the lower plate 2, preferably made of steel. The circular disk 7 is formed by at least one layer of polymeric material, such as for example PTFE or another material with high resistance and low friction. In this case the central element 3 is preferably a cylinder or a prism, with the lower base provided with the circular recess 8.

In alternativa il disco 7 può essere realizzato in materiale composito mediante l’inserimento di un rinforzo all’interno del suo spessore. Nel caso di utilizzo di fluoropolimeri come il PTFE (polifluorotetraetilene), questo potrà essere caricato con opportune particelle (es. vetro, bronzo, ecc.) per migliorarne le prestazioni in termini di resistenza alla compressione. Il materiale potrebbe anche essere rinforzato mediante una o più fibre o tessuti di opportuno materiale (e.g. fibre o tessuti di vetro). Alternatively, the disc 7 can be made of composite material by inserting a reinforcement within its thickness. In the case of using fluoropolymers such as PTFE (polyfluorotetraethylene), this can be loaded with suitable particles (eg glass, bronze, etc.) to improve their performance in terms of compressive strength. The material could also be reinforced by one or more fibers or fabrics of suitable material (e.g. glass fibers or fabrics).

Opzionalmente, in tutte le varianti dell’invenzione la rugosità superficiale della superficie piana superiore della piastra inferiore 2 aumenta radialmente verso l’esterno. Ad esempio questa rugosità superficiale può variare in maniera tale da ottenere un coefficiente di attrito più basso, in corrispondenza del centro della piastra inferiore 2, e più alto in prossimità della parete anulare periferica 4. Questo permette un’azione di frenatura crescente dell’elemento centrale 3 man mano che quest’ultimo si avvicina alla porzione inferiore 6 della parete anulare periferica 4. Questa variante potrebbe essere utile per limitare gli spostamenti del dispositivo nel caso di terremoti violenti (near source). Optionally, in all variants of the invention the surface roughness of the upper flat surface of the lower plate 2 increases radially outwards. For example, this surface roughness can vary in such a way as to obtain a lower friction coefficient, at the center of the lower plate 2, and higher near the peripheral annular wall 4. This allows an increasing braking action of the element. central 3 as the latter approaches the lower portion 6 of the peripheral annular wall 4. This variant could be useful for limiting the movements of the device in the case of violent earthquakes (near source).

Preferibilmente, per evitare l’insorgere di elevate temperature all’interno dell’apparato, la porzione inferiore 6 della parete anulare periferica 4, preferibilmente in acciaio, è provvista di una pluralità di aperture o fessure 11, che consentono una migliore ventilazione interna del dispositivo. Preferably, in order to avoid the onset of high temperatures inside the apparatus, the lower portion 6 of the peripheral annular wall 4, preferably made of steel, is provided with a plurality of openings or slots 11, which allow a better internal ventilation of the device .

Preferibilmente, ma non necessariamente, la porzione inferiore 6 della parete anulare periferica 4 ha una sezione trasversale a forma di C, preferibilmente con l’apertura della cavità a forma di C rivolta verso l’esterno dell’apparato. In questo caso, opzionalmente, la parete anulare 9 della porzione inferiore 6, preferibilmente parallela all’asse longitudinale X, e che unisce i due bracci anulari 10 della forma a C, è provvista di una pluralità di aperture o fessure 11. Preferably, but not necessarily, the lower portion 6 of the peripheral annular wall 4 has a C-shaped cross section, preferably with the opening of the C-shaped cavity facing the outside of the apparatus. In this case, optionally, the annular wall 9 of the lower portion 6, preferably parallel to the longitudinal axis X, and which joins the two annular arms 10 of the C-shape, is provided with a plurality of openings or slits 11.

Per quanto riguarda la porzione superiore 5 della parete anulare periferica 4, essa può essere costituita da puro elastomero, oppure da un elastomero armato, ad esempio composto da strati alternati di elastomero e lamierini in acciaio. In una variante primo e ultimo strato della porzione superiore 5 sono in elastomero. As regards the upper portion 5 of the peripheral annular wall 4, it can be constituted by pure elastomer, or by a reinforced elastomer, for example composed of alternating layers of elastomer and steel laminations. In a variant, the first and last layer of the upper portion 5 are made of elastomer.

Preferibilmente la percentuale di armatura, ossia di lamierino in acciaio, della porzione superiore 5 è variabile tra il 10% ed il 30%. Preferably the percentage of reinforcement, that is of steel sheet, of the upper portion 5 is variable between 10% and 30%.

Nelle Figure è illustrata una vantaggiosa forma di realizzazione che permette di ottimizzare il processo produttivo dell’apparato dell’invenzione. In questa forma di realizzazione sono ulteriormente previsti: The Figures illustrate an advantageous embodiment that allows to optimize the production process of the apparatus of the invention. In this embodiment the following are further provided:

- una piastra intermedia circolare 12 tra l’elemento centrale 3 e la piastra superiore 1; - a circular intermediate plate 12 between the central element 3 and the upper plate 1;

- una prima piastra anulare 13, coassiale e adiacente esternamente alla piastra intermedia circolare 12; - a first annular plate 13, coaxial and externally adjacent to the circular intermediate plate 12;

- una seconda piastra anulare 14, disposta parallelamente alla prima piastra anulare 13 tra la porzione superiore 5 e la porzione inferiore 6 della parete anulare periferica 4. - a second annular plate 14, arranged parallel to the first annular plate 13 between the upper portion 5 and the lower portion 6 of the peripheral annular wall 4.

La piastra intermedia circolare 12 presenta dei fori per il passaggio dei mezzi meccanici di fissaggio che fissano l’elemento centrale 3 alla piastra superiore 1. Piastra superiore 1, piastra intermedia 12 ed elemento centrale 3 sono tra loro coassiali. La piastra intermedia 12 ha un diametro inferiore al diametro/larghezza della piastra superiore 1. The circular intermediate plate 12 has holes for the passage of the mechanical fastening means that fix the central element 3 to the upper plate 1. Upper plate 1, intermediate plate 12 and central element 3 are coaxial with each other. The intermediate plate 12 has a smaller diameter than the diameter / width of the upper plate 1.

La prima piastra anulare 13, preferibilmente avente lo stesso spessore della piastra intermedia 12, è collegata meccanicamente alla piastra superiore 1. La seconda piastra anulare 14, preferibilmente avente le stesse dimensioni della prima piastra anulare 13, è collegata meccanicamente alla porzione inferiore 6. Preferibilmente la porzione superiore 5 in materiale elastomerico è vulcanizzata superiormente alla prima piastra anulare 13 ed inferiormente alla seconda piastra anulare 14 oppure, se quest’ultima non fosse prevista, direttamente alla porzione inferiore 6. The first annular plate 13, preferably having the same thickness as the intermediate plate 12, is mechanically connected to the upper plate 1. The second annular plate 14, preferably having the same dimensions as the first annular plate 13, is mechanically connected to the lower portion 6. Preferably the upper portion 5 in elastomeric material is vulcanized above the first annular plate 13 and below the second annular plate 14 or, if the latter is not provided, directly to the lower portion 6.

Nel caso della porzione inferiore 6 con sezione trasversale a forma di C, mezzi di fissaggio meccanici per fissare la piastra anulare 14 alla porzione inferiore 6 e per fissare detta porzione inferiore 6 alla piastra inferiore 2 sono previsti in corrispondenza dei due bracci anulari 10 della forma a C. In the case of the lower portion 6 with a C-shaped cross section, mechanical fixing means for fixing the annular plate 14 to the lower portion 6 and for fixing said lower portion 6 to the lower plate 2 are provided in correspondence with the two annular arms 10 of the form to C.

Vantaggiosamente l’invenzione prevede anche una forma di realizzazione, illustrata in Fig. 11, in cui è previsto un sistema di isolamento per la protezione sismica di una struttura di ingegneria civile, detto sistema di isolamento comprendente un apparato di isolamento 32 come quello sopra descritto, atto ad isolare la struttura nei riguardi di una eccitazione sismica orizzontale, combinato con un ulteriore apparato di isolamento 31, configurato per isolare la struttura nei riguardi di una eccitazione sismica verticale. Advantageously, the invention also provides an embodiment, illustrated in Fig. 11, in which an isolation system is provided for the seismic protection of a civil engineering structure, said isolation system comprising an isolation apparatus 32 like the one described above. , adapted to isolate the structure in respect of a horizontal seismic excitation, combined with a further isolation apparatus 31, configured to isolate the structure in respect of a vertical seismic excitation.

In particolare, il suddetto apparato di isolamento 32 è interposto tra la fondazione 20 ed un supporto superiore 22 dell’apparato di isolamento 31. Preferibilmente il supporto superiore 22 dell’apparato di isolamento 31 è fissato solidalmente alla piastra inferiore 2 dell’apparato di isolamento 32, mentre la piastra superiore 1 dell’apparato di isolamento 32 è fissato solidalmente alla fondazione 20 sovrastante. In particular, the aforementioned insulation apparatus 32 is interposed between the foundation 20 and an upper support 22 of the insulation apparatus 31. Preferably, the upper support 22 of the insulation apparatus 31 is fixed integrally to the lower plate 2 of the insulation apparatus 32, while the upper plate 1 of the insulation apparatus 32 is fixed integrally to the foundation 20 above.

Claims

CLAIMS 1. Insulation apparatus for the seismic protection of a civil engineering structure, said apparatus defining a longitudinal axis X and comprising - an upper plate (1) made of metallic material; - a lower plate (2) made of metallic material; - an internal central element (3) made of metallic material, arranged between the upper plate (1) and the lower plate (2), integrally connected to said upper plate (1) and able to slide on an upper flat surface of said lower plate (2); - a peripheral annular wall (4), arranged between the upper plate (1) and the lower plate (2), radially outside the central element (3) and spaced from said central element (3) so as to define a empty space; wherein said peripheral annular wall (4) comprises an upper portion (5) of elastomeric material and a lower portion (6) of metallic material; wherein the upper portion (5) has a respective upper surface integrally connected to the upper plate (1) and a respective lower surface integrally connected to the lower portion (6); wherein the lower portion (6) is integrally connected to said upper flat surface of the lower plate (2); so in the presence of a seismic stress the central element (3) can move by sliding on the upper flat surface of the lower plate (2), the lower portion (6) in metal material limiting the maximum sliding of the central element (3), and the upper portion (5) in elastomeric material deforming during sliding and ensuring a re-centering of the central element (3) and of the upper plate (1) on the longitudinal axis X when the seismic stress is exhausted.

2. Apparatus according to claim 1, wherein a lower surface of the central element (3), preferably made of steel, is provided with a recess (8) in which a disc (7) of polymeric material, preferably a fluoropolymer, is housed, adapted to slide on said upper flat surface of the lower plate (2), preferably made of steel.

Apparatus according to claim 2, wherein the dynamic friction coefficient between the disc (7) and the upper flat surface of the lower plate (2) is comprised between 0.01 and 0.10.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, in which the surface roughness of the upper flat surface of the lower plate (2) increases radially outwards.

5. Apparatus according to any of the preceding claims, in which the central element (3) is a cylinder or a steel prism.

Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the lower portion (6) of the peripheral annular wall (4), preferably made of steel, is provided with a plurality of openings (11).

Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the lower portion (6) of the peripheral annular wall (4), preferably made of steel, has a C-shaped cross section, preferably with the opening of the C-shaped cavity facing the outside of the apparatus; and preferably in which an annular wall (9) of the lower portion (6), preferably parallel to the longitudinal axis X, which joins the two annular arms (10) of the C-shape, is provided with a plurality of openings (11).

Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the upper portion (5) of the peripheral annular wall (4) is made of reinforced elastomer, preferably composed of alternating layers of elastomer and steel laminations.

9. Apparatus according to any one of the preceding claims, in which a circular intermediate plate (12) is provided between the central element (3) and the upper plate (1) and a first annular plate (13), coaxial and adjacent externally to said circular intermediate plate (12), said first annular plate (13) being mechanically connected to the upper plate (1); preferably in which said upper portion (5) made of elastomeric material is vulcanized above said first annular plate (13) and below said lower portion (6).

10. Apparatus according to claim 9, wherein a second annular plate (14) is provided, arranged between the upper portion (5) and the lower portion (6) of the peripheral annular wall (4), said second annular plate (14) being mechanically connected to the lower portion (6), whereby said upper portion (5) made of elastomeric material is vulcanized above said first annular plate (13) and below said second annular plate (14).

11. Civil engineering structure comprising at least one base provided with at least one insulation apparatus according to any one of the preceding claims, in which the upper plate (1) is integral with an upper foundation of the structure and the lower plate (2) is integral with a lower foundation of the structure, spaced from said upper foundation.

12. Isolation system for the seismic protection of a civil engineering structure, said isolation system comprises an isolation apparatus according to any one of claims 1 to 10, adapted to isolate the structure in respect of a combined horizontal seismic excitation with a further isolation apparatus, configured to isolate the structure against a vertical seismic excitation.