IT201800005076A1 - Sistema di precompressione di una struttura - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
“Sistema di precompressione di una struttura”
La presente invenzione ha per oggetto un sistema di precompressione di una struttura, tipicamente in calcestruzzo.
Il calcestruzzo è un materiale che mal sopporta sollecitazioni di trazione, mentre offre una buona resistenza alla compressione. Per tale motivo è noto eseguire una precompressione dello stesso in fase di formatura (una applicazione tipica è nelle travi di grosse dimensioni o in pavimentazioni molto estese). In pratica un cavo metallico, viene teso tra due supporti, viene poi applicato il calcestruzzo attorno al cavo metallico sagomandolo nella forma desiderata. Una volta giunto a maturazione il cavo viene scollegato dai due supporti tenditori. In questo modo il cavo trasferisce alla struttura in calcestruzzo una precompressione che aiuta a neutralizzare eventuali carichi di trazione.
Esiste un sistema alternativo noto come post compressione che prevede il posizionamento di tiranti in apposite guaine interne ad una cassaforma di maturazione del calcestruzzo. Dopo la maturazione del calcestruzzo i tiranti posti internamente alle guaine vengono posti in trazione.
Un inconveniente di tali soluzioni costruttive è il fatto che tali accorgimenti vengono adottati solo per opere di grandi dimensioni e costi. Infatti l’impiego dei supporti tenditori e il metodo associato alla precompressione/post compressione implicano dei costi addizionali che normalmente vengono evitati per opere meno importanti (come ad esempio la realizzazione di abitazioni, che rappresentano però una fetta importante nell’impiego del calcestruzzo). Inoltre la realizzazione della precompressione e post compressione introduce anche delle difficoltà realizzative legate ad esempio alla presenza di spazi adeguati al fine di permettere il posizionamento dei supporti tenditori.
Scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un sistema di precompressione di una struttura che permetta di minimizzare i costi e le difficoltà di posa in opera.
Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un sistema di precompressione comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni. Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di un sistema di precompressione di una struttura come illustrato negli uniti disegni in cui:
-figura 1 mostra un sistema di precompressione secondo la presente invenzione;
-figura 2 mostra una vista prospettica di un particolare del sistema di precompressione;
-figura 3 mostra un sistema di precompressione di una struttura secondo la presente invenzione.
Nelle unite figure con il numero di riferimento 1 si è indicato un sistema di precompressione di una struttura. Tale struttura può comprendere calcestruzzo (nel corso della presente descrizione si è fatto esemplificativamente riferimento al calcestruzzo, ma esso potrebbe essere sostituito con un più generico materiale da costruzione che potrebbe comprendere/essere ad esempio una struttura polimerica o cementi CSA). La struttura può essere ad esempio una trave, ma potrebbe anche essere una porzione di una struttura più complessa. Dopo il consolidamento (maturazione) del calcestruzzo la struttura subisce una precompressione che permette una migliore resistenza ai successivi carichi di trazione.
Il sistema 1 comprende un primo elemento 31 tubolare espandibile in senso longitudinale. Il primo elemento 31 tubolare ha una resistenza all’espansione radiale maggiore di una resistenza all’allungamento longitudinale. Nella soluzione preferita, il primo elemento 31 longitudinale ha uno sviluppo rettilineo. Il primo elemento 31 longitudinale è almeno in parte annegato in detta struttura.
Il primo elemento 31 tubolare è mobile tra una configurazione allungata longitudinalmente in cui un fluido in pressione è posto internamente al primo elemento 31 tubolare (determinandone l’allungamento) e una configurazione contratta in cui detto fluido è almeno in parte rimosso; ciò avviene dopo la maturazione del calcestruzzo; il passaggio dalla configurazione allungata a quella contratta determina una compressione del calcestruzzo che almeno in parte avvolge il primo elemento 31 tubolare (dal momento che tende a ritornare in una configurazione indeformata venuta meno l’azione di pressurizzazione del fluido). Tale compressione interessa la direzione di sviluppo longitudinale del primo elemento 31 tubolare. Il primo elemento 31 può dunque essere definito come un tendone attivabile a pressione. La pressione interna è dovuta al fluido in pressione introdotto mediante una pompa. Il fluido viene introdotto nel primo elemento 31 tubolare da una delle due estremità. Una volta riempito il primo elemento 31 tubolare (vantaggiosamente tale fase può essere accompagnata dalla rimozione totale dell’aria presente) verranno introdotti solo pochi cm<3 >di acqua per permetterne l’allungamento. L’allungamento del primo elemento 31 tubolare vantaggiosamente avviene lungo una direzione rettilinea. Passando dalla configurazione allungata longitudinalmente alla configurazione contratta il calcestruzzo (già maturato) potrebbe determinare un leggero inarcamento lungo lo sviluppo longitudinale del primo elemento 31 tubolare.
Tipicamente il fluido in pressione è un fluido incomprimibile, ad esempio un liquido, preferibilmente acqua. La pressione del fluido nella configurazione allungata potrebbe ad esempio essere compresa tra 500 e 6000 atm.
La struttura a sua volta comprende una prima e una seconda testata 21, 22 di compressione del calcestruzzo tra esse interposto. La prima e la seconda testata 21, 22 possono ad esempio comprendere piastre di compressione. La prima e la seconda testata 21, 22 potrebbero ad esempio essere realizzate in materiale metallico, ad esempio acciaio. In una soluzione alternativa potrebbero essere realizzate in UHPC (acronimo del ben noto “Ultra High Performance Concrete”). La prima e la seconda testata 21, 22 potrebbero avere forme diverse, ad esempio discoidali, a croce, a “L”, a “T”, ecc.. In figura 1 con il riferimento 4 è indicato uno strato di calcestruzzo che si vuole precomprimere.
Il primo elemento 31 tubolare è interposto tra la prima e la seconda testata 21, 22. In particolare il primo elemento 31 tubolare ha una prima estremità vincolata alla prima testata 21 e una seconda estremità vincolata alla seconda testata 22. Il primo elemento 31 si sviluppa in senso longitudinale tra la prima e la seconda testata 21, 22. In particolare la prima estremità del primo elemento 31 tubolare è direttamente connessa con la prima testata 21; analogamente anche la seconda estremità del primo elemento 31 tubolare è direttamente connessa con la seconda testata 22.
Nella soluzione preferita l’azione di compressione sul calcestruzzo è dunque esplicata almeno in parte dalla prima e dalla seconda testata 21, 22 che nella configurazione contratta comprimono il calcestruzzo tra esse interposto.
La prima e la seconda testata 21, 22 sono quindi importanti per trasmettere il carico dal primo elemento 31 tubolare al calcestruzzo. Infatti quando il primo elemento 31 tubolare viene svuotato dal fluido in pressione il trasferimento del carico per adesione, pur presente, potrebbe essere contenuto.
In una soluzione alternativa la prima e la seconda testata 21, 22 potrebbero anche essere assenti. In tal caso la compressione potrebbe essere esercitata direttamente dall’azione di adesione/trascinamento esplicata sul calcestruzzo del primo elemento 31 tubolare che passa dalla configurazione allungata longitudinalmente a quella contratta. In tal caso vantaggiosamente il primo elemento 31 tubolare potrebbe presentare dei rilievi, ad esempio dei solchi elicoidali. Eventualmente per incrementare l’attrito tra il primo elemento 31 tubolare e il calcestruzzo sulla superficie esterna del primo elemento 31 tubolare potrebbero essere presenti elementi granulari, ad esempio sabbia.
Il primo elemento 31 tubolare comprende un materiale composito. Preferibilmente è interamente in materiale composito. Questo lo rende esente da problemi di corrosione anche nel caso in cui sia destinato a posizionarsi in una zona della struttura poco profonda e dunque più facilmente esposta all’azione dell’aria esterna. Vantaggiosamente il primo elemento 31 tubolare presenta una resistenza all’espansione radiale maggiore della resistenza all’allungamento longitudinale. Questo è importante e può essere ottenuto facendo ricorso ai materiali compositi. Infatti le strutture tubolari realizzate interamente in acciaio, se riempite con un liquido in pressione, registrano tensioni circonferenziali molto maggiori rispetto a quelle longitudinali. Conseguentemente al crescere della pressione si avrebbe una rottura dell’elemento tubolare (a causa delle elevate tensioni circonferenziali) quando ancora l’allungamento è insufficiente a garantire una successiva adeguata precompressione.
Il materiale composito comprende una matrice e fibre poste nella matrice. Ad esempio la matrice può comprendere/essere in uno dei seguenti materiali: matrice epossidica, poliestere, vinilestere.
Vantaggiosamente le fibre poste nella matrice possono comprendere/essere in uno dei seguenti materiali: fibre di basalto, fibre di vetro, fibre di carbonio.
Vantaggiosamente le fibre comprendono fibre che si avvolgono attorno ad un asse longitudinale del primo elemento 31 tubolare; esse irrobustiscono radialmente il primo elemento 31 tubolare permettendo di sopportare tensioni circonferenziali maggiori (opponendosi alla pressione radiale esplicata dal fluido); tali fibre che si avvolgono attorno ad un asse longitudinale vantaggiosamente si sviluppano ad elica; eventualmente tali fibre possono avvolgersi attorno all’asse longitudinale secondo un doppio angolo d’’elica, sinistrorso e destrorso;
Opportunamente le fibre comprendono inoltre fibre longitudinali; esse sono responsabili della contrazione dell'elemento tubolare che determina il passaggio dalla configurazione allungata longitudinalmente alla configurazione contratta (definendo la precompressione del calcestruzzo). Le fibre che si avvolgono attorno ad un asse longitudinale sono importanti durante la maturazione del calcestruzzo al fine di contrastare la spinta radiale dovuta al fluido in pressione presente nel primo elemento 31 tubolare. Quindi tali fibre essendo sollecitate per un ridotto periodo temporale possono sopportare sollecitazioni percentualmente più vicine al carico di rottura rispetto alle fibre longitudinali.
Preferibilmente la percentuale in peso della matrice rispetto al peso delle fibre è compresa tra il 5% e il 50%.
In una soluzione alternativa il primo elemento 31 tubolare potrebbe comprendere (vantaggiosamente essere costituito da) fibre impregnate avvolte ad elica attorno all’asse longitudinale in modo destrorso e/o sinistrorso; in tal caso potrebbero esservi vari strati con un predeterminato angolo d’elica (che potrebbe anche essere differente per ogni strato). Le fibre avvolte ad elica possono sia irrobustire radialmente il primo elemento 31 tubolare permettendo di sopportare tensioni circonferenziali maggiori sia essere responsabili della contrazione dell'elemento tubolare passando dalla configurazione allungata longitudinalmente alla configurazione contratta (rendendo superflua la presenza delle fibre longitudinali).
In una soluzione alternativa il primo elemento 31 tubolare potrebbe anche comprendere un’anima in acciaio o comunque in metallo attorno a cui, elicoidalmente, sono avvolte fibre in materiale composito o un filo in materiale metallico. Il materiale composito e/o detto filo metallico determinando una resistenza all’espansione radiale maggiore di una resistenza all’allungamento longitudinale.
Il sistema 1 comprende anche un secondo elemento 32 tubolare espandibile. Esso si sviluppa dalla prima testata 21 di compressione fino ad una terza testata di compressione. Il primo e il secondo elemento 31, 32 tubolare in tal caso si sviluppano lungo diverse direzioni (vedasi ad esempio fig. 3). Si possono quindi eseguire precompressioni in più direzioni contemporaneamente. Preferibilmente il primo e il secondo elemento 31, 32 tubolare si sviluppano ciascuna in senso rettilineo.
In una soluzione alternativa il primo e il secondo elemento 31, 32 tubolare potrebbero svilupparsi lungo una medesima retta. In tal caso la prima testata 21 definisce una giunzione tra il primo e il secondo elemento 31, 32 tubolare. Vantaggiosamente in tal caso il primo e il secondo elemento 31, 32 tubolare hanno diametri diversi; in questo modo si possono applicare pre-carichi differenti.
Nella soluzione preferita il rapporto tra il peso (o la resistenza) delle fibre che si avvolgono attorno ad un asse longitudinale del primo elemento 31 tubolare e il peso (o resistenza) delle fibre longitudinali è compreso tra 2 e 1.
In una soluzione preferita il diametro esterno del primo elemento 31 tubolare è compreso tra 15 e 50 millimetri, preferibilmente è compreso tra 16 e 20 millimetri. In una soluzione preferita, opportunamente lo spessore del primo elemento 31 tubolare è compreso tra 1 e 10 millimetri.
Nella scelta tra i parametri geometrici sopraesposti occorre tenere in considerazione che essi dipendono dai carichi in gioco; nella realizzazione di civili abitazioni i carichi di precompressione sono più bassi che ad esempio in una trave da ponte.
Una o più delle caratteristiche descritte con riferimento al primo elemento 31 tubolare e/o alla sua interazione con due testate di estremità può essere ripetuto per il secondo elemento 32 tubolare.
Oggetto della presente invenzione è inoltre un metodo di precompressione di una struttura in calcestruzzo. Tale metodo è opportunamente implementato mediante un sistema presentante una o più delle caratteristiche sopraindicate.
Il metodo comprende la fase di pressurizzare una zona 310 interna al primo elemento 31 tubolare. Questa fase prevede di introdurre un fluido (tipicamente incomprimibile) nella zona 310 interna.
Il metodo comprende inoltre la fase di applicare il calcestruzzo attorno a detto primo elemento 31 tubolare.
E’ inoltre prevista la fase di attendere una maturazione almeno parziale del calcestruzzo. La fase di attendere la maturazione almeno parziale del calcestruzzo comprende la fase di attendere almeno 10 ore (ciò è però funzione del tipo di materiale da costruzione utilizzato, ad esempio nel caso di cementi CSA o polimeri diversi dal calcestruzzo il tempo di maturazione potrebbe essere molto minore; in tali casi come tempo di maturazione si può considerare almeno 5 minuti).
Il metodo comprende inoltre la fase di ridurre la pressione nella zona 310 interna al primo elemento 31 tubolare determinando una contrazione longitudinale del primo elemento 31 tubolare. Ciò avviene dopo la maturazione almeno parziale del calcestruzzo. Tutto ciò determina una precompressione del calcestruzzo che avvolge il primo elemento 31 tubolare. Vantaggiosamente l’azione di compressione è determinata dalla spinta di avvicinamento agente sulla prima e sulla seconda testata 21, 22. La compressione interessa quindi il calcestruzzo interposto tra la prima e la seconda testata 21, 22. L’azione di precompressione seppur in misura minore potrebbe essere associata anche all’adesione tra il primo elemento 31 tubolare e il calcestruzzo che la avvolge.
Oggetto della presente invenzione è inoltre un metodo di realizzazione del primo elemento 31 tubolare di un sistema presentante una o più delle caratteristiche descritte in precedenza.
Tale metodo comprende le fasi di:
-predisporre un'anima centrale longitudinale;
-avvolgere in senso spiraliforme almeno una prima fibra impregnata con una resina attorno a detta anima centrale;
-disporre una fibra longitudinale lungo detta anima (intrecciandola o accavallandola con la prima fibra).
La presente invenzione consegue importanti vantaggi.
Innanzitutto consente di ridurre i costi e la complessità operativa associata alla precompressione del calcestruzzo. Questo si riflette nel fatto che la precompressione potrà essere adottata anche per la realizzazione di strutture in calcestruzzo di dimensioni minori rispetto a quelle attuali.
L’invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo che la caratterizza. Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. In pratica, tutti i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di precompressione di una struttura a sua volta comprendente un materiale da costruzione, detto sistema comprendendo un primo elemento (31) tubolare espandibile in senso longitudinale, detto primo elemento (31) tubolare essendo mobile tra una configurazione allungata longitudinalmente in cui un fluido in pressione è posto internamente al primo elemento (31) tubolare e una configurazione contratta in cui detto fluido è almeno in parte rimosso; il passaggio dalla configurazione allungata alla configurazione contratta determinando una compressione sul materiale da costruzione che almeno in parte avvolge il primo elemento (31) tubolare.
- 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una prima e una seconda testata (21, 22) di compressione del materiale da costruzione tra esse interposto; detta compressione sul materiale da costruzione essendo esplicata dalla prima e dalla seconda testata (21, 22) nella configurazione contratta del primo elemento (31).
- 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto primo elemento (31) tubolare comprende un materiale composito con una resistenza all’espansione radiale maggiore di una resistenza all’allungamento longitudinale.
- 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il materiale composito comprende una matrice e fibre poste nella matrice; dette fibre comprendendo: - fibre che si avvolgono attorno ad un asse longitudinale del primo elemento (31) tubolare e che esplicano una resistenza alla pressione nel primo elemento tubolare; - fibre longitudinali responsabili della contrazione dell'elemento tubolare passando dalla configurazione allungata longitudinalmente alla configurazione contratta definendo la precompressione del materiale da costruzione.
- 5. Sistema secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che le fibre che si avvolgono attorno ad un asse longitudinale del primo elemento (31) tubolare si sviluppano secondo un avvolgimento elicoidale.
- 6. Sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere un secondo elemento (32) tubolare espandibile che si sviluppa dalla prima testata (21) di compressione fino ad una terza testata di compressione, detto primo e detto secondo elemento (31, 32) tubolare sviluppandosi lungo diverse direzioni.
- 7. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto materiale da costruzione comprende/è calcestruzzo.
- 8. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo elemento (31) tubolare comprende un’anima in materiale metallico e: - un materiale composito che la avvolge; e/o - un filo metallico che la avvolge; detto materiale composito e/o detto filo metallico determinando una resistenza all’espansione radiale maggiore di una resistenza all’allungamento longitudinale.
- 9. Metodo di precompressione di una struttura comprendente un materiale da costruzione mediante un sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 8, comprendente le fasi di: -pressurizzare una zona (310) interna al primo elemento (31) tubolare; -applicare il materiale da costruzione attorno a detto primo elemento (31) tubolare; -attendere una maturazione almeno parziale del materiale da costruzione; -ridurre la pressione nella zona (310) interna al primo elemento (31) tubolare determinando una contrazione longitudinale del primo elemento (31) tubolare e una precompressione del materiale da costruzione che avvolge il primo elemento (31) tubolare.
- 10.Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la fase di pressurizzare la zona (310) interna prevede di introdurre per pompaggio un liquido in pressione all’interno del primo elemento (31) tubolare.
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