IT201900007056A1

IT201900007056A1 - Dispositivo di dissipazione sismico applicabile ad una struttura portante di un edificio

Info

Publication number: IT201900007056A1
Application number: IT102019000007056A
Authority: IT
Inventors: Fabrizio Grillo; Luca Mari
Original assignee: Effegi Systems Srl
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-11-21

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “DISPOSITIVO DI DISSIPAZIONE SISMICO APPLICABILE AD UNA STRUTTURA PORTANTE DI UN EDIFICIO”,

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione si colloca nell’ambito dei dispositivi di dissipazione sismici applicati alla struttura portante di un edificio.

Stato dell’arte

Le tecniche di protezione sismica possono riassumersi in tre principali tecniche: in ordine di complessità si hanno il controllo passivo, il controllo ibrido (misto o semi-attivo) ed infine il controllo attivo.

Il controllo attivo, è garantito da dispositivi, elettronicamente controllati, che si attivano in occasione di un sisma di intensità superiore ad una certa soglia, così da applicare alla struttura delle forze “dinamiche” in real time di segno opposto a quelle imposte dall’azione sismica.

Il controllo passivo invece si basa su principio dell’aggiunta di specifici dispositivi capaci di ridurre l’energia sismica in ingresso, senza dover ricorrere all’ausilio di forze generate artificialmente in controfase. Diversi sono gli approcci possibili e i relativi principi fisici tramite cui operano tale riduzione. Nel caso della tecnica di isolamento sismico i dispositivi di protezione sismica vengono interposti tra la struttura di fondazione e la sovrastruttura, consentendo un disaccoppiamento tra il moto della struttura di fondazione e il moto della struttura in elevazione, in modo tale da ridurre la trasmissione dell’energia del sisma alla porzione in elevazione.

La tecnica di controllo ibrida prevede l’applicazione di un sistema di regolazione “attivo” ad un sistema già dotato di controllo “passivo”. Tecnicamente il controllo semi-attivo consiste nella “modificazione istantanea dei parametri strutturali” secondo criteri di controllo della risposta in funzione dello stato del sistema.

Il vantaggio è che, a parità di prestazioni, forze ed energie necessarie per effettuare le regolazioni hanno entità limitata rispetto a quelle necessarie per il funzionamento di un sistema di controllo attivo.

Una tipologia nota tra gli isolatori sismici è quella degli isolatori a scorrimento a superficie curva denominati FPS “Friction Pendulum System”. Questi sono meccanicamente costituiti da tre elementi sovrapposti: una base superiore concava, opportunamente sagomata in modo da ottenere il periodo di oscillazione desiderato; una rotula centrale, convessa sia inferiormente che superiormente; infine, una base inferiore che si accoppia con la sovrastante rotula, consentendo il mutuo scorrimento. L’attrito che si sviluppa durante l’attivazione del FPS dipendente dallo sforzo normale agente all’interfaccia delle superfici di contatto è ottenuto tramite opportune finiture superficiali.

Il dispositivo FPS solitamente è applicato alla base di una nuova struttura e prevede la progettazione di un basamento specificatamente dimensionato in grado di ammettere elevati spostamenti.

Il principio di funzionamento del FPS è quello dell’isolamento sismico che disaccoppia la sovrastruttura dalla sottostruttura mutandone il periodo di oscillazione.

Nel FPS lo scorrimento relativo si innesca tra superfici sferiche (maschio e femmina) in cui la forza di richiamo verso la posizione iniziale/centrale varia costantemente in funzione della pendenza puntuale.

Il dispositivo FPS è quindi concepito per essere applicato nella progettazione di nuove strutture e per le sue caratteristiche peculiari non risulterebbe idoneo per l’applicazione a strutture esistenti in quanto tipicamente installato alla base della struttura portante.

È pertanto sentita l’esigenza di fornire un dispositivo di dissipazione sismico conformato per essere adottato negli interventi di retrofit installandolo in idonee posizioni in quota alla struttura portante di un edificio esistente al fine di migliorare il comportamento sismico della struttura portante stessa.

Sommario dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un dispositivo di dissipazione sismico che permetta di essere predisposto su un edificio esistente al fine di migliorare il comportamento sismico della struttura portante dell’edificio.

È altro scopo della presente invenzione realizzare un dispositivo di dissipazione sismico in grado di dissipare puntualmente energia proteggendo gli elementi sismo-resistenti esistenti della struttura portante dell’edificio.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo di dissipazione sismico comprendente un gruppo di interfaccia atto ad essere interposto tra un primo elemento strutturale ed un secondo elemento strutturale di una struttura portante di un edificio,

in cui il gruppo di interfaccia comprende:

un elemento di supporto predisposto sul primo elemento strutturale;

un elemento di appoggio predisposto sul secondo elemento strutturale;

in cui l’elemento di appoggio è mutuamente accoppiato con detto elemento di supporto in almeno una porzione di accoppiamento definita da rispettive porzioni di detto elemento di supporto e di detto elemento di appoggio sovrapposte a contatto tra loro su un piano inclinato che si estende in una direzione di scorrimento, in modo tale da consentire uno scorrimento rigido di detto primo e secondo elemento strutturale lungo detta direzione di scorrimento quando detta struttura portante è investita da un evento sismico.

In particolare, la porzione di accoppiamento è definita da una coppia di piani inclinati sovrapposti tra loro ricavati rispettivamente su detto elemento di supporto e su detto elemento di appoggio.

L’elemento di supporto e l’elemento di appoggio sono montati solidalmente rispettivamente sul primo e sul secondo elemento strutturale. Il collegamento solidale è ad esempio effettuato tramite elementi di fissaggio.

In altre parole, il gruppo di interfaccia secondo la presente invenzione include due principali elementi: l’elemento di supporto e l’elemento di appoggio che risultano a diretto contatto tra loro, senza dunque alcun elemento interposto. Lungo una prefissata direzione le rispettive superfici dell’elemento di supporto e dell’elemento di appoggio sono conformate in modo tale da definire una successione di piani inclinati sovrapposti e speculari: ascendenti da un lato e discendenti e contrapposti dall’altro.

Con porzione di accoppiamento si intende la porzione definita tra l’accoppiamento delle rispettive porzioni di superficie dei due piani inclinati sovrapposti tra loro.

Preferibilmente, l’elemento di appoggio è sovrapposto all’elemento di supporto. In dettaglio, l’elemento di supporto è quello inferiore sul quale posa l’elemento di appoggio che si trova superiormente. Pertanto, il secondo elemento strutturale poggia con il peso proprio sul primo elemento strutturale.

Ancora in altre parole, il gruppo di interfaccia è costituito da due corpi principali (maschio e femmina) fissati meccanicamente ad un rispettivo elemento strutturale esistente. Lo scorrimento rigido di due piani inclinati sovrapposti individua il principio fisico di funzionamento. Due corpi appoggiati l’uno rispetto all’altro su un piano inclinato che potendo scorrere l’uno rispetto all’altro -quando soggetti ad una energia esterna di attivazione -iniziano a strisciare l’uno sull’altro.

In dettaglio, lo scorrimento relativo dei due elementi strutturali lungo i piani inclinati sovrapposti determina una dissipazione progressiva dell’energia da parte della struttura portante dell’edificio quando investita da un sisma. In particolare, lo scorrimento tra il primo ed il secondo elemento strutturale lungo i piani inclinati genera una dissipazione per attrito dell’energia in ingresso consentendo di mutare l’energia meccanica in energia termica (calore).

In dettaglio un sisma genera una certa quantità di energia che viene trasformata in energia cinetica e/o potenziale a seconda dei momenti e delle posizioni in cui si trova l’elemento di appoggio lungo il piano inclinato. Inoltre, una parte di questa energia generata dal sisma viene anche dissipata per attrito a causa dello strisciamento.

La dissipazione di energia è funzione dell’angolo di inclinazione dei rispettivi piani inclinati e della scabrezza delle relative superfici a contatto striscianti tra loro. I piani inclinati determinano una resistenza allo scorrimento dei due elementi strutturali l’uno rispetto all’altro. A questo fattore si somma la scabrezza della superficie di ciascun piano inclinato.

Vantaggiosamente detta porzione di accoppiamento comprende inoltre una coppia di porzioni di appoggio piane che si estendono per un determinato tratto lungo detta direzione di scorrimento, in particolare detta coppia di porzioni di appoggio piane essendo contigua alla coppia di piani inclinati. In altre parole, la porzione di accoppiamento comprende rispettive porzioni di appoggio piane poste alla base della coppia di piani inclinati. Le porzioni di appoggio piane costituiscono almeno in parte la superficie di appoggio statica del secondo elemento strutturale sul primo elemento strutturale in condizioni normali. In caso di sisma, il movimento relativo del secondo elemento strutturale rispetto al primo elemento strutturale determina uno scorrimento iniziale sulle porzioni di appoggio piane e successivamente sulle porzioni a piano inclinato dove avviene uno scorrimento contrastato e quindi una dissipazione puntuale di energia. In particolare, la porzione di accoppiamento comprende una prima coppia di piani inclinati ed una seconda coppia di piani inclinati speculari tra loro che si estendono lungo una prima direzione. Detta prima e secondo coppia di piani inclinati essendo distanziate tra loro da dette porzioni di appoggio piane. In tal modo, tra le due coppie di piani inclinati sono interposte le porzioni di appoggio piane.

Vantaggiosamente detta porzione di accoppiamento comprende una terza coppia di piani inclinati ed una quarta coppia di piani inclinati speculari tra loro che si estendono in una seconda direzione di scorrimento sostanzialmente ortogonale a detta prima direzione di scorrimento. Detta terza e quarta coppia di piani inclinati essendo distanziati tra loro da detta coppia di porzioni di appoggio piane. In tal modo, il funzionamento del gruppo di interfaccia risulta bi-direzionale, ovvero consente lo scorrimento rigido del primo e del secondo elemento strutturale secondo due direzioni ortogonali tra loro.

In particolare, detta porzione di accoppiamento può essere conformata in modo da prevedere coppie di piani inclinati agenti su differenti direzioni di scorrimento in funzione ad esempio della posizione di applicazione del dispositivo di interfaccia, e delle condizioni al contorno relative al luogo e alla struttura portante dell’edificio esistente. In altre parole, lungo ciascuna direzione in cui si ha una porzione di accoppiamento il maschio può scorrere rigidamente strisciando liberamente sulla femmina. Lungo ciascuna direzione di sviluppo l’interfaccia è individuata da due piani inclinati installati interposti tra gli elementi portanti della struttura di un edificio esistente.

Preferibilmente, ciascun piano inclinato di detta coppia comprende un primo tratto di estensione che si sviluppa lungo la direzione di scorrimento, detto primo tratto di estensione essendo definito un primo angolo di inclinazione rispetto ad un piano di riferimento.

In dettaglio, ciascun piano inclinato ha una propria estensione in lunghezza, che definisce la corsa di spostamento, e una propria pendenza definita da un angolo di inclinazione che determina il contrasto meccanico che si contrappone allo scorrimento relativo tra gli elementi strutturali.

In modo vantaggioso, ciascun piano inclinato di detta coppia comprende un secondo tratto di estensione contiguo a detto primo tratto di estensione, detto secondo tratto di estensione essendo definito da un secondo angolo di inclinazione, in cui detto secondo angolo di inclinazione è maggiore rispetto a detto primo angolo di inclinazione rispetto a detto piano di riferimento. In particolare, la predisposizione di un piano inclinato avente due differenti angoli di inclinazione e quindi pendenze consente di associare il funzionamento del dispositivo a differenti scenari, riconducibili a prestabiliti stati limite previsti dalle attuali normative. Il primo angolo d’inclinazione con pendenza minore entra in gioco nel caso di terremoti frequenti a medio-bassa intensità. Il secondo angolo, con pendenza maggiore, entra in gioco solo nel caso di situazioni rare ed eccezionali corrispondenti ad eventi sismici molto più gravosi.

Vantaggiosamente i primi tratti di estensione di una rispettiva coppia di piani inclinati hanno differente lunghezza. In particolare, il primo tratto di estensione dell’elemento di appoggio ha lunghezza inferiore rispetto al primo tratto di estensione dell’elemento di supporto. In tal modo la differenza di lunghezza consente uno scorrimento completo lungo il primo tratto inclinato prima di passare eventualmente sul secondo tratto.

Vantaggiosamente le superfici di detti piani inclinati sono definite da un coefficiente di attrito compreso tra 0.01 e 0.40, preferibilmente tra 0.02 e o.20, in particolare tra 0.04 e 0.12.

Vantaggiosamente le superfici del primo tratto di estensione possono avere un valore di scabrezza differente dalle superficie del secondo tratto di estensione.

Preferibilmente detto primo angolo di inclinazione è compreso tra 1° e 45°, preferibilmente tra 2° e 15°, in particolare è compreso tra 4° e 12°.

Il secondo angolo di inclinazione invece è compreso tra 5° e 45°, preferibilmente tra 8° e 30°, in particolare tra 10° e 18°

In una forma realizzativa preferita, detta porzione di accoppiamento è definita da un accoppiamento tronco-piramidale a base quadrata o rettangolare tra detto elemento di supporto e detto elemento di appoggio. L’accoppiamento di forma tra due superfici tronco-piramidali maschio-femmina comprende quattro coppie di piani inclinati sovrapposte definite sui rispettivi lati. L’elemento di supporto rappresenta la femmina. La forma tronco-piramidale definisce una sorta di culla che si accoppia con l’elemento di appoggio maschio anch’esso con forma troncopiramidale. In tal modo, in risposta ad un evento sismico gli elementi strutturali iniziano ad oscillare e a muoversi cercando di scorrere. Il funzionamento del dispositivo è innescato dalla forza di richiamo (ricentraggio) che si genera dal movimento casuale relativo dei due elementi strutturali appoggiati tra loro. Fisicamente si assiste quindi allo scorrimento relativo su una delle coppie di piani inclinati sovrapposti.

In particolare, il primo e il secondo elemento strutturale sono elementi che compongono la sovrastruttura della struttura portante dell’edificio. Il dispositivo è inserito tipicamente tra due elementi strutturali della struttura esistente. In dettaglio il primo ed il secondo elemento strutturale sono un pilastro ed una trave poggiata sul pilastro, oppure una trave ed un tegolo poggiato su detta trave.

Vantaggiosamente detto elemento di supporto è fissato a detto primo elemento strutturale mediante un dispositivo di supporto.

Detto dispositivo di supporto comprende una staffa di supporto avente una porzione di attacco ed una porzione a mensola.

La porzione di attacco è conformata per essere solidalmente connessa al primo elemento strutturale, mediante ad esempio idonea carpenteria metallica opportunamente dimensionata e progettata.

La staffa di supporto è inoltre conformata in modo da formare una mensola sulla quale viene alloggiato l’elemento di supporto ovvero la femmina del dispositivo di dissipazione in parziale affiancamento alla superficie di appoggio definita dal primo elemento strutturale preesistente. In tal modo, la porzione di appoggio ingrandisce l’area disponibile per predisporre l’elemento di supporto. La porzione di appoggio è sostanzialmente posta a filo rispetto alla superficie di testa del primo elemento strutturale, ad esempio la porzione di testa di un pilastro.

In particolare, detta staffa di supporto è conformata ad L. La porzione a mensola si estende ortogonalmente rispetto alla porzione di attacco.

In particolare, detto dispositivo di supporto comprende una porzione a camicia atta ad essere calzata almeno parzialmente attorno a detto primo elemento strutturale. In particolare, detta porzione a camicia è meccanicamente connessa a detta porzione di attacco. In tal modo, la porzione a camicia abbraccia l’elemento strutturale al fine di collegare stabilmente la porzione di attacco della staffa di supporto. In particolare, sono previste una prima ed una seconda porzione a camicia che abbracciano da parti opposte tra loro detto primo elemento strutturale, la prima e la seconda porzione a camicia essendo a loro vota connesse tra loro.

In una forma realizzativa preferita sono previste una prima ed una seconda staffa di supporto disposte da parti opposte tra loro rispetto a detto primo elemento strutturale.

In altre parole, la staffa di supporto prevede l’utilizzo di un cappello-capitello metallico in grado di avvolgere e proteggere la testa del pilastro installato esternamente ad esso ed unito meccanicamente con bulloni. L’elemento di appoggio superiore (maschio) viene invece tassellato meccanicamente alla trave esistente. Il cappello presenta su ciascun lato una mensola, ovvero la porzione di appoggio, sempre in acciaio (in una forma preferita una coppia di mensole) sulle quale è fissato invece l’elemento di supporto inferiore (femmina) del dispositivo.

In particolare, sono previste due staffe di supporto disposte da parti opposte tra loro rispetto all’estremità di testa di un pilastro. In tal modo, nel caso di un pilastro su cui poggiano due travi le porzioni di attacco delle staffe di supporto cingono il pilastro andando a creare una sorta di camicia di contenimento. In modo vantaggioso le due porzioni di attacco sono mutuamente accoppiabili e connesse tra loro intorno alla porzione di testa di detto pilastro in modo tale da abbracciarlo da parti opposte.

Vantaggiosamente detto elemento di appoggio è connesso a detto secondo elemento strutturale mediante una serie di bulloni di collegamento.

Tramite un sistema ausiliario temporaneo di sollevamento con martinetti si effettua il parziale sollevamento della trave che trasferisce così la reazione dall’appoggio esistente sulla testa del pilastro all’elemento di supporto posto sulla porzione di appoggio della staffa. Così facendo l’alloggiamento del dispositivo è quindi capace di accogliere lo scarico della trave sulla mensola fissata al pilastro.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione è descritto un metodo di dimensionamento di un dispositivo di dissipazione sismico comprendente le fasi di:

analizzare frequenza ed intensità degli eventi sismici nel sito nel quale è posta una struttura portante,

rilevare l’attrito esistente tra elementi sismo-resistenti di detta struttura portante,

individuare le forze inerziali orizzontali che si attivano all’interno della struttura portante andando a sollecitare detti elementi sismo-resistenti,

a seguito di detta fase di individuazione consistente nel determinare un valore di angolo di inclinazione di almeno una prima coppia di piani inclinati sovrapposti tra loro atto a contrastare dette forze inerziali,

predisporre un gruppo di interfaccia tra detto primo elemento strutturale e detto secondo elemento strutturale comprendente un elemento di supporto solidale al primo elemento strutturale e un elemento di appoggio solidale al secondo elemento strutturale, in cui l’elemento di appoggio è mutuamente accoppiato a diretto contatto con detto elemento di supporto e comprende una porzione di accoppiamento definita da detta almeno prima coppia di piani inclinati sovrapposti tra loro definiti da detto valore di angolo di inclinazione.

La progettazione del dispositivo è regolata da una serie di variabili di input primarie. L’energia sismica in ingresso che dipende dal sito e dalle caratteristiche territoriali, la massa in quota degli elementi strutturali sui quali è installato il dispositivo, la rigidezza del sistema strutturale esistente capace di fungere da filtro per l’energia in ingresso. Noti questi parametri si possono quindi dimensionare correttamente i dispositivi.

Descrizione delle figure dell’invenzione

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno meglio evidenziati dall’esame della seguente descrizione dettagliata di più forme di realizzazione preferite, ma non esclusiva, illustrate a titolo indicativo e non limitativo, col supporto dei disegni allegati, in cui: - la figura 1 mostra una vista prospettica di una struttura portante di un edificio dotata di un dispositivo di dissipazione secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra una vista prospettica ingrandita del dispositivo di dissipazione applicato alla struttura portante dell’edificio di figura 1;

- la figura 3 mostra in una vista prospettica la fase di accoppiamento tra un primo ed un secondo elemento strutturale tra i quali è interposto un gruppo di interfaccia del dispositivo di dissipazione di figura 2; - la figura 3A mostra in una vista prospettica l’avvenuto accoppiamento tra il primo ed il secondo elemento strutturale mediante il gruppo di interfaccia;

- la figura 4 mostra in una vista prospettica un elemento di appoggio che compone un gruppo di interfaccia del dispositivo di dissipazione secondo la presente invenzione; - la figura 5 mostra in una vista prospettica un elemento di supporto che compone il gruppo di interfaccia del dispositivo di dissipazione secondo la presente invenzione; - la figura 6 mostra in una vista in sezione il mutuo accoppiamento tra l’elemento di supporto di figura 4 e l’elemento di appoggio di figura 5;

- le figure 7, 7A e 7B mostrano in una vista in sezione le posizioni assunte dall’elemento di supporto e dall’elemento di appoggio durante le fasi di scorrimento reciproco;

- la figura 8 mostra in una vista prospettica esplosa un dispositivo di supporto conformato per montare solidalmente il gruppo di dissipazione tra un primo ed un secondo elemento strutturale;

- la figura 9 mostra in una vista prospettica assemblata il dispositivo di supporto di figura 8,

- la figura 10 mostra una vista in prospettiva della predisposizione del dispositivo di dissipazione tra una trave ed un tegolo di una struttura portante;

- la figura 11 mostra una vista ingrandita ed esplosa della figura 10 in corrispondenza che evidenzia la disposizione degli elementi di base e di appoggio del dispositivo di dissipazione.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Con riferimento alle figure 1 e 2, è mostrato un dispositivo di dissipazione 100 sismico comprendente un gruppo di interfaccia 10 atto ad essere interposto tra un primo elemento strutturale 210 ed un secondo elemento strutturale 220 di una struttura portante 200 di un edificio. In particolare, trattasi di un edificio esistente per il quale sono necessari interventi di miglioramento del proprio comportamento sismico.

Il dispositivo di dissipazione oggetto della presente invenzione è conformato pertanto in modo tala da essere predisposto come retrofit su un edificio esistente, senza eseguire opere di smontaggio dello stesso.

In particolare, come mostrato nelle figure 3 e 4 il gruppo di interfaccia 10 comprende a sua volta un elemento di supporto 20 solidale al primo elemento strutturale 210 e un elemento di appoggio 30 solidale al secondo elemento strutturale 220. Nelle figure di riferimento il primo elemento strutturale è un pilastro 210 della struttura portante mentre il secondo elemento strutturale 220 è una trave o una coppia di travi che poggia/no sulla testa del pilastro 210 (Fig.2).

In alternativa, come mostrato nelle figure 10 e 11 il dispositivo di dissipazione è predisposto tra una trave 220 ed un tegolo 230.

Sia l’elemento di supporto sia l’elemento di appoggio sono collegati meccanicamente ai rispettivi elementi strutturali in modo tale da risultare interposti e affacciati tra loro tra i due elementi strutturali. Successivamente è descritta una forma realizzativa preferita di collegamento.

In particolare, come meglio mostrato nelle figure 4 e 5 l’elemento di appoggio 30 è mutuamente accoppiato con l’elemento di supporto 20 in almeno una porzione di accoppiamento definita da rispettive porzioni 21,31 dell’elemento di supporto 20 e dell’elemento di appoggio 30 sovrapposte a contatto tra loro su un piano inclinato (Fig.6) che si estende in una direzione di scorrimento d1 (Fig.5), in modo tale da consentire uno scorrimento rigido del primo e secondo elemento strutturale 220 lungo la direzione di scorrimento d1 quando la struttura portante 200 è investita da un evento sismico (Fig. 7, 7A e 7B).

In particolare, la porzione di accoppiamento è definita da una coppia di piani inclinati 21 e 31 sovrapposti tra loro ricavati rispettivamente sull’elemento di supporto 20 e sull’elemento di appoggio 30.

In altre parole, il gruppo di interfaccia 10 secondo la presente invenzione include due principali elementi: l’elemento di supporto 20 e l’elemento di appoggio 30 che risultano a diretto contatto tra loro, senza dunque alcun elemento interposto. Lungo una prefissata direzione, ad esempio d1, le rispettive superfici dell’elemento di supporto 20 e dell’elemento di appoggio 30 sono conformate in modo tale da definire almeno una coppia di piani inclinati - o una successione di piani inclinati sovrapposti tra loro ovvero una coppia formata da un piano ascendente sull’elemento di supporto inferiore e discendente sull’elemento di appoggio superiore, visti da una medesima prospettiva.

Essendo l’elemento di appoggio 30 sovrapposto all’elemento di supporto 20 il contatto reciproco tra l’elemento di supporto 20 e l’elemento di appoggio 30 è dato dal peso proprio del secondo 220 elemento strutturale che poggia sul primo elemento strutturale 210.

Lo scorrimento relativo dei due elementi strutturali 220 e 210 per mezzo del gruppo di interfaccia 10 interposto tra questi consente di ottenere in corrispondenza dei piani inclinati una dissipazione dell’energia da parte della struttura portante 200 dell’edificio quando investita da un sisma. La dissipazione di energia è funzione dell’angolo di inclinazione α1, α2 dei rispettivi piani inclinati 21, 22, 31, 32 e della scabrezza delle relative superfici a contatto strisciante tra loro.

Naturalmente la struttura portante 200 dell’edificio è predisposta con una serie di dispositivi di dissipazione 100 interposti in corrispondenza di relativi elementi strutturali che definiscono gli elementi sismo resistenti della struttura portante stessa. La disposizione ed il posizionamento sarà funzione della tipologia di edificio e delle condizioni al contorno che caratterizzano la zona su cui è costruito l’edificio.

In una forma realizzativa preferita, la porzione di accoppiamento comprende inoltre una coppia di porzioni di appoggio piane 25,35 che si estendono per un determinato tratto lungo la direzione di scorrimento d1 e sono adiacenti alla coppia di piani inclinati 21,31.

Le porzioni di appoggio piane 25,35 sono poste alla base della coppia di piani inclinati 21,31. Le porzioni di appoggio piane 25,35 costituiscono almeno in parte la superficie di appoggio statica del secondo elemento strutturale 220 sul primo elemento strutturale 210 in condizioni normali. In caso di sisma, il movimento relativo del secondo elemento strutturale 220 rispetto al primo elemento strutturale 210 determina uno scorrimento iniziale sulle porzioni di appoggio piane 25,35 e successivamente sulle porzioni a piano inclinato 21,31 dove avviene uno scorrimento contrastato e quindi una dissipazione di energia.

In particolare, la porzione di accoppiamento comprende una prima coppia di piani inclinati 21,31 ed una seconda coppia di piani inclinati 21’,31’ speculari tra loro che si estendono lungo una prima direzione d1 (Figure 4 e 5).

La prima coppia di piani inclinati 21,31 e la seconda coppia di piani inclinati 21’,31’ sono distanziate tra loro dalle porzioni di appoggio piane 25,35. In tal modo, tra le due coppie di piani inclinati sono interposte le porzioni di appoggio piane 25,35. Le due coppie di piani inclinati definiscono un accoppiamento maschio femmina, a forma di culla lungo la direzione di scorrimento d1.

In una forma realizzativa preferita, la porzione di accoppiamento comprende una terza coppia di piani inclinati 23,33 ed una quarta coppia di piani inclinati 23’,33’ speculari tra loro che si estendono in una seconda direzione di scorrimento d2 sostanzialmente ortogonale alla prima direzione di scorrimento d1. La terza e la quarta coppia di piani inclinati sono distanziati tra loro dalla coppia di porzioni di appoggio piane 25,35 posta nella posizione centrale. Anche in tal caso, le due coppie di piani inclinati, terza e quarta, definiscono un accoppiamento maschio femmina, a forma di culla lungo la direzione di scorrimento d2.

Una siffatta conformazione dell’elemento di supporto e del corrispettivo elemento di appoggio consente un funzionamento bi-direzionale del gruppo di interfaccia 10, ovvero consente lo scorrimento rigido del primo e del secondo elemento strutturale 220 secondo le due direzioni d1 e d2 ortogonali tra loro.

Ancora in una forma realizzativa preferita, ciascun piano inclinato di una coppia comprende un primo tratto di estensione E1,E1’ che si sviluppa lungo la direzione di scorrimento d1 definito da un primo angolo di inclinazione α1 rispetto ad un piano di riferimento P, ovvero un piano orizzontale.

In modo vantaggioso, ciascun piano inclinato della coppia comprende un secondo tratto di estensione E2,E2’ contiguo al primo tratto di estensione E1,E1’. Il secondo tratto di estensione E2 è definito da un secondo angolo di inclinazione. α2.

Il secondo angolo di inclinazione α2 è maggiore rispetto al primo angolo di inclinazione α1. In tal modo, ciascuna coppia di piani inclinati è definita da tratti con pendenza differenziata incrementale. Il primo angolo d’inclinazione con pendenza minore entra in gioco nel caso di terremoti frequenti a medio-bassa intensità. Il secondo angolo, con pendenza maggiore, entra in gioco nel caso di terremoti ad alte intensità. La variazione di pendenza consente di ottenere un contrasto man mano maggiore più elevato risulta lo scorrimento reciproco tra i due elementi strutturali.

In sostanza, per ogni coppia di superfici di interfaccia in cui l’angolo resta costante la forza orizzontale di richiamo resta costante. Questo consente di evitare un sovraccarico sulla struttura portante, ed in particolare sul pilastro su cui appoggia la trave, consentendo di definire un limite e controllare la forza orizzontale che si scarica sul pilastro e quindi non andare mai oltre la forza limite di cedimento del pilastro stesso. Nei sistemi di tecnica nota invece, la forza orizzontale di richiamo continua ad aumentare man mano che cresce lo scorrimento. Quindi anche la forza orizzontale che si scarica sul pilastro non è costante durante lo scorrimento ma crescente.

I primi tratti di estensione E1,E1’ di una rispettiva coppia di piani inclinati 21,31 hanno differente lunghezza come mostrato in figura 6. In particolare, il primo tratto di estensione E1’ dell’elemento di appoggio 30 ha lunghezza inferiore rispetto al primo tratto di estensione E1 dell’elemento di supporto 20. In tal modo la differenza di lunghezza consente uno scorrimento completo lungo il primo tratto inclinato prima di passare eventualmente sul secondo tratto. La differenza di lunghezza, circa 50 mm, consente pertanto di mantenere il contatto diretto delle superfici dei rispettivi piani inclinati sfruttando tutta la corsa di scorrimento, definita sull’elemento di base. In aggiunta, tale differenza crea un invito per il passaggio di contatto che avviene tra i primi tratti di scorrimento ed i secondi tratti di scorrimento. Questa differenza di lunghezza determina in altre parole un passaggio progressivo e controllato dello scorrimento sui tratti contigui tra loro dei piani inclinati con differente pendenza (Figure 7A e 7B).

Costruttivamente le superfici dei piani inclinati sono realizzate in funzione dei parametri propri della struttura portante dell’edificio. In termini generali il coefficiente di attrito è compreso tra 0.01 e 0.40, preferibilmente tra 0.02 e o.20, in particolare tra 0.04 e 0.12.

Vantaggiosamente le superfici del primo tratto di estensione E1 possono avere un valore di scabrezza differente dalle superficie del secondo tratto di estensione E2.

Preferibilmente detto primo angolo di inclinazione è compreso tra 1° e 45°, preferibilmente tra 2° e 15°, in particolare tra è compreso 4° e 12°.

In una forma realizzativa preferita, la porzione di accoppiamento è definita da un accoppiamento tronco-piramidale a base quadrata o rettangolare tra l’elemento di supporto 20 e l’elemento di appoggio 30. L’accoppiamento di forma tra due superfici tronco-piramidali maschio-femmina comprende quattro coppie di piani inclinati principali 21,31, 21’31’, 23,33 e 23’,33’ sovrapposte definite sui rispettivi lati.

Inoltre, la conformazione dell’accoppiamento tronco-piramidale è realizzata per ciascuna coppia di piani inclinati con la suddetta variazione di pendenza.

La forma troncopiramidale del gruppo di interfaccia 10 risulta particolarmente vantaggiosa in quanto individua una forza di richiamo (ricentraggio) che si genera dal movimento casuale relativo dei due elementi strutturali appoggiati tra loro. Fisicamente si assiste quindi allo scorrimento relativo su una delle coppie di piani inclinati sovrapposti.

Con riferimento alle figure 8 e 9 è previsto inoltre un dispositivo di supporto che comprende almeno una staffa di supporto 50 dotata di una porzione di attacco 51 ed una porzione a mensola 52.

La porzione di attacco 51 è conformata per essere solidalmente connessa al primo elemento strutturale 210, mediante ad esempio idonea carpenteria metallica opportunamente dimensionata e progettata.

La porzione 52 è conformata in modo da formare una mensola sulla quale viene alloggiato l’elemento di supporto 20, ovvero la femmina del dispositivo di dissipazione 100 in parziale affiancamento alla superficie di appoggio definita dal primo elemento strutturale 210 preesistente.

In particolare, la staffa di supporto 50 è conformata ad L. La porzione a mensola 52 si estende ortogonalmente rispetto alla porzione di attacco 51.

Costruttivamente l’elemento di supporto 20 comprende un piatto 26 che viene solidalmente connesso alla porzione a mensola 52 mediante viti di fissaggio. IL piatto è dotato di fori di fissaggio 27 (fig.5). In tal modo, la porzione a mensola ingrandisce l’area disponibile per predisporre l’elemento di supporto 20. La porzione a mensola 52 è sostanzialmente posta a filo rispetto alla superficie del primo elemento strutturale 210, ad esempio la porzione di testa di un pilastro 210. In realtà è leggermente più bassa della testa del pilastro in modo tale da tener conto dell’ingombro del dispositivo di dissipazione, che va messo sopra, e ha un certo spessore.

In particolare, il dispositivo di supporto comprende una porzione a camicia 55,55’ atta ad essere calzata almeno parzialmente attorno al primo elemento strutturale 210. In particolare, la porzione a camicia 55,55’ è meccanicamente connessa alla porzione di attacco 51. In tal modo, la porzione a camicia 55,55’ abbraccia l’elemento strutturale, in particolare il pilastro 210. al fine di collegare stabilmente la porzione di attacco 51 della staffa di supporto 50.

In particolare, sono previste una prima 55 ed una seconda 55’ porzione a camicia che abbracciano da parti opposte tra loro il primo elemento strutturale 210. La prima 55 e la seconda 55’ porzione a camicia sono a loro vota connesse tra loro. In tal modo il pilastro 210 è abbracciato perimetralmente dalle due porzioni a camicia 55,55’.

In una forma realizzativa preferita sono previste una prima ed una seconda staffa di supporto 50 disposte da parti opposte tra loro rispetto al primo elemento strutturale 210.

In altre parole, la staffa di supporto 50 prevede l’utilizzo di un cappello-capitello metallico in grado di avvolgere e proteggere la testa del pilastro 210 installato esternamente ad esso ed unito meccanicamente con bulloni. L’elemento di appoggio 30 superiore (maschio) viene invece tassellato meccanicamente alla trave esistente. Per questo preferibilmente l’elemento di appoggio comprende una conformazione ad U che definisce uno spazio di attacco 36. Entro lo spazio di attacco 36 sono inoltre ricavate nervature di rinforzo 38. (Fig.4). Allo stesso modo sono previste nervature di rinforzo 28 poste tra l’elemento di supporto 20 e la propria base di appoggio 26 (fig.5).

Le porzioni a camicia formano un cappello che, con le staffe di supporto laterali 50, 50’ presenta su ciascun lato una rispettiva porzione a mensola 52,52’. Il dispositivo di supporto è realizzato in materiale metallico, ad esempio in acciaio.

Nel caso di installazione del dispositivo di dissipazione 100 tra un pilastro ed una trave, le fasi di installazione prevedono, tramite un sistema ausiliario temporaneo di sollevamento con martinetti, di effettuare il parziale sollevamento della trave 220 che trasferisce così la reazione dall’appoggio esistente sulla testa del pilastro 210 all’elemento di supporto 20 posto sulla porzione a mensola 52 della staffa 50. Così facendo l’alloggiamento del dispositivo è quindi capace di accogliere lo scarico della trave sulla mensola 52 fissata al pilastro.

Il dimensionamento degli angoli e dei valori di rugosità del dispositivo di dissipazione 100 secondo la presente invenzione comprende le fasi di:

analizzare frequenza ed intensità degli eventi sismici nel sito nel quale è posta una struttura portante 200, rilevare l’attrito esistente tra elementi sismo-resistenti della struttura portante 200,

individuare le forze inerziali orizzontali che si attivano all’interno della struttura portante 200 andando a sollecitare gli elementi sismo-resistenti,

a seguito della fase di individuazione, determinare un valore di angolo di inclinazione di almeno una prima coppia di piani inclinati 21,31 sovrapposti tra loro atto a contrastare le forze inerziali,

predisporre un gruppo di interfaccia 10 tra il primo elemento strutturale 210 e il secondo elemento strutturale 220 comprendente un elemento di supporto 20 solidale al primo elemento strutturale 210 e un elemento di appoggio 30 solidale al secondo elemento strutturale 220, in cui l’elemento di appoggio 30 è mutuamente accoppiato a diretto contatto con l’elemento di supporto 20 e comprende una porzione di accoppiamento definita da una coppia di piani inclinati 21,31 sovrapposti tra loro definiti da detto valore di angolo di inclinazione.

Il dispositivo di dissipazione sopradescritto viene installato su una struttura esistente per controllare e gestire attrito e movimenti relativi che si creano tra pilastro e trave o eventualmente tra trave e tegolo durante un sisma.

In un esempio pratico, se prendiamo come riferimento un capannone industriale questo durante un sisma può collassare principalmente per due motivi: le travi scivolano giù dai pilastri (o i tegoli giù dalle travi) perché sono troppo poco appoggiate o perché scorrono/scivolano. Oppure nel caso opposto le travi non scivolano, perché sono solidalmente bloccate al pilastro; in tal caso andranno a cedere i pilastri alla base perché troppo caricati orizzontalmente.

Inserendo il dispositivo di dissipazione secondo la presente invenzione opportunamente progettato per ciascun edificio esistente, è possibile controllare allo stesso tempo sia le forze che si andranno a scaricare orizzontalmente sui pilastri sia gli scorrimenti massimi delle travi o dei tegoli. Il giusto compromesso è ottenibile definendo opportunamente gli angoli e il coefficiente di attrito.

Più l’angolo è basso e più elevati sono gli scorrimenti e di conseguenza più basse sono le forze orizzontali sui pilastri. Quanto sopra per meglio evidenziare che i dispositivi secondo la tecnica nota non sono adatti ad essere predisposti come retrofit su un a struttura portante esistente. Infatti, quando normalmente viene installato un dispositivo tipo friction pendulum i parametri di funzionamento dello stesso sono definiti in fase di progetto della struttura portante stessa. Quindi anche la struttura portante è progettata per resistere alle forze che si generano in presenza del dispositivo.

La descrizione di cui sopra di una o più forme realizzative specifiche è in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni le forme realizzative senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo per questo non limitativo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di dissipazione (100) sismico di una struttura portante (200) di un edificio comprendente: un dispositivo di dissipazione (100) sismico comprendente un gruppo di interfaccia (10) atto ad essere interposto tra un primo elemento strutturale (210) ed un secondo elemento strutturale (220) di una struttura portante (200) di un edificio, in cui il gruppo di interfaccia (10) comprende: un elemento di supporto (20) predisposto sul primo elemento strutturale (210); un elemento di appoggio (30) predisposto sul secondo elemento strutturale (220); in cui l’elemento di appoggio (30) è mutuamente accoppiato con detto elemento di supporto (20) in almeno una porzione di accoppiamento definita da rispettive porzioni (21,31) di detto elemento di supporto (20) e di detto elemento di appoggio (30) sovrapposte a contatto tra loro su un tratto a piano inclinato che si estende in una direzione di scorrimento, in modo tale da consentire uno scorrimento rigido di detto primo (210) e secondo elemento strutturale (220) lungo detta direzione di scorrimento quando detta struttura portante (200) è investita da un evento sismico. 2. Dispositivo di dissipazione (100) secondo la rivendicazione (1), in cui detta porzione di accoppiamento è definita da una coppia di piani inclinati (21,31) sovrapposti tra loro ricavati rispettivamente su detto elemento di supporto (20) e su detto elemento di appoggio (30). 3. Dispositivo di dissipazione (100) secondo la rivendicazione (1), in cui il primo (210) e il secondo elemento strutturale (220) sono elementi che compongono la sovrastruttura della struttura portante (200) dell’edificio, ed in cui l’elemento di appoggio (30) è sovrapposto all’elemento di supporto (20), in particolare il primo (210) e il secondo elemento strutturale (220) sono scelti tra: un pilastro (210) ed una trave (220) poggiata sul pilastro, oppure una trave (220) ed un tegolo (230) poggiato su detta trave (210). 4. Dispositivo di dissipazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun piano inclinato di detta coppia è definito da un primo tratto di estensione (E1) lungo la prima direzione di scorrimento (d1), detto primo tratto di estensione (E1) avendo un primo angolo di inclinazione (α1) rispetto ad un piano di riferimento. 5. Dispositivo di dissipazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun piano inclinato di detta coppia comprende un secondo tratto di estensione (E2) contiguo a detto primo tratto di estensione (E1), detto secondo tratto di estensione (E2) essendo definito da un secondo angolo di inclinazione (α2), in cui detto secondo angolo di inclinazione è maggiore rispetto a detto primo angolo di inclinazione (α1) rispetto a detto piano di riferimento. 6. Dispositivo di dissipazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le superfici di detti piani inclinati sono definite da un coefficiente di attrito compreso tra 0.01, 0.40, preferibilmente tra 0.02 e 0.20, in particolare tra 0.04, 0.12. 7. Dispositivo di dissipazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta porzione di accoppiamento comprende inoltre una coppia di porzioni di appoggio piane (25,35) che si estendono per un determinato tratto lungo detta direzione di scorrimento (d1), in particolare detta coppia di porzioni di appoggio piane (25,35) essendo contigua alla coppia di piani inclinati (21,31). 8. Dispositivo di dissipazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta porzione di accoppiamento comprende detta prima coppia di piani inclinati (21,31) ed una seconda coppia di piani inclinati (21’,31’) (21,31), speculari tra loro che si estendono lungo detta prima direzione. 9. Dispositivo di dissipazione (100) secondo la rivendicazione (7), in cui detta porzione di accoppiamento comprende una terza coppia di piani inclinati (23,33) ed una quarta coppia di piani inclinati (23’,33’) speculari tra loro che si estendono in una seconda direzione di scorrimento sostanzialmente ortogonale a detta prima direzione di scorrimento. 10. Dispositivo di dissipazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta porzione di accoppiamento è definita da un accoppiamento troncopiramidale a base quadrata tra detto elemento di supporto (20) e detto elemento di appoggio (30). 11. Dispositivo di dissipazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento di supporto (20) comprende una staffa di supporto (50) atta ad essere predisposta su detto primo elemento strutturale (210), detta staffa di supporto (50) comprendendo a sua volta una porzione di appoggio conformata per alloggiare almeno parzialmente detto elemento di supporto (20) e una porzione di attacco (51) conformata per essere solidalmente connessa al primo elemento strutturale (210), in particolare detta porzione di appoggio si estende a sbalzo rispetto a detto primo elemento strutturale (210) e detta porzione di attacco (51) comprende una porzione a camicia atta ad essere calzata almeno parzialmente attorno a detto primo elemento strutturale (210), in particolare sono previste una prima ed una seconda staffa di supporto (50) disposte da parti opposte tra loro rispetto a detto primo elemento strutturale (210).
2. Un metodo di dimensionamento di un dispositivo di dissipazione (100) sismico comprendente le fasi consistenti nel: analizzare frequenza ed intensità degli eventi sismici nel sito nel quale è posta una struttura portante (200), rilevare l’attrito esistente tra elementi sismoresistenti di detta struttura portante (200), individuare le forze inerziali orizzontali che si attivano all’interno della struttura portante (200) andando a sollecitare detti elementi sismo-resistenti, a seguito di detta fase di individuare, determinare un valore di angolo di inclinazione di almeno una prima coppia di piani inclinati (21,31) sovrapposti tra loro atto a contrastare dette forze inerziali, predisporre un gruppo di interfaccia (10) tra detto primo elemento strutturale (210) ed detto secondo elemento strutturale (220) comprendente un elemento di supporto (20) solidale al primo elemento strutturale (210) e un elemento di appoggio (30) solidale al secondo elemento strutturale (220), in cui l’elemento di appoggio (30) è mutuamente accoppiato a diretto contatto con detto elemento di supporto (20) e comprende una porzione di accoppiamento definita da detta almeno prima coppia di piani inclinati (21),(31) sovrapposti tra loro definiti da detto valore di angolo di inclinazione.