IT202100010421A1 - "LE.A.D." STRUCTURAL ANTISEISMIC SYSTEM (ANTI-SEISMIC DISSIPATIVE BINDINGS) WITH ENERGY DISSIPATION WITH PRE-TENSIONED STEEL BRACES CONNECTED TO AN ELASTOMERIC HEAT SINK WITH FRICTION BRAKE - Google Patents
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Classifications
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
- E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
- E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
- E04H9/021—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
- E04H9/0237—Structural braces with damping devices
Description
2) ? DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE AVENTE PER TITOLO: 2) ? DESCRIPTION OF THE INVENTION WITH THE TITLE:
"(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)?
Dispositivo meccanico per il controllo delle sollecitazioni sismiche trasmesse alle strutture, attraverso la limitazione degli spostamenti indotti, la dissipazione delle energie attivate ed il filtraggio delle frequenze dannose in gioco. Mechanical device for the control of the seismic stresses transmitted to the structures, through the limitation of the induced displacements, the dissipation of the activated energies and the filtering of the harmful frequencies involved.
a) Campo di impiego della tecnica a cui l?invenzione fa riferimento a) Field of use of the technique to which the invention refers
Il campo di impiego della tecnica a cui l'invenzione fa riferimento ? l'edilizia antisismica ed in particolare gli interventi di miglioramento/adeguamento di edifici di opere civili ed industriali in zona sismica ottenuti tramite la messa in opera di specifici dispositivi antisismici. The field of use of the technique to which the invention refers? anti-seismic construction and in particular the improvement/adaptation of buildings of civil and industrial works in seismic areas obtained through the installation of specific anti-seismic devices.
Detti interventi generalmente consistono nel dotare gli edifici e le opere civili ed industriali di opportuni elementi strutturali sismo resistenti, meglio noti come dissipatori antisismici, tra cui si colloca a pieno titolo il dispositivo ideato, che sono costituiti da controventi metallici opportunamente ancorati alle strutture portanti tramite dissipatori di vario genere, in modo da assorbire le forze orizzontali prodotte dal sisma. Said interventions generally consist in equipping the buildings and civil and industrial works with suitable earthquake-resistant structural elements, better known as anti-seismic dissipators, among which the devised device is rightfully placed, which are made up of metal braces suitably anchored to the load-bearing structures by dissipators of various kinds, in order to absorb the horizontal forces produced by the earthquake.
Nello specifico il dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? prevede una collocazione nelle maglie strutturali degli edifici o delle opere civili ed industriali, come rappresentato in Fig. 20, Fig.21, Fig. 22, Fig. 23. Specifically, the device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)? provides for a location in the structural mesh of buildings or civil and industrial works, as represented in Fig. 20, Fig.21, Fig. 22, Fig. 23.
L'invenzione proposta permette di realizzare su un qualsiasi edificio e /o opera civile e/o industriale, in modo agevole e rapido, controventi dissipativi in trazione. The proposed invention makes it possible to easily and rapidly construct dissipative traction braces on any building and/or civil and/or industrial work.
Il sistema denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)?, permette di intervenire in situazioni nelle quali le luci in gioco sono notevoli, e richiede necessariamente, una configurazione a croce o a vu rovesciata, Fig. 20, Fig.21, Fig.22, Fig.23, infatti i dispositivi si alterneranno, nell?assorbire le oscillazioni in un verso e nel suo opposto, sempre in opposizione di fase rispetto agli spostamenti sismici indotti. The system called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)?, allows to intervene in situations in which the spans involved are considerable, and necessarily requires a cross or inverted vu configuration, Fig. 20, Fig.21, Fig. 22, Fig.23, in fact the devices will alternate, in absorbing the oscillations in one direction and in its opposite, always in phase opposition with respect to the induced seismic displacements.
Richiede l?adozione di tiranti con elevata costante elastica in acciaio o altri materiali, che permettono un contenimento degli ingombri delle controventature a vantaggio degli aspetti estetico e -funzionali dell?intervento. It requires the use of tie rods with a high elastic constant in steel or other materials, which allow a containment of the dimensions of the bracings to the advantage of the aesthetic and functional aspects of the intervention.
b) Stato dell?arte b) State of the art
Nell?edilizia tradizionale gli interventi attualmente in uso per rendere le opere civili e/o industriali pi? idonee ad assorbire le azioni sismiche, richiedono pesanti ed invasivi interventi di tipo strutturale, che consistono nell?incamiciatura di travi e pilastri con elementi in acciaio di fibra di carbonio o di Cemento Armato. In traditional building, the interventions currently in use to make civil and/or industrial works more? suitable for absorbing seismic actions, they require heavy and invasive structural interventions, which consist in the cladding of beams and pillars with steel, carbon fiber or reinforced concrete elements.
Nelle strutture portanti in muratura si opera con betoncini armati, iniezioni di resine, incatenamenti, o rafforzando le pareti portanti con sistemi alternativi tipo CAM. In the load-bearing masonry structures we work with reinforced grouts, injections of resins, chaining, or by strengthening the load-bearing walls with alternative systems such as CAM.
Tali interventi necessitano della messa a nudo delle strutture portanti, con la demolizione quasi totale delle opere di finitura che rappresentano all?incirca il 70% del valore dell?opera stessa. These interventions require the stripping of the load-bearing structures, with the almost total demolition of the finishing works which represent approximately 70% of the value of the work itself.
Gli interventi tradizionali non consentono il filtraggio delle frequenze trasmesse ai fabbricati, e si limitano a proporre soluzioni esclusivamente basate sull?aumento della consistenza strutturale dei singoli elementi. Traditional interventions do not allow for the filtering of the frequencies transmitted to the buildings, and limit themselves to proposing solutions exclusively based on increasing the structural consistency of the single elements.
Dispositivi gi? presenti sul mercato, che affrontano il problema del miglioramento e dell?adeguamento sismico in maniera pi? mirata ed attuale sono i ?dissipatori antisismici?, tra i quali, il dispositivo ideato, con le sue peculiarit? ed originalit? consistente nella natura ibrida elastoattritiva, pu? essere collocato a pieno titolo. Devices already? present on the market, which address the problem of improvement and of? seismic adaptation in a more? targeted and current are the ?anti-seismic dissipators?, among which, the devised device, with its peculiarities? and originality? consisting in the hybrid elastoattritiva nature, pu? be placed in its own right.
I dispositivi che rappresentano allo stato attuale lo stato dell?arte sono cos? riassumibili: The devices that currently represent the state of the art are so? summarized:
Dissipatori a fluido viscoso sono costituiti da un pistone in acciaio inossidabile, all?interno di un cilindro a tenuta stagna, pieno di un fluido altamente viscoso (ad esempio olii siliconici). Viscous fluid heat sinks consist of a stainless steel piston, inside a sealed cylinder, filled with a highly viscous fluid (e.g. silicone oils).
I dissipatori ad attrito (o frizione), sono costituiti da due corpi soliti che scorrono l?uno sull?altro con un attrito che permette di ??frenare?? gli spostamenti della struttura. The friction dissipators (or friction), consist of two solid bodies that slide one on the other with a friction that allows you to ??brake?? the movements of the structure.
Gli smorzatori visco-elastici, sono formati da una struttura caratterizzata da piatti in acciaio inossidabile a cui si contrappongono degli strati di materiale viscoelastico (essenzialmente di tipo polimerico). I movimenti relativi dei piatti in acciaio inox producono una deformazione da taglio sul materiale visco-elastico con conseguente dissipazione di energia. Visco-elastic dampers are formed by a structure characterized by stainless steel plates which are opposed by layers of viscoelastic material (essentially of a polymeric type). The relative movements of the stainless steel plates produce a shear deformation on the visco-elastic material with consequent energy dissipation.
I dissipatori isteretici, sono costituiti da materiali, che svolgono la propria funzione antisismica subendo, quando sottoposti a cicli di compressione e/o trazione, un deterioramento della propria struttura interna, generando curve di isteresi e quindi dissipazione energetica. Hysteretic dissipators are made up of materials which perform their anti-seismic function by undergoing, when subjected to compression and/or traction cycles, a deterioration of their internal structure, generating hysteresis curves and therefore energy dissipation.
Tali dissipatori gi? presenti sul mercato, non sono esenti a loro volta da problematiche, esercitano la loro azione, infatti, assorbendo le spinte indotte dalle sollecitazioni sismiche, sia in trazione che in compressione. These heatsinks already? present on the market, are in turn not exempt from problems, they exert their action, in fact, by absorbing the thrusts induced by seismic stresses, both in traction and in compression.
Questo induce negli elementi di controvento problemi di instabilit? a carico di punta, risolvibili con sezioni di notevole grandezza che producono di conseguenza notevoli ingombri e rilevante invasivit? estetica e funzionale. Does this induce instability problems in the bracing elements? at peak load, which can be solved with sections of considerable size which consequently produce considerable dimensions and relevant invasiveness? aesthetic and functional.
Sono applicabili di conseguenza solo su luci di ridotta dimensione, dimostrandosi molto appariscenti, invasivi ed antiestetici, nonch? poco economici. Consequently, they are applicable only on small-sized lights, proving to be very showy, invasive and unsightly, as well as? not cheap.
Si possono applicare quindi solo su un numero limitato di opere e dove le forme architettoniche lo consentono. They can therefore only be applied to a limited number of works and where the architectural forms allow it.
c) Problemi tecnici risolti dal dispositivo ideato c) Technical problems solved by the devised device
Il dispositivo che si propone consente notevoli benefici ed avanzamenti allo stato dell?arte, che possono essere cos? riassunti: The proposed device allows notable benefits and advances in the state of the art, which can be so? summarized:
a) ? di facile e veloce installazione, non richiede quindi necessariamente la demolizione delle finiture, pu? essere infatti applicato all?interno di setti murari ad intercapedine, tra le pilastrate, ed in ogni configurazione utile, riducendo al massimo l?invasivit? e di conseguenza l?onerosit? dell?intervento. to) ? quick and easy to install, therefore does not necessarily require the demolition of the finishes, can? be in fact applied inside wall partitions to cavity, between the pillars, and in every useful configuration, reducing to the maximum the invasiveness? and consequently the? burdensomeness? of the intervention.
b) Esercita la propria azione solo in configurazione di trazione, pertanto, l?affidare la propria azione di controvento a componenti che esplicano tale azione solo in trazione e non anche in compressione, elimina il problema dell?instabilit? a carico di punta, consente quindi di raggiungere ragguardevoli luci, diminuendo gli ingombri e quindi l?invasivit? degli interventi. b) It exerts its action only in traction configuration, therefore, entrusting its bracing action to components that perform this action only in traction and not also in compression, eliminates the problem of instability? at peak load, therefore allows you to reach considerable lights, decreasing the overall dimensions and therefore the invasiveness? of the interventions.
c) L'invenzione esplica la sua funzione dissipativa dell'energia sismica, attraverso l?adozione di un sistema frenante ad attrito metallo-metallo.efficace, economico, e di facile realizzazione industriale. c) The invention performs its dissipative function of seismic energy, through the adoption of a metal-to-metal friction braking system. Effective, economical, and easy to implement on an industrial scale.
d) Il dispositivo ideato, istallato, e collegato alla struttura mediante tiranti in acciaio o di altro materiale ad alta resistenza su organismi murari preesistenti (edifici in muratura, in calcestruzzo armato oppure strutture metalliche intelaiate), permette, in una grande variet? di possibili soluzioni, di conferire all'organismo strutturale, un accentuato carattere dissipativo, un notevole incremento di resistenza a forze di tipo sismico. d) The device designed, installed, and connected to the structure by means of tie rods in steel or other high-strength material on pre-existing masonry structures (buildings in masonry, reinforced concrete or framed metal structures), allows, in a large variety of possible solutions, to give the structural body an accentuated dissipative character, a significant increase in resistance to seismic forces.
Forze, sollecitazioni e spostamenti, definitivamente poste sotto controllo attraverso un sistema affidabile, strutturato e scientificamente studiato. Forces, solicitations and displacements, definitively placed under control through a reliable, structured and scientifically studied system.
e) Il dispositivo consente, opportunamente collocato, di correggere errori progettuali dovuti a disaccoppiamenti tra baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze. e) The device allows, when suitably positioned, to correct design errors due to mismatches between the center of gravity of the masses and the center of gravity of the stiffnesses.
f) Il dispositivo, consente inoltre il filtraggio delle frequenze sismiche pi? dannose. d) Descrizione breve degli elaborati grafici f) The device also allows the filtering of seismic frequencies more? harmful. d) Brief description of the graphic works
Pi? nel dettaglio, come espresso dagli allegati grafici, il dispositivo, formato da una parte fissa ancorata con apposite staffe agli elementi strutturali dell?edificio, Fig. 2 elemento 46 e da una parte mobile. Fig. 1 parti in movimento, collegata alla testa di tesatura di un tirante Fig.2 elemento 6 e indirizzata nello scorrimento da apposite guide Fig. 2 elementi 8 Le parti fisse sono indicate in verde, le parti mobili in rosso. Pi? in detail, as expressed by the graphic annexes, the device, formed by a fixed part anchored with special brackets to the structural elements of the building, Fig. 2 element 46, and by a mobile part. Fig. 1 moving parts, connected to the tensioning head of a tie rod Fig.2 element 6 and directed in sliding by special guides Fig. 2 elements 8 The fixed parts are indicated in green, the moving parts in red.
Il dispositivo assume tre posizioni di base: The device assumes three basic positions:
a) Configurazione scarica, Fig.1A, posizione - 5 cm, nella quale ogni parte ? priva di sollecitazioni. Questa configurazione si raggiunge quando a seguito dell?azione del sisma viene attivato il secondo dispositivo installato sull?altra diagonale dei controventi, caricandolo, e di conseguenza scaricando il dispositivo in controfase. a) Unloaded configuration, Fig.1A, position - 5 cm, in which each part ? stress-free. This configuration is reached when, following the action of the earthquake, the second device installed on the other diagonal of the braces is activated, loading it and consequently discharging the device in push-pull.
b) Configurazione di precarico Fig. 1B posizione 0.00 cm in cui ? sollecitata solamente la molla metallica Fig. 4 elemento 36 con la funzione di mantenere costantemente in trazione il tirante. Tale molla ? compressa attraverso il tiraggio del tirante, serrato tramite appositi arridatoi. Questa ? la posizione di installazione del dispositivo. b) Preload configuration Fig. 1B position 0.00 cm where ? only the metal spring Fig. 4 element 36 is stressed with the function of keeping the tie rod constantly in traction. This spring? compressed through the draft of the tie rod, tightened by means of special turnbuckles. This ? the installation location of the device.
c) Configurazione di carico Fig. 1C posizione 5 cm posizione di massima compressione degli elastomeri a seguito delle sollecitazioni sismiche. Compressione attivata dal carrello secondario trascinato dalla trazione del tirante sulla piastra di spinta principale che a sua volta mette in compressione gli elastomeri. c) Load configuration Fig. 1C position 5 cm position of maximum compression of the elastomers following seismic stresses. Compression activated by the secondary carriage pulled by the traction of the tie rod on the main thrust plate which in turn puts the elastomers in compression.
Il fulcro, di attacco del dispositivo Fig.2 elemento 46 ? posizionato in modo tale da generare nella tesa un equilibrio di tipo stabile. The fulcrum, attachment of the device Fig.2 element 46 ? positioned in such a way as to generate a stable balance in the brim.
L?azione del pretensionamento del tirante ? totalmente svincolata dalla precompressione delle cartucce di elastomero, in modo da consentire azioni di pretensione compatibili con le sollecitazioni trasferibili agli elementi strutturali. The action of the pretension of the tie rod ? totally released from the prestressing of the elastomer cartridges, so as to allow pretensioning actions compatible with the stresses transferable to the structural elements.
Tale azione viene affidata ad una molla metallica compressa posizionata in posizione centrale rispetto alle cartucce di elastomero. Fig. 4 elemento 36. This action is entrusted to a compressed metal spring positioned in a central position with respect to the elastomer cartridges. Fig. 4 element 36.
Si evidenzia che l?azione frenante del dumping ? svincolata da questo elemento elastico, ed ? agganciata esclusivamente alle cartucce di elastomero. Fig. 2 elemento 17, questo ha richiesto l?ideazione di due piastre di scorrimento una piastra posteriore Fig2 elemento 2 con la sola funzione di comprimere la molla in acciaio di precarico, ed una piastra principale Fig. 2 elemento 3 collegata al dispositivo frenante con la funzione di compressione degli elastomeri a seguito dell?azione del sisma. Le due piastre sono separate da un ammortizzatore Puffer Fig.2 elemento 13. It should be noted that the braking action of dumping ? released from this elastic element, and ? hooked exclusively to the elastomer cartridges. Fig. 2 element 17, this required the design of two sliding plates, a rear plate Fig2 element 2 with the sole function of compressing the preload steel spring, and a main plate Fig. 2 element 3 connected to the braking device with the compression function of the elastomers following the action of the earthquake. The two plates are separated by a Puffer shock absorber Fig.2 element 13.
L?azione di richiamo della molla metallica, non sarebbe infatti sufficiente a garantire il ritorno del freno, ritorno che ? invece garantito dalla pi? potente azione esercitata dalle cartucce di elastomero Fig.2 elementi 37. The return action of the metal spring would not in fact be sufficient to guarantee the return of the brake, a return that is? instead guaranteed by the pi? powerful action exerted by the elastomer cartridges Fig.2 elements 37.
Avendo affidato ad una molla di acciaio le sollecitazioni di precompressione, il problema del rilassamento dei materiali plastici elastomerici sottoposti ad un?azione di compressione di lungo ?periodo non sussiste. Since the pre-compression stresses have been entrusted to a steel spring, the problem of relaxation of elastomeric plastic materials subjected to a long-term compression action does not exist.
Le cartucce di elastomero infatti verranno attivato solo a seguito delle sollecitazioni sismiche, e le molle metalliche non hanno problemi di creep rilevanti. In fact, the elastomer cartridges will be activated only as a result of seismic stresses, and the metal springs have no significant creep problems.
L?azione dissipativa viene svolta dal meccanismo frenante metallo-metallo e viene dunque reso indipendente dalle caratteristiche dissipative delle curve di isteresi del materiale plastico. Figura 2 elemento 17 Fig.13 Fig. 14 Fig.15. The dissipative action is carried out by the metal-metal braking mechanism and is therefore made independent of the dissipative characteristics of the hysteresis curves of the plastic material. Figure 2 element 17 Fig.13 Fig. 14 Fig.15.
Il meccanismo frenante Fig. 13 Fig.14 Fig. 15, ad attrito Dumping, garantisce una forza di freno costante modulabile attraverso una regolazione, non dipendente dalla velocit? di oscillazione, pertanto costituisce, un meccanismo totalmente controllabile. La possibilit? di modulare la forza frenante e di avere quindi azioni vigorose di freno, produce un sensibile effetto sui periodi propri di oscillazione del fabbricato, rendendoli controllabili e pilotabili. The braking mechanism Fig. 13 Fig.14 Fig. 15, with Dumping friction, guarantees a constant brake force that can be modulated through an adjustment, which does not depend on the speed? of oscillation, therefore it constitutes a totally controllable mechanism. The possibility? to modulate the braking force and therefore to have vigorous braking actions, produces a significant effect on the periods of oscillation of the building, making them controllable and controllable.
Il sistema messo in opera, ? costituito da due dispositivi posizionati sulle diagonali principali di un telaio o di un setto portante, in azione di controvento Fig.20, Fig.21, Fig. 22, Fig.23, Fig. 24. The system implemented consisting of two devices positioned on the main diagonals of a frame or a load-bearing partition, in bracing action Fig.20, Fig.21, Fig. 22, Fig.23, Fig. 24.
L?azione sismica attiva alternativamente l?uno e l?altro dispositivo, dispositivi che esplicano il loro effetto in fase di compressione delle cartucce di elastomero; in fase di rilassamento resta in funzione la molla metallica che garantisce la tenuta in trazione dei tiranti. Fig.1. The seismic action alternately activates one and the other device, devices which exert their effect during the compression phase of the elastomer cartridges; in the relaxation phase, the metal spring remains in operation, which guarantees the traction of the tie rods. Fig.1.
Il moto alternato della piastra di spinta principale, Fig. 2 elemento 3, attiva la frizione, Fig. 2 elemento 17, che con la propria azione, produce attrito metallo-metallo in grado di dissipare notevoli quantit? di energia. The alternating motion of the main thrust plate, Fig. 2 element 3, activates the clutch, Fig. 2 element 17, which, with its own action, produces metal-to-metal friction capable of dissipating considerable quantities? of energy.
Lo studio effettuato ha portato alla realizzazione dei prototipi testati presso il Laboratorio di Prove sui Materiali dell?Universit? della Basilicata, che viene rappresentato di seguito, attraverso le immagini gli esplosi e le foto Fig. 19 Fig.25 Fig.26. The study carried out led to the creation of the prototypes tested at the Materials Testing Laboratory of the University? of Basilicata, which is represented below, through images, exploded views and photos Fig. 19 Fig.25 Fig.26.
Riassumendo in sintesi, andando a serrare la molla centrale, Fig.4 elemento 36 e scegliendo cartucce di elastomero con idonea costante elastica, Fig. 2 elementi 37, nonch? la portata dell?azione frenante del freno (DUMPING), Fig.2 elemento 17, azione di regolazione consentita da appositi pressori delle molle di frizione, sulle lamine dell?apparato frenante, Fig. 2 elemento 21, si riesce a ?modulare? la reazione del dispositivo ed a ?pilotare? la risposta in condizioni sismiche dell?intera struttura portante dell?edificio. In summary, going to tighten the central spring, Fig.4 element 36 and choosing elastomer cartridges with a suitable elastic constant, Fig. 2 elements 37, as well as? the scope of the braking action of the brake (DUMPING), Fig.2 element 17, adjustment action allowed by special pressure pads of the friction springs, on the plates of the braking apparatus, Fig. 2 element 21, it is possible to ?modulate? the reaction of the device and to ?drive? the response in seismic conditions of the entire load-bearing structure of the building.
Il dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO prevede la possibilit? di avere differenti portate, Fig.16. The device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER provides for the possibility of having different flow rates, Fig.16.
Nello specifico: In particular:
Dispositivi fino a 10 t con un unico elastomero dal diametro di 11 cm. Devices up to 10 t with a single 11 cm diameter elastomer.
Dispositivi da 10 t a 20 t con 2 elastomeri o unico elastomero di area equivalente Dispositivi da 20 t a 30 t con 3 elastomeri o unico elastomero di area equivalente Dispositivi da 30 t a 40 t con 4 elastomeri o unico elastomero di area equivalente Negli sviluppi futuri vi ? la possibilit? di ulteriori implementazioni ed evoluzioni del dispositivo, agendo con controventi in grado di agire sia in trazione che in compressione dispositivi da utilizzare in caso di luci limitate ed in abbinamento al dispositivo proposto. Devices from 10 t to 20 t with 2 elastomers or a single elastomer of equivalent area Devices from 20 t to 30 t with 3 elastomers or a single elastomer of equivalent area Devices from 30 t to 40 t with 4 elastomers or a single elastomer of equivalent area In future developments there ? the possibility? of further implementations and evolutions of the device, acting with braces capable of acting both in traction and in compression, devices to be used in case of limited spans and in combination with the proposed device.
Fig. 17. Fig. 17.
e) descrizione dettagliata dell?invenzione e) detailed description of the invention
Il dispositivo denominato (LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO) viene connesso alla struttura mediante tiranti posti in posizione di controvento. The device called (ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER) is connected to the structure by means of tie rods placed in a bracing position.
Il dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO svolge la sua funzione antisismica, attivando i seguenti tre meccanismi: The device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER performs its anti-seismic function, activating the following three mechanisms:
1) Limitazione degli spostamenti degli elementi strutturali 1) Limitation of the movements of the structural elements
2) Dissipazione dell?energia trasmessa dall?evento sismico alle strutture 3) Controllo e filtraggio delle frequenze proprie di oscillazione che possono risultare dannose per le strutture. 2) Dissipation of the energy transmitted by the seismic event to the structures 3) Control and filtering of the natural oscillation frequencies which can be harmful to the structures.
La contemporanea azione svolta, su questi tre fattori, induce un notevole miglioramento delle risposte sismiche delle strutture, conferendo ad esse una capacit? maggiore di resistere alle sollecitazioni indotte dal sisma, con un controllo puntuale degli spostamenti, dissipando con pi? facilit? l?energia sismica indotta, consentendo di pilotare il periodo proprio di oscillazione delle strutture in zone meno gravose dello spettro di risposta, in termini di accelerazione sismica trasmessa dal terreno al fabbricato ( PGA ). The simultaneous action carried out on these three factors induces a significant improvement in the seismic responses of the structures, giving them a capacity? greater to resist the stresses induced by the earthquake, with a punctual control of the movements, dissipating with pi? ease? the induced seismic energy, allowing the proper period of oscillation of the structures to be controlled in less burdensome areas of the response spectrum, in terms of seismic acceleration transmitted from the ground to the building (PGA).
Il sistema consente inoltre, opportunamente calibrato, a seguito di calcolo e modellazione strutturale, di correggere i difetti di progettazione delle strutture esistenti, ricentrando il centro di massa al centro delle rigidezze, riducendo le sollecitazioni torsionali, e modificando in modo positivo i punti di criticit? e di vulnerabilit? strutturale degli edifici. La configurazione di base del dispositivo, denominato, "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? si caratterizza per svolgere la sua funzione esclusivamente attraverso un?azione di trazione degli elementi di controvento, posti in configurazione incrociata, o a V rovesciata, Fig. 20 e utili ad esercitare alternativamente l?azione di contenimento degli spostamenti indotti dalle sollecitazioni sismiche. Tali collegamenti di controvento, sono costituiti da tiranti, o trefoli, in acciaio o altri materiali, caratterizzati da un alto valore del limite di snervamento, alto modulo elastico, ed elevata resistenza alla trazione, in grado quindi di contenere gli spostamenti relativi sulle strutture sollecitate dal sisma, e di trasmetterli alle cartucce di elastomero, e da esse al sistema frenante, in grado pertanto, di assorbire l?azione impulsiva delle oscillazioni sismiche, limitando gli spostamenti e le potenze sviluppate, modificando utilmente i periodi di oscillazione e dissipando parte dell?energia sismica trasmessa. The system also allows, suitably calibrated, following structural calculation and modeling, to correct the design defects of the existing structures, re-centering the center of mass at the center of the stiffnesses, reducing torsional stresses, and positively modifying the critical points ? and vulnerability? structural of buildings. The basic configuration of the device, called, "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)? is characterized by performing its function exclusively through a traction action of the bracing elements, placed in a crossed or inverted V configuration, Fig. 20 and useful to alternatively exert the action of containment of the displacements induced by seismic stresses.These bracing connections consist of tie rods, or strands, in steel or other materials, characterized by a high value of the yield point, high elastic modulus, and high tensile strength, therefore able to contain the relative displacements on the structures stressed by the earthquake, and to transmit them to the elastomer cartridges, and from them to the braking system, therefore able to absorb the impulsive action of the seismic oscillations, limiting the displacements and the powers developed, usefully modifying the oscillation periods and dissipating part of the transmitted seismic energy.
L?azione di dissipazione energetica ? affidata interamente ad un sistema frenante ad attrito metallo metallo, Fig. 13 Fig. 14 e Fig. 15, che sollecitato dalle oscillazioni sismiche ? in grado di produrre una forza in contrapposizione costante, e quindi un lavoro costante ad ogni ciclo di oscillazione della struttura, con conseguente rilevante dissipazione di energia. The energy dissipation action? entrusted entirely to a metal-to-metal friction braking system, Fig. 13, Fig. 14 and Fig. 15, which, under the influence of seismic oscillations ? able to produce a force in constant opposition, and therefore a constant work at each cycle of oscillation of the structure, with consequent significant energy dissipation.
Il dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)?, permette di intervenire anche in situazioni nelle quali le luci in gioco sono notevoli, e richiede necessariamente, una configurazione a croce, o a V rovesciata Fig. 20 Fig. 21 Fig. 22 Fig. 23 infatti i dispositivi si alterneranno, nell?assorbire le oscillazioni in un verso e nel suo opposto, sempre in opposizione di fase rispetto agli spostamenti sismici indotti. The device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)?, allows to intervene even in situations in which the spans involved are considerable, and necessarily requires a cross or inverted V configuration Fig. 20 Fig. 21 Fig. 22 Fig. 23 in fact the devices will alternate, in absorbing the oscillations in one direction and in its opposite, always in phase opposition with respect to the induced seismic displacements.
La possibilit? di esprimere installazioni con luci notevoli, dipende dalla circostanza, che il dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? esplica la sua azione esclusivamente in trazione, pertanto, gli elementi di controvento non sono soggetti a fenomeni di carico di punta o di svergolamento. The possibility? to express installations with considerable spans, depends on the circumstance, that the device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)? exerts its action exclusively in traction, therefore, the bracing elements are not subject to peak load phenomena or twisting.
Il dispositivo, consente di esercitare un?azione antisismica su luci rilevanti, avendo un ingombro minimo, ed una minima invasivit?, ma necessita sempre, di una configurazione a croce o a V rovesciata, con l?impegno obbligatorio di due dispositivi in opposizione di fase, sollecitati alternativamente in un verso o nell?altro. The device makes it possible to exercise an anti-seismic action on large spans, having a minimum size and minimal invasiveness, but always requires a cross or inverted V configuration, with the obligatory engagement of two devices in phase opposition , urged alternately in one direction or another.
Confrontando il sistema denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? proposto agli interventi tradizionali di adeguamentomiglioramento sismico delle strutture esistenti, si pone in evidenza e si sottolinea, la sua facilit? di montaggio e di intervento che si concretizzano in una consistente riduzione dei tempi di lavorazione, e in una minore invasivit?, qualit? che si traducono in una riduzione molto significativa dei costi di intervento. Comparing the system called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)? proposed to the traditional interventions of seismic adaptation/improvement of existing structures, its ease of assembly and intervention is highlighted and underlined, which result in a consistent reduction of processing times, and less invasiveness, qualities that translate into a very significant reduction in intervention costs.
Inoltre ? sorta la necessit? di inserire nel dispositivo elementi elettronici di monitoraggio attivo e diagnosi continua dello stato del fabbricato su cui il dispositivo ? applicato, nonch? del dispositivo stesso, ci? garantisce nel tempo la piena operativit? del sistema, le cui componenti sono, in tal modo, continuamente sottoposte a monitoraggio. Furthermore ? did the need arise? to insert in the device electronic elements for active monitoring and continuous diagnosis of the state of the building on which the device ? applied, as well as of the device itself, there? does it guarantee full operation over time? of the system, whose components are, in this way, continuously monitored.
Le problematiche emerse dallo studio del dispositivo denominato ?Giunto Antisismico Elastomerico, costituiscono la premessa alle soluzioni adottate e alle innovazioni implementate nel dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? e sono cos? sintetizzabili: The problems that emerged from the study of the device called ?Elastomeric Anti-Seismic Joint, constitute the premise for the solutions adopted and the innovations implemented in the device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTI-SEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)? and can be summarized as follows:
a) L?aver posizionato il perno di fissaggio alla struttura del dispositivo Giunto Antisismico Elastomerico, in posizione pi? avanzata rispetto alla posizione dell?elastomero, nella direzione del tiro, realizza un sistema in equilibrio instabile, che attiva vibrazioni e instabilit? di sistema. a) Having positioned the fixing pin to the structure of the Elastomeric Anti-Seismic Joint device, in a more advanced with respect to the position of the elastomer, in the direction of the shot, creates a system in unstable equilibrium, which activates vibrations and instability? of system.
? stato necessario eliminare questa fonte di instabilit?, posizionando il fulcro di aggancio del dispositivo agli elementi strutturali in posizione pi? arretrata rispetto alla posizione degli elastomeri, nella direzione del tiro, in maniera da determinare in trazione una condizione di equilibrio stabile. FIG. 2 elemento 46. ? Was it necessary to eliminate this source of instability?, by positioning the fulcrum for coupling the device to the structural elements in a more position? set back from the position of the elastomers, in the direction of the pull, so as to determine a condition of stable equilibrium in traction. FIG. 2 element 46.
b) Affidare all?elastomero la doppia funzione di assorbire le sollecitazioni sismiche e di tenere in pretensione il tirante, come previsto nel dispositivo Giunto Antisismico Elastomerico, provoca effetti di caricamento molto negativi sulle strutture, in posizione di precarico Fig.1b precarico. b) Entrusting the elastomer with the dual function of absorbing seismic stresses and keeping the tie rod under pretension, as envisaged in the Elastomeric Anti-Seismic Joint device, causes very negative loading effects on the structures, in the preload position Fig.1b preload.
Infatti nel dispositivo Giunto Antisismico Elastomerico, si ha la necessit? di comprimere l?elastomero in situazione di precarico, di una quantit? pari alle deformazioni prodotte dal sisma, al fine di garantire l?oscillazione delle parti in movimento nel dispositivo per l?intera corsa, in condizione di costante pretensione del tirante. In fact, in the Elastomeric Anti-Seismic Joint device, is there a need? to compress the? elastomer in a preload situation, of a quantity? equal to the deformations produced by the earthquake, in order to guarantee the oscillation of the moving parts in the device for the entire stroke, in a condition of constant pretension of the tie rod.
Nella precompressione degli elastomeri vengono quindi generate sollecitazioni molto forti sugli elementi strutturali ai quali ? fissato il dispositivo, sollecitazioni che inducono sforzi taglianti e/o di pressoflessione eccessivi, in particolare nei pilastri. Dalla modellazione strutturale ? emerso che le sollecitazioni di precarico necessarie per tenere in tensione il tirante ottenute in tal modo, creano sollecitazioni troppo elevate, incompatibili con la funzionalit? del sistema e con la resistenza degli elementi strutturali medesimi. La problematica ? stata risolta affidando la pretensione in posizione di precarico, ad una molla metallica secondaria Fig. 1/b precarico, e Fig. 4 elemento 36, tale molla aziona il carrello secondario Fig. 2 elemento 4, che segue il movimento di ritorno delle parti mobili, tenendo in costante trazione il tirante. In the prestressing of the elastomers, very strong stresses are therefore generated on the structural elements to which ? fixed the device, stresses that induce excessive shear and/or bending forces, especially in the pillars. From structural modeling ? it emerged that the preload stresses necessary to keep the tie rod in tension, obtained in this way, create stresses that are too high, incompatible with the functionality? of the system and with the resistance of the structural elements themselves. The problem? solved by entrusting the pretension in the preload position to a secondary metal spring Fig. 1/b preload, and Fig. 4 element 36, this spring drives the secondary carriage Fig. 2 element 4, which follows the return movement of the moving parts , keeping the tie rod in constant traction.
Le sollecitazioni sismiche attivano in direzione opposta il carrello secondario che incide su un elemento di ammortizzazione dell?urto ?Puffer? Fig. 2 elemento 13 fissato sulla piastra di spinta principale Fig.2 elemento 3, che a sua volta attiva la compressione degli elastomeri Fig.2 elementi 37. The seismic stresses activate the secondary trolley in the opposite direction which affects a shock absorbing element ?Puffer? Fig. 2 element 13 fixed on the main thrust plate Fig.2 element 3, which in turn activates the compression of the elastomers Fig.2 elements 37.
In tal modo si attiva la presollecitazione, prodotta dalla molla di acciaio e utile solamente a garantire la tenuta in trazione del tirante, senza sollecitare in modo gravoso, le strutture su cui viene installato il dispositivo. In this way, the pre-stressing is activated, produced by the steel spring and useful only to guarantee the traction hold of the tie rod, without putting heavy stress on the structures on which the device is installed.
La necessit? di ricorrere a due sistemi di scorrimento piastra di spinta principale e carrello secondario, dipende anche dalla necessit? di agganciare il sistema frenante solo alla piastra di spinta principale in modo tale che l?azione di ritorno del freno, sia affidata agli elastomeri, in grado di fornire una sostenuta forza elastica, che non vada a gravare sulla molla metallica. The necessity? to resort to two sliding systems of the main thrust plate and secondary carriage, also depends on the need? to hook the braking system only to the main thrust plate so that the return action of the brake is entrusted to the elastomers, capable of providing a sustained elastic force, which does not weigh on the metal spring.
c) Con il dispositivo Giunto Antisismico Elastomerico, si ha la necessit? di tenere, per un ampio intervallo di tempo, dieci anni, cos? come previsto in normativa, il materiale plastico, in compressione continua al fine di garantire la tenuta in costante presollecitazione del tirante, questo produce inevitabili fenomeni di creep, cio? di rilassamento non desiderato nel tempo dell?elastomero. Avendo con il dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? separato la pretensione in condizione di precarico dalla messa in compressione dell?elastomero, ed avendo affidato il pretensionamento ad una molla metallica, l?elastomero rimane non sollecitato, ed attivato solo nelle condizioni di carico sismiche Fig.1c carico. c) With the Elastomeric Anti-Seismic Joint device, is there a need? to hold, for a large period of time, ten years, so? as foreseen in the legislation, the plastic material, in continuous compression in order to ensure the seal in constant pre-stress of the tie rod, this produces inevitable phenomena of creep, the cio? of unwanted relaxation over time of the elastomer. Having with the device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)? separated the pretension in preload condition from the compression of the elastomer, and having entrusted the pretension to a metal spring, the elastomer remains unstressed, and only activated under seismic loading conditions Fig.1c loading.
d) L?energia dissipata, per deformazioni cicliche dall?elastomero, non si ? dimostrata sufficiente a garantire la necessaria dissipazione di energia utile all?efficace smorzamento delle azioni sismiche, tale funzione viene affidata nel dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)? ad un sistema di freno, prodotto dall?attrito metallo metallo, attrito di contatto indotto dalle sollecitazioni sismiche e dalla forza elastica di ritorno degli elastomeri. Fig.2 elemento 17. d) The energy dissipated, due to cyclic deformations from the elastomer, is not ? demonstrated sufficient to guarantee the necessary dissipation of energy useful for the effective damping of seismic actions, this function is entrusted in the device called "(DISSIPATIVE ANTISEISMIC ELASTIC-ATTRITIVE LIMITER)? to a brake system, produced by metal-metal friction, contact induced by seismic stresses and by the elastic return force of the elastomers. Fig.2 element 17.
e) La mera azione elastica dell?elastomero, cos? come prevista nel dispositivo, Giunto Antisismico Elastomerico, si ? rivelata troppo blanda per consentire un efficace controllo delle frequenze e dei periodi propri di oscillazione dell?edificio, tale azione di controllo delle frequenze nel dispositivo denominato "(LIMITATORE ELASTO-ATTRITIVO ANTISISMICO DISSIPATIVO)?, ? affidata alla modulazione del sistema frenante, mediante le molle trasversali alle lamine, Fig.2 elemento 18 che verr? regolato opportunamente in funzione delle risultanze e delle necessita del calcolo strutturale e) The mere elastic action of the elastomer, so? as foreseen in the device, Elastomeric Anti-Seismic Joint, yes? proved to be too mild to allow effective control of the frequencies and periods of oscillation of the building, this frequency control action in the device called "(ELASTO-ATTRITIVE ANTISEISMIC DISSIPATIVE LIMITER)?, is entrusted to the modulation of the braking system, through the transversal springs to the plates, Fig.2 element 18 which will be suitably adjusted according to the results and needs of the structural calculation
f) Nello studio accurato dei cinematismi in gioco, si ? evidenziata la necessit? di avere il perfetto controllo dell?avanzamento delle parti mobili del dispositivo Fig.1 parti in movimento, al fine di evitare grippaggi, attriti non desiderati e sollecitazioni anomale. f) In the careful study of the kinematics involved, yes? highlighted the need? to have perfect control of the progress of the mobile parts of the device Fig.1 moving parts, in order to avoid seizures, unwanted friction and anomalous stresses.
Il problema ? stato risolto facendo scorrere le parti in movimento, nello specifico, il carrello secondario Fig. 1 parti in movimento e Fig. 2 elemento 4 e piastra di spinta principale Fig.2 elemento 3 su apposite barre cilindriche, ?guide? Fig. 2 elemento 8 The problem ? solved by sliding the moving parts, specifically, the secondary carriage Fig. 1 moving parts and Fig. 2 element 4 and main thrust plate Fig.2 element 3 on suitable cylindrical bars, ?guides? Fig. 2 item 8
Inoltre, il meccanismo di scorrimento delle parti mobili ? attivato da una barra centrale posta in tiro, Fig. 2 elemento 7, sulla cui testata terminale, viene fissato il tirante. Fig. 2 elemento 47 Also, the sliding mechanism of the moving parts ? activated by a central bar placed in tension, Fig. 2 element 7, on the end head of which the tie rod is fixed. Fig. 2 element 47
Descrizione di un esempio esplicativo: Description of an explanatory example:
Essendo stato il dispositivo proposto, studiato attraverso accurate modellazioni condotte dalla societ? americana ASI, e prove sperimentali presso l?Universit? degli Studi della Basilicata, Laboratorio di Prova sui Materiali, al fine di esemplificare le possibili applicazioni e le potenzialit? del sistema, si fa riferimento alla sua applicazione su un edificio FIG.22 analisi di un telaio tridimensionale studiato con analisi dinamica non lineare e studio di un telaio bidimensionale FIG.23 analisi statica non lineare Pushover. Having been the proposed device, studied through accurate modeling conducted by the company? American ASI, and experimental tests at the? University? of Studies of Basilicata, Test Laboratory on Materials, in order to exemplify the possible applications and potential? of the system, reference is made to its application on a building FIG.22 analysis of a three-dimensional frame studied with non-linear dynamic analysis and study of a two-dimensional frame FIG.23 non-linear static analysis Pushover.
L?edificio ? stato studiato con e senza l?applicazione del dispositivo. The building ? been studied with and without the application of the device.
Il risultato del complesso studio che pu? essere fornito ove lo si ritenesse necessario, mostra un netto miglioramento della risposta strutturale dell?edificio. The result of the complex study that can be provided where deemed necessary, shows a marked improvement in the structural response of the building.
Nello specifico il diagramma mostra il netto miglioramento della risposta del fabbricato sottoposto ad un sisma di progetto, in termini di drift di piano asse y. Specifically, the diagram shows the marked improvement in the response of the building subjected to a design earthquake, in terms of y-axis floor drift.
Colore azzurro senza dispositivo, colore dal giallo al marrone, con dispositivi di differenti portate. Light blue color without device, color from yellow to brown, with devices of different capacities.
Si evidenzia nella Fig.24 lo studio tensionale degli elementi caricati in fase di pretensionamento, emerge la necessit? di affidare la pretensione, indispensabile per avere sempre il cavo di controvento in trazione, ad una molla centrale in acciaio, che eserciti un?azione determinabile, pi? blanda rispetto alla possibilit? prevista nel dispositivo Giunto Antisismico Elastomerico di affidare la pretensione alla compressione dell?elastomero. Fig.24 highlights the stress study of the elements loaded in the pre-tensioning phase, does the need emerge? to entrust the pre-tension, essential to always have the bracing cable in traction, to a central steel spring, which exercises a determinable action, more? bland compared to the possibility? foreseen in the Elastomeric Anti-Seismic Joint device to entrust the pretension to the compression of the elastomer.
Si allegano al fine documentale, alcune curve dissipative risultanti dalle prove condotte presso l?Universit? degli Studi della Basilicata, Fig. 26. For documentary purposes, some dissipative curves resulting from the tests carried out at the?University? of the Studies of Basilicata, Fig. 26.
f) Uso dell?applicazione in ambito industriale f) Use of the application in an industrial environment
Come risulta evidente dalla descrizione, il dispositivo pu? essere standardizzato e prodotto in serie industrialmente, sono gi? stati prodotti, in fase di studio, e per procedere alla sperimentazione, i prototipi necessari alle prove, si mostrano in foto gli apparati sperimentali FIG.24 FIG.25. As is evident from the description, the device can? be standardized and mass-produced industrially, are already? the prototypes necessary for the tests have been produced, during the study phase, and to proceed with the experimentation, the experimental apparatuses are shown in the photo FIG.24 FIG.25.
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