IT202100017237A1 - Isolatore sismico a scorrimento a doppia superficie curva - Google Patents

Isolatore sismico a scorrimento a doppia superficie curva Download PDF

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curved sliding
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Mauro Scaramuzza
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Bearings And Joints S R L
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, 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
    • E04H9/021Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings

Description

ISOLATORE SISMICO A SCORRIMENTO A DOPPIA SUPERFICIE CURVA.
DESCRIZIONE
L?invenzione riguarda un isolatore sismico a scorrimento a doppia superficie curva.
Nella moderna tecnica progettuale delle strutture, siano esse edifici civili, industriali od opere infrastrutturali quali ponti e viadotti, di seguito genericamente indicati come 'strutture', sono molto utilizzati gli isolatori a scorrimento a superficie curva.
Tali dispositivi vengono interposti tra una struttura ed i relativi elementi di sostegno, siano essi fondazioni, pile, o altro, di seguito nominati 'sostegni', per modificarne la risposta sismica.
Gli isolatori sismici a scorrimento a doppia superficie di scorrimento comprendono generalmente:
- una piastra superiore con una prima superficie curva di scorrimento, concava con concavit? rivolta verso il basso rispetto ad un assetto d'utilizzo, dedicata sostanzialmente alla traslazione su un piano orizzontale di quanto appoggiato su tale piastra superiore,
- una piastra inferiore con una seconda superficie curva di rotazione, concava con concavit? rivolta verso l'alto, dedicata sostanzialmente alla determinazione di un asse istantaneo di rotazione tra la piastra superiore e la piastra inferiore,
- un corpo intermedio interposto tra detta piastra superiore e detta piastra inferiore, detto corpo intermedio essendo appoggiato su detta seconda superficie curva di scorrimento e ricevendo in appoggio detta prima superficie curva di scorrimento.
Il funzionamento degli isolatori sismici a scorrimento, e quindi l?efficacia nei confronti della risposta sismica della struttura, ? determinata sostanzialmente dall?abbinamento di due caratteristiche specifiche:
- lo scorrimento orizzontale, il quale avviene su due superfici curve, dette 'superfici scorrevoli principali', con l'isolatore che si comporta sismicamente come un pendolo e quindi interviene allungando il periodo proprio della struttura,
- e l?attrito che si sviluppa attraverso queste superfici di scorrimento, il quale attrito incrementa l?energia dissipata.
Tali isolatori sismici a scorrimento assolvono anche alla funzione di normali apparecchi d?appoggio, e trovano quindi ampio utilizzo nel campo della protezione sismica delle strutture, tanto da essere inseriti nella specifica normativa europea (EN 15129 par. 8.4) relativa ai dispositivi antisismici.
Il funzionamento degli isolatori a scorrimento a superficie curva ? riconducibile a quello del pendolo semplice, in cui il periodo di oscillazione non dipende dalla massa ma solo dalla lunghezza del pendolo stesso. Il periodo proprio di vibrazione di una struttura sismicamente isolata con isolatori a scorrimento a superficie curva dipende principalmente dal raggio di curvatura della superficie di scorrimento, ed ? invece quasi indipendente dalla massa della struttura.
La dissipazione di energia ? fornita dall?attrito che si sviluppa durante lo scorrimento, e la capacit? di ri-centraggio, ovvero di ritorno ad un assetto sostanzialmente coassiale degli elementi che compongono un simile isolatore a scorrimento, ? fornita dalla curvatura della superficie di scorrimento.
Una limitazione all?utilizzo di isolatori sismici ad una sola superficie di scorrimento ? costituito dal fatto che le dimensioni in pianta dell?elemento di base, ovvero dell?elemento su cui ? ricavata la superficie curva di scorrimento, possono essere molto elevate.
Tale piastra infatti deve avere dimensioni tali da contenere al suo interno sia la superficie d?appoggio sia lo sviluppo degli scorrimenti sismici richiesti, scorrimenti che facilmente raggiungono valori di /-250 mm e oltre.
Una soluzione estremamente valida per ridurre lo sviluppo in pianta dell?elemento di base ? quella di realizzare isolatori sismici a scorrimento a doppia superficie curva.
Tali isolatori sismici a scorrimento a doppia superficie di scorrimento sono quindi caratterizzati da due opposte superfici di scorrimento concave con lo stesso raggio di curvatura; entrambe consentono sia lo spostamento orizzontale che la rotazione del corpo soprastante. In tali isolatori sismici, ogni singola superficie curva ? progettata solamente per met? dello spostamento orizzontale, cosicch? le dimensioni in pianta degli stessi isolatori possono essere notevolmente ridotte rispetto a quelle degli isolatori sismici ad una sola superficie di scorrimento.
In questo modo, ferma ed invariata la superficie destinata alla trasmissione del carico verticale, ognuna delle due superfici di scorrimento curve deve essere aumentata della sola met? dello scorrimento richiesto.
A questo punto per? nasce un fondamentale problema: la normativa cogente, la EN 15129, impone che gli isolatori a scorrimento a superficie curva debbano possedere anche una superficie scorrevole secondaria cui demandare lo sviluppo delle rotazioni relative tra la soprastante struttura ed il sottostante sostegno, rotazioni relative che ovviamente non possono essere assorbite dalle superfici di scorrimento principali.
Realizzare una superficie scorrevole secondaria negli isolatori a doppia superficie curva ? assai complesso poich?, di fatto, si tratta di determinare una ulteriore superficie curva di scorrimento tra le due superfici scorrevoli principali, separando il corpo intermedio in due dischi sovrapposti ed in contatto reciproco tramite tale terza superficie curva di scorrimento, tale corpo intermedio divenendo una sorta di 'ginocchio articolato'; la difficolt? ? che in presenza di una terza superficie di scorrimento posta tra le due superfici scorrevoli principali, il dispositivo nel suo complesso diventa un meccanismo indeterminato in quanto la richiesta di scorrimento orizzontale da parte della soprastante struttura potrebbe essere soddisfatta da una combinazione di scorrimento tra solo una delle superfici scorrevoli principali, in combinazione con una rotazione pi? accentuata della superficie di scorrimento secondaria; estremizzando tale comportamento, un simile isolatore sismico potrebbe trovarsi in una situazione in cui il 'ginocchio centrale articolato' si trova ai limiti esterni di una delle superfici scorrevoli principali, ma la richiesta complessiva di scorrimento orizzontale non ? ancora del tutto esaurita e quindi con un potenziale rischio di disassemblamento dell'isolatore sismico.
Alcuni produttori hanno ovviato a questo problema rendendo monolitico il ?ginocchio scorrevole?, ovvero eliminando la terza superficie curva di scorrimento; tale soluzione da un lato risolve il problema della congruit? degli spostamenti relativi, infatti ogni superficie scorrevole principale ? impegnata simmetricamente in quanto l?asse ortogonale alle superfici convesse del ?ginocchio scorrevole? ? unico e quindi le superfici scorrevoli principali, per la congruit? geometrica, sono costrette a muoversi in opposizione simmetrica.
Tale soluzione per?, se da un lato elimina l?indeterminatezza nello sviluppo degli scorrimenti, dall?altro fa mancare al dispositivo la superficie di scorrimento secondaria indispensabile per poter sviluppare le rotazioni relative attorno ad un asse sostanzialmente orizzontale tra una soprastante struttura ed un sottostante sostegno e quindi pone il dispositivo fuori dalla normativa rendendolo, di fatto, inutilizzabile.
Compito della presente invenzione ? quello di mettere a punto un isolatore sismico a scorrimento a doppia superficie curva capace di ovviare ai citati inconvenienti e limiti della tecnica nota.
In particolare, uno scopo dell?invenzione ? quello di mettere a punto un isolatore sismico a scorrimento capace di consentire una rotazione attorno ad un asse sostanzialmente orizzontale tra la piastra superiore e la piastra inferiore di base, e contemporaneamente assicurare la congruenza geometrica necessaria allo sviluppo in opposizione simmetrica dello scorrimento del corpo intermedio sulle due superfici scorrevoli principali.
Un altro scopo dell?invenzione ? quello di mettere a punto un isolatore sismico realizzabile con sistemi di tipo noto e facilmente allestibile alla stregua degli isolatori sismici di tipo noto.
Il compito nonch? gli scopi sopra citati sono raggiunti da un isolatore sismico a scorrimento a doppia superficie curva secondo la rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche dell'isolatore sismico secondo la rivendicazione 1 vengono descritte nelle rivendicazioni dipendenti. Il compito ed i suddetti scopi, assieme ai vantaggi che verranno menzionati in seguito, sono evidenziati dalla descrizione di una forma esecutiva dell'invenzione, che viene data, a titolo indicativo ma non limitativo, con riferimento alle tavole di disegno allegate, dove:
- la figura 1 rappresenta una vista schematica in sezione di un isolatore sismico secondo l?invenzione;
- la figura 2 rappresenta una vista in sezione di un particolare di un isolatore sismico secondo l?invenzione;
- la figura 3 rappresenta una vista laterale in sezione di un isolatore sismico secondo l?invenzione in un particolare assetto di funzionamento.
Con riferimento alle figure citate, un isolatore sismico a scorrimento a doppia superficie curva secondo l?invenzione ? indicato nel suo complesso con il numero 10.
Tale isolatore sismico 10 comprende:
- una piastra superiore 11 con una prima superficie curva di scorrimento 12, concava con concavit? rivolta verso il basso rispetto ad un assetto d'utilizzo,
- una piastra inferiore 13 con una seconda superficie curva di scorrimento 14, concava con concavit? rivolta verso l'alto,
- un corpo intermedio 15 interposto tra la piastra superiore 11 e la piastra inferiore 13; il corpo intermedio 15 ? appoggiato sulla seconda superficie curva di scorrimento 14 e riceve in appoggio la prima superficie curva di scorrimento 12.
Il corpo intermedio 15 comprende:
- un disco inferiore 16, configurato per scorrere sulla seconda superficie curva di scorrimento 14 e comprendente una terza superficie curva di scorrimento 17 avente concavit? rivolta verso l'alto,
- un disco superiore 18 configurato inferiormente per scorrere sulla terza superficie curva di scorrimento 17 e configurato superiormente per scorrere sulla prima superficie curva di scorrimento 12.
Il corpo intermedio 15 comprende mezzi di centraggio 19 configurati per limitare lo scorrimento reciproco tra il disco inferiore 16 ed il disco superiore 18 su detta terza superficie curva di scorrimento 17.
Tali mezzi di centraggio 19 comprendono, ad esempio e non limitativamente, una sponda perimetrale 19a sviluppantesi da detto disco superiore 18 in modo da circondare un tratto 20a della superficie laterale 20 di detto disco inferiore 16.
Tra la sponda perimetrale 19a e detto tratto 20a della superficie laterale 20 ? definita una intercapedine anulare 22, quando detto disco inferiore 16 e detto disco superiore 18 sono posizionati coassiali, rispetto ad un asse verticale di simmetria X1, l'intercapedine anulare 22 presenta una larghezza L in direzione radiale compresa tra 1 millimetro e 3 millimetri.
Tale larghezza L ? preferibilmente di 2 millimetri.
La prima superficie curva di scorrimento 12 ? definita da uno strato di materiale metallico 23.
Tale strato di materiale metallico 23 ? preferibilmente in acciaio inossidabile. In alternativa tale strato di materiale metallico 23 ? costituito da alluminio, o da acciaio cromato.
La seconda superficie curva di scorrimento 14 ? definita da uno strato di materiale metallico 24.
Tale strato di materiale metallico 24 ? preferibilmente in acciaio inossidabile.
In alternativa tale strato di materiale metallico 24 ? costituito da alluminio, o da acciaio cromato.
La terza superficie curva di scorrimento 17 ? definita da un rivestimento in materiale anti-frizione 25.
Tale materia anti-frizione 25 ? costituito, ad esempio da teflon (PTFE).
La superficie curva di scorrimento 12 e la seconda superficie curva di scorrimento 14 sono sostanzialmente sferiche ed aventi uno stesso raggio di curvatura.
Il disco inferiore 16 presenta una superficie inferiore di scorrimento 16a sagomata per appoggiarsi sulla seconda superficie curva di scorrimento 14.
La superficie inferiore di scorrimento 16a ? definita da un rivestimento di pattinamento 27 in materiale anti-frizione.
Tale rivestimento di pattinamento 27 ? realizzato preferibilmente in teflon (PTFE).
Il disco superiore 18 presenta una superficie superiore di scorrimento 18a sagomata per appoggiarsi su detta prima superficie curva di scorrimento 12.
La superficie superiore di scorrimento 18a ? definita da un rivestimento di pattinamento 28 in materiale anti-frizione.
Anche tale rivestimento di pattinamento 28 ? realizzato preferibilmente in teflon (PTFE).
Il disco superiore 18 presenta ovviamente anche una superficie inferiore di scorrimento 18b sagomata per scorrere sulla terza superficie curva di scorrimento 17.
Tale superficie inferiore di scorrimento 18b del disco superiore 18 ? definita da un rivestimento in materiale metallico 30.
Tale rivestimento in materiale metallico 30 ?, ad esempio, in acciaio inossidabile.
In alternativa tale rivestimento in materiale metallico 30 ? costituito da alluminio, o da acciaio cromato.
La terza superficie curva di scorrimento 17 ? dedicata quindi sostanzialmente alla sola rotazione relativa tra il disco superiore 18 ed il disco inferiore 16 attorno ad un asse di istantanea rotazione sostanzialmente orizzontale, posto sostanzialmente nel centro di rotazione della terza superficie curva 17.
Tale terza superficie curva di scorrimento 17 ? anch'essa sostanzialmente sferica, con raggio inferiore al raggio di curvatura della prima superficie curva di scorrimento 12 e della seconda superficie curva di scorrimento 14.
La soluzione sopra descritta consiste quindi, sostanzialmente, nel rendere ?telescopici? i due dischi inferiore 16 e superiore 18, entrambi metallici, che compongono il ?ginocchio scorrevole articolato?, cos? da renderli indipendenti al carico verticale agente sull'isolatore sismico 10, ma contemporaneamente vincolarli orizzontalmente e quindi costringerli a muoversi lungo le superfici scorrevoli principali, come un unico pezzo, nel caso in cui la rotazione di oscillazione tra il disco superiore 18 ed il disco inferiore 16 portasse la sponda perimetrale 19a a contatto con il tratto 20 della superficie esterna 20 del disco inferiore 16.
Una studiata differenza millimetrica, e quindi geometrica, tra i due diametri di accoppiamento complementari, ovvero il diametro interno della sponda perimetrale 19a ed il diametro esterno del tratto 20a della superficie esterna 20 del disco inferiore 16, permette lo sviluppo delle rotazioni relative tra una soprastante struttura ed un sottostante sostegno limitando a pochi millimetri, preferibilmente nell?ordine dei 2 mm, il possibile disassamento tra i due elementi che compongono il corpo intermedio 15, ovvero il ?ginocchio scorrevole articolato?.
La superficie di rotazione, ovvero la terza superficie curva di scorrimento 17 garantisce la congruit? geometrica relativamente allo scorrimento in opposizione simmetrica delle due superfici scorrevoli principali 12 e 14.
Si ? in pratica constatato come l?invenzione raggiunga il compito e gli scopi preposti.
In particolare, con l?invenzione si ? messo a punto un isolatore sismico a scorrimento capace di consentire una rotazione, attorno ad un asse sostanzialmente orizzontale, tra la piastra superiore 11 e la piastra inferiore 13, di base, e contemporaneamente assicurare la congruenza geometrica necessaria allo sviluppo in opposizione simmetrica dello scorrimento del corpo intermedio 15 sulle due superfici scorrevoli principali 12 e 14.
In pi?, con l'invenzione si ? messo a punto un isolatore sismico realizzabile con sistemi di tipo noto e facilmente allestibile alla stregua degli isolatori sismici di tipo noto.
L?invenzione cos? concepita ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell?ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.
In pratica, i componenti ed i materiali impiegati, purch? compatibili con l?uso specifico, nonch? le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e dello stato della tecnica.
Ove le caratteristiche e le tecniche menzionate in qualsiasi rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni di riferimento sono da intendersi apposti al solo scopo di aumentare l?intelligibilit? delle rivendicazioni e di conseguenza tali segni di riferimento non hanno alcun effetto limitante sull?interpretazione di ciascun elemento identificato a titolo di esempio da tali segni di riferimento.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI
1) Isolatore sismico (10) a scorrimento a doppia superficie curva, comprendente:
- una piastra superiore (11) con una prima superficie curva di scorrimento (12), concava con concavit? rivolta verso il basso rispetto ad un assetto d'utilizzo,
- una piastra inferiore (13) con una seconda superficie curva di scorrimento (14), concava con concavit? rivolta verso l'alto,
- un corpo intermedio (15) interposto tra detta piastra superiore (11) e detta piastra inferiore (13), detto corpo intermedio (15) essendo appoggiato su detta seconda superficie curva di scorrimento (14) e ricevendo in appoggio detta prima superficie curva di scorrimento (12),
caratterizzato dal fatto che detto corpo intermedio (15) comprende: - un disco inferiore (16) configurato per scorrere su detta seconda superficie curva di scorrimento (14) e comprendente una terza superficie curva di scorrimento (17) avente concavit? rivolta verso l'alto,
- un disco superiore (18) configurato inferiormente per scorrere su detta terza superficie curva di scorrimento (17) e configurato superiormente per scorrere su detta prima superficie curva di scorrimento (12),
- mezzi di centraggio (19) configurati per limitare lo scorrimento reciproco tra detto disco inferiore (16) e detto disco superiore (18) su detta terza superficie curva di scorrimento (17).
2) Isolatore sismico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di centraggio (19) comprendono una sponda perimetrale (19a) sviluppantesi da detto disco superiore (18) in modo da circondare un tratto (20a) della superficie laterale (20) di detto disco inferiore (16).
3) Isolatore sismico secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che tra detta sponda perimetrale (19a) e detto tratto (20a) di detta superficie laterale (20) ? definita una intercapedine anulare (22), quando detto disco inferiore (16) e detto disco superiore (18) sono posizionati coassiali detta intercapedine anulare (22) presenta una larghezza (L) in direzione radiale compresa tra 1 millimetro e 3 millimetri, e preferibilmente di 2 millimetri.
4) Isolatore sismico secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima superficie curva di scorrimento (12) ? definita da uno strato di materiale metallico (23).
5) Isolatore sismico secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta seconda superficie curva di scorrimento (14) ? definita da uno strato di materiale metallico (24).
6) Isolatore sismico secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta terza superficie curva di scorrimento (17) ? definita da un rivestimento in materiale antifrizione (25).
7) Isolatore sismico secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima superficie curva di scorrimento (12) e detta seconda superficie curva di scorrimento (14) sono sostanzialmente sferiche ed aventi uno stesso raggio di curvatura.
8) Isolatore sismico secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto disco inferiore (16) presenta una superficie inferiore di scorrimento (16a) sagomata per appoggiarsi su detta seconda superficie curva di scorrimento (14), detta superficie inferiore di scorrimento (16a) essendo definita da un rivestimento di pattinamento (27) in materiale anti-frizione.
9) Isolatore sismico secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto disco superiore (18) presenta una superficie superiore di scorrimento (18a) sagomata per appoggiarsi su detta prima superficie curva di scorrimento (12), detta superficie superiore di scorrimento (18a) essendo definita da un rivestimento di pattinamento (28) in materiale anti-frizione.
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