IT8921940A1

IT8921940A1 - ENERGY DISSIPANT DEVICE WITH ELASTOPLASTIC BEHAVIOR, PARTICULARLY FOR USE IN ANTI-SEISMIC STRUCTURES.

Info

Publication number: IT8921940A1
Application number: IT1989A21940A
Authority: IT
Inventors: Vincenzo Ciampi; Agostino Marioni
Original assignee: Fima Spa
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1991-04-06
Also published as: IT8921940A0; IT1236515B

Description

?DISPOSITIVO DISSIPATORE D' ENERGIA A COMPORTAMENTO ELASTO PLASTICO, PARTICOLARMENTE PER L IMPIEGO IN STRUTTURE ANTI-SISMICHE" ? ENERGY DISSIPANT DEVICE WITH PLASTIC ELASTIC BEHAVIOR, PARTICULARLY FOR USE IN ANTI-SEISMIC STRUCTURES "

RIASSUNTO SUMMARY

Il dispositivo dissipatore d'energia, particolarmente per limpiego in strutture soggette a sismi , consta essenzialmente dell'associazione di due o pi? travi metalliche ad asse spezzato o curvilineo. The energy dissipating device, particularly for use in structures subject to earthquakes, essentially consists of the association of two or more? metal beams with broken or curved axis.

Ciascuna trave presenta alle sue estremit? due vincoli a cerniera dei quali uno fa capo ad una parte della struttura che raggruppa le cerniere delle due o pi? travi. Each beam has at its ends? two hinged constraints, one of which belongs to a part of the structure that groups the hinges of the two or more? beams.

Le cerniere all'altra estremit? delle travi sono vincolate ad un'altra parte della struttura. The hinges at the other end? of the beams are constrained to another part of the structure.

In caso di movimento relativo delle due parti strutturali le travi metalliche sono obbligate a deformarsi in campo elastoplastico, dissipando cos? il lavoro di deformazione per isteresi del materiale prevalentemente sotto forma di calore. In case of relative movement of the two structural parts, the metal beams are forced to deform in the elastoplastic field, thus dissipating? the work of deformation by hysteresis of the material mainly in the form of heat.

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione rientra nella categoria dei dispositivi dissipatori d'energia che trovano applicazione particolarmente, ma non esclusivamente , in strutture antisismiche e, pi? in particolare, si riferisce ad un dispositivo dissipatore d'energia che presenta caratteristiche funzionali e strutturali superiori a quelle dei dispositivi dissipatori attualmente impiegati. The present invention falls into the category of energy dissipating devices which find application particularly, but not exclusively, in anti-seismic structures and, more? in particular, it refers to an energy dissipating device which has functional and structural characteristics superior to those of the dissipating devices currently used.

Come ? noto, una costruzione antisismica deve possedere elevate capacit? di dissipare energia in campo post-elastico. In particolare, questa capacit? di dissipare energia pu? essere demandata a particolari dispositivi dissipativi inseriti in opportune locazioni nella struttura. Tali dispositivi , dissipando in maniera controllata e secondo modalit? predeterminate l'energia fornita alla struttura da un terremoto violento, possono assicurare un'adeguata protezione sismica alla struttura stessa, nel senso di escluderne il collasso e contenerne i danneggiamenti . How ? known, an anti-seismic construction must have high capacities? to dissipate energy in the post-elastic field. In particular, this ability? to dissipate energy can? be delegated to particular dissipative devices inserted in appropriate locations in the structure. Such devices, dissipating in a controlled manner and according to modality? predetermined the energy supplied to the structure by a violent earthquake, they can ensure adequate seismic protection to the structure itself, in the sense of excluding its collapse and containing its damage.

I pi? recenti dispositivi dissipatori d'energia impiegati a questo scopo utilizzano il comportamento elastoplastico di elementi strutturali metallici sollecitati a flessione, a sforzo normale, a torsione o a combinazioni di tali sollecitazioni ; essi presentano di solito i seguenti inconvenienti: - il diagramma carico- deformazione oltre il limite elastico non ? costante, ma variabile, perch? l 'elemento cambia la sua geometria, con conseguente aumento o diminuzione della - le deformazioni plastiche tendono a localizzarsiinalcune zone ristrette, causando la rottura prematura degli elementi dopo pochi cicli di sollecitazione alterna. The pi? recent energy dissipating devices used for this purpose use the elastoplastic behavior of metallic structural elements stressed by bending, by normal stress, by torsion or by combinations of these stresses; they usually have the following drawbacks: - the load-deformation diagram beyond the elastic limit is not? constant, but variable, why? the element changes its geometry, with a consequent increase or decrease in the plastic deformations tend to localize in some restricted areas, causing premature failure of the elements after a few cycles of alternating stress.

La presente invenzione si propone di ovviare a tali inconvenienti. The present invention aims to obviate these drawbacks.

Pi? in particolare, il dispositivo dissipatore di energia specialmente adatto per ' impiego in strutture soggette a sismi ? caratterizzato, secondo la presente invenzione, dal fatto che consta dell'associazione di almeno due travi ad asse spezzato o curvilineo ciascuna delle quali presenta ad oqni estremit? una cerniera e dal fatto che le cerniere all 'estremit? di ciascuna trave sono raggruppate fra loro e collegate ad una parte della struttura, mentre le cerniere all'altra estremit? di ciascuna trave sono vincolate ad un'altra parte della struttura in modo da obbligare le travi, in caso di movimento relativo delle due parti strutturali, a deformarsi in campo elastoplastico, dissipando cos? il lavoro di deformazione per isteresi del materiale, prevalentemente sotto forma di calore. Pi? in particular, the energy dissipating device especially suitable for use in structures subject to earthquakes? characterized, according to the present invention, by the fact that it consists of the association of at least two beams with a broken or curvilinear axis, each of which has at each end? a hinge and the fact that the hinges at the end? of each beam are grouped together and connected to one part of the structure, while the hinges at the other end? of each beam are constrained to another part of the structure so as to force the beams, in case of relative movement of the two structural parts, to deform in the elastoplastic field, thus dissipating? the work of deformation by hysteresis of the material, mainly in the form of heat.

La presente invenzione verr? ora descritta pi? in dettaglio in relazione a sue forme d'esecuzione preferite, date solo a titolo di esempio e quindi non limitativo nei confronti di possibili varianti basate sugli stessi principi di funzionamento e illustrate nei disegni allegati , in cui: la figura 1 ? un'illustrazione schematica di una trave ad asse spezzato a due segmenti ; The present invention will come now described more? in detail in relation to its preferred embodiments, given only by way of example and therefore not limiting to possible variants based on the same operating principles and illustrated in the attached drawings, in which: Figure 1? a schematic illustration of a split axis beam with two segments;

la figura 2 ? un'illustrazione schematica di una trave ad asse spezzato a tre segmenti; figure 2? a schematic illustration of a three-segment split axis beam;

la figura 3 ? un'illustrazione schematica di una trave ad asse curvilineo; figure 3? a schematic illustration of a curved axis beam;

la figura 4 ? un'illustrazione schematica di una trave ad uniforme resistenza: figure 4? a schematic illustration of a uniform strength beam:

la figura 5 ? una rappresentazione schematica di un dispositivo antisismico realizzato abbinando due travi ad asse spezzato del tipo illustrato in fiqura 1; figure 5? a schematic representation of an anti-seismic device made by combining two broken axis beams of the type illustrated in figure 1;

la figura 6 ? una rappresentazione schematica di un dispositivo antisismico realizzato abbinando tre travi ad asse Spezzato del tipo illustrato in figura 1 ; figure 6? a schematic representation of an anti-seismic device made by combining three beams with broken axis of the type illustrated in figure 1;

la figura 7 ? una rappresentazione schematica di un dispositivo antisismico realizzato abbinato quattro travi ad asse spezzato del tipo illustrato in figura1; figure 7? a schematic representation of an anti-seismic device made in combination with four broken axis beams of the type illustrated in Figure 1;

la figura 8 ? una rappresentazione dettagliata di una trave ad asse spezzato in cui sono evidenziati la variabilit? della sezione, lo schema di vincolo ed i l diagramma dei m menti flettenti; figure 8? a detailed representation of a beam with a broken axis in which the variability is highlighted? of the section, the constraint diagram and the bending minds diagram;

la figura 9 rappresenta un esempio di applicazione che prevede il raggruppamento di quattro travi ad asse spezzato applicate a due parti distinte della struttura. Figure 9 represents an example of application which provides for the grouping of four beams with a broken axis applied to two distinct parts of the structure.

Come si pu? rilevare dai disegni, nella figura 1 ? rappresentata una trave ad asse spezzato TI presentante due segmenti 1 e 2 che hanno ciascuno al la loro estremit? libera una cerniera C1 rispettivamente C2. How can you? detect from the drawings, in Figure 1? represented a beam with a broken axis T1 having two segments 1 and 2 which each have at their extremity? frees a hinge C1 respectively C2.

Nella figura 2 ? rappresentata una trave ad asse spezzato T2 presentante due segmenti d'estremit? 1,2 niti tra loro da un segmento centrale 3. I due segmenti 1e 2 hanno ciascuno alla loro estremit? libera una cerniera C1, rispettivamente C2. In Figure 2? represented a beam with a broken axis T2 presenting two end segments? 1,2 nite each other by a central segment 3. The two segments 1 and 2 each have at their extremity? free a hinge C1, respectively C2.

Nella figura 3 ? rappresentata una trave T3 ad asse curvilineo le cui estremit? hanno ciascuna una cerniera Cl, rispettivamente C2. In Figure 3? represented a beam T3 with curvilinear axis whose extremities? each have a hinge Cl, respectively C2.

Nella figura ? rappresentata una trave T4 ad uniforme resistenza ad asse curvilineo avente le estremit? incernierate. In the figure ? represented a beam T4 with uniform resistance to curvilinear axis having the extremities? hinged.

In tutti questi casi , la sezione della trave normale rispetto all'asse ? in generale variabile e tale da garantire in ascuna sezione la contemporaneit? della plasticizzazione realizzata imponendo la proporzionalit? del momento plastico di sezione alla distribuzione di momento flettente. In all these cases, the section of the beam is normal with respect to the axis? in general variable and such as to guarantee contemporaneity in each section? plasticization achieved by imposing proportionality? of the plastic section moment to the bending moment distribution.

Nella figura 5 ? rappresentato un dispositivo antisismico che consta di due travi ad asse spezzato T1A e T1B, ciascuna con due segmenti 1 e 2 (come quella rappresentato in figura i'1),'i cui segmenti 2 presentano a ciascuna delle loro estremit? una cerniera C2 e i cui segmenti 1 presentano a ciascuna delle loro estremit? una cerniera Cl. Le cerniere Cl sono vincolate ad una parte della struttura e le cerniere C2 fanno capo ad un elemento fissato all 'altra parte della struttura e che raggruppa le cerniere C2 delle due travi TlA e Tl.B Questo dispositivo realizza un ritegno unidirezionale, nel quale cio? la forza F pu? avere una sola direzione. In Figure 5? represented an anti-seismic device consisting of two broken axis beams T1A and T1B, each with two segments 1 and 2 (like the one represented in figure i'1), whose segments 2 have at each of their ends? a hinge C2 and whose segments 1 have at each of their ends? a zipper Cl. The hinges Cl are constrained to a part of the structure and the hinges C2 refer to an element fixed to the other part of the structure and which groups the hinges C2 of the two beams TlA and Tl.B ? the force F pu? have only one direction.

Nella figura 6 ? rappresentato un dispositivo antisismico che consta di tre travi ad asse spezzato T1A, T1B e TIC, ciascuna con due segmenti 1 e 2 (come quella rappresentato in figura 1), i cui segmenti 1 presentano a ciascuna delle loro estremit? una cerniera C2 e i cui segmenti 1 presentano a ciascuna delle loro estremit? le cerniere CI . Anche qui le cerniere CI sono vincolate ad una parte della struttura e le cerniere C2 fanno capo ad un elemento fissato all'altra parte della struttura e che raggruppa le cerniere C2 delle tre travi T1A,T1B e TIC. In Figure 6? represented an anti-seismic device that consists of three beams with broken axis T1A, T1B and TIC, each with two segments 1 and 2 (like the one represented in figure 1), whose segments 1 have at each of their ends? a hinge C2 and whose segments 1 have at each of their ends? the CI hinges. Here, too, the hinges CI are bound to one part of the structure and the hinges C2 are connected to an element fixed to the other part of the structure and which groups the C2 hinges of the three beams T1A, T1B and TIC.

Nella figura 7 ? rappresentato un dispositivo antisismico che consta di quattro travi ad asse spezzato ???,T1B, TIC e TIP, ciascuna con due segmenti 1 e 2 {come quella rappresentato in figura 1), i cui segmenti 1 presentano a ciascuna delle loro estremit? una cerniera C2 e i cui segmenti 1 presentano a ciascuna delle loro estremit? le cerniere CI. Anche qui le cerniere CI sono vincolate ad una parte della struttura e le cerniere C2 fanno capo ad un elemento fissato all'altra parte della struttura e che raggruppa le cerniere C2 delle quattro travi T1A,T1B, TIC e TIP. In Figure 7? represented an anti-seismic device that consists of four beams with broken axis ???, T1B, TIC and TIP, each with two segments 1 and 2 (like the one represented in figure 1), whose segments 1 have at each of their ends? a hinge C2 and whose segments 1 have at each of their ends? the CI hinges. Here, too, the CI hinges are bound to one part of the structure and the C2 hinges are connected to an element fixed to the other part of the structure and which groups the C2 hinges of the four beams T1A, T1B, TIC and TIP.

n entrambi questi casi si realizza un ritegno multidirezionale in grado direagire ad una forza F passante per il centro del sistema e comunque orentata . Variando opportunaente la geometria delle singole travi si pu? far s? che la forza F che provoca il superamento della soglia plastica vari al variare della direzione. In both these cases, a multidirectional check is realized which is able to react to a force F passing through the center of the system and in any case oriented. By appropriately varying the geometry of the individual beams you can? far s? that the force F that causes the plastic threshold to be exceeded varies as the direction changes.

La figura 8 mostra nella sua parte superiore una trave ad asse spezzato II, co rappresentata chematicamente in figura 1. L'estremit? libera del segmento 1 di questa trave presenta una cerniera CI che ? vincolata ad una parte SI della struttura tramite un appoggio scorrevole A, mentre l'estremit? libera del segmento 2 presenta una cerniera C2 che ? vincolata ad un'altra parte S2 di tale struttura. L'asse spezzato ? indicato con 0 e con b ? indicata la sezione del segmento di trave, la quale varia in funzione della lunghezza L del segmento in modo da avere un diagramma dei momenti flettenti come quello indicato nella parte inferiore della figura 7. Figure 8 shows in its upper part a beam with a broken axis II, chemically represented in figure 1. The end? free of segment 1 of this beam has a hinge CI which? bound to a SI part of the structure by means of a sliding support A, while the extremit? free of segment 2 has a C2 hinge which? bound to another part S2 of this structure. The broken axis? indicated with 0 and with b? the section of the beam segment is indicated, which varies according to the length L of the segment so as to have a diagram of the bending moments like the one indicated in the lower part of figure 7.

La figura 9 mostra un esempio di applicazione deldisp?sitivo antisismico secondo l'invenzione. In questo caso ? rappresentato il dispositivo antisismico della figura 7 formato da quattro travi ad asse spezzato T1A, T1B, TIC e T1D. Come si pu? vedere dalla figura, le cerniere C2A, C2B, C2C e C2D poste alle estremit? dei segmenti 2A,2B,2C e 2D di ogni trave sono vincolate ad una piastra PI che ? collegata ad una parte della struttura, mentre le cerniere CIA, C1B, C1C e ClD poste alle estremit? dei segmenti 1A,1B,?C.e lD di ogni trave sono vincolate a piastre P2, a loro volta vincolate ad un'altra parte della struttura. Figure 9 shows an example of application of the anti-seismic device according to the invention. In this case ? shown the anti-seismic device of figure 7 formed by four broken axis beams T1A, T1B, TIC and T1D. How can you? see from the figure, the hinges C2A, C2B, C2C and C2D placed at the ends? of the segments 2A, 2B, 2C and 2D of each beam are constrained to a plate PI which? connected to a part of the structure, while the CIA, C1B, C1C and ClD hinges placed at the ends? of the segments 1A, 1B,? C and 1D of each beam are constrained to plates P2, in turn constrained to another part of the structure.

Lo schemadi funzionamento ? il seguente. The operating scheme? the following.

Applicando una forza F alla parte di struttura PI alla quale sono vincolate le estremit? delle travi T1A.T1B, TIC e TIP tramite le rispettive cerniere C2A, C2B, C2C e C2D, le signole travi ad asse spezzato sono soggette a momenti flettenti simili a quelli rappresentati in figura 8. By applying a force F to the part of the structure PI to which the ends are constrained? of beams T1A.T1B, TIC and TIP through the respective hinges C2A, C2B, C2C and C2D, the single beams with broken axis are subject to bending moments similar to those shown in figure 8.

Le travi possono essere sollecitate oltre il limite elastico. The beams can be stressed beyond the elastic limit.

Grazie alla disposizione ed alla geometria delle travi si ottengono i seguenti vantaggi: Thanks to the arrangement and geometry of the beams, the following advantages are obtained:

- Poich? le travi sono ad uniforme resistenza si raggiunge la soglia di plasticizzazione contemporaneamente in tutti i punti e ci? consente un'elevata dissipazione di energia, evitando la localizzazione delle deformazioni plastiche che potrebbe causare rotture premature. - Since? the beams have uniform resistance, the plasticization threshold is reached simultaneously in all points and there? allows a high dissipation of energy, avoiding the localization of plastic deformations that could cause premature breakage.

A causa della disposizione simmetrica delle travi, le sollecitazioni indotte dalla forza F risultano antisimmetriche nelle travi disposte da lati opposti rispetto al centro del sistema. In tal modo si compensano gli effetti del secondo ordine che causerebbero variazioni di rigidezza al crescere della deformazione e si ottiene cos? un diagramma carico deformazione oltre il limite di elasti -cit? praticamente costante. Due to the symmetrical arrangement of the beams, the stresses induced by the force F are antisymmetric in the beams arranged on opposite sides with respect to the center of the system. In this way, the effects of the second order are compensated, which would cause variations in stiffness as the deformation increases and we obtain cos? a deformation load diagram beyond the limit of elastic -cit? practically constant.

Bench? l'invenzione sia stata mostrata e descritta solamente in base ad alcune sue forme d'esecuzione preferite, ? evidente che ad esse si potranno apportare tutte quelle varianti e modifiche alla portata degli esperti del ramo senza con ci? uscire dall'ambito dell'invenzione. In particolare, sono possibili altri schemi che sfruttano gli stessi principi di funzionamento, per esempio con l'impiego delle travi ad asse spezzato T2 oppure con l'impiego delle travi ad asse curvilineo T3 e T4. Bench? the invention has been shown and described only on the basis of some of its preferred embodiments,? it is evident that all those variations and modifications within the reach of those skilled in the art can be made to them without thereby get out of the scope of the invention. In particular, other schemes are possible which exploit the same operating principles, for example with the use of the broken axis beams T2 or with the use of the curvilinear axis beams T3 and T4.

Claims

CLAIMS 1) Energy dissipating device, especially suitable for use in structures subject to earthquakes, characterized by the fact that it consists of the association of at least two beams with a broken or curvilinear axis, each of which has at each end? a hinge and the fact that the hinges at the end? of each beam are grouped together and connected to one part of the structure, while the hinges at the other end? of each beam are constrained to another part of the structure so as to force the beams, in case of relative movement of the two structural parts, to deform in the elastoplastic field, thus dissipating? the work of deformation by hysteresis of the material, mainly in the form of heat.

2) Energy dissipating device according to claim 1, characterized in that the broken axis beams are formed by two segments.

3) Energy dissipating device according to claim 1, characterized in that the broken axis beams are formed by three segments.

4) Energy dissipating device according to claim 1 characterized by the fact? consisting of the association of two beams with a broken or curvilinear axis.

5) Energy dissipating device according to claim 1, characterized by the fact that? consisting of the association of three axis or curvilinear beams.

6) Energy dissipating device according to claim 1, characterized by the fact that? constituted by the association of four beams with broken or curved axis.

7) Said energy device according to claim 1, characterized by the fact that the section of the beam taken normally at the axis? variable according to the length of the beam.

8) Energy dissipating device, particularly for use in anti-seismic structures, all as described above and as illustrated in the attached drawings.