IT9009478A1

IT9009478A1 - Apparecchiatura dissipativa per strutture antisismiche

Info

Publication number: IT9009478A1
Application number: IT009478A
Authority: IT
Inventors: Marco Carcassi
Original assignee: Marco Carcassi
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-03-01
Also published as: IT9009478A0; EP0477144A1; IT1241781B

Description

APPARECCHIATURA DISSIPATIVA PER STRUTTURE ANTISISMICHE

DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda un dispositivo dissipatore per la riduzione della risposta sismica di una struttura, del tipo comprendente mezzi per ancorare il dispositivo alla struttura ed un organo atto a deformarsi plasticamente dissipando energia quando la struttura è soggetta ad elevate sollecitazioni di tipo sismico od analogo.

Come è noto, per incrementare la resistenza antisismica di strutture civili come ponti, centrali termoelettriche e simili si usa introdurre, in alcuni punti caratteristici della struttura portante, speciali apparecchiature capaci di dissipare energia. Queste apparecchiature dissipatrici (note anche come elementi A-DAS = Added Damping And Stiffness) costituiscono in sostanza cerniere plastiche che, in occasione di forti scosse di terremoto, si deformano plasticamente. La deformazione plastica dell'apparecchiatura dissipa energià salvaguardando la struttura dai danni che e seguirebbero se essa fosse soggetta alla stessa sollecitazione sismica in presenza di una struttura rigida od elastica e limitando ad un valore prefissato la forza trasmessa tra le due porzioni di struttura collegate dall1apparecchiatura.

Le apparecchiature dissipative di tipo noto comprendono un organo, in generale in acciaio, ancorato a due elementi di struttura e destinato a deformarsi dapprima in campo elastico e poi in campo plastico riducendo gli spostamenti e quindi le sollecitazioni della struttura a cui sono applicati. Tra i requisiti richiesti a queste apparecchiature, di particolare rilievo è il cosiddetto rendimento dissipativo. Tale rendimento viene incrementato riducendo al massimo la deformazione elastica dell'organo deformabile a vantaggio della deformazione plastica dello stesso; ciò in quanto la deformazione elastica non dà dissipazione di energia e risulta, quindi, non utile ai fini della protezione della struttura in occasione di forti scosse sismiche.

I normali apparecchi dissipativi presentano un rendimento dissipativo attorno al 60-70%. Esistono altri elementi dissipativi, impieganti masse di piombo che vengono deformate per trafilamento, che consentono rendimenti più alti. Tuttavia, questi dispositivi si sono dimostrati poco affidabili e di difficile manutenzione.

Forma oggetto del trovato un dispositivo dissipatore del tipo sopra menzionato che consenta di ottenere un elevato rendimento dissipativo, una facile manutenzione ed un dimensionamento particolarmente sicuro e preciso.

Questi ed altri scopi e vantaggi, che appariranno chiari agli esperti dalla lettura del testo che segue, sono,ottenuti sostanzialmente con un dispositivo del tipo menzionato, caratterizzato dal fatto che l'organo deformabile è un organo tubolare mobile all'interno di un'intercapedine formata da un maschio e da una femmina. Detta intercapedine presenta almeno una sezione in cui l'organo tubolare subisce una deformazione plastica in senso radiale. Ad ogni movimento dell'organo tubolare (che può essere realizzato in acciaio inossidabile od altro materiale idoneo) entro l'intercapedine definita dagli elementi a maschio e femmina, detto organo subisce una deformazione radiale, interamente in campo plastico. La deformazione è reversibile e dà luogo ad un ciclo di isteresi di caratteristiche ottimali per l'impiego in strutture antisismiche, cioè un ciclo di isteresi che si avvicina ad un rettangolo.

Ulteriori vantaggiose forme di realizzazione del dispositivo secondo il trovato sono indicate nelle allegate rivendicazioni dipendenti.

Il trovato verrà meglio compreso seguendo la descrizione e l'unito disegno, il quale mostra una pratica esemplificazione non limitativa del trovato stesso. Nel disegno: la

Fig.l mostra un diagramma schematico ed esemplificativo del comportamento di un dispositivo dissipatore; la

Fig.2 mostra una vista laterale e parziale sezione di un dispositivo secondo il trovato; la

Fig.3 mostra un particolare ingrandito della zona di deformazione del dispositivo di Fig.2; la

Fig.4 mostra una disposizione di dispositivi dissipatori secondo il trovato particolarmente idonea all'applicazione su ponti; e la

Fig.5 mostra un dispositivo perfezionato.

In Fig.l è mostrato molto schematicamente un esempio di diagramma riproducente le caratteristiche di un dispositivo dissipatore. Nel diagramma sono riportati sulle ascisse gli spostamenti S imposti al dispositivo e sulle ordinate le forze F trasmesse dal dispositivo stesso. Le due curve, indicate con A e B corrispondono al comportamento di dispositivi dissipatori di tipo noto aventi diverse caratteristiche meccaniche. Con I è indicato il rettangolo ideale avente per lati lo spostamento massimo Smax e la forza massima Fmax. Si definisce rendimento dissipativo di un dispositivo del tipo in esame il rapporto tra l'area racchiusa dalla curva (A o B) rappresentante il comportamento del dispositivo reale e l'area racchiusa dal rettangolo ideale I. Tali aree rappresentano le energie dissipate dal dispositivo reale e da un dispositivo ideale rispettivamente. Poiché, come risulta dal diagramma schematico di Fig.l, un dispositivo reale di tipo tradizionale presenta un comportamento elasto-plastico e non interamente plastico, il rendimento sopra definito è notevolmente inferiore al 100%.

Il dispositivo dissipatore secondo l'invenzione è illustrato nelle Figg.2 e 3. Esso comprende un elemento tubolare o femmina 1 di spessore relativamente elevato per conferire resistenza radiale. Coassialmente ed internamente all'elemento femmina 1 si estende una spina o maschio 3 solidalmente vincolato in 5 alla femmina 1 stessa. Tra la femmina 1 ed il maschio 3 viene così definita un'intercapedine 7 entro cui si sviluppa un organo tubolare 9, che costituisce l'organo dissipatore vero e proprio, cioè l'organo destinato a subire la deformazione plastica.

La spina o maschio 3 presenta una porzione 11 con una sezione di minore diametro ed una porzione 13 di maggiore diametro terminante con una porzione a superficie troncoconica 15 e raccordata alla porzione 11 di minore diametro con un'ulteriore porzione a superficie troncoconica 17. In corrispondenza delle superfici troncoconiche 15 e 17 l'elemento femmina 1 presenta due corrispondenti superfici troncoconiche 19, 21 rispettivamente, le quali raccordano una porzione 23 di maggiore diametro della superficie interna della femmina 1 alla restante superficie interna della femmina 1 stessa.

Le superfici troncoconiche 15, 17, 19, 21 definiscono così una sezione dell'intercapedine 7 entro cui l'organo tubolare 9 viene deformato radialmente. Più in particolare, come risulta dall'ingrandimento di Fig.3, l'organo tubolare è deformato radialmente in modo da presentare tra le superfici troncoconiche 15, 19 e 17, 21 una sezione trasversale maggiore.

Al maschio 3 è vincolato un elemento di cerniera 25 che serve a vincolare il complesso maschio-femmina 1,3 alla struttura in cui viene inserito il dispositivo, genericamente indicata con S. All'organo tubolare 9 è vincolato, all'estremo esterno all'intercapedine 7, un manicotto filettato 27 in cui viene avvitato un elemento di cerniera 25' di tipo analogo all'elemento di cerniera 25, per vincolare l'organo tubolare 9 ad un punto S4 della struttura.

L'organo tubolare 9 ed il complesso maschio-femmina 1,3 vengono resi solidali a due distinti punti della struttura S, formando tra detti due punti una cerniera plastica. Quando la struttura viene sollecitata da un forte sisma, i due punti collegati dal dispositivo sopra descritto si possono muovere l'uno rispetto all'altro a causa dello spostamento dell'organo tubolare 9 nell'intercapedine 7. Questo movimento relativo è possibile solo quando la sollecitazione esercitata sul dispositivo supera un certo valore predeterminato e funzione, oltre che della dimensione e delle caratteristiche meccaniche dell'organo tubolare 9, anche dell'inclinazione delle superflci troncoconiche 15, 17, 19, 21. Fino a che la sollecitazione non raggiunge detto valore predeterminato, il dispositivo rimane rigido. Quando, viceversa, la sollecitazione raggiunge il valore di soglia, si ha uno scorrimento dell'organo tubolare 9 entro l'intercapedine 7 con contemporanea deformazione plastica dell'organo tubolare stesso tra le superfici 15, 19 e le superfici 17, 21. Più in particolare, se il movimento relativo comporta un inserimento dell'organo tubolare 9 nell'intercapedine 7, ciascuna sezione dell'organo tubolare - quando penetra nella zona definita dalle superfici 15, 17, 19, 21 - subisce una prima deformazione plastica di allargamento radiale della sezione provocata dalla superficie troncoconica 15 del maschio 3, ed una seconda deformazione plastica di restringimento provocata dalla superficie troncoconica 21 della femmina 1. Viceversa, quando l'organo tubolare 9 viene sollecitato ad uscire dall'intercapedine 7, ciascuna sezione viene dapprima allargata dalla superficie troncoconica 17 del maschio e quindi restrinta dalla superficie troncoconica 19 della femmina.

Allo scopo di facilitare la deformazione dell'organo tubolare 9, la zona di contatto tra la superficie interna dell'organo tubolare 9 e la superficie 15 può essere leggermente sfalsata in direzione assiale rispetto alla zona di contatto tra la superficie troncoconica 19 e la superficie esterna dell'organo tubolare stesso. In questo modo, quando l'organo tubolare 9 penetra nell'intercapedine 7, la sezione che viene deformata per contatto con la superficie troncoconica 15, è libera di allargarsi radialmente, in quanto non è in contatto con la corrispondente superficie 19 della femmina. Lo stesso accade tra le superfici 17 e 21. Questa situazione è chiaramente illustrata nell'ingrandimento di Fig.3.

In Fig.4 è mostrata una vista in pianta di una disposizione di dispositivi secondo il trovato, particolarmente idonea per un ponte. Con 31 è indicata la superficie superiore di una pila su cui poggia l'impalcato del ponte (non mostrato). Nella pila 31 è ricavata una sede cilindrica 33 in cui vengono alloggiati una pluralità di dispositivi dissipatori, genericamente indicati con 35, i quali sono disposti a raggiera attorno ad un anello metallico 37. L'anello 37 è vincolato all'impalcato tramite un perno 39. Ciascun dispositivo 35 è vincolato tramite cerniere ad un estremo all'anello 37 ed all'altro estremo alla pila. Questa disposizione consente di ottenere lo stesso comportamento dinamico in tutte le direzioni. Viceversa, con un'opportuna scelta dei parametri di resistenza dei vari dispositivi 35, si può ottenere una risposta diversa nelle varie direzioni.

Il dispositivo secondo il trovato può essere ulteriormente perfezionato disponendo in serie più organi tubolari con diverse resistenze. In Fig.5 è illustrata una realizzazione di questo tipo, con tre organi tubolari 9A, 9B, 9C disposti in corrispondenti intercapedini 7A, 7B, 7C definite da elementi femmina 1A, 1B, 1C e corrispondenti maschi 3A, 3B, 3C. Viene così creato un dispositivo in tre sezioni A, B, C. La sezione centrale A presenta una resistenza minore così che in caso di sisma di piccola entità sarà solo questa sezione a deformarsi, fornendo alla struttura un comportamento plastico dissipativo anche in presenza di sollecitazioni ridotte. Quando la sollecitazione sismica è maggiore e l'organo tubolare 9B ha subito una completa deformazione, definita da appositi fine corsa 41, 43, 45, 47 entrano in azione gli organi tubolari 9A, 9C che si deformano plasticamente per forze maggiori. Si ottiene così un dispositivo dissipatore a comportamento graduale idoneo a proteggere la struttura da sismi di diversa entità. Le differenti resistenze delle sezioni A, B, C del dispositivo di Fig.5 possono essere ottenute intervenendo sia sulle dimensioni dei rispettivi organi tubolari deformabili 9A, 9B, 9C, sia (in alternativa od in combinazione) sull'inclinazione delle superfici troncoconiche all'interno delle rispettive intercapedini.

In una forma di realizzazione perfezionata dell'invenzione, l'organo tubolare 9 può presentare una caratteristica meccanica variabile longitudinalmente. Ad esempio, esso può presentare uno spessore variabile in modo continuo o discreto da una sezione intermedia verso gli estremi. Se la sezione intermedia è di spessore minore e gli estremi sono di spessore maggiore, la resistenza alla deformazione aumenta con l'aumentare della deformazione. Viceversa, se lo spessore maggiore è in corrispondenza della sezione intermedia, la resistenza alla deformazione (e quindi la forza trasmessa dal dispositivo tra le due porzioni di struttura collegate dal dispositivo stesso) diminuisce con l'aumentare dell'entità della deformazione. Con opportuno dimensionamento dello spessore dell'organo tubolare si possono ottenere così diverse caratteristiche meccaniche del dispositivo, a seconda delle più svariate esigenze di impiego.

E' inteso che il disegno non mostra che una esemplificazione data solo quale dimostrazione pratica del trovato, potendo esso trovato variare nelle forme e disposizioni senza peraltro uscire dall'ambito del concetto che informa il trovato stesso. L'eventuale presenza di numeri di riferimento nelle rivendicazioni accluse ha lo scopo di facilitare la lettura delle rivendicazioni con riferimento alla descrizione ed al disegno, e non limita l'ambito della protezione rappresentata dalle rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo dissipatore per la riduzione della risposta sismica di una struttura, comprendente mezzi (25, 27) per ancorare detto dispositivo a due punti di una struttura (S), ed un organo (9; 9A, 9B, 9C) atto a deformarsi plasticamente dissipando energia quando la struttura è soggetta a sollecitazioni di tipo sismico od analogo, caratterizzato dal fatto che detto organo è un organo tubolare mobile all'interno di un'intercapedine (7; 7A, 7B, 7C) formata da un maschio o spina (3; 3A, 3B, 3C) e da una femmina (1; 1A, 1B, 1C), detta intercapedine presentando almeno una sezione in cui detto organo tubolare subisce una deformazione plastica radiale.
2. Dispositivo come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta intercapedine presenta due sezioni consecutive in cui l'organo radiale subisce due deformazioni plastiche radiali opposte.
3. Dispositivo come da rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che l'elemento tubolare (9) è solidale a mezzi (27) per l'ancoraggio del dispositivo alla struttura.
4. Dispositivo come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto maschio (3; 3A, 3C) e detta femmina (1; 1A, 1C) sono tra loro solidali e vincolati a mezzi (25) per l'ancoraggio del dispositivo alla struttura.
5. Dispositivo come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto maschio (3; 3A; 3B; 3C) presenta almeno una superficie troncoconica (15; 17) cooperante con almeno una corrispondente superficie troncoconica (19; 21) della femmina (1; 1A; 1B; 1C) per deformare l'organo tubolare (9; 9A; 9B; 9C).
6. Dispositivo come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la superficie troncoconica (15; 17) del maschio (3; 3A; 3B; 3C) e la corrispondente superficie troncoconica (19; 21) della femmina (1; 1A; 1B; 1C) sono tra loro sfalsate assialmente, in modo tale che l'area di contatto tra l'organo tubolare (9; 9A; 9B; 9C) e la superficie troncoconica (15; 17) del maschio (3; 3A; 3B; 3C) è assialmente sfalsata rispetto all'area di contatto tra l'organo tubolare (9; 9A; 9B; 9C) e la corrispondente superficie troncoconica (19; 21) della femmina (1; 1A; 1B; 1C).
7. Dispositivo come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto organo tubolare (9; 9A; 9B; 9C) presenta una resistenza meccanica variabile lungo lo sviluppo assiale dell'organo stesso.
8. Dispositivo come da rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto organo tubolare (9; 9A; 9B; 9C) presenta una parete di spessore variabile lungo lo sviluppo assiale dell'organo stesso.
9. Dispositivo come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due organi tubolari (9A, 9B, 9C) scorrevoli in almeno due corrispondenti intercapedini (7A; 7B; 7C) definite da corrispondenti maschi (3A, 3B, 3C) e femmine (1A, 1B, 1C), detti organi tubolari presentando diversa resistenza alla deformazione.
10. Una struttura civile antisismica caratterizzata dal fatto di comprendere almeno una cerniera plastica incorporante un dispositivo come da una o più delle rivendicazioni 1 a 9.
11. Apparecchiatura dissipativa per strutture antisismiche; il tutto come descritto e rappresentato per esemplificazione nell'annesso disegno.