ITCT20130018A1 - Isolatore sismico dinamico a scorrimento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE annessa alla domanda di brevetto per invenzione industriale, avente per titolo: “ISOLATORE SISMICO SFERICO DINAMICO A SCORRIMENTO”

L’isolatore sismico ideato si basa su un semplice principio: facilitare lo spostamento orizzontale relativo tra fondazione e struttura portante verticale dell’edificio in modo da non indurre a questa le accelerazioni sismiche orizzontali.

Il dispositivo ideato va interposto, opportunamente ancorato, tra l’estradosso della fondazione in cemento armato e lo spiccato della struttura in elevazione (pilastri, travi o piastra) degli edifici da costruire.

Nei termini usati dalla scienza delle costruzioni, l’isolatore a scorrimento può essere definito come un appoggio semplice a “carrello”, un elemento di discontinuità tra struttura in elevazione e fondazione che consente la trasmissione delle forze verticali ma non i momenti e le forze orizzontali tra cui quelle sismiche.

Rispetto allo stato della tecnica preesistente e agli isolatori a scorrimento esistenti in commercio, quello ideato si differenzia per la semplicità e la facile realizzazione industriale, che si traduce in bassi costi, per l’efficacia della funzione di isolamento, per reversibilità del funzionamento dopo l’evento sismico (non occorre sostituirlo né centrarlo), per la flessibilità d’impiego per tutte le tipologie di strutture in elevazione sia intelaiate in c.a., acciaio, legno, sia di tipo continuo scatolari o in muratura opportunamente irrigidite nel contatto con i dispositivi, e perché sfrutta l’azione sismica per conseguire la massima efficacia di isolamento.

L’isolatore sismico a scorrimento proposto è di tipo sferico, cioè valido per tutte le direzioni dell<’>azione sismica, e dinamico, perché grazie all’azione sismica ottiene la lubrificazione degli elementi a contatto e quindi la massima efficacia di isolamento.

Esso è composto da un contenitore circolare d’acciaio inferiore (1), con bordo a corona, ancorato alla fondazione dell’edificio (4), all’interno del quale sono disposte delle sfere di acciaio inox o al tungsteno (2), di diametro pari all’altezza interna del contenitore, annegate in lubrificante a bassa viscosità (6) tenuto in pressione da apposita pompa (8), e da una piastra circolare d’acciaio superiore (3), opportunamente ancorata tramite costole d’acciaio (10) alle strutture portanti verticali dell’edificio (11). - disegno n.1.

La piastra circolare superiore, semplicemente appoggiata e combaciante alla corona del contenitore inferiore, è libera di scorrere in tutte le direzioni grazie alla interposizione delle sfere ad alta resistenza a compressione - da 4 a 7 -, dimensionate in funzione dei carichi e del massimo spostamento previsto dovuto al sisma; il limite di scorrimento delle sfere è affidato a setti di acciaio incrociati ad una corona (9) saldati alla piastra superiore e ad una fascia elastica in gomma di contrasto (7) disposta lungo la parete interna del contenitore. Sul bordo della corona del contenitore viene disposta una lastra di neoprene (5) per facilitare lo scorrimento con la piastra superiore.

Poiché l’efficacia dell’isolatore sismico a scorrimento si basa sulla riduzione dell’attrito tra le parti a contatto del dispositivo, all’interno dei dispositivi è stato previsto del lubrificante a bassa viscosità tenuto in pressione da apposita pompa; la pressione del lubrificante ha la funzione di ridurre il carico verticale sulle sfere e, in caso di spostamento dovuto al sisma, consente di lubrificare il contatto tra le parti del dispositivo - la corona - in modo da ridurne l’attrito radente orizzontale. L’olio, inoltre, in caso di spostamenti verticali svolge il compito di ammortizzatore verticale, grazie alla decompressione del fluido.

La lubrificazione della corona di appoggio inferiore avviene grazie alla fuoriuscita dell’olio in pressione che viene attivata in modo dinamico dall’azione sismica.

In alcuni casi, per favorire la traslazione orizzontale tra le parti di appoggio del dispositivo, nell’intradosso della piastra inferiore del contenitore vengono incise delle calotte sferiche in cui vengono alloggiate le sfere; in caso di sisma, le sfere scorrono sulle calotte sferiche determinando un lieve spostamento verticale della piastra superiore, così da favorire la fuoriuscita dell’olio in pressione e la lubrificazione delle parti di appoggio in contatto.

Esaurita la scossa sismica, le sfere, ritornando nella posizione originaria per la forza di gravità, riportano l’asse verticale dell’edificio centrato con la relativa fondazione - dispositivo autocentrante.

In altri casi, il sistema di centratura dell’asse verticale della struttura dell’edificio con la fondazione è affidato ad un sistema di ammortizzatori disposti a raggiera contrapposti tra fondazione e pilastro centratore.

Le dimensioni indicate nei disegni sono indicative; il dimensionamento del dispositivo, la pressione e la viscosità del fluido in esso contenuto, il numero delle sfere vanno determinati specificatamente per le sollecitazioni a compressione scaturenti dai calcoli statici delle strutture in elevazione da isolare e in relazione alle accelerazioni e agli spostamenti sismici ipotizzabili. L’isolatore concepito è adatto per tutte le tipologie di strutture in elevazione sia intelaiate in cemento armato tradizionale o prefabbricato, acciaio, legno, sia di tipo continuo scatolari o in muratura opportunamente irrigidite nel contatto con i dispositivi e, per un particolare edificio rotante, costituisce l’attacco della struttura in elevazione con la relativa fondazione. L’isolatore, pur mantenendo lo stesso principio di funzionamento, viene adattato ai vari casi d’impiego di seguito specificati. I disegni illustrano i vari casi d’impiego sia in fase statica (A) che in fase dinamica (B) a seguito dello spostamento (Ss) della fondazione dovuto all’azione sismica (Fs).

1) ISOLATORI PER STRUTTURE INTELAIATE IN CEMENTO ARMATO O DI TIPO SCATOLARE - disegni nn. 2, 3:

Gli isolatori (1a) vengono interposti tra la base dei pilastri (11) della struttura intelaiata in elevazione dell’edificio in c.a. e la relativa fondazione (4). In caso di strutture in elevazione di tipo scatolare o in muratura, gli isolatori vengono disposti allineati al di sotto di una trave in c.a.

0 in acciaio rigida atta ad assorbire i carichi superiori e garantire un appoggio di tipo puntuale con la fondazione.

1 dispositivi sono costituiti da 2 piastre d’acciaio circolari; una ancorata (1) alla fondazione dell’edificio (4) e l’altra (3) alla base del pilastro (11), a contatto lungo i bordi e attraverso 5-7 sfere (2), libere di traslare reciprocamente entro i limiti determinati dagli spostamenti dovuti al sisma.

La riduzione dell’attrito radente delle parti a contatto si ottiene con l’inserimento di una lastra di neoprene (5) e, in modo dinamico attivato dallo spostamento (Ss) causato dall’azione sismica (Fs), con il sollevamento verticale (Sv) della piastra superiore di 1-2 millimetri indotto dallo scorrimento delle sfere su apposite calotte sferiche (12) incise nella piastra inferiore. Con il sollevamento della piastra si ha una fuoriuscita del fluido (6), tenuto in pressione dalla pompa (8), contenuto all’interno degli isolatori che contribuisce alla lubrificazione delle parti a contatto. La centratura della struttura dopo l’azione sismica avviene grazie alla forza di gravità che spinge le sfere a scorrere lungo le calotte semisferiche incise nell’estradosso della piastra fino alla posizione centrale originaria di equilibrio.

2) ISOLATORI PER STRUTTURE IN ACCIAIO E IN LEGNO - disegni nn. 4. 5. 6. 7, 8. 9. 10: l’isolamento sismico può essere ottenuto con o senza sollevamento dinamico,

a) Il sistema di isolamento senza sollevamento prevede la disposizione di isolatori a semplice scorrimento (1a) abbinati a uno o più isolatori centratori (1b), disposti in modo da non indurre rotazione alla struttura in elevazione.

L’isolatore a semplice scorrimento (1a) è dotato di 4 sfere libere di scorrere dentro il contenitore; il limite di scorrimento è affidato ad una corona con setti di acciaio (9) e ad una fascia elastica in gomma (7) di contrasto disposta lungo la parete interna del contenitore. Per ridurre le forze di attrito, radente e volvente, parte del carico verticale viene fatto assorbire al lubrificante (6), tenuto a pressione costante da una apposita pompa (8), in modo da ridurre la pressione sulle sfere e sulla corona di contatto del dispositivo su cui viene disposta una lastra di neoprene (5) - disegno n.4.

L’isolatore sismico centratore (1 b), disposto alla base del pilastro (11) circolare centrale dell’edificio, è simile al precedente ma è dotato di sistema di centratura costituito da 8 ammortizzatori (13), disposti a raggiera di contrasto tra fondazione (4) e pilastro centrale (11), che svolgono il compito di smorzare le accelerazioni e limitare lo spostamento orizzontale (Ss) della struttura in elevazione e di riportarla, a sisma esaurito, in posizione centrata rispetto alla relativa fondazione - disegno n.5.

Nel caso di pilastro centrale non portante, scarico da carichi verticali, l’isolatore centratore (1b) può essere privato delle sfere e delle parti a contatto per svolgere la funzione di centratore e di ammortizzatore sismico oleodinamico, con olio in pressione (6) che funge da riduttore degli spostamenti orizzontali e verticali - disegno n.6.

b) Il sistema di isolamento con sollevamento dinamico prevede la disposizione di isolatori autocentranti (1a) simili a quelli trattati per le strutture in c.a. - disegno n.7. a cui possono essere abbinati uno o più isolatori centratori (1 b), disposti in modo da non indurre rotazione alla struttura, analoghi a quelli trattati nel punto a) - disegno n.8.

Per esempio viene illustrato il caso di una struttura di tipo radiale con pilastro centrale baricentro geometrico e delle masse, in cui viene adottato un sistema di isolamento articolato composto da disegni nn.9, 10.

3) ISOLATORI PER STRUTTURA IN ACCIAIO ROTANTE:

trattasi di una soluzione specifica di appoggio della struttura portante in acciaio di un edificio rotante rispetto ad un asse verticale centrale - disegni nn.13, 14.

L’attacco struttura/fondazione viene risolto con due sistemi di isolatori a scorrimento:

a) isolatore sismico centrale (1b), disposto alla base del pilastro circolare centrale (11) dell’edificio, costituito da un sistema composto da 7 sfere in acciaio interposte tra 2 piastre d’acciaio circolari a contatto lungo i bordi, libere di ruotare e traslare reciprocamente entro i limiti del massimo spostamento dovuto al sisma (Ss), e dotato di centratura costituito da 8 ammortizzatori (13) disposti a raggiera di contrasto tra fondazione (4) e pilastro centrale (11) -disegno n.11 :

b) isolatori sismici periferici (1a), disposti alla base dei pilastri della struttura verticale portante dell’edificio, costituiti ognuno da 5 sfere interposte tra 2 piastre d’acciaio a corona circolare a contatto lungo i bordi, libere di ruotare e traslare reciprocamente entro i limiti del massimo spostamento dovuto al sisma (Ss) - disegno n.12.

La lubrificazione delle parti a contatto delle piastre inferiori e superiori degli isolatori viene attivata regolarmente con lo spostamento rotante dovuto ad un motore elettrico (14) ma anche eccezionalmente con quello sismico attraverso piccole scalanature radiali (15) incise nelle piastre inferiori, grazie alla pressione dell’olio contenuto all’interno degli isolatori regolata da apposite pompe.

Le centratura delle sfere viene garantita da apposite calotte semisferiche (16) incise nell’intradosso delle piastre superiori degli isolatori.

Claims (7)

1. “ISOLATORE SISMICO SFERICO DINAMICO A SCORRIMENTO” RIVENDICAZIONI 1. Isolatore sismico sferico dinamico a scorrimento, costituito da un contenitore circolare d’acciaio inferiore (1), con bordo a corona su cui è disposta una lastra di neoprene (5), ancorato alla fondazione dell’edificio (4), all’interno del quale sono disposte delle sfere di acciaio inox o al tungsteno (2), di diametro pari all’altezza interna del contenitore, annegate in lubrificante a bassa viscosità (6) tenuto in pressione da apposita pompa (8), e da una piastra circolare d’acciaio superiore (3), appoggiata e combaciante alla corona del contenitore inferiore, ma ancorata tramite costole d’acciaio (10) alle strutture portanti verticali dell’edificio (11), caratterizzato dal fatto che dinamicamente in forza dell’azione sismica (Fs) le sfere consentono il libero scorrimento (Ss) reciproco degli elementi inferiore e superiore del dispositivo lubrificati grazie alla fuoriuscita dell’olio in pressione, seppur entro limiti definiti da setti di acciaio incrociati ad una corona (9) saldati nell’intradosso della piastra superiore e ad una fascia elastica in gomma di contrasto (7) disposta lungo la parete interna del contenitore.
2. 2. Isolatore sismico sferico dinamico a scorrimento secondo la rivendicazione n.1 , provvisto di auto centratura realizzata tramite calotte semisferiche (12) incise nell’intradosso della piastra inferiore del contenitore (1), in cui vengono alloggiate le sfere, che, in caso di azione sismica (Fs), scorrendo su dette superfici concave determinano un lieve sollevamento verticale (Sv) della piastra superiore (3), così da favorire la fuoriuscita dell’olio in pressione e la lubrificazione delle parti di appoggio in contatto, e che, ad azione sismica esaurita, ritornano per gravità nella posizione statica originaria.
3. 3. Isolatore sismico sferico dinamico a scorrimento secondo la rivendicazione n.1 , provvisto di sistema di centratura indiretta (1 b), realizzata con un sistema di ammortizzatori (13) disposti a raggiera contrapposti tra fondazione (4) e pilastro centratore (11) che smorzano le accelerazioni e consentono, ad azione sismica esaurita, il ritorno della struttura in elevazione dell’edificio nella posizione statica originaria.
4. 4. Isolatore sismico sferico dinamico a scorrimento secondo la rivendicazione n.1 , provvisto di auto centratura secondo la rivendicazione n.2 e di centratura indiretta secondo la rivendicazione n.3, adatto a svolgere la funzione di centratore (1b).
5. 5. Isolatore sismico dinamico secondo la rivendicazione n.3, privo delle sfere e delle parti a contatto, adatto a svolgere la funzione di centratore (dis.n.6-1b) e di ammortizzatore sismico oleodinamico, con olio in pressione (6) che funge da riduttore degli spostamenti orizzontali e verticali.
6. 6. Sistema di isolamento sismico di strutture edilizie di qualsiasi genere realizzato tramite l'inserimento combinato di isolatori sismici sferici dinamici a scorrimento periferici (dis.n.7,9,10 -1a) secondo le rivendicazioni n.1 e n.2 e di isolatori centratori (dis.n.8,9,10 -1b) provvisti di centratura indiretta secondo le rivendicazioni nn.3, 4, 5.
7. 7. Sistema di isolamento sismico di struttura edilizia rotante in acciaio realizzato tramite l'inserimento combinato di isolatori centratori (dis.n.11 , 13, 14-1 b) provvisti di centratura indiretta secondo le rivendicazioni n.3, 4, 5 e di isolatori sismici sferici dinamici a scorrimento periferici (dis.n.12, 13, 14-1 a), costituiti ognuno da 5 sfere interposte tra 2 piastre d’acciaio a corona circolare a contatto lungo i bordi, lubrificati regolarmente con lo spostamento rotante ma anche eccezionalmente con quello sismico attraverso piccole scalanature radiali (15) incise nelle piastre inferiori, grazie alla pressione dell’olio contenuto all'interno degli isolatori regolata da incise nell’intradosso delle piastre superiori degli isolatori "SEISMIC ISOLATOR SPHERICAL DYNAMIC AT SCROLLING" CLAIMS 1. seismic isolator spherical dynamic at scrolling, consisting of a steel circular container bottom (1), with edge at crown on which is disposed a sheet of neoprene (5), anchored to the foundation of the building (4), inside which are arranged some spheres of stainless steel or tungsten (2) of diameter equal to the internal height of the container, drowned in low viscosity lubricant (6) kept under pressure by a suitable pump (8), and of a steel circular plate upper (3), fits together and resting on the crown of the bottom container, but anchored by steel ribs (10) to the vertical bearing structures of the building (11), characterized in that dynamically by virtue of the seismic action (Fs) the spheres permit the reciprocal free sliding (Ss) of the bottom and upper elements of the device lubricated through the outflow of the oil in pressure, within the limits defined by steel septa crossing to a crown (9) welded in soffit of the upper plate and by a elastic rubber band contrast (7) disposed along the inside wall of the container. 2. seismic isolator spherical dynamic at scrolling according to claim 1, provided with self centering realized by spherical caps (12) incised in the intrados of the bottom plate of the container (1) , in which are accommodated the spheres, which , in case of seismic action (Fs) by scrolling on said concave surfaces determine a slight vertical lift (Sv) of the upper plate (3) , so as to facilitate the escape of the pressurized oil and the lubrication of the support parts in contact, and that, to seismic action exhausted, they return by gravity into the original static position. 3. seismic isolator spherical dynamic at scrolling according to claim 1, provided with indirect centering system (1b), made with a damper system (13) arranged radially opposite each foundation (4) and centering pillar (11) that dampen the accelerations and allow, at seismic action exhausted, the return of the elevated structure of the building in the original static position. 4. seismic isolator spherical dynamic at scrolling according to claim 1, provided with self centering according to claim 2 and centering indirect according to claim 3, suitable to perform the function of centering (1b). 5. dynamic seismic isolator according to claim 3, devoid of the spheres and the parts in contact, suitable to perform the function of centering (dis.n.6 -1b) and seismic hydraulic shock absorber, with oil under pressure (6) which acts as reduction of the horizontal and vertical shifts. 6. seismic isolation system of building structures of any kind realized through the insertion combined of seismic isolators spherical dynamic at scrolling peripheral (dis.n.7,9,10 -1a) according to claims 1 and 2 and of isolators centering (dis.n.8,9,10 -1b) provided with centering indirect according to claims 3, 4, 5. 7. seismic isolation system of the building structure steel rotating realized through the insertion combined of insulators centering (dis.n.11,13,14-1b) provided with indiret centering according to claims 3, 4, 5 and of seismic isolators spherical dynamic at scrolling peripheral (dis.n.12,13,14-1a) , each consisting of 5 balls interposed between two steel plates in a circular crown in contact along the edges, regularly lubricated with the shift but also exceptionally with the seismic shift through small radial grooves (15) incised in the bottom plates, thanks to the pressure of the oil contained inside the isolators regulated by special pumps, and with centering of the spheres guaranteed by specific spherical caps (16) incised in the soffit of the upper plates of the insulators.