ITME20130010A1 - Dissipatori di onde sismiche basati su risonatori interni - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

DISSIPATORI DI ONDE SISMICHE BASATI SU RISONATORI INTERNI

L'invenzione proposta ha applicazione nel campo della protezione di strutture da eventi sismici. Allo stato dell'arte, gli strumenti disponibili nella progettazione di strutture in zona simica sono classificati in due categorie: (i) dissipatori sismici e (ii) isolatori sismici. L'utilizzo di sistemi dissipativi (sistemi meccanici ad isteresi) permette di localizzare in appositi elementi, inseriti direttamente nella struttura da proteggere, la dissipazione dell'energia trasmessa da un evento sismico evitando il danneggiamento strutturale. Dall'altro lato, la concentrazioni delle deformazioni plastiche in elementi aggiuntivi alla struttura stessa comportano, in seguito all'evento sismico, la presenza di deformazioni residue con i seguenti effetti sfavorevoli:

• aumento della vulnerabilità della struttura nei confronti di successivi eventi sismici;

• modifica della risposta sismica della struttura rispetto a quella progettata, introducendo la nascita di effetti del secondo ordine;

• difficoltà di interventi manutentivi ed eventualmente di sostituzione degli elementi dissipativi stessi.

L'isolamento sismico consiste nell'interposizione tra la fondazione e la sovrastruttura di un sistema formato da isolatori sismici che danno origine ad un aumento del periodo di oscillazione proprio del sistema strutturale, diminuendo l'entità dell'energia sismica trasmessa all'edificio. Tuttavia, lo svantaggio principale dell'isolamento sismico è l'inefficienza in presenza di strutture con periodo principale di vibrazione alto (numero elevato di piani) e terreno di fondazione dalle scarse caratteristiche di rigidezza (ad esempio argille).

In questo brevetto si propone una nuova categoria di dissipatori sismici che non presentano né gli svantaggi dei dissipatori presenti in mercato né tantomeno gli svantaggi dell'isolamento sismico.

I dissipatori sismici oggetto del presente brevetto sono costituiti da una struttura periodica continua formata da una matrice tridimensionale di strutture composite. La base della matrice è formata da un materiale "MAT1" (es. calcestruzzo) che presenta delle inclusioni, progettate opportunamente, con all'interno una massa formata da materiale "MAT2" (es. acciaio) libera di muoversi su una curva tridimensionale.

Una rappresentazione schematica 2d della cella base può essere osservata nel Disegno 1-a dove la massa interna è rappresentata da una sfera. Il DISEGNO 1-b mostra invece la matrice di base in 3d, la curva tridimensionale sottostante la sfera consente che il suo movimento risponda ad una sollecitazione sismica (relativamente le onde Secondarie o di taglio) indipendentemente dalla sua direzione nel piano. La matrice è creata in seguito all'assemblaggio di diverse celle elementari disposte periodicamente. Un esempio di sistema completo che include solo una sezione dei dissipatori oggetto della presente invenzione è mostrato nel DISEGNO 1-c.

L'estensione nel piano identifica la regione protetta dalle onde sismiche (si dispongono al di sotto del piano di fondazione considerando un'estensione che includa l'impronta in pianta dell'edificio da proteggere) mentre l'estensione in direzione perpendicolare al piano rappresenta il vero e proprio sistema che funge da dissipatore per le onde sismiche. Le componenti frequenziali delle onde di taglio maggiormente attenuate sono quelle a frequenza pari circa la frequenza di risonanza delle masse interne.

Ad esempio, il sistema rappresentato nel DISEGNO 1-c si può realizzare molto facilmente mediante la sovrapposizione di più piastre in calcestruzzo, vincolate tra loro tramite barre filettate con bulloni, che presentano al loro interno delle inclusioni che ospitano delle sfere in acciaio. Le traiettorie su cui si muovono le sfere si possono realizzare tramite formatura del calcestruzzo prima del processo di indurimento o mediante fresatura.

Il principio di funzionamento di tale invenzione si basa sulla teoria di propagazione delle onde in un materiale realizzato con strutture periodiche, all'interno del quale alcune componenti in frequenza del segnale hanno un carattere evanescente e non si propagano. La validità di tale teoria è soddisfatta se la lunghezza d'onda della perturbazione è molto maggiore della dimensione massima delle strutture interne che compongono il dissipatore. Questa condizione è sempre soddisfatta in presenza di un input sismico in quanto le lunghezze d'onda tipiche variano da un minimo di 10 m ad un massimo di 30 km mentre le dimensione massime delle strutture interne hanno dimensioni molto minori.

Dall'equazioni del moto di un sistema discreto monodimensionale,che riproduce un materiale che presenta al suo interno delle strutture periodiche, si ottiene la seguente equazione di dispersione di 4° grado in co

mjmJ'coA -i(mjb2 b2mi)coi -U2(mJ mJ) 2klm'(l-cos(qL)) 2b2(l-cos(qL)))co2

(1)

2ik]b2(\ -cos(qL))ù) 2kxk2{\ -cos(qL)) = 0

dove

i è l'unità immaginaria

co è la pulsazione (rad/sec)

q è il numero d'onda (rad/m)

L è la distanza tra le strutture periodiche (m)

mi è la massa del materiale esterno (kg)

ni2 è la massa del materiale interno (kg)

ki è la rigidezza assiale del materiale esterno (N/m)

k2 è la rigidezza assiale del materiale interno (N/m)

b2 è il coefficiente di smorzamento viscoso del materiale interno (Ns/m)

L'equazione (1) presenta due biforcazioni definite come ramo acustico e ottico. Tra i due rami vi è una zona detta "Band Gap" dove le pulsazioni sono associate a numeri d'onda infiniti. All'interno del "Band Gap" le vibrazioni si attenuano secondo la seguente legge esponenziale del tipo e~"p con n pari al numero di strutture interne attraversate, mentre β è un coefficiente di attenuazione che tende all'infinito quando la struttura interna è in condizioni di risonanza.

Dunque l'attenuazione spaziale dei dissipatori è tanta maggiore quando più le sfere interne si trovano in condizioni di risonanza.

Le traiettorie curvilinee su cui si muovono le sfere possono essere di diversi tipi, ad esempio: -sferica, se le oscillazione a cui sono soggette le sfere sono piccole

-cicloidale tridimensionale, se le oscillazione a cui sono soggette le sfere sono grandi.

Nei casi specifici di cui sopra, la scelta di tali curve permette di avere un sistema con pulsazione proprie interne indipendenti dall'ampiezza delle oscillazioni.

Modificando opportunamente i parametri geometrici delle suddette curve è possibile modificare la frequenze di risonanza del sistema e quindi è possibile attenuare la componenti in frequenza del segnale sismico di maggior interesse.

Ad esempio si potrebbe definire la frequenza di risonanza della struttura interna pari alla frequenza di risonanza di un deposito di terreno per limitare gli effetti di amplificazione sismica locale, oppure si potrebbe porre pari alla frequenza dei modi principali della struttura per attenuare l'entità delle sollecitazione causate dal sisma.

L'efficienza nell'attenuare l'ampiezza di un segnale sismico è stata valutata sia con l'ausilio di soluzioni analitiche di modelli monodimensionali sia con simulazioni numeriche mediante il metodo degli elementi finiti. Di seguito si propone un esempio.

Si supponga, di dover progettare un dissipatore basato su risonatori interni per attenuare gli effetti di amplificazioni sismica locale dovuti alla presenza di un banco di terreno dalle scarse caratteristiche di rigidezza.

Il deposito in oggetto possiede una pulsazione propria di 10,2 rad/sec in corrispondenza della quale si ha la massima amplificazione locale (DISEGNO 2-curva a).

Si posiziona alla sommità del banco di terreno un dissipatore realizzato con calcestruzzo che presenta al suo interno delle sfere in acciaio poste su traiettorie cicloidali. Il numero dei risonatori interni è di 100 in 1 m3 di calcestruzzo moderatamente alleggerito (25 disposti su4 file). I risonatori interni presentano una pulsazione propria di ω 0 =10.2 rad/s.

La curva b del DISEGNO 2 rappresenta la funzione di amplificazione ottenuta in presenza dei dissipatori e in assenza di smorzamento della massa interna; si nota che in corrispondenza di &>0=10.2 rad/s, la funzione di amplificazione assume valori minori dell'unità. L'introduzione di smorzamento nelle masse interne (DISEGNO 2-curva e 100 Ns/m, curva d 200 Ns/m e curva e 500 Ns/m) permette di ottenere un abbattimento della funzione di amplificazione in un range di pulsazioni più ampio.

Infine, si è effettuata un'analisi dinamica dei dissipatori in oggetto mediante il metodo degli elementi finiti, i cui risultati sono mostrati nel DISEGNO 3. La figura a mostra il modello utilizzato per l'analisi che consta in un dissipatore che presenta al suo interno 20 risonatori (5 disposti su 4 file) che si muovono su una traiettoria cicloidale. Il modello è di geometria rettangolare con base pari a 1,25 m e altezza di 1 m mentre la distanza tra i risonatori interni è pari a 0.25 m. Alla base del modello è stata applicata una forzante la cui legge temporale è mostrata nel diagramma b. I diagrammi d,e,f e g mostrano lo spostamento misurato rispettivamente nei punti Pi,P2,P3 e P4. Il diagramma e mostra l'andamento dell'ampiezza massima della vibrazione misurata nei vari punti. Si nota che nel punto P4 si ha una diminuzione del 90% dell'ampiezza di vibrazione rispetto al segnale di partenza dalla base del modello.

I dissipatori così configurati si possono definire come un sistema di protezione attivo al contrasto dell'azione sismica, poiché, essendo posti al di sotto del piano di fondazione della struttura, dissipano il contenuto energetico delle componenti in frequenza più dannose per la struttura impedendo che essa si deformi plasticamente.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI DISSIPATORI DI ONDE SISMICHE BASATI SU RISONATORI INTERNI 1. Un dissipatore sismico formato da un materiale continuo che include diverse celle elementari disposte periodicamente contenenti delle masse interne, rappresentate da palle metalliche e.g. sfere di acciaio, che rotolano e/o strisciano su una curva tridimensionale situata alla base della cella elementare.
2. 2. Un dissipatore sismico della RIVA dove le masse interne sono fluidi newtoniani e/o nonnewtoniani.
3. 3. Un dissipatore sismico della RIV.1 e 2 con masse interne che rotolano e/o strisciano su ima cicloide tridimensionale o uno sferoide o un piano.
4. 4. Un dissipatore sismico della RIVA, 2 e 3 dove la cicloide tridimensionale o lo sferoide o il piano sono scabri.
5. 5. Fondazioni composite basate sull’uso di un dissipatore sismico come descritto dalle RIVA, 2, 3, e 4.
6. 6. Manufatti compositi basati sull’uso di un dissipatore sismico come descritto dalle RIVA, 2, 3, e 4.