ITUA20164474A1 - Pannello dissipativo deformabile. - Google Patents

Description

“Pannello dissipativo deformabile”

La presente invenzione concerne un pannello dissipativo deformabile. L’invenzione in oggetto consiste in un pannello a deformazione controllata dotato di dispositivi dissipativi, che può essere impiegato per coperture, diaframmi sismici e pareti sismo-resistenti.

I numerosi episodi sismici registrati negli ultimi decenni hanno messo in evidenza l’elevata vulnerabilità sismica degli edifici esistenti, in particolare degli edifici in muratura e degli edifici prefabbricati. Durante un evento sismico risulta molto importante la capacità di un edificio di sopportare le sollecitazioni sismiche senza che le sue pareti possano distaccarsi e, nei casi più gravi, ribaltare provocando il crollo parziale o globale dell’edificio.

Nel recupero del costruito storico, si pone spesso il problema di migliorare la risposta dell’edificio alle sollecitazioni sismiche, organizzando gli impalcati e le coperture come diaframmi sismo-resistenti, adeguatamente connessi alle murature per favorire il comportamento scatolare dell’edificio.

I diaframmi di piano o di falda sono degli elementi strutturali facenti parte degli impalcati o della copertura degli edifici, che hanno il compito, oltre che di inibire il distacco delle pareti perimetrali sotto l’effetto del terremoto, anche di ridistribuire l’azione sismica orizzontale sulle pareti sismo-resistenti. In particolare, i diaframmi sismici assolvono il compito di raccogliere le azioni sismiche orizzontali di tutte le masse di competenza e trasferirle ai setti sismo-resistenti generalmente costituiti dalle pareti orientate come il sisma. Le azioni orizzontali e le reazioni degli elementi sismoresistenti costituiscono un sistema di forze auto equilibrato che genera sollecitazioni flettenti e taglianti, agenti nel piano del diaframma.

Al fine di svolgere questa funzione strutturale i diaframmi devono essere costituiti da elementi in grado di sopportare l’azione flettente e di taglio nel piano.

La resistenza all’azione flettente può essere offerta da due correnti perimetrali che sopportino le forze di trazione e compressione della coppia; i correnti possono essere realizzati in cemento armato o con angolari o piatti di acciaio oppure tiranti collaboranti con la fascia muraria. L’azione di taglio richiede una lastra (anima) alla quale sono affidati gli sforzi tangenziali; essa può essere realizzata in cemento armato oppure in lamiera di acciaio o in pannelli di legno.

Oltre ai due correnti della flessione ed all’anima sono necessari i cordoli perimetrali con funzione di ripartitori che hanno il compito di raccogliere il taglio uniformemente distribuito nell’anima e trasferirlo ai setti delle pareti sismo-resistenti.

Per l’organizzazione del diaframma infine rivestono grande importanza i collegamenti tra le parti. In particolare quelli tra diaframma e pareti interessate al ribaltamento, tra correnti ed anima, quelli tra ripartitore e anima, tra ripartitore e pareti sismo-resistenti e quelli interni all’anima.

I diaframmi generalmente vengono progettati oltre che per offrire resistenza, anche per garantire un comportamento rigido e conferire all’edificio un comportamento scatolare. In via di principio possono essere deformabili, a patto di calibrarne la rigidezza e/o definirne un eventuale e specifico comportamento dissipativo: in letteratura alcuni autori hanno sottolineato alcuni vantaggi dei diaframmi deformabili, le cui caratteristiche tuttavia differiscono dalla soluzione qui proposta.

Per esempio, il documento WO2014147598A2 descrive un dispositivo antisismico comprendente un bordo scorrevole formato da una scanalatura o da una slitta lineare. Un elemento scorrevole si impegna longitudinalmente con la slitta o con la scanalatura. L’elemento scorrevole è ancorato al corpo di una trave di copertura. Un elemento deformabile di connessione con caratteristiche elastoplastiche è connesso all’elemento scorrevole in modo rigido con un supporto per deformarsi in modo elastoplastico come risultato di un movimento lungo la slitta o scanalatura.

In aggiunta, il documento CN104389355A descrive un sistema antisismico dissipativo comprendente un involucro connesso con un dissipatore. Un'estremità dell’involucro è fissata con una guida di scorrimento che è solidale con una parte terminale di un raccordo. L’involucro è collegato con un pattino che è dotato di una nervatura, in cui la parte terminale dell’involucro è collegata con un filo in lega a memoria di forma collegato con un elemento di pre-stress.

Il brevetto US9238919B2 descrive un sistema di isolamento sismico comprendente un dispositivo di isolamento connesso ad un’estremità di un elemento strutturale sovrastante in direzione verticale. Un dissipatore è connesso all’elemento strutturale sovrastante in direzione orizzontale. Un ulteriore dissipatore è previsto per attenuare la vibrazione dell’elemento strutturale rispetto alla pavimentazione espandendosi o contraendosi in direzione orizzontale.

Svantaggiosamente detti dispositivi antisismici non possono essere applicati a strutture o edifici esistenti senza interventi invasivi. L’applicazione di detti dispositivi comporterebbe spese elevate ed interventi invasivi sia sull’edificio che sui suoi componenti strutturali. Inoltre, tali brevetti riguardano solo il dispositivo dissipativo, diverso da quello qui proposto, e non propongono sistemi per la realizzazione di diaframmi di piano o copertura.

Un altro svantaggio è dato dal fatto che detti dispositivi sono di difficile applicazione e improponibili su edifici antichi, come chiese e palazzi, che difficilmente potrebbero sopportare interventi invasivi sulle murature.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo antisismico dissipativo, comprendente un dispositivo dissipativo specifico, che possa essere applicato anche a strutture ed edifici esistenti.

Un altro scopo è quello di ottenere un dispositivo antisismico dissipativo in grado di evitare il distacco e il ribaltamento delle pareti esterne di un edificio in seguito a sollecitazioni sismiche e contemporaneamente di dissipare l’energia del sisma.

Un ulteriore scopo è quello di avere un dispositivo antisismico dissipativo che possa essere applicato ad edifici e strutture senza dispendiosi e invasivi interventi sulle murature esistenti.

In accordo con l’invenzione tali scopi sono raggiunti con un dispositivo come descritto nella rivendicazione 1.

Un secondo scopo della presente invenzione è quello di ottenere un pannello dissipativo deformabile in grado di assorbire e dissipare l’energia generata da un evento sismico.

In accordo con l’invenzione tale scopo è raggiunto con un dispositivo come descritto nella rivendicazione 6.

Un terzo scopo è quello di ottenere un metodo per l’assorbimento e la dissipazione dell’energia sismica.

In accordo con l’invenzione tale scopo è raggiunto con il metodo descritto nella rivendicazione 9.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata in un suo esempio di realizzazione pratica illustrato a titolo non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la Figura 1 mostra una vista in sezione di un dispositivo dissipativo antisismico; la Figura 2 mostra una vista in sezione di una porzione lineare del dispositivo dissipativo antisismico;

la Figura 3 mostra una vista in sezione di una porzione con piegature del dispositivo dissipativo antisismico;

la Figura 4 mostra una vista in pianta dall’alto del dispositivo dissipativo antisismico;

la Figura 5 mostra una vista in pianta dall’alto di una copertura dissipativa antisismica;

la Figura 6 mostra un particolare incluso nel quadrante A di figura 5;

la Figura 7 mostra una vista in pianta dall’alto di una copertura dissipativa antisismica in seguito ad una scossa sismica.

In figura 1, si noterà un dispositivo dissipativo 1 comprendente un primo elemento 11 ed un secondo elemento 12. Il dispositivo dissipativo 1 è realizzato in acciaio o materiali di caratteristiche meccaniche equivalenti o superiori.

Il primo elemento 11 (figura 3) del dispositivo dissipativo 1 comprende una porzione con piegatura 110 e una porzione lineare 113, come mostrato in figura 3, tra loro connesse rigidamente, per esempio tramite saldatura. La porzione con piegatura 110 presenta una parte piana 118 e almeno tre piegature, una prima piegatura 111, una seconda piegatura 112 e una terza piegatura 102. La parte piana 118 è adiacente ad una prima estremità 117, la seconda piegatura 112 è adiacente ad una seconda estremità 115 mentre la prima piegatura 111 si trova al centro, tra la terza piegatura 102 e la seconda piegatura 112. L’ampiezza della prima piegatura 111 è maggiore rispetto all’ampiezza della seconda piegatura 112.

La porzione lineare 113 del primo elemento 11 comprende una prima estremità 119 e una seconda estremità 116. La porzione con piegatura 110 è adagiata sulla porzione lineare 113 in modo che la prima estremità 117 della porzione con piegatura 110 e la prima estremità 119 della porzione lineare 113 siano tra loro allineate. La parte lineare 118 della porzione con piegatura 110 è appoggiata alla porzione lineare 113 mentre le due piegature 111 e 112 non sono in contatto con la porzione lineare 113. La seconda estremità 115 della porzione con piegatura 110 e la seconda estremità 116 della porzione lineare 113 non sono in contatto tra loro definendo così un’apertura 114 tre le due seconde estremità 115 e 116. Tra la porzione con piegatura 110 e la porzione lineare 113 si definisce un vano 101. La seconda piegatura 112, protrudendo verso la porzione lineare 113, delimita l’estensione del vano 101.

La parte lineare 118 della porzione con piegatura 110 del primo elemento 11 comprende una serie di fori passanti 100. Detti fori passanti 100 sono presenti anche nella porzione lineare 113 del primo elemento 11.

Il secondo elemento 12 (figura 2) comprende un primo segmento lineare 121 e un secondo segmento lineare 122, tra loro connessi rigidamente, per esempio tramite saldatura. Detto primo segmento lineare 121, presenta una prima estremità piana 124 e una seconda estremità a punta 123. Il secondo segmento lineare 122 è anch’esso di forma rettilinea e comprende due estremità piane 125 e 126. Detto secondo segmento lineare 122 ha una larghezza inferiore rispetto al primo segmento lineare 121.

L’elemento 11 e l’elemento 12 hanno una lunghezza indicativa di 30 cm che viene aumentata o ridotta in funzione delle necessità progettuali (figura 4).

Un mezzo di fissaggio 10, per esempio un chiodo, una vite, un tassello o un qualunque altro mezzo di fissaggio, è atto ad inserirsi nelle aperture passanti 100 sia del primo elemento 11 che del secondo elemento 12 del dispositivo dissipativo 1, in modo da fissarlo ad una struttura.

In Figura 1 è mostrato il dispositivo dissipativo 1: il secondo elemento 12 viene forzato nel primo elemento 11 in modo da attivare un effetto morsa sul secondo elemento 12. La seconda estremità a punta 123 del secondo elemento 12 è atta ad inserirsi nell’apertura 114 del primo elemento 11 e a sollevare la porzione con piegature110 entrando in contatto con la seconda piegatura 112. L’effetto morsa può essere calibrato e controllato sperimentalmente, oltre che teoricamente, in base alla deformazione elastica del primo elemento 11. Il dispositivo viene collegato ad una struttura esistente connettendo i due elementi 11 e 12 del dispositivo dissipativo 1 rispettivamente a elementi di copertura 2 adiacenti tramite i fori passanti 100, entro i quali viene inserito il mezzo di fissaggio 10.

I dispositivi dissipativi 1 possono essere fissati su elementi strutturali allineati tra loro, per esempio elementi di copertura 2, di una struttura o di un edificio anche esistente, per esempio i dispositivi dissipativi 1 possono essere posizionati e connessi direttamente sulle tavole d’assito della struttura esistente o lungo i bordi di pannellature lignee che sostituiscono le tavole di legno, nel caso di edifici storici, oppure sui tegoli nel caso di strutture prefabbricate, oppure su qualsiasi altra tipologia di copertura costituite da elementi strutturali che possono scorrere l’uno rispetto all’altro.

Il numero dei dispositivi dissipativi 1 da inserire lungo la linea di giunzione tra le tavole d’assito o, più in generale, gli elementi che compongono la struttura viene definito dal dimensionamento della copertura dissipativa.

L’invenzione oggetto della presente domanda di brevetto introduce l’aspetto innovativo dei diaframmi non solo deformabili ma anche dissipativi. Rispetto ad un diaframma rigido, nel caso di un diaframma deformabile l’innovazione riguarda principalmente il pannello d’anima del diaframma, che in questo caso introduce la parte deformabile e dissipativa. La proprietà dissipativa della energia sismica introdotta nel sistema durante il terremoto è ottenuta attraverso l’inserimento dei dispositivi dissipativi oggetto dell’invenzione tra gli elementi che costituiscono l’anima del diaframma sismico, i quali vengono disposti affiancati per ottenere delle linee di scorrimento parallele. Per quanto concerne il funzionamento, in caso di un movimento orizzontale relativo tra gli elementi di copertura o del diaframma sismico 2 posti sopra una struttura, il secondo elemento 12 del dispositivo dissipativo 1 è atto a scorrere entro il primo elemento 11 del dispositivo dissipativo 1.

La seconda piegatura 112 della porzione con piegature 110 è atta ad appoggiarsi sul primo segmento piano 121 del secondo elemento 12 creando un attrito atto a frenare lo scorrimento in senso longitudinale, cioè in direzione normale alla sezione trasversale di Figura 1, di detto secondo elemento 12 entro il primo elemento 11. Detto effetto di attrito è atto a frenare lo scorrimento di detto secondo elemento 12 in entrambi i sensi di scorrimento longitudinale. Il primo segmento lineare 121 del secondo elemento è atto a scorrere per tutta la lunghezza del primo elemento 11, permettendo lo scorrimento mutuo tra gli elementi di copertura 2.

Detto movimento orizzontale viene controllato dall’effetto morsa causato dall’attrito tra la seconda curvatura 112 del primo elemento e il segmento lineare 121 del secondo elemento 12. Maggiore è l’effetto morsa e minore sarà il movimento degli elementi di copertura 2. Lo scorrimento del secondo elemento 12 entro il primo elemento 11 del dispositivo dissipativo 1 permette la deformazione della copertura stessa dell’edificio.

La dissipazione dell’energia generata da un sisma avviene controllando il movimento degli elementi di copertura 2 attraverso i dispositivi dissipativi 1, quindi il diaframma in questo caso oltre ad essere deformabile, grazie alla deformazione a taglio del pannello ottenuta tramite lo scorrimento relativo dei componenti, è anche dissipativo per la presenza dei dispositivi dissipativi 1.

Un possibile impiego del dispositivo dissipativo 1, per ottenere un pannello antisismico deformabile, per esempio nel caso di edifici storici, è riportata nelle figure 5 e 6 dove è raffigurata una copertura di una chiesa con la presenza di tre archi diaframma 8. Le due porzioni estreme della copertura, adiacenti alle pareti di testata, sono realizzate mediante diaframma dissipativo e sono quindi porzioni deformabili 10, mentre la porzione centrale della copertura è realizzata con pannellatura rigida, ed è quindi una porzione non dissipativa 20.

Nella porzione deformabile 10, i dispositivi dissipativi 1 sono collegati tramite chiodi a tavole di assito ligneo 2, a loro volta collegate a travetti 9. Il diaframma dissipativo 1 è collegato alle pareti laterali 5 tramite cordoli 3 realizzati con piatti in acciaio. Il collegamento con le pareti portanti viene effettuato con adeguate connessioni, quali ad esempio spinotti verticali e tirafondi.

La porzione non dissipativa 20 è invece realizzata con pannelli multistrato lignei, collegati tra di loro attraverso flange metalliche chiodate 30 che realizzano connessioni praticamente indeformabili. In figura 7 è mostrato il comportamento del diaframma dissipativo in seguito ad una scossa sismica (indicata con le frecce). Come si può notare le due porzioni deformabili 10 alterano la loro struttura in seguito alla sollecitazione sismica mentre la porzione non dissipativa 20 rimane rigida.

Le porzioni deformabili 10 dissipano l’energia causata dall’azione sismica e, essendo le porzioni deformabili collegate alle pareti laterali 5 dell’edificio, viene smorzato e frenato il dondolio delle pareti laterali. In questo modo si può evitare che le pareti laterali 5 subiscano un ribaltamento all’esterno dell’edificio in seguito ad una scossa sismica.

Il pannello antisismico deformabile può essere ottenuto non solo tramite l’applicazione di detto dispositivo a coperture, ma anche a diaframmi deformabili, ad impalcati o ad altri elementi strutturali dai quali si possa ottenere una dissipazione dell’energia sismica.

Nei diagrammi 1 e 2 sono riportati alcuni dei risultati ottenuti dalle prove sperimentali eseguite sul dispositivo. Le prove sono state seguite presso il Laboratorio Pisa di Prove Materiali dell’Università di Brescia, utilizzando una macchina di prova programmabile tipo Instron. Il dispositivo è stato sollecitato da una forza F di scorrimento in controllo di spostamento, imponendo sia cicli di carico statici che dinamici.

In tutti i cicli applicati è stata riscontrata una risposta perfettamente plastica. Si è ottenuta una forza di scorrimento variabile tra 2,5 e 2.8 kN, corrispondenti ad una velocità di prova variabile tra 5mm/min (prova quasi statica, diagramma 1) e 36mm/s (prova dinamica, diagramma 2), mostrando un comportamento stabile e affidabile.

Diagramma 1: Forza di scorrimento-spostamento relativo (prova quasi statica) Diagramma 2: Forza di scorrimento-spostamento relativo (prova dinamica)

Tali dispositivi sono stati applicati su un pannello di dimensione 2x2m costituito da 10 tavole lignee, che rappresenta una porzione di copertura dissipativa, contenente 3 dispositivi lungo le giunzioni. Tale diaframma dissipativo è stato sottoposto a prove di taglio nel suo piano. La forza di taglio è stata applicata attraverso l’utilizzo di un martinetto oleodinamico collegato ad un banco di contrasto. Durante la prova sono stati misurati sia lo spostamento in sommità del pannello che il relativo scorrimento tra i pannelli lignei.

Nel diagramma 3 è riportato il grafico forza di taglio V- spostamento in sommità del pannello. Il pannello ha mostrato un comportamento elastico-perfettamente plastico, governato dai dissipatori attritivi. Il leggero incrudimento della curva (hardening) è dovuto alla rigidezza del banco di prova. La forza di taglio massima di ogni ciclo (V= 8.1 kN) corrisponde alla somma delle resistenze offerte dai dissipatori (Fdevice) allineati sulla singola giunzione di scorrimento tra le tavole (Fdevice = 2,6 kN x 3 = 7,8 kN), a conferma del dimensionamento affidabile dei dispositivi.

Al drift raggiunto, pari al 3%, corrispondente a deformazioni largamente superiori alle massime previste dalle normative, non è stato riscontrato alcun danneggiamento nè a carico dei pannelli lignei, nè sui dissipatori.

Diagramma 3: Forza di taglio V- spostamento in sommità δ.

Un primo vantaggio è rappresentato dal fatto che il dispositivo 1 consente di dissipare l’energia del sisma frenando i movimenti orizzontali ed evitando il ribaltamento delle pareti esterne dell’edificio.

Un secondo vantaggio è dato dal fatto che il dispositivo dissipativo 1 può essere applicato a strutture o edifici già esistenti senza onerose modifiche murarie.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che il dispositivo 1 è di facile ed economica realizzazione.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo dissipativo (1) antisismico comprendente un primo elemento (11) ed un secondo elemento (12), caratterizzato dal fatto che detti elementi (11, 12) sono atti ad essere fissati su elementi strutturali allineati di un edificio, detto secondo elemento (12) è atto ad essere forzato entro detto primo elemento (11) generando un attrito tra i due elementi (11, 12) del dispositivo (1) atto a frenare movimenti orizzontali degli elementi strutturali allineati a cui sono fissati.
2. 2. Dispositivo dissipativo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il primo elemento (11) comprende una porzione lineare (113) e una porzione con piegatura (110), il secondo elemento (12) comprende due segmenti lineari (121, 122), detto primo segmento lineare (121) è atto ad essere forzato tra la porzione con piegatura (110) e la porzione lineare (113) di detto primo elemento (11).
3. 3. Dispositivo dissipativo (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la porzione con piegatura (110) del primo elemento (11) comprende una prima piegatura (111), una seconda piegatura (112) e una terza piegatura (102), detta seconda piegatura (112) è atta ad appoggiarsi sul primo segmento lineare (121) del secondo elemento (12) creando un effetto morsa atto a frenare lo scorrimento di detto secondo elemento (12) entro il primo elemento (11).
4. 4. Dispositivo dissipativo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il primo e il secondo elemento (11, 12) comprendono almeno due fori passanti (100) atti a permettere l’ancoraggio di ciascun elemento (11, 12) ad almeno un elemento di copertura (2) ricevendo detti fori passanti (100) un mezzo di fissaggio (10).
5. 5. Dispositivo dissipativo (1) secondo le rivendicazioni 2-4, caratterizzato dal fatto che il primo segmento lineare (121) del secondo elemento (12) è di forma rettilinea comprendente una prima estremità piana (124) e una seconda estremità a punta (123), detta seconda estremità a punta (123) è atta ad inserirsi in un’apertura (114) del primo elemento (11) e a sollevare la porzione con piegatura (110) entrando in contatto con la seconda piegatura (112) del primo elemento della porzione con piegatura (110).
6. 6. Pannello dissipativo deformabile per diaframmi o pareti sismo-resistenti di edifici comprendenti almeno una porzione deformabile (10), caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un dispositivo dissipativo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5.
7. 7. Pannello dissipativo deformabile per edifici secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il pannello è collegato a pareti laterali (5) tramite cordoli (3) e collegamenti a taglio e trazione.
8. 8. Pannello dissipativo deformabile per edifici secondo le rivendicazioni 6-7, caratterizzato dal fatto di essere affiancato da almeno una porzione non dissipativa (20).
9. 9. Metodo per la realizzazione di pannelli dissipativi deformabili caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di - inserimento forzato di un secondo elemento (12) entro un primo elemento (11) di un dispositivo dissipativo (1), in modo da generare un attrito tra i due elementi (11, 12) e frenare gli scorrimenti tra elementi architettonici affiancati di un edificio - fissaggio del dispositivo dissipativo (1), su due elementi strutturali precedentemente posati e allineati a formare il piano della copertura o del diaframma e atti a scorrere tra loro.