WO1994000658A1 - Isolateurs parasismiques pour batiments et ouvrages d'art - Google Patents

Isolateurs parasismiques pour batiments et ouvrages d'art Download PDF

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WO1994000658A1
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Patrice Bellavista
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Patrice Bellavista
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Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings

Definitions

  • the present invention relates to earthquake-resistant insulators for buildings and engineering structures, interposed between an infrastructure integral with the ground and a superstructure.
  • insulators veritable earthquake-resistant supports
  • These insulators are mainly composed of two separate monobloc elements and intended to be interposed between the infrastructure and the superstructure of all kinds of buildings and engineering structures, in order to allow these constructions to avoid suffer the effects of the most violent seismic attacks.
  • Seismic devices known to date are of two distinct types: they are either based on a possibility of sliding with friction allowing limited movement, or designed from elastomer studs, often shrunk, the distortion of which is used.
  • the movement of the building is not absorbed and the significant lateral movements can cause extremely hard shocks which can be the cause of ruptures of the anti-seismic device itself, or even of the building to be protected.
  • the pads in elastomer, natural or synthetic, hooped in the second case see their characteristics evolving over time, which logically should lead to their periodic replacement, moreover these devices do not allow to fully control the amplitude of the movements due to seismic tremors .
  • the devices described in patents FR 86 10780, FR 88 00237 and PCT / FR90 / 00056 filed by the same inventor partially overcome these drawbacks.
  • the upper element consisting of a circular cap with the concavity turned downwards covering the lower element so that the bottom of the concavity rests on the top of the truncated cone and the lower edges on the friction plate of the lower element, an annular space between the two elements allowing a relative lateral movement, said elements being completed with one or two crowns made of an equally rot-proof material and having high shock absorption characteristics, integral with the inte side wall rne of the upper element and / or of the side wall of the truncated cone of the lower element and filling all or part of the annular space.
  • the present application relates to functional improvements made to patents FR 86 10780, FR 88 00237 and PCT / FR90 / 00056 to extend their field of action to weak jolts.
  • FIGS 1 and 2 show in perspective the separate upper and lower elements
  • FIGS. 1 to 5 show cross sections of three versions of the assembled device.
  • the device consists of an upper element 1 in the form of a cylindrical cap with a flat bottom 5, the hollow part of which is directed downwards, integral with the superstructure of the building, a stud or truncated cone 2 secured to the bearing surface, and one or two damping rings 3, 3 ', 3 "independent or secured to one or both elements 1, 2 and located in an annular space 4 formed between the lower truncated cone 2 and the upper cap 1.
  • the lower element 2 has at its base a horizontal friction plate 7 on which the lower edge 10 of the upper element rests.
  • the angles 8, 9 of the side wall 16 of the stud 2 with its upper horizontal surface 6 and with the plate 7 are rounded to avoid breaking initiations and a scraping effect during lateral displacements
  • the damping crown 3 is secured to the internal side wall 11 of the upper element 1 while the crown 3 'is secured to the side wall 16 of the lower stud 2.
  • crowns can be replaced by a single crown 3 "secured to the side walls of the upper 11 and lower 16 elements, or of one of the two, or even completely independent and possibly distant from the parts 13, 11, 14 of the upper element 1 and / or 8, 16, 9 of the element lower 2, the rest filling as necessary the entire intermediate annular space 4.
  • the crown 3 "must be able to be easily distorted taking into account the phenomenon of natural creep of the polymers.
  • any other surfaces that may possibly be when sliding one relative to the other of the two elements 1 and 2 can be coated with release mold silicone included in the molding and / or release polyurethanes and / or films or projections or thicknesses of Kevlar or aramid fiber or derivatives having a very low coefficient of friction.
  • release mold silicone included in the molding and / or release polyurethanes and / or films or projections or thicknesses of Kevlar or aramid fiber or derivatives having a very low coefficient of friction.
  • Absorption of small amplitude shakes can be obtained before sliding of elements 1 and 2 thanks to single or multiple layers 17, 18 of flexible polymer interposed horizontally at any level throughout the thickness of material of the lower element 2 , and / or greater 1, one or more thicknesses of flexible polymer which may be, or may not be of the same thickness, on an identical level in elements 1 and 2.
  • the distortion of one or more layers making it possible to absorb the tremors of low amplitude before sliding of said elements.
  • the side walls 12, 12 'of the upper element 1 can either be vertical 12, or have a certain inclination 12' in the same direction as the cone 2, forming a frustoconical peripheral surface, and serving to increase the resistance of the 'assembly 1, thus increasing the contact surface of the lower edge 10', of the bottom of the upper element 1, also facilitating the demolding of the cast parts.
  • the lower 2 and upper 1 elements can be inverted and inverted, that is to say that the cylindrical or frustoconical cap 1 is integral with the bearing surface and disposed in the lower part with the hollow part directed upwards, while the stud or truncated cone 2 is integral with the superstructure of the building and arranged in the upper part, the position of all the insulators being imperatively similar elements for the same construction.
  • the seismic isolator described modifies in a favorable direction the dynamic behavior of the structures with respect to the earthquake, it is composed without hooping of any ferruginous material.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet des isolateurs parasismiques pour bâtiments et ouvrages d'art. Ils sont constitués de deux éléments monoblocs en matériau dur solidaires respectivement de l'infrastructure et de la superstructure du bâtiment, l'un de ces éléments étant formé d'une plaque horizontale de frottement (7) comportant en son centre un tronc cône (2), le second ayant la forme d'une calotte circulaire (1) à fond plat coiffant ledit tronc de cône en laissant un espace annulaire dans lequel est disposée au moins une couronne amortissante (3, 3') remplissant tout ou partie dudit espace, des couches simples ou multiples (17, 18) de polymère souple étant interposées horizontalement dans l'épaisseur des éléments monoblocs. Ils sont destinés à être interposés entre l'infrastructure et la superstructure de constructions, leur permettant d'éviter de subir les effets des agressions sismiques.

Description

ISOLATEURS PARASISMIQUES POUR BATIMENTS ET OUVRAGES D'ART
La présente invention a pour objet des isolateurs parasismiques pour bâtiments et ouvrages d'art, interposés entre une infrastructure solidaire du sol et une superstructure.
Ces isolateurs, véritables appuis parasismiques, sont principalement composés de deux éléments monoblocs désolidarisés et destinés à être interposés entre 1'infrastructure et la superstructure de toutes sortes de bâtiments et ouvrages d'art édifiés, en vue de permettre à ces constructions d'éviter de subir les effets des agressions sismiques les plus violentes.
Les dispositifs parasismiques connus à ce jour sont de deux types distincts : ils sont soit basés sur une possibilité de glissement avec frottement permettant un déplacement limité, soit conçus à partir de plots en élastomère, souvent frettés, dont on utilise la distorsion. Dans le premier cas le déplacement du bâtiment n'est pas amorti et les déplacements latéraux importants peuvent entraîner des chocs extrêmement durs pouvant être la cause de ruptures du dispositif antisismique lui-même, ou même du bâtiment à protéger. Les plots en élastomère, naturel ou synthétique, frettés dans le deuxième cas voient leurs caractéristiques évoluer avec le temps, ce qui logiquement devrait entraîner leur remplacement périodique, de plus ces dispositifs ne permettent pas de contrôler totalement l'amplitude des mouvements dus aux secousses sismiques. Les dispositifs décrits dans les brevets FR 86 10780, FR 88 00237 et PCT/FR90/00056 déposés par le même inventeur suppriment en partie ces inconvénients.
En effet, ils permettent à la fois d'amortir les mouvements aussi bien verticaux que latéraux entraînés par un séisme, et de contrôler l'amplitude de ces mouvements, tout en les freinant. En outre, ils sont constitués de matériaux extrêmement stables dans le temps et résistant parfaitement aux différences de température, aux micro-organismes et aux agressions chimiques. Ces dispositifs sont constitués de deux éléments monoblocs réalisés dans un matériau dur, imputrescible et possédant une très grande résistance à l'abrasion, solidaires respectivement de 1'infrastructure et de la superstructure du bâtiment, l'élément inférieur étant constitué d'une plaque horizontale de frottement comportant en son centre un tronc de cône, l'élément supérieur étant constitué d'une calotte circulaire à la concavité tournée vers le bas venant coiffer l'élément inférieur de manière à ce que le fond de la concavité repose sur le sommet du tronc de cône et les bords inférieurs sur la plaque de frottement de l'élément inférieur, un espace annulaire entre les deux éléments permettant un déplacement relatif latéral, lesdits éléments étant complétés d'une ou deux couronnes réalisées en un matériau également imputrescible et possédant des caractéristiques élevées d'amortissement aux chocs, solidaires de la paroi latérale interne de l'élément supérieur et/ou de la paroi latérale du tronc de cône de l'élément inférieur et remplissant tout ou partie de l'espace annulaire.
Cependant, la conception de ces dispositifs fait qu'ils ont peu d'efficacité pour des séismes ayant une amplitude inférieure à 0,2 sur l'échelle de Richter. Ceci est dû au coefficient de frottement des matériaux utilisés, indice qui jusqu'à présent est voisin de 0,2. Or la législation actuelle impose un coefficient inférieur ou égal à 0,05 pour ce type de dispositifs, précisément pour qu'ils soient à même d'agir même pour des secousses de très faible amplitude.
La présente demande est relative à des perfectionnements fonctionnels apportés aux brevets FR 86 10780, FR 88 00237 et PCT/FR90/00056 pour étendre leur champ d'action aux faibles secousses.
Ces perfectionnements consistent d'une part en silicones de démoulage mélangés au polymère lors du moulage, polyuréthanes démoulant et/ou en des films ou projections ou épaisseurs de Kevlar ou d'aramide et dérivés à très faible coefficient de frottement recouvrant toutes ou parties des surfaces de frottement de l'un ou des deux éléments pouvant être placés à 1'intérieur des moules de fabrication constituant 1'isolateur parasismique et/ou, d'autre part, de couches simples ou multiples de polymère souple interposées horizontalement à un niveau quelconque dans toute l'épaissseur de la matière de l'élément inférieur et/ou de l'élément supérieur, la déformation de ces couches permettant d'absorber des secousses de faible amplitude sans glissement desdits éléments.
Sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de l'invention:
Les figures 1 et 2 montrent en perspective les éléments supérieur et inférieur, séparés,
Les figures 3, 4 et 5 représentent des coupes transversales de trois versions du dispositif assemblé. Le dispositif, figure 1 à 5, est constitué d'un élément supérieur 1 en forme de calotte cylindrique à fond plat 5 dont la partie creuse est dirigée vers le bas, solidaire de la superstructure du bâtiment, d'un plot ou tronc de cône 2 solidaire de la surface portante, et d'une ou deux couronnes amortissantes 3, 3', 3" indépendantes ou solidaires de l'un ou des deux éléments 1, 2 et situées dans un espace annulaire 4 ménagé entre le tronc de cône inférieur 2 et la calotte supérieure 1. L'élément inférieur 2 comporte à sa base une plaque horizontale de frottement 7 sur laquelle repose le bord inférieur 10 de l'élément supérieur 1. Les angles 8, 9 de la paroi latérale 16 du plot 2 avec sa surface horizontale supérieure 6 et avec la plaque 7 sont arrondis pour éviter des amorces de rupture et un effet de raclage lors des déplacements latéraux. Pour les mêmes raisons, les angles 13, 14, 15, 15' formés par les parois latérales internes 11 et externes 12, 12' de l'élément supérieur 1 avec le fond 5 ou le bord inférieur 10 dudit élément. La couronne amortissante 3 est solidaire de la paroi latérale interne 11 de l'élément supérieur 1 alors que la couronne 3' est solidaire de la paroi latérale 16 du plot inférieur 2. Ces deux couronnes peuvent être remplacées par une couronne unique 3" solidaire des parois latérales des éléments supérieur 11 et inférieur 16, ou de l'une des deux, ou encore totalement indépendante et éventuellement distante des parties 13, 11, 14 de l'élément supérieur 1 et/ou 8, 16, 9 de l'élément inférieur 2, le reste remplissant suivant nécessité la totalité de l'espace annulaire intercalaire 4. La couronne 3" devant pouvoir se distordre aisément en prenant en compte le phénomène de fluage naturel des polymères.
Afin de diminuer le coefficient de frottement, les surfaces horizontales en contact 5, 6 et 10, 7 ainsi que toutes autres surfaces pouvant l'être éventuellement lors du glissement l'un par rapport à l'autre des deux éléments 1 et 2 peuvent être revêtues de silicones de démoulage inclus au moulage et/ou des polyuréthanes démoulant et/ou des films ou de projections ou épaisseurs de Kevlar ou fibre d'aramide ou dérivés ayant un coefficient de frottement très faible. Ces revêtements divers peuvent être prévus sur les surfaces des deux éléments 1, 2 ou sur un seul et peuvent être appliqués à l'intérieur des moules lors de la fabrication.
L'absorption des secousses de faible amplitude pourra être obtenue avant glissement des éléments 1 et 2 grâce à des couches simples ou multiples 17, 18 de polymère souple interposées horizontalement à un niveau quelconque dans toute l'épaisseur de matière de l'élément inférieur 2, et/ou supérieur 1, une ou des épaisseurs de polymère souple pouvant être, ou ne pas être de même épaisseur sur un niveau identique dans les éléments 1 et 2. La distorsion d'une ou plusieurs couches permettant d'absorber les secousses de faible amplitude avant glissement desdits éléments.
L'absorption des faibles secousses avant glissement des éléments 1, 2, est également obtenue par distrorsion des couronnes amortissantes 3, 3', 3", ainsi que des couches horizontales simples ou multiples 17, 18.
Les parois latérales 12, 12' de l'élément supérieur 1, pourront soit être verticales 12, soit avoir une certaine inclinaison 12' dans le même sens que le cône 2, formant une surface périphérique tronconique, et servant à augmenter la résistance de l'ensemble 1, augmentant ainsi la surface de contact du bord inférieur 10', du bas de l'élément supérieur 1, facilitant également le démoulage des pièces coulées. L'angle extérieur 15* de la base 10' faisant jonction avec le côté oblique 12' restant arrondi.
Dans tous les cas le débord de la plaque la plus grande 7, par rapport à la base 10, 10' est dans toutes les directions égal à 1,5 fois le glissement maximal calculé sur 360° surfacique.
Les élément inférieur 2 et supérieur 1, peuvent être inversés et renversés c'est à dire que la calotte cylindrique ou tronconique 1 est solidaire de la surface portante et disposée en partie basse avec la partie creuse dirigée vers le haut, alors que le plot ou tronc de cône 2 est solidaire de la superstructure du bâtiment et disposée en partie haute, la position de tous les isolateurs étant impérativement semblable des éléments pour une même construction. Les seules particularités pour différencier le sens d'utilisation des éléments, l'appellation de endroit, ou envers, consistent en des inscriptions visibles en saillie et coulée dans la masse à la fabrication des éléments, et des spécifications annotées sur tous documents pouvant les représenter.
L'isolateur parasismique décrit modifie dans un sens favorable le comportement dynamique des structures vis-à-vis du séisme, il est composé sans frettage d'aucune matière ferrugineuse.
En associant uniquement une gamme de polymère extrêmement résistante mécaniquement, alternée par des polymères plus souples résistant à l'écrasement et permettant un déplacement important par balancements, puis par glissements contrôlés sur 360° et comportant intérieurement un système avec force de rappel, retrouvant de ce fait sa place initiale après sollicitations en assurant un coefficient de frottement dont les variations sont négligeables dans l'espace et dans le temps. Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires.

Claims

REVENDICATIONS
1° Isolateur parasismique pour bâtiments et ouvrages d'art constitués, d'une part, de deux éléments monoblocs en matériau dur imputrescible possédant une très grande résistance à l'abrasion, soldiaires respectivement de l'infrastructure et de la superstructure du bâtiment, l'un de ces éléments étant formé d'une plaque horizontale de frottement (7) préférentiellement circulaire comportant en son centre un tronc cône (2), le second élément ayant la forme d'une calotte circulaire (1) à fond (5) plat venant coiffer le premier élément de manière à ce que ledit fond de la concavité soit en contact avec le plan horizontal (6) situé au sommet du tronc de cône (2), et le bord périphérique (10, 10') horizontal en contact avec la plaque de frottement (7), un espace annulaire (4) entre la paroi latérale interne (11) de la calotte circulaire (1) et la paroi latérale (16) du tronc de cône (2) permettant un déplacement relatif latéral et, d'autre part, d'au moins une couronne amortissante (3, 3', 3") solidaire ou non de la paroi latérale interne (11) de la calotte circulaire (1) et/ou de la paroi latérale (16) du tronc de cône (2), remplissant tout ou partie dudit espace annulaire (4), se caractérisant par le fait que les surfaces horizontales (5, 6 et 10, 7) en contact de l'un ou des deux éléments monoblocs, ainsi que toutes surfaces pouvant l'être éventuellement lors du glissement relatif de ces deux éléments, sont revêtues en totalité ou en partie d'un produit à très faible coefficient de frottement tel que silicones de démoulage inclus au moulage, polyuréthanes démoulant et/ou de films ou projections ou épaisseurs de Kevlar ou d'aramide et dérivés, ces produits pouvant être placés à 1'intérieur des moules de fabrication lors du coulage de l'isolateur parasismique.
2° Dispositif suivant la revendication 1, se caractérisant par le fait que des couches simples ou multiples (17, 18) de polymère souple résistant à l'écrasement, permettant d'absorber les secousses de faible amplitude avant glissement des éléments monoblocs, sont interposées horizontalement à un niveau quelconque dans toute l'épaisseur de matière desdits éléments, ces couches de polymère souple pouvant être, ou ne pas être de même épaisseur sur un niveau identique dans les deux éléments.
3° Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les angles (8, 9) de la paroi latérale (16) du tronc de cône (2) avec sa surface horizontale supérieure (6) et avec la plaque de frottement (7), ainsi que les angles (13, 14, 15, 15') formés par les parois latérales internes (11) et externes (12, 12') de la calotte circulaire (1) avec le fond (5) ou le bord périphérique (10, 10') de celle-ci, sont arrondis pour éviter des amorces de rupture et un effet de raclage lors des déplacements latéraux.
4° Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les parois latérales externes (12') de la calotte circulaire (1) sont inclinées par rapport à la verticale dans le même sens que les parois (16) du tronc de cône (2), formant une surface périphérique tronconique augmentant la résistance de ladite calotte circulaire ainsi que la surface de contact du bord périphérique (10') et facilitant également le démoulage des pièces coulées, le débord de la plaque de frottement (7) , par rapport aux dits bords périphériques étant dans tous les cas égal à 1,5 fois le glissement maximal calculé sur 360° surfacique dans toutes les directions.
5° Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait qu'une couronne amortissante unique (3") non solidaire de la paroi latérale interne (11) de la calotte circulaire (1) et de la paroi latérale (16) du tronc de cône (2) est disposée dans l'espace annulaire (4) ménagé entre ledit tronc de cône et ladite calotte circulaire, ladite couronne remplissant ou non la totalité dudit espace annulaire.
6e Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que l'élément monobloc formé par la plaque horizontale de frottement (7) et le tronc cône (2) est en partie basse et est solidaire de la surface portante, alors que l'élément monobloc constitué d'une calotte circulaire est en partie haute et est solidaire de la superstructure du bâtiment.
7° Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, se caractérisant par le fait que l'élément monobloc formé par la plaque horizontale de frottement (7) et le tronc cône (2) est en partie haute et est solidaire de la superstructure du bâtiment, alors que l'élément monobloc constitué d'une calotte circulaire est en partie basse et est solidaire de la surface portante.
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