IT201800001295A1 - SEISMIC ISOLATOR - Google Patents
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Description
ISOLATORE SISMICO SEISMIC ISOLATOR
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Il disaccoppiamento della base di un edificio dal suolo, rappresenta il più efficace metodo per proteggere gli edifici ed il loro contenuto dalle azioni sismiche prevalentemente da quelle più pericolose, le orizzontali. The decoupling of the base of a building from the ground represents the most effective method for protecting buildings and their contents from seismic actions, mainly from the most dangerous ones, the horizontal ones.
Al fine di realizzare l'isolamento alla base degli edifìci, molti sistemi da inserire sotto le fondazioni sono stati proposti, una parte costituiti da elementi elastomerici, altri con dispositivi a slittamento con attrito ridotto su superfici con forme piane o sferiche, altri ancora con pattini a ricircolo di sfere o rulli scorrevoli su guide lineari perpendicolari tra loro. Tutti questi dispositivi però, devono essere introdotti fra la struttura di fondazione e la base dell'edificio. Ciò richiede la realizzazione di un adeguato volume tecnico con altezza idonea per consentire le manovre ad operatori provvisti di consistenti attrezzature tecniche pesanti, al fine di consentire un'agevole collocazione in esercizio, manutenzione, rimozione o per la sostituzione completa degli isolatori. In order to achieve the insulation at the base of the buildings, many systems to be inserted under the foundations have been proposed, one part consisting of elastomeric elements, others with sliding devices with reduced friction on surfaces with flat or spherical shapes, still others with skids. with recirculating balls or rollers sliding on linear guides perpendicular to each other. All these devices, however, must be introduced between the foundation structure and the base of the building. This requires the creation of an adequate technical volume with a suitable height to allow maneuvers to be carried out by operators equipped with substantial heavy technical equipment, in order to allow easy placement in operation, maintenance, removal or for the complete replacement of the insulators.
L'operazione di revisione o rimozione con sostituzione dei dispositivi di isolamento alla base di edifìci è frequente per gli isolatori elastomerici ed a scorrimento, i quali richiedono l'intervento periodico e necessariamente in seguito ad un evento sismico anche di lieve entità. The overhaul or removal operation with replacement of the insulation devices at the base of buildings is frequent for elastomeric and sliding insulators, which require periodic intervention and necessarily following a seismic event, even of a minor entity.
La necessità di dover realizzare importanti opere edili per l'inserimento degli isolatori sotto la struttura di fondazione dell'edificio, rende poco conveniente su larga scala l'impiego del sistema di isolamento alla base degli edifici con i dispositivi di isolamento attualmente noti. Se per edifici di nuova costruzione la realizzazione di adeguati vani tecnici estesi sotto tutta la base dell'edifìcio è difficoltosa, per edifici esistenti è praticamente impossibile, considerato le difficoltà esecutive e gli alti costi di realizzazione. Per questi motivi la diffusione di edifìci isolati alla base, rappresenta attualmente, una percentuale trascurabile sul totale degli edifici esistenti ed in corso di realizzazione. The need to carry out important building works for the insertion of the insulators under the foundation structure of the building makes it impractical on a large scale to use the insulation system at the base of the buildings with the currently known insulation devices. If for new buildings the construction of adequate technical rooms extended under the entire base of the building is difficult, for existing buildings it is practically impossible, considering the executive difficulties and the high construction costs. For these reasons, the diffusion of buildings isolated at the base currently represents a negligible percentage of the total of existing buildings and buildings under construction.
Gli isolatori realizzati in elastomero non sono perfettamente autocentranti per l'elevata isteresi propria del materiale stesso che causa l'arresto della corsa di ritorno prima del raggiungimento del centro geometrico. The insulators made of elastomer are not perfectly self-centering due to the high hysteresis of the material itself which causes the return stroke to stop before reaching the geometric center.
Gli isolatori in elastomero inoltre, non consentono automaticamente di far coincidere il baricentro delle masse con quello delle rigidezze alla struttura sovrastante, innescando pericolosi effetti torsionali all’edificio in caso di movimento sismico. Gli isolatori ad attrito radente scorrevoli su superfici sferiche anche essi non ricollocano perfettamente l'edificio al centro e richiedono una manutenzione straordinaria al termine di ogni azione sismica anche di lieve entità. Gli isolatori che usano guide perpendicolari scorrevoli hanno bisogno di elementi elastici e dissipatori di energia montati ortogonalmente, per mantenere fisso il centro di oscillazione, e non fanno coincidere automaticamente il baricentro delle masse con quello delle rigidezze. Furthermore, the elastomer insulators do not automatically allow the center of gravity of the masses to coincide with that of the stiffnesses of the overlying structure, triggering dangerous torsional effects on the building in the event of seismic movement. The sliding friction insulators on spherical surfaces also do not perfectly reposition the building in the center and require extraordinary maintenance at the end of any seismic action, even of a minor entity. Insulators that use perpendicular sliding guides need elastic elements and energy dissipators mounted orthogonally, to keep the center of oscillation fixed, and do not automatically make the center of gravity of the masses coincide with that of the stiffnesses.
L'isolatore sismico oggetto della presente invenzione elimina contemporaneamente tutti i difetti e le difficoltà realizzative che presentano gli attuali sistemi di isolamento ed inoltre consente una soglia minima di intensità delle azioni sismiche prima che il sistema di isolamento entri in azione. The seismic isolator object of the present invention simultaneously eliminates all the defects and manufacturing difficulties that present isolation systems present and also allows a minimum threshold of intensity of the seismic actions before the isolation system comes into action.
Data l'estrema semplicità intrinseca del dispositivo, è annullata ogni esigenza di manutenzione nel tempo e dopo ogni evento sismico, anche di forte intensità, garantendo il corretto funzionamento per tempi sicuramente superiori alla durata in esercizio dell'edifìcio, il tutto realizzato con estrema semplicità costruttiva. Given the extreme intrinsic simplicity of the device, any need for maintenance over time and after any seismic event, even of strong intensity, is canceled, guaranteeing correct operation for times that are certainly longer than the life of the building, all made with extreme simplicity. constructive.
Nel disegno allegato è rappresentato in sezione l’isolatore sismico oggetto della presente invenzione, collocato all’interno delle strutture di fondazione nelle varie configurazioni (Fig. 1), (Fig. 5), (Fig. 6), forma geometrica dell'isolatore sismico (Fig. 2) e le posizioni estreme in caso di movimento sismico (Fig. 3), (Fig. 4). The attached drawing shows a section of the seismic isolator object of the present invention, located inside the foundation structures in the various configurations (Fig. 1), (Fig. 5), (Fig. 6), geometric shape of the isolator seismic (Fig. 2) and extreme positions in case of seismic movement (Fig. 3), (Fig. 4).
Con riferimento alla (Fig. 1), l'isolatore sismico (1), oggetto della presente invenzione, è composto da un cilindro rastremato al centro con il profilo delle basi inferiore e superiore realizzato mediante superfici assimilabili a sferiche particolari, descritte dettagliatamente più avanti, tali da ottenere durante la rotazione sulla base di appoggio un preciso periodo proprio di oscillazione, imprimendo così, una dinamica opportuna alla sovrastruttura in caso di azione sismica. With reference to (Fig. 1), the seismic isolator (1), object of the present invention, is composed of a cylinder tapered in the center with the profile of the lower and upper bases made with surfaces similar to particular spherical ones, described in detail below. , such as to obtain a precise period of oscillation during the rotation on the support base, thus imparting an appropriate dynamics to the superstructure in the event of seismic action.
L'isolatore sismico (1), è inserito per metà altezza all'interno di un vano cilindrico (2), inglobato a sua volta all’interno della struttura di fondazione primaria (3), che è direttamente solidale con il terreno (4). L'altra metà superiore dell'isolatore sismico (1), è inserito all'interno di un cilindro (5), solidale alla struttura di sopra fondazione (6), denominata fondazione secondaria il cui compito è di sostenere tutte le parti dell'edificio. The seismic isolator (1) is inserted halfway into a cylindrical compartment (2), which is in turn incorporated into the primary foundation structure (3), which is directly integral with the ground (4) . The other upper half of the seismic isolator (1), is inserted inside a cylinder (5), integral with the structure above the foundation (6), called secondary foundation whose task is to support all parts of the building .
Il cilindro superiore (5) è provvisto di una chiusura removibile (7), fissata generalmente mediante filettatura F o altro sistema al cilindro superiore (5), che può essere rimossa in qualsiasi momento, per estrarre, sostituire o controllare l'isolatore sismico (1). The upper cylinder (5) is provided with a removable closure (7), generally fixed by thread F or other system to the upper cylinder (5), which can be removed at any time, to extract, replace or check the seismic isolator ( 1).
Terminata l'operazione di costruzione dell'edificio o in qualsiasi fase intermedia, quando l'utilizzatore ritiene di mettere in esercizio gli isolatori sismici (1), vengono rimossi i tappi superiori (7), (Fig. 1), operazione questa di estrema facilità in quanto i tappi sono posizionati sul piano di calpestio della superficie di fondazione dell'edificio e generalmente coincidente con lo scantinato od il piano terra, sicuramente sempre accessibili, e dopo la rimozione dei tappi, vengono inseriti gli isolatori sismici (1), allinterno dei cilindri inferiore (2) e superiore (5), inizialmente vuoti e precedentemente inglobati nella struttura di fondazione. At the end of the construction of the building or in any intermediate phase, when the user considers to put the seismic isolators (1) into operation, the upper caps (7), (Fig. 1) are removed, an operation of extreme ease as the plugs are positioned on the walking surface of the foundation surface of the building and generally coinciding with the basement or the ground floor, certainly always accessible, and after removing the plugs, the seismic isolators (1) are inserted inside of the lower (2) and upper (5) cylinders, initially empty and previously incorporated into the foundation structure.
Gli isolatori sismici (1) con ridotte dimensioni e peso, possono essere agevolmente introdotti all’interno dei cilindri cavi inglobati nella fondazione, anche da operatori con scarso equipaggiamento tecnico. The seismic isolators (1) with reduced size and weight, can be easily introduced inside the hollow cylinders incorporated in the foundation, even by operators with little technical equipment.
Introdotti gli isolatori sismici (1), vengono nuovamente inseriti i tappi superiori (7), fino al raggiungimento di una pressione adeguata, decisa in sede progettuale sulla superficie superiore A del singolo isolatore sismico (1), questa operazione è eseguita agevolmente in virtù della filettatura F od altro sistema equivalente, realizzata fra il tappo (7) ed il cilindro cavo superiore (5). Per effetto delle dimensioni leggermente superiori in altezza dell'isolatore sismico (1), rispetto allo spazio esistente allinterno dei cilindri cavi (2) e (5) e in seguito all’azione di compressione, si provoca il sollevamento della struttura di fondazione secondaria superiore (6), rispetto a quella primaria inferiore (3), con l'apertura di uno spazio minuscolo B fra le due strutture di fondazione. Once the seismic isolators (1) have been introduced, the upper caps (7) are inserted again, until an adequate pressure is reached, decided in the design stage on the upper surface A of the single seismic isolator (1), this operation is easily performed by virtue of the thread F or other equivalent system, made between the cap (7) and the upper hollow cylinder (5). Due to the slightly higher dimensions in height of the seismic isolator (1), compared to the space existing inside the hollow cylinders (2) and (5) and following the compression action, the upper secondary foundation structure is raised (6), compared to the lower primary one (3), with the opening of a tiny space B between the two foundation structures.
Eseguita l'operazione precedentemente descritta, risulta in esercizio l'isolatore sismico. Se questa operazione viene eseguita in maniera graduale su tutti gli isolatori sismici inseriti nell'intera opera di fondazione, si genera un sottile spazio esteso con valore costante fra la struttura primaria e la secondaria di fondazione, ottenendo il completo isolamento della base dell'edificio costruito sopra la struttura secondaria di fondazione (6). Procedendo in maniera inversa, cioè, estraendo un tappo superiore (7) per volta mantenendo in esercizio gli altri isolatori sismici (1), è possibile rimuovere o controllare lo stato di conservazione di ciascun isolatore sismico (1), operazione che può essere svolta in qualsiasi momento durante l'uso dell'edificio, senza compromettere l'intero sistema di isolamento. Once the operation described above has been carried out, the seismic isolator is in operation. If this operation is carried out gradually on all the seismic isolators inserted in the entire foundation work, a thin extended space with constant value is generated between the primary and secondary foundation structures, obtaining complete isolation of the base of the built building. above the secondary foundation structure (6). Proceeding in the reverse order, that is, by extracting one top cap (7) at a time while keeping the other seismic isolators (1) in operation, it is possible to remove or check the state of conservation of each seismic isolator (1), an operation that can be carried out in any moment during the use of the building, without compromising the entire insulation system.
In virtù del piccolissimo spazio B creatosi fra la struttura primaria di fondazione (3) e quella secondaria superiore (6), gli isolatori sismici sono invulnerabili all'inclusione di materiali provenienti dall'esterno della struttura di fondazione, che potrebbero causarne perdite di efficienza nell'isolamento stesso. Tuttavia per maggiore sicurezza può essere prevista una guarnizione fra la struttura di fondazione primaria (3) e secondaria (6) , estesa lungo tutto il perimetro esterno dell’ intera opera. By virtue of the very small space B created between the primary foundation structure (3) and the upper secondary one (6), the seismic isolators are invulnerable to the inclusion of materials coming from the outside of the foundation structure, which could cause efficiency losses in the isolation itself. However, for greater safety, a seal can be provided between the primary (3) and secondary (6) foundation structure, extended along the entire external perimeter of the entire work.
La geometria dell'isolatore sismico (1), oggetto della presente invenzione, rappresentato in (Fig. 2), costituito generalmente in acciaio con caratteristiche di inalterabilità nel tempo (inox od altro materiale ritenuto idoneo), è realizzato sostanzialmente da un supporto cilindrico incavato in corrispondenza del centro con profilo C idoneo a rendere possibile il movimento alfinterno dei cilindri cavi (2) e (5), secondo quanto esposto in (Fig. 3) e (Fig. 4). The geometry of the seismic isolator (1), object of the present invention, represented in (Fig. 2), generally made of steel with characteristics of inalterability over time (stainless steel or other material deemed suitable), is substantially made from a hollow cylindrical support in correspondence with the center with profile C suitable for making possible the movement inside the hollow cylinders (2) and (5), as described in (Fig. 3) and (Fig. 4).
Il profilo delle basi A , inferiore e superiore, dell'isolatore sismico (1) (Fig. 2), può essere realizzato con calotta assimilabile a sferica, di raggio R leggermente superiore alla metà dell'altezza totale H, il cui valore di R può essere diverso da punto a punto lungo il profilo A, quindi con qualsiasi profilo di tipo: sferico; ellittico; parabolico; combinazione di questi, od altro profilo appositamente studiato al fine di ottenere una dinamica di oscillazione della base dell'edificio (6), corrispondente con il progetto dell'isolamento sismico generale desiderato dell'intero edificio. The profile of the bases A, lower and upper, of the seismic isolator (1) (Fig. 2), can be made with a cap similar to a spherical one, with a radius R slightly higher than half of the total height H, whose value of R it can be different from point to point along profile A, therefore with any type of profile: spherical; elliptical; parabolic; combination of these, or another profile specifically designed in order to obtain an oscillation dynamics of the base of the building (6), corresponding with the desired general seismic isolation project of the entire building.
Il profilo interno D dei cilindri cavi (2) e (5), (Fig. 1), costituiti generalmente in acciaio con caratteristiche di inalterabilità nel tempo, potrà essere di tipo ondulato con geometria atta ad assicurare il libero movimento dell'isolatore sismico (1) durante il sisma (Fig. 3) e (Fig. 4). Al moto dell'isolatore sismico (1), viene opposto il solo attrito volvente, incrementato se opportunamente dimensionato, da una leggera resistenza. Questa è causata da attriti secondari di tipo radente, ottenuta da una minima interferenza tra le superfici di scorrimento A e D. Assorbendo una prefissata quantità di energia ad ogni oscillazione dell'isolatore sismico (1), si realizza lo smorzamento desiderato e quantificato in fase di progettazione generale sismica. L’assorbimento di energia avviene soltanto nella fase di allontanamento dell’edifìcio dalla posizione centrale di centraggio e nella fase di ritorno al centro risulta presente soltanto l’attrito volvente e nullo quello di attrito radente. Questa particolarità determina il perfetto ricentraggio dell’edifìcio al termine delle oscillazioni. The internal profile D of the hollow cylinders (2) and (5), (Fig. 1), generally made of steel with characteristics of inalterability over time, may be of the corrugated type with a geometry capable of ensuring the free movement of the seismic isolator ( 1) during the earthquake (Fig. 3) and (Fig. 4). To the motion of the seismic isolator (1), only rolling friction is opposed, increased if suitably sized, by a slight resistance. This is caused by secondary friction of the sliding type, obtained from a minimum interference between the sliding surfaces A and D. By absorbing a predetermined amount of energy at each oscillation of the seismic isolator (1), the desired damping is achieved and quantified in phase of general seismic design. Energy absorption occurs only in the phase of moving the building away from the central centering position and in the phase of returning to the center only rolling friction is present and no sliding friction is present. This particularity determines the perfect re-centering of the building at the end of the oscillations.
Nel caso in cui si desiderano realizzare smorzamenti dinamici dipendenti dalla velocità di oscillazione dell'isolatore sismico (1), può essere previsto finserimento di uno strato G (Fig. 5) di idoneo materiale viscoso, granulare od altro materiale ritenuto idoneo sotto l'isolatore sismico (1). Ciò può garantire un comportamento deformativo, con smorzamento viscoso delle oscillazioni, compatibili con le prescrizioni richieste dal progetto dell'intero edificio in caso di sisma. In the case in which dynamic damping depending on the oscillation speed of the seismic isolator (1) is desired, it is possible to insert a layer G (Fig. 5) of suitable viscous material, granular or other material considered suitable under the isolator. seismic (1). This can guarantee a deformation behavior, with viscous damping of the oscillations, compatible with the requirements required by the design of the entire building in the event of an earthquake.
Qualora sia richiesta una protezione alle azioni sismiche verticali (generalmente non molto dannose per gli edifici), può essere previsto un doppio cilindro (8), (fig. 6), scorrevole all'interno del cilindro cavo (5) ancorato alla fondazione (6), provocando con l'inserimento del tappo (7) la compressione di un sistema di molle (9) e la conseguente elasticità in senso verticale del sistema di isolamento sismico, lo smorzamento è causato dagli attriti fra le superfìci di contatto del cilindro (8) ed il cilindro (5). If protection against vertical seismic actions is required (generally not very harmful to buildings), a double cylinder (8), (fig. 6), can be provided, sliding inside the hollow cylinder (5) anchored to the foundation (6 ), causing, with the insertion of the cap (7), the compression of a system of springs (9) and the consequent elasticity in the vertical direction of the seismic isolation system, the damping is caused by the friction between the contact surfaces of the cylinder (8 ) and the cylinder (5).
Il profilo esterno dei cilindri cavi (2) e (5), dovrà garantire con la sua forma un idoneo ancoraggio alle strutture di fondazione primaria (3) e secondaria (6) ed anche la tipologia di inserimento e sistema di fissaggio F del tappo (7) nel cilindro cavo (5), dovrà essere compatibile con l'esigenza della rimozione e resistenza meccanica richiesta in esercizio, potrà quindi essere realizzata in qualsiasi forma (filettatura, insieme di tiranti periferici con viti, pressione con cono di ritenuta, ecc.). The external profile of the hollow cylinders (2) and (5), with its shape, must guarantee suitable anchoring to the primary (3) and secondary (6) foundation structures and also the type of insertion and fixing system F of the cap ( 7) in the hollow cylinder (5), it must be compatible with the need for the removal and mechanical strength required in operation, it can therefore be made in any shape (thread, set of peripheral tie rods with screws, pressure with retaining cone, etc. ).
Il sistema di disaccoppiamento della base dell'edifìcio descritto, può anche essere introdotto a quota diversa da quella coincidente con il terreno, esempio piano primo o successivi ed il lato dal quale può essere introdotto l'isolatore sismico (1), può essere quello superiore od inferiore intervenendo cioè per le fasi di inserimento, controllo o estrazione dell’isolatore sismico (1) rispettivamente dal pavimento o soffitto del piano disaccoppiato. The decoupling system of the base of the building described can also be introduced at a height other than that coinciding with the ground, for example the first or subsequent floors and the side from which the seismic isolator (1) can be introduced, can be the upper one. or lower, i.e. intervening for the phases of insertion, control or extraction of the seismic isolator (1) respectively from the floor or ceiling of the decoupled plane.
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