ITVI20110204A1 - Sistema di fissaggio meccanico, che utilizza lamine o rondelle - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Il presente trovato riguarda un sistema di fissaggio meccanico, che utilizza lamine o rondelle, del tipo che presenta elementi strutturali da fissare mediante bulloni e dadi o simili ed in cui tali rondelle o lamine si pongono in contatto con una delle superfici degli elementi in cui viene inserito il gambo della vite o del bullone.
Com’è noto i collegamenti mobili fra due elementi strutturali vengono per lo più eseguiti attraverso il fissaggio con viti e bulloni.
E’ noto ai tecnici del ramo che tali collegamenti vengono spesso effettuati pretensionando i bulloni stessi, al fine di ottenere un collegamento che impedisca lo scorrimento reciproco fra le parti unite, attraverso l'attrito: questo sia nel campo dell'ingegneria meccanica (costruzione di macchine di qualsiasi tipo), che in quello dell'ingegneria civile (costruzioni metalliche e miste, con giunti bullonati).
E' anche noto che nel settore del'ingegneria civile, in campo sismico, la progettazione viene eseguita tenendo conto dei giunti cosiddetti “plastici”, cioè in grado di deformarsi (e sacrificarsi) dissipando l energia del sisma senza per questo portare al collasso immediato la struttura, che va comunque demolita e ricostruita dopo la plasticizzazione dei giunti stessi.
E’ inoltre noto che tutto ciò finora esposto si basa sulla conoscenza il più esatta possibile del precarico dei bulloni e, per quanto riguarda i giunti plastici, della conoscenza della quantità di energia dissipata.
Allo stato attuale dell'arte, i bulloni vengono per lo più pretensionati attraverso l'utilizzo dì chiavi dinamometriche, in grado di misurare con esattezza sufficiente, dopo taratura, la coppia di serraggio, che è direttamente proporzionale al precarico attraverso il coefficiente di attrito, che però è spesso noto solo in modo approssimativo.
La mancanza di conoscenza dell'esatto valore del coefficiente di attrito porta a dover fare ipotesi sul reale pretensionamento dei bulloni, comportando molti problemi fra i quali: la rottura di bulloni quando essi sono troppo pretensionati, l'insufficienza della tenuta quando lo sono poco, il sovradimensionamento necessario per evitare possibili rotture, l'impossibilità di determinare l'energia dissipata in uno scorrimento relativo tra le superfici, essendo ignota la forza di contatto fra di esse, l'impossibilità di conoscere l'esatta resistenza di un giunto, l'impossibilità di operare una manutenzione periodica al tensionamento dei giunti di strutture metalliche senza avere conoscenza, giunto per giunto, dei coefficienti di attrito.
Attualmente il mercato inizia a proporre bulloni “pretarati”, differenti per diametro, lunghezza e materiale, ognuno con coefficiente di attrito certificato e noto, scritto sulla singola confezione e variabile lotto per lotto, con evidente complicazione sia per la produzione, che per l'utilizzo e la manutenzione dei giunti bullonati.
Scopo del presente trovato è quello di eliminare i suddetti ed altri inconvenienti, fornendo un sistema semplice ed immediato per rendere noto e costante il coefficiente di attrito negli organi di collegamento, eliminando così tutte le incertezze sulle forze in gioco, facilitando la manutenzione, rendendo possibile la previsione dell'energia dissipata dallo scorrimento di un giunto e quindi l'eventuale sostituzione degli odierni giunti plastici con giunti dissipativi che non si rompono col sisma, ma che possono consentire la semplice manutenzione dopo l'evento, senza richiedere la successiva demolizione dello stabile; tutto questo secondo le caratteristiche di cui alle rivendicazioni indipendenti. Altre caratteristiche del trovato sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
I vantaggi che derivano dal presente trovato consistono essenzialmente nel fatto che la conoscenza del coefficiente di attrito in maniera esatta porta a conoscere esattamente il valore delle forze che vengono applicate nelle unioni bullonate; ciò evita la rottura di bulloni per eccessivo pretensionamento; così come si evita l'insufficienza del collegamento. Si possono inoltre prevedere quantitativamente i fenomeni dissipativi nei giunti, rendendo così le costruzioni più sicure, facili da mantenere, durature. Infine la dissipazione avviene in campo elastico e può avvenire anche più volte durante lo stesso sisma. Utilizzando materiali inossidabili, o comunque resistenti agli agenti atmosferici, per le lamine e le rondelle, si garantisce la costanza nel tempo del coefficiente di attrito e quindi il facile ripristino del tensionamento esatto dei giunti. Tutti questi vantaggi vengono ottenuti in maniera semplice ed economica.
L’originalità e funzionalità del trovato verranno meglio comprese da ogni tecnico del ramo mediante la descrizione che segue, con l’ausilio degli annessi disegni, che ne mostrano delle soluzioni attuati ve, ma non esaustive o limitative:
- nella fig. 1 (tav. I) è illustrata una delle rondelle utilizzabili nel dispositivo di cui al trovato, con evidenziata la faccia avente il coefficiente di attrito maggiore;
- la fig. 2 illustra la medesima rondella, in cui è evidenziata la faccia con coefficiente di attrito minore;
- la fig. 3 (tav. II) illustra un esempio del sistema di fissaggio di cui al trovato;
- la fig. 4 illustra un esempio di giunto composto come in fig. 3, che presenta, in particolare, una coppia di flange sovrapposte;
- nella flg. 5 (tav. Ili) è illustrato un esempio del sistema di fissaggio come in figura 3, ma in cui sono presenti anche due flange sovrapposte, con caratteristiche diverse rispetto a quelle di fig. 4;
- la fig. 6 illustra un esempio di giunto composto come in figura 5;
- la fig. 7 (tav. IV) illustra un esempio di utilizzazione del dispositivo di cui al trovato, che prevede una colonna ed una trave reciprocamente unite mediante un giunto;
- La fig. 8 (tav. V) illustra una sezione trasversale di quanto illustrato in fig.
7;
- La fig. 9 (tav. VI) illustra un’ulteriore modalità di applicazione del dispositivo di cui al trovato, simile a quella illustrata in fig. 7.
In particolare nella fig. 1 è illustrata una rondella 1 le cui due facce presentano una diversa rugosità e quindi un diverso coefficiente d’attrito. Secondo il trovato è previsto che almeno il valore del coefficiente di attrito minore debba essere noto con precisione. In particolare in tale figura è evidenziata la faccia 2 con coefficiente di attrito maggiore. Tale faccia può essere ottenuta con qualsiasi tipo di lavorazione meccanica, chimica o elettrica. Viceversa, nella fig. 2 è illustrata la medesima rondella 1, con evidenziata la faccia 3 avente coefficiente di attrito minore fra le due facce. Anche in questo caso, tale faccia può essere ottenuta con qualsiasi tipo di lavorazione meccanica, chimica o elettrica.
Nella fig. 3 è illustrato un esempio del sistema di fissaggio secondo il trovato, che in questo caso comprende dei bulloni 4, delle rondelle 1 con facce a diverso coefficiente di attrito, le facce 2 aventi coefficiente di attrito maggiore essendo poste a contatto con il bullone 4 e la flangia 5 disposta superiormente, in modo da esser certi che il movimento relativo sia noto e sarà tra le due facce ad attrito minore, in contatto reciproco. Nella stessa figura sono visibili la flangia inferiore 6, una rondella 7 di tipo convenzionale ed un dado 8 di tipo convenzionale, oppure a basso coefficiente di attrito. Se esso è di tipo convenzionale, all’atto del montaggio il filetto sarà vantaggiosamente ingrassato, in modo da renderne trascurabile l’attrito, al fine di mantenere sostanzialmente nota la coppia di reazione all 'avvitamento e quindi il precarico effettivo.
Nella fig. 4 è illustrato un esempio di giunto composto come in fig. 3 ed in particolare si vedono due flange 5, 6 complete, eccettuato un settore in cui la rimozione virtuale ci permette di visualizzare in modo più accurato lo schema di montaggio; in particolare è evidenziata la faccia 2 della rondella 1 a contatto col bullone 4, non visibile in fig. 3. In questo tipo di giunto è possibile precaricare le viti con forza nota dal momento che è noto il coefficiente di attrito fra le facce 3, in reciproco contatto, delle rondelle 1; non ci è viceversa nota la coppia o la forza di inizio del moto relativo di strisciamento fra le flange 5 e 6, poiché ci è ignoto il relativo coefficiente di attrito.
Nella fig. 5 viene viceversa illustrato un sistema di fissaggio come in fig. 3, in cui sono però presenti due lamine 9 fra le flange 5 e 6. Dette lamine presentano facce a diverso coefficiente di attrito come le rondelle 1 e vengono anch’esse montate con le facce ad attrito minore e noto in contatto reciproco, mentre le facce 10 aventi coefficienti di attrito maggiore, noto o ignoto, vengono poste in contatto con le flange 5 e 6.
In questo modo diventa nota in modo sostanzialmente esatto, oltre al precarico delle viti, anche la forza o la coppia che è necessario applicare per far scorrere reciprocamente le flange 5 e 6. Si tenga presente che la forma circolare delle flange non è limitativa ed esse possono in particolare assumere qualunque forma.
Nella fig. 6 è illustrato un esempio di giunto composto in fig. 5, in cui si vedono le due flange complete 5 e 6, eccettuato un settore in cui la rimozione virtuale ci permette di visualizzare in modo più accurato lo schema di montaggio. In particolare è evidenziata la faccia 10 della lamina 9 posta a contatto con la flangia 5, che non era possibile vedere in fig. 5. In questo tipo di giunto è possibile precaricare viti con forza nota, dal momento che conosciamo il coefficiente di attrito fra le facce 3, in contatto reciproco, delle rondelle 1. E’ anche nota la coppia o la forza d’inizio del moto relativo di strisciamento reciproco tra le flange 5 e 6 (che trascinano a loro modo le lamine 9), dal momento che ci è noto il coefficiente di attrito minore delle facce, a contatto reciproco, delle lamine 9.
Nella fig. 7 è illustrato un esempio di utilizzazione del trovato, in cui è prevista una colonna 11 ed una trave 12 unite reciprocamente mediante un giunto composto da un supporto 13, nonché un elemento di giunzione 15, due lame 17 con facce aventi diverso coefficiente di attrito, montate come al solito con le facce 18 aventi coefficiente di attrito maggiore a contatto con l’elemento 15 di giunzione e con la trave 12, mentre le facce aventi coefficiente di attrito minore sono poste in contatto reciproco, in modo che lo strisciamento avvenga con valori di forza e coppia noti. Sono inoltre visibili un’asola 16, da cui il bullone è stato rimosso per poter vedere l’asola stessa, che ha il compito di lasciar ruotare il giunto intorno all’asse 14 di rotazione. Lo stesso elemento 15 di giunzione può essere montato anche nel lato nascosto della trave, imbullonato o saldato. L’elemento di supporto 13 può mancare, nel tal caso l’asse di rotazione può essere costituito da un perno con asse parallelo ad uno dei bulloni visibili in figura e con le asole dimensionate od orientate in modo da consentire la rotazione attorno al perno stesso. Le forze e le coppie sono comunque note, dal momento che ciò viene assicurato grazie al contatto tra superfici a coefficiente di attrito noto e grazie alla conoscenza del precarico dei bulloni, sempre grazie al sistema di fissaggio a coefficiente di attrito noto.
Nella fìg. 8 è illustrato il medesimo sistema di fig. 7, visto in sezione, in cui sono evidenziati una colonna 1, una trave 12, un elemento di giunzione 15, un ulteriore elemento di giunzione 20 saldato, quattro lamine 17 con facce aventi diverso coefficiente di attrito, come al solito montate in modo che le facce 18 a rugosità maggiore siano poste in contatto con gli elementi 11 e 20 di giunzione e con la trave 12, mentre le facce 19 aventi coefficiente di attrito minore, sono poste in contatto reciproco, in modo che il loro strisciamento reciproco avvenga con valori di forza e coppia noti. Sono inoltre visibili i dadi 8 ed i bulloni 4, montati sempre con rondelle 1 aventi le facce 12 a maggiore coefficiente di attrito disposte in modo opposto e quelle con minore coefficiente di attrito disposte in modo adiacente, affinché il precarico sia noto.
La fig. 9 illustra il medesimo sistema di cui alla fìg. 7, in cui sono evidenziati una colonna 11, una trave 12, un giunto saldato 20, la faccia 18 avente coefficiente di attrito maggiore essendo posta con l’elemento 20 di giunzione. È inoltre visibile un’asola 16 che, assieme con quelle presenti al di sotto di ogni bullone, garantisce al giunto la possibilità di ruotare attorno all’asse 14.
Ridotta alla sua struttura essenziale, e con riferimento alle figure degli allegati disegni, un sistema di fissaggio a coefficiente di attrito noto, realizzato in conformità al presente trovato, comprende:
mezzi per ottenere un predeterminato valore di precarico nei collegamenti bullonati, con le rondelle o le lamine, realizzate in modo da avere le facce a diverso coefficiente di attrito di cui almeno il minore noto, montate a coppie con affacciati reciprocamente, i lati aventi coefficienti di attrito minore;
mezzi per avere la certezza di dove avverrà lo scorrimento relativo fra le facce del giunto e quali siano le forze e l'energia necessarie a tale scorrimento, utilizzando coppie di elementi montati con i lati a minore e noto coefficiente di attrito reciprocamente affacciati.
Vantaggiosamente le rondelle 1 presentano le due facce con una diversa rugosità e quindi un diverso coefficiente di attrito, di cui almeno il valore minore deve essere noto: tale differenza è ottenibile con un qualsiasi tipo di lavorazione meccanica, chimica, elettrica diversa sulle due facce: tali rondelle vengono montate a coppie, con le facce ad attrito minore una di fronte all'altra. Il filetto del dado 8 viene opportunamente lubrificato all’atto del montaggio, in modo da rendere sostanzialmente trascurabile il suo contributo all'attrito: la coppia resistente sarà così determinata solamente dal coefficiente di attrito delle facce delle rondelle che sono a contatto reciprocamente, e che sono quelle che scorrono l'una rispetto all'altra in quanto presentano un basso coefficiente di attrito: in questo modo rimane esattamente quantificato il valore del precarico del bullone per ogni coppia di serraggio applicata.
Vantaggiosamente il sistema di fissaggio a flangia presenta, come in figura 6, due lamine 9 fra le flange 5 e 6, lamine che hanno facce a diverso coefficiente di attrito come le rondelle 1, e che vengono anch'esse montate con le facce ad attrito minore e noto in contatto reciprocamente, mentre le facce 10 con coefficiente di attrito maggiore, noto od ignoto, sono poste a contatto con le flange 5 e 6. In questo modo diventano note in maniera sostanzialmente esatta, oltre al precarico delle viti, anche la forza o la coppia che è necessario siano applicate per far scorrere reciprocamente le flange 5 e 6. La miglior conoscenza delle forze in gioco è vantaggiosa in qualsiasi tipo di progettazione, in qualsiasi campo. La forma circolare delle flange non è limitativa, può essere qualunque ed anche presentare forme diverse sopra e sotto.
Vantaggiosamente nella costruzione di strutture metalliche portanti, anche ad uso civile, il giunto (figg. 7, 8, 9) posto fra da una colonna 11 ed una trave 12 è composto da un supporto 13, un elemento di giunzione 15, da due lamine 17 con facce a diversi coefficienti di attrito, montate con le facce 18 con coefficiente di attrito maggiore a contatto con l'elemento 15 di giunzione e con la trave 12, mentre le facce a minore coefficiente di attrito sono in contatto reciprocamente, in modo che lo strisciamento avvenga necessariamente lì e con valori di forza e coppia noti. Gli elementi di giunzione e le lamine presentano delle asole 16, che hanno il compito di lasciar ruotare il giunto intorno all'asse 14 di rotazione. In questo modo si ottiene un valore molto ben approssimato della resistenza del giunto, ma soprattutto si conosce esattamente quanta energia viene dissipata nel movimento relativo, essendo note sia forze che spostamenti e si può quindi dimensionare un giunto dissipativo in campo elastico, che si comporta come una cerniera per valori di progettazione noti delle forze in gioco e che all'interno delle sollecitazioni di progetto può essere ripristinato dopo un sisma senza la necessità di demolizione della struttura stessa. Inoltre, data la sua caratteristica di elasticità, all'interno dello stesso fenomeno sismico il sistema può dissipare energia anche più volte, potendo tornare in parte o totalmente in posizione in maniera autonoma e mettendosi quindi in condizione di dissipare energia anche durante scosse successive, cosa che un giunto plastico evidentemente non può fare perché, una volta deformatosi, non ritorna in posizione. L' elemento 15 di giunzione può essere montato anche nel lato nascosto della trave 12, simmetrico o di forma differente, imbullonato o saldato.
Vantaggiosamente l'elemento di supporto 13 nel giunto di figure 7, 8, 9 può mancare, nel qual caso l'asse di rotazione può essere costituito da un perno con asse parallelo ad uno dei bulloni di figura o anche da un bullone e le asole possono essere dimensionate ed orientate in modo da consentire la rotazione intorno al perno stesso: le forze e le coppie sarebbero comunque note, perché ciò viene assicurato dal contatto fra le lamine con superfìci a coefficiente di attrito noto, oggetto del presente trovato e dalla conoscenza del precarico dei bulloni, sempre grazie al sistema di fissaggio a coefficiente di attrito noto.
Vantaggiosamente le rondelle e le lamine, che presentano le due facce che hanno una diversa rugosità e quindi un diverso coefficiente di attrito, sono costruite con acciaio inossidabile od altro materiale stabile nel tempo e resistente agli agenti atmosferici, in modo da rendere possibile nel tempo un corretto ritensionamento del giunto.
Vantaggiosamente le rondelle e le lamine hanno le due facce facilmente distinguibili reciprocamente alla vista e/o al tatto, attraverso colorazione totale o parziale della faccia più rugosa e/o ottenimento di intagli e forme visibili fino sui bordi a giunti montati, in modo che chiunque possa verificare visivamente e velocemente il corretto posizionamento degli elementi caratterizzanti.
Si precisa che i particolari di esecuzione possono comunque variare in maniera equivalente nella forma, dimensione, disposizione degli elementi, natura dei materiali impiegati, senza peraltro uscire dall’ambito dell’idea di soluzione adottata e perciò restando nei limiti della tutela accordata dal presente brevetto per invenzione.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1) SISTEMA DI FISSAGGIO MECCANICO, CHE UTILIZZA LAMINE O RONDELLE, del tipo che presenta elementi strutturali da fissare mediante viti (4), bulloni, dadi (8) e simili, dette rondelle o lamine ponendosi in contatto con una delle superfici degli elementi in cui è inserito il gambo della vite o del bullone, detto sistema caratterizzandosi per il fatto che le rondelle (1) o le lamine vengono sempre utilizzate in coppie sovrapposte, che presentano due facce (2, 3) aventi differenti coefficienti di attrito, di cui almeno il minore è noto con precisione, tali elementi essendo disposti in modo che risultino in contatto reciproco le facce (3) che presentano coefficiente di attrito minore.
- 2) SISTEMA, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella costruzione di strutture metalliche portanti, anche ad uso civile, il giunto fra una colonna (11) ed una trave (12) è composto da un supporto (13), da un elemento di giunzione (15), da due lamine (17) con facce aventi diverso coefficiente di attrito, montate con le facce (18) con coefficiente di attrito maggiore a contatto con l'elemento (15) di giunzione e con la trave (12), mentre le facce a minore coefficiente di attrito sono poste in contatto reciproco, in modo che lo strisciamento avvenga necessariamente lì e con valori di forza e coppia noti, essendo previsto che gli elementi di giunzione e le lamine presentino delle asole (16) che hanno il compito di lasciar ruotare il giunto intorno all'asse (14) di rotazione, l'elemento (15) di giunzione potendo essere montato anche nel lato nascosto della trave (12), simmetrico o di forma differente, imbullonato o saldato.
- 3) SISTEMA, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il supporto (13) manca nel giunto, l'asse di rotazione essendo costituito da un perno con asse parallelo ad uno dei bulloni, le asole essendo dimensionate ed orientate in modo da consentire la rotazione intorno al perno stesso.
- 4) SISTEMA, secondo la rivendicazione 1, del tipo in cui viene utilizzato un dado (8), essendo previsto che detto dado venga lubrificato all’atto del montaggio, in modo da rendere sostanzialmente trascurabile il suo contributo all’ attrito.
- 5) SISTEMA, secondo la rivendicazione 1, del tipo in cui è prevista una coppia di flange (5, 6), tra le quali vengono interposte due lamine (9), dette lamine (9) presentando un diverso coefficiente di attrito ed essendo montate con le facce aventi noto e minore coefficiente di attrito in contatto reciproco, mentre le facce (10), aventi coefficiente di attrito maggiore (noto od ignoto), vengono poste in contatto con le flange (5, 6), risultando in questo modo note in modo sostanzialmente esatto, oltre al precarico delle viti, anche la forza e la coppia che è necessario applicare per far scorrere reciprocamente dette flange (5, 6).
- 6) SISTEMA, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le rondelle e le lamine, che presentano le due facce aventi un diverso coefficiente di attrito, sono realizzate in acciaio inossidabile o con altro materiale stabile nel tempo o resistente agli agenti atmosferici.
- 7) SISTEMA, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le rondelle e le lamine presentano le due facce aventi diverso coefficiente di attrito distinguibili reciprocamente alla vista e/o al tatto, mediante una colorazione totale o parziale della faccia avente un maggiore coefficiente di attrito e/o ottenimento di un taglio e forme visibile fino sui bordi a giunti montati.
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