ITBZ20130013A1

ITBZ20130013A1 - SAFETY DEVICE FOR THE ABSORPTION OF SHOCKS AND / OR SHOCK ON CONSTRUCTIONS

Info

Publication number: ITBZ20130013A1
Application number: IT000013A
Authority: IT
Inventors: Alois Neulichedl
Original assignee: Alois Neulichedl
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-06

Description

Titolo: "Dispositivo di sicurezza per l'assorbimento di urti e/o scosse su costruzioni” Title: "Safety device for the absorption of impacts and / or shocks on buildings"

a nome: NEULICHEDL Alois on behalf: NEULICHEDL Alois

1-39012 Merano, Via Profinger 1/E 1-39012 Merano, Via Profinger 1 / E

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L'invenzione si riferisce ad un dispositivo di sicurezza per l'assorbimento di urti e/o scosse su costruzioni. The invention refers to a safety device for the absorption of impacts and / or shocks on buildings.

Costruzioni edili devono in casi straordinari assorbire urti o scosse come per esempio scosse di terremoto. Building constructions must in extraordinary cases absorb shocks or tremors such as earthquakes.

Di particolare interesse durante questi eventi sono le zone in cui sono posti elementi di collegamento quali bulloni e viti a fissare elementi costruttivi strutturali. Of particular interest during these events are the areas where connecting elements such as bolts and screws are placed to fix structural construction elements.

Durante il normale funzionamento questi elementi devono garantire una certa rigidità per evitare oscillazioni delle strutture. During normal operation these elements must guarantee a certain rigidity to avoid oscillations of the structures.

Questa rigidità è co n t ro - p rod utt i va nel caso di un urto violento o un terremoto. In questi casi è richiesto uno smorzamento elastico dando una certa predefinita flessibilità alla struttura in modo da evitare che questa crolli. This rigidity is con t ro - p rod utt i ve in the case of a violent shock or an earthquake. In these cases an elastic damping is required giving a certain predefined flexibility to the structure in order to prevent it from collapsing.

Sono note una moltitudine di soluzioni. Dalla IT 1241781 risulta un dispositivo dissipatore per la riduzione della risposta sismica di una struttura, comprendente mezzi per ancorare detto dispositivo a due punti di una struttura, ed un organo atto a deformarsi plasticamente dissipando energia quando la struttura è soggetta a sollecitazioni di tipo sismico ed analogo, e che detto organo è un organo tubolare mobile all'interno di un'intercapedine formata da un maschio o spina e da una femmina, detta intercapedine presentando almeno una sezione in cui detto organo tubolare subisce una deformazione plastica radiale. A multitude of solutions are known. From IT 1241781 there emerges a dissipating device for reducing the seismic response of a structure, comprising means for anchoring said device to two points of a structure, and an organ capable of plastically deforming dissipating energy when the structure is subjected to seismic stresses and analogously, and that said member is a tubular member movable inside a gap formed by a male or pin and a female, said gap having at least one section in which said tubular member undergoes a radial plastic deformation.

L'oggetto descritto nella pubblicazione IT è di una certa complessità. Inoltre richiede spazio ed il suo inserimento nella struttura di costruzione è complicato. The subject described in the IT publication is of a certain complexity. It also requires space and its insertion into the building structure is complicated.

Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un dispositivo che può essere installato in modo semplice, veloce ed a basso costo su collegamenti già esistenti. The object of the present invention is to provide a device that can be installed in a simple, fast and low-cost way on already existing connections.

Questo scopo viene raggiunto da un dispositivo di sicurezza interposto fra due elementi di costruzione. Questi due elementi possono essere collegati mediante un elemento di costruzione smontabile. This object is achieved by a safety device interposed between two construction elements. These two elements can be connected by means of a removable construction element.

Questo dispositivo comprende almeno un materiale elastomero interposto fra i due elementi di costruzione, avente un coefficiente di Poisson fra 0,45 e 0,50, essendo confinato almeno parzialmente su un perimetro mediante almeno una parete metallica, avente un pronunciato comportamento plastico e duttile e un allungamento prima della rottura almeno del 15%. This device comprises at least one elastomeric material interposed between the two construction elements, having a Poisson's ratio between 0.45 and 0.50, being confined at least partially on a perimeter by at least one metal wall, having a pronounced plastic and ductile behavior and an elongation before breaking of at least 15%.

Il dispositivo secondo l'invenzione può essere posizionato per esempio al posto delle rosette sugli elementi smontabili, avendo durante il normale funzionamento la funzione di una rosetta, e agendo soltanto in caso di necessità, quando viene assorbita una energia predeterminata. The device according to the invention can be positioned for example instead of the washers on the removable elements, having the function of a washer during normal operation, and acting only in case of need, when a predetermined energy is absorbed.

Il dispositivo secondo l'invenzione è composto da almeno due materiali di cui un materiale metallico per esempio acciaio e di un altro materiale elastomero. Questo blocco in elastomero confinato fra gli vari elementi rigidi, di cui almeno uno metallico, sottoposto a compressione si comporta come un fluido incomprimibile risultando quindi molto efficace nella trasmissione di sforzi assiali senza cedimenti. Il materiale metallico realizza la struttura di confi nazione. Esso garantisce la rigidità all'intero dispositivo durante il funzionamento normale. The device according to the invention is composed of at least two materials, of which a metallic material, for example steel, and of another elastomeric material. This elastomer block confined between the various rigid elements, at least one of which is metallic, subjected to compression behaves like an incompressible fluid and is therefore very effective in transmitting axial forces without yielding. The metallic material forms the boundary structure. It guarantees rigidity to the entire device during normal operation.

Quando il dispositivo subisce uno sforzo limite predeterminato, il materiale elastomerico carica gli elementi confinanti così, che il materiale metallico entra nella fase di deformazione plastica. Entrando in questa fase il materiale metallico si deforma in modo tale, che il secondo materiale, il materiale elastomero entra anche in presa. Lo sforzo viene assorbito e anche in parte dissipato sia dal materiale elastomero e dal materiale metallico nel campo di deformazione plastica. Il dispositivo secondo l'invenzione rende i collegamenti della struttura in questa fase più elastica. When the device undergoes a predetermined limit stress, the elastomeric material loads the neighboring elements so that the metal material enters the phase of plastic deformation. Entering this phase, the metal material is deformed in such a way that the second material, the elastomer material, also enters into grip. The stress is absorbed and also partly dissipated by both the elastomer material and the metal material in the plastic deformation field. The device according to the invention makes the connections of the structure more elastic in this phase.

Il dispositivo secondo l'invenzione è monouso: ciò significa che una volta che il materiale metallico è entrato nel campo di deformazione plastica il dispositivo ha svolto il suo scopo, cioè di assorbire un urto di un evento straordinario e dare all'intera struttura in quel momento la necessaria elasticità per superare l'evento quale per esempio un terremoto. The device according to the invention is disposable: this means that once the metal material has entered the plastic deformation field the device has fulfilled its purpose, that is to absorb a shock of an extraordinary event and give the entire structure in that moment the necessary flexibility to overcome the event such as an earthquake.

Si può dire che il dispositivo secondo l'invenzione è come se fosse un fusibile per strutture in caso di un evento con carichi straordinari. It can be said that the device according to the invention is as if it were a fuse for structures in the event of an event with extraordinary loads.

Dopo l'evento che ha portato il materiale metallico nel campo di deformazione plastica il dispositivo secondo l'invenzione può essere semplicemente sostituito. After the event that brought the metal material into the plastic deformation field, the device according to the invention can simply be replaced.

Forme di realizzazione vengono in modo non limitativo descritte qui di seguito per mezzo delle Figure. Queste mostrano: Embodiments are described in a non-limiting manner hereinafter by means of the Figures. These show:

la Figura 1 una sezione di un dispositivo secondo l'invenzione, Figure 1 is a section of a device according to the invention,

la Figura lb un dispositivo secondo l'invenzione schematizzato, Figure 1b shows a schematic diagram of the device according to the invention,

la Figura la una sezione del dispositivo della Figura lb, la Figura 2a una sezione di un dispositivo secondo l'invenzione in un elemento di compressione, Figure 1a a section of the device of Figure 1b, Figure 2a a section of a device according to the invention in a compression element,

la Figura 2b una sezione di un dispositivo secondo l'invenzione in un elemento di trazione, Figure 2b a section of a device according to the invention in a traction element,

la Figura 3 un diagramma di forza/deformazione, Figure 3 is a force / strain diagram,

la Figura 4a un diagramma forza/deformazione sotto carico ciclico entro i limiti elastici, Figure 4a a force / deformation diagram under cyclic loading within the elastic limits,

la Figura 4b un diagramma forza/deformazione sotto carico ciclico sopra i limiti elastici, e Figure 4b is a force / deformation diagram under cyclic loading above the elastic limits, e

la Figura 5 una sezione di una ulteriore forma di realizzazione. Figure 5 is a section of a further embodiment.

La Figura 1 mostra una forma di realizzazione preferita dell'invenzione. In questa forma preferita questo dispositivo è realizzato a forma tubolare, dove la camicia 3a è composta di un materiale metallico, per esempio acciaio. Questa camicia funge come elemento di contenimento durante il normale funzionamento. Quando un carico supera un limite predeterminato la camicia metallica viene sollecitata in direzione radiale così forte, che entra nella deformazione plastica. A causa della deformazione plastica il dispositivo secondo l'invenzione si deforma in modo tale, che anche l'interno 2 formato del tutto da materiale elastomero si partecipa alla trasmissione degli sforzi come una molla elastica, che assorbe e smorza l’urto. Figure 1 shows a preferred embodiment of the invention. In this preferred form this device is made in a tubular shape, where the jacket 3a is made of a metallic material, for example steel. This shirt acts as a containment element during normal operation. When a load exceeds a predetermined limit the metal jacket is stressed in the radial direction so strongly that it enters the plastic deformation. Due to the plastic deformation, the device according to the invention is deformed in such a way that even the interior 2 formed entirely of elastomer material participates in the transmission of stresses like an elastic spring, which absorbs and dampens the impact.

Inoltre il materiale metallico si trova nella zona di deformazione plastica in cui ogni suo spostamento assorbe e dissipa energia. Furthermore, the metallic material is found in the plastic deformation zone in which each movement of it absorbs and dissipates energy.

Nel dispositivo secondo l'invenzione all'interno può essere presente una parete metallica 3b, che limita il materiale elastomero 2. Attraverso il dispositivo secondo l'invenzione può passare un elemento di collegamento 6, che è collegato ad elementi di costruzione 4 e 5. Inside the device according to the invention there may be a metal wall 3b, which limits the elastomer material 2. A connecting element 6, which is connected to construction elements 4 and 5, can pass through the device according to the invention.

In una forma di realizzazione preferita il materiale plastico può essere limitato dalle superfici la e lb. Queste possono essere interposte fra gli elementi di costruzione per garantire una ottima superficie di contatto. In a preferred embodiment, the plastic material can be limited by the surfaces la and lb. These can be interposed between the construction elements to ensure an excellent contact surface.

In una ulteriore forma di realizzazione rappresentata nella Figura 5, la superficie dell'elemento di costruzione è accoppiata in un collegamento geometrico con la parete 3a. In questo modo viene confinato il volume del materiale elastomero 2. In a further embodiment shown in Figure 5, the surface of the construction element is coupled in a geometric connection with the wall 3a. In this way the volume of the elastomer material 2 is confined.

Il dispositivo secondo l’invenzione può essere composto da una piastra di base metallica superiore la ed una piastra di base metallica inferiore lb, tutte due a forma di anello. Fra queste si trova un blocco in materiale elastomerico 2 o materiale plastico o simile, anche questo in forma anulare. Questo blocco viene racchiuso lateralmente sia all'interno 3b, sia anche all’esterno 3a da un cilindro metallico. Questa forma di realizzazione viene fatta vedere in modo non limitativo in Figura 1. The device according to the invention can be composed of an upper metal base plate la and a lower metal base plate 1b, both in the shape of a ring. Among these there is a block made of elastomeric material 2 or plastic material or the like, also in annular form. This block is enclosed laterally both inside 3b and also outside 3a by a metal cylinder. This embodiment is shown in a non-limiting manner in Figure 1.

Il comportamento aspirato del dispositivo di sicurezza si fa vedere schematico nella Figura 3 con la relazione forza assiale (F) - deformazione assiale (u). The sucked behavior of the safety device is shown schematically in Figure 3 with the relationship axial force (F) - axial deformation (u).

A carichi di esercizio (fino allo stato limite d’esercizio SLE) il dispositivo può avere un corri porta mento molto rigido (K0molto grande). Dopo aver raggiunta una determinata “forza limite inferiore” (forza di snervamento) Fyil dispositivo ha un comportamento dolce, vuol dire che si manifestano deformazioni notevoli senza grande incremento della forza (tipico comportamento plastico). Il dispositivo può essere dimensionato in modo, che fino al raggiungimento di una determinata deformazione minima (umin) non può essere raggiunto una “forza limite superiore” Ful. Le deformazioni plastiche devono essere notevoli prima che si manifesti una eventuale rottura. At operating loads (up to the limit state of exercise SLE) the device can have a very rigid correction (very large K0). After reaching a certain "lower limit force" (yield strength) Fyil device has a gentle behavior, which means that significant deformations occur without a great increase in force (typical plastic behavior). The device can be dimensioned in such a way that until a certain minimum deformation (umin) is reached, an "upper limit force" Ful cannot be reached. Plastic deformations must be significant before any breakage occurs.

Nel campo dei carichi di esercizio (F < Fy) in caso di scarico o sotto carichi ciclici il dispositivo reagisce quasi perfettamente elastico - Figura 4a. Nel caso di scarico e ricarico nel campo dopo aver superato la “forza limite inferiore” (F > Fy) il dispositivo reagisce dolce con discrete caratteristiche dissipative e smorzanti - Figura 4b. In the operating load range (F <Fy) in case of unloading or under cyclic loads the device reacts almost perfectly elastic - Figure 4a. In the case of unloading and reloading in the field after exceeding the "lower limit force" (F> Fy) the device reacts softly with discrete dissipative and damping characteristics - Figure 4b.

Il blocco elastomerico deve avere le caratteristiche vi scoe I a st i c he tipiche di un materiale elastomerico. La parte sferica della deformazione del materiale elastomerico (variazione del volume) deve essere trascurabile, che vuol dire che il coefficiente di Poisson varia nel campo di 0,47 < v < 0,50 (materiale incomprimibile) e inoltre questo materiale deve essere in grado di sopportare grandi tensioni a com pressi one. The elastomeric block must have the visual characteristics typical of an elastomeric material. The spherical part of the deformation of the elastomeric material (volume variation) must be negligible, which means that the Poisson's ratio varies in the range of 0.47 <v <0.50 (incompressible material) and furthermore this material must be able to withstand great compressive tensions.

Gli elementi metallici, circondanti il materiale elastomerico, devono essere caratterizzati da un pronunciato comportamento plastico e duttile con un allungamento a rottura minimo A > 15%. Importante è anche, che l’incrudimento dopo il raggiungimento del limite di snervamento non sia troppo eccessivo. Ideale sarebbe un materiale metallico con un rapporto basso tra tensione di rottura e tensione di snervamento (fu/ fy). Importante per il materiale metallico del dispositivo è inoltre, che le caratteristiche meccaniche come il modulo elastico (E), la tensione di snervamento (fy), la tensione di rottura (fu) e l’allungamento a rottura (A) siano quasi costanti, con solo piccole tolleranze sia in basso, che in alto. The metal elements, surrounding the elastomeric material, must be characterized by a pronounced plastic and ductile behavior with a minimum elongation at break A> 15%. It is also important that the work hardening after reaching the yield point is not too excessive. Ideal would be a metallic material with a low ratio between breakdown stress and yield stress (fu / fy). It is also important for the metal material of the device that the mechanical characteristics such as the elastic modulus (E), the yield stress (fy), the breaking stress (fu) and the elongation at break (A) are almost constant, with only small tolerances both at the bottom and at the top.

Tutte le proprietà meccaniche dei materiali usati per il dispositivo di sicurezza non dovrebbero subire grandi variazioni nel campo di temperatura di esercizio fra -30°C < T < 80°C e nel campo di velocità di deformazione fra 10<3>l/s < ε<'>< 10 l/s. All the mechanical properties of the materials used for the safety device should not undergo large variations in the operating temperature range between -30 ° C <T <80 ° C and in the strain rate range between 10 <3> l / s < ε <'> <10 l / s.

Il comportamento richiesto del dispositivo secondo l’invenzione viene ottenuto tramite il principio qui di seguito descritto: The required behavior of the device according to the invention is obtained through the principle described below:

All’inizio di una sollecitazione il blocco elastomerico confinato (incapsulato) da elementi metallici reagisce molto rigido. Per il comportamento di deformazione fino alla forza limite inferiore” Fysono decisive le proprietà di deformazione dei componenti metallici. At the beginning of a stress, the elastomeric block confined (encapsulated) by metal elements reacts very rigidly. The deformation properties of metal components are decisive for the deformation behavior down to the lower limit force ”Fys.

A causa della compressione assiale il blocco elastomerico/plastico 2 tende ad allargarsi lateralmente (in direzione radiale) e spinge contro l’involucro esterno ossia la camicia 3a ed l'interno 3b e sollecita quindi questi componenti metallici in direzione radiale. Due to the axial compression, the elastomeric / plastic block 2 tends to widen laterally (in the radial direction) and pushes against the outer shell that is the jacket 3a and the interior 3b and therefore stresses these metal components in the radial direction.

Al raggiungimento della “forza limite inferiore” Fyl’involucro metallico esterno 3a, che è il più debole, raggiunge la tensione di snervamento e vengono attivate le caratteristiche plastiche di questa componente metallica. Si raggiungono deformazioni notevoli senza grandi incrementi di carico. La “forza limite superiore” Fuidel dispositivo viene determinata dal fenomeno di incrudimento del metallo utilizzato per il confinamento esterno e la sua tensione di rottura. When the "lower limit force" Fyl is reached, the external metal casing 3a, which is the weakest, reaches the yield stress and the plastic characteristics of this metal component are activated. Significant deformations are achieved without large load increases. The "upper limit force" Fu of the device is determined by the hardening phenomenon of the metal used for the external confinement and its breaking stress.

Nel caso di scarico e ricarico (sollecitazioni ciclici) sotto la “forza limite inferiore” F < Fyreagiscono soprattutto le componenti metallici rigidi ed ancora elastici. Dopo aver superata la “forza limite inferiore” F > Fyi n caso di scarico e ricarico lavora la componente elastomerica (componente 2 in Fig. 1) con il suo tipico comportamento piuttosto morbido e vi sco -e I a st i co . Solo con un ulteriore incremento di deformazione lavora di nuovo il comportamento plastico delle componenti metallici. In the case of unloading and reloading (cyclic stresses) below the “lower limit force” F <Fyrea act above all the rigid and still elastic metal components. After having exceeded the "lower limit force" F> Fyi n, in the case of unloading and reloading, the elastomeric component (component 2 in Fig. 1) works with its typical rather soft and visible behavior. Only with a further increase in deformation does the plastic behavior of the metal components work again.

I limiti di forza (Fye Ful) ed anche il comportamento di deformazione al primo caricamento vengono determinati principalmente dalle proprietà del involucro metallico esterno. Solo nelle fasi di scarico e ricarico (carichi ciclici) nel campo F > Fylavora principalmente il materiale elastomerico come smorzatore o dissipatore. The strength limits (Fye Ful) and also the deformation behavior at first loading are mainly determined by the properties of the outer metal casing. Only in the unloading and reloading phases (cyclic loads) in the F> Fy range it mainly processes the elastomeric material as a damper or heat sink.

Il dispositivo secondo l'invenzione è monouso: ciò significa che una volta che il materiale metallico è entrato nel campo di deformazione plastica il dispositivo ha svolto il suo scopo cioè assorbire un urto di un evento straordinario e dare all'intera struttura in quel momento la necessaria elasticità per superare l'evento quale per esempio un terremoto. The device according to the invention is disposable: this means that once the metal material has entered the plastic deformation field, the device has fulfilled its purpose, i.e. absorbing an impact from an extraordinary event and giving the entire structure at that moment the necessary flexibility to overcome the event such as an earthquake.

Dopo l'evento che ha portato il materiale metallico nella zona di deformazione plastica il dispositivo secondo l'invenzione può essere semplicemente sostituito. After the event that brought the metal material into the plastic deformation zone, the device according to the invention can simply be replaced.

Il dispositivo secondo l’invenzione ha quindi le tre seguenti caratteristiche principali: The device according to the invention therefore has the following three main characteristics:

1. Lavora come “limitatore degli sforzi” (fusibile); 1. Works as a "stress limiter" (fuse);

2. Lavora come “ammortizzatore” in caso di urti; 2. It works as a "shock absorber" in case of collisions;

3. Lavora come dissipatore nel campo di elevate deformazioni in caso di carichi ciclici eccezionali. La funzione di fusibile si raggiunge per esempio sfruttando le proprietà e I a st o - p I a st i c he delle componenti metalliche. Dopo il raggiungimento dello sforzo di snervamento il carico può essere incrementato solo lentamente contemporaneo con un elevato aumento delle deformazioni. I componenti metallici sono dimensionati in modo, che fino al raggiungimento di un determinato limite di deformazione (umin) non può essere superato la determinata “forza limite superiore” Fui. Così tramite il dispositivo secondo l’invenzione il collegamento è protetto con la forza limite 3. It works as a heat sink in the range of high deformations in case of exceptional cyclic loads. The fuse function is achieved, for example, by exploiting the properties of metal components. After reaching the yield stress, the load can only be increased slowly simultaneously with a high increase in deformations. The metal components are dimensioned in such a way that until a certain deformation limit (umin) is reached, the certain "upper limit force" Fui cannot be exceeded. Thus, through the device according to the invention, the connection is protected with the limit force

Fui-La funzione di ammortizzatore per esempio si raggiunge di nuovo tramite il comportamento plastico elevato delle componenti metallici dopo il superamento della “forza limite inferiore” Fy. A conseguenza dell’elevato incremento di deformazione senza notevole incremento del carico, tutto il sistema reagisce più morbido e flessibile e si attivano più proprietà smorzanti del sistema. Soprattutto nel caso di eventi sismici si nota, che i sistemi più flessibili reagiscono molto meno sensibili. Fui-The function of shock absorber, for example, is reached again through the high plastic behavior of the metal components after exceeding the "lower limit force" Fy. As a result of the high increase in deformation without a significant increase in load, the whole system reacts softer and more flexible and more damping properties of the system are activated. Especially in the case of seismic events it is noted that the more flexible systems react much less sensitive.

La funzione di dissipatore per esempio si raggiunge tramite il contributo di più componenti. The heatsink function, for example, is achieved through the contribution of several components.

Tramite un'unica, ma molto pronunciata deformazione plastica delle componenti metalliche si trasforma una parte dell’energia introdotta nel sistema in altre forme di energia. Tramite la dissipazione di energia per isteresi e lo smorzamento viscoso dell’elemento elastomerico energia introdotta si trasforma in calore. Through a single, but very pronounced plastic deformation of the metal components, part of the energy introduced into the system is transformed into other forms of energy. Through the dissipation of energy by hysteresis and the viscous damping of the elastomeric element, the energy introduced is transformed into heat.

Tramite l’attrito nelle varie superfici di contatto tra i componenti del dispositivo si trasforma energia meccanica in calore. Mechanical energy is transformed into heat through the friction in the various contact surfaces between the components of the device.

Infine a causa della grande deformabi I ità, che dà il dispositivo al sistema collegato, viene data la possibilità di dissipare energia meccanica tramite movimenti di corpo rigido, il cosiddetto “rocking”. Finally, due to the great deformability that the device gives to the connected system, it is possible to dissipate mechanical energy through rigid body movements, the so-called “rocking”.

Claims

R I V E N I CAZ IONS 1. Safety device for constructions characterized in that it comprises at least one elastomeric material (2) interposed between the two construction elements (4,5,6), having a Poisson's ratio between 0.45 and 0.50, being the elastomeric material (2) confined at least partially on a perimeter by at least one metal wall (3a, 3b) having an elongation before breaking of at least 15%.

2. Device according to claim 1, characterized in that said elastomeric material is formed in a ring confined by an internal lateral metal wall (3 b) and an external lateral metal wall (3 a).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that said elastomeric material (2) is confined above and below by plates (la, 1 b).