ITMI20090230A1

ITMI20090230A1 - Smorzatore e struttura facente uso dello smorzatore

Info

Publication number: ITMI20090230A1
Application number: IT000230A
Authority: IT
Inventors: Agostino Marioni
Original assignee: Alga Spa
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-08-21
Also published as: IT1393098B1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a smorzatori.

Ãˆ noto l'uso di smorzatori, come smorzatori viscosi, come dispositivi di dissipazione di energia. In particolare, smorzatori sono usati convenzionalmente per smorzare le vibrazioni di una struttura causate da terremoto, vento o altre sollecitazioni.

Gli smorzatori viscosi sono normati in: Capitolo 7, "Velocity Dependent Devices", della bozza di Standard Europeo prEN 15129, "Anti-seismic devices", redatta dal Comitato Tecnico CEN/TC 340 e pubblicata nell'aprile 2007.

La figura 1 mostra una disposizione tipica di uno smorzatore viscoso convenzionale.

Questo smorzatore viscoso comprende un cilindro in acciaio 3 e un pistone 2 che divide lo spazio allâ€™interno del cilindro 3 in due camere 4 riempite con un fluido, per esempio olio. Ãˆ anche previsto un circuito idraulico per consentire all'olio di fluire da una delle camere 4 all'altra. Nell'esempio della figura 1, il circuito idraulico Ã ̈ interno al pistone 2 in quanto quest'ultimo include valvole 8.

Il cilindro 3 Ã ̈ connesso a una parte di una struttura (sul lato destro in figura 1) mentre, sul lato opposto (sul lato sinistro in figura 1), il pistone 1 Ã ̈ connesso a un'altra parte della struttura mediante un'asta di pistone 1. Tali connessioni sono realizzate mediante cerniere sferiche 7 a cui il cilindro 3 e l'asta di pistone 1 sono rispettivamente fissati attraverso coperchi 5 e dadi di bloccaggio 6.

In conseguenza di un terremoto, di vento o di altra sollecitazione, le due parti opposte della struttura possono spostarsi l'una rispetto all'altra. Questo spostamento relativo costringe l'olio a fluire da una delle camere 4 allâ€™altra attraverso le valvole 8.

Teoricamente, la forza di reazione F data da uno smorzatore viscoso in risposta a tale spostamento relativo avente una velocitÃ V puÃ² essere rappresentata dall'equazione F = C * V<Q>, dove C Ã ̈ una costante che dipende dalle caratteristiche fÃ¬sico- geometriche dello smorzatore e a Ã ̈ un esponente che puÃ² variare tra 0,1 e 2 (per F in kN e V in m/s) a seconda del circuito idraulico dello smorzatore.

La figura 2 mostra curve C1-C3 che rappresentano la forza F in funzione della velocitÃ V per diversi valori di a. CI corrisponde ad a = 2, C2 corrisponde ad a = l e C3 corrisponde ad a = 0, 1.

Si mostra che un valore di a = 2 minimizza la reazione dello smorzatore a un movimento lento (scorrimento, contrazione ed effetti di temperatura), e massimizza la reazione dello smorzatore a effetti dinamici (forza di frenata e terremoto).

L'energia E dissipata da uno smorzatore viscoso puÃ² essere espressa dall'equazione E = JF X d , dove d rappresenta lo spostamento relativo delle due parti opposte della struttura (essendo d espresso in m, per E in kJ).

La figura 3 mostra curve C' l-C'3 che rappresentano la forza F in funzione dello spostamento d per valori diversi di a. C'1 corrisponde ad a = 2, C'2 corrisponde ad a = 1 e C'3 corrisponde ad a = 0,1.

L'energia E corrisponde allâ€™area racchiusa da quelle curve. Si mostra che, quanto minore Ã ̈ a, tanto maggiore Ã ̈ l'energia dissipata E.

Nel caso estremo, quando a = 0, la forza di reazione F diventa indipendente dalla velocitÃ di spostamento e ha il valore della costante C. L'energia dissipata E Ã ̈ pertanto massimale.

Pertanto, sarebbe vantaggioso disporre di uno smorzatore in grado di incrementare la dissipazione di energia rispetto agli smorzatori viscosi convenzionali. Secondo il modello teorico menzionato in precedenza, ciÃ² implica che lo smorzatore presenti un valore il piÃ¹ possibile prossimo a 0 per l'esponente a.

L'invenzione propone uno smorzatore disposto per ottenere questo obiettivo.

Secondo l'invenzione, lo smorzatore comprende un'asta e un tubo contenente lâ€™asta per la connessione a parti rispettive di una struttura. Esso comprende inoltre un materiale di attrito circondante l'asta e connesso al tubo e un fluido che si estende tra una superficie interna del tubo e il materiale di attrito, essendo detto fluido sottoposto a una pressione maggiore della pressione atmosferica, in modo da consentire l'attrito tra l'asta e il materiale di attrito in risposta a uno spostamento relativo dellâ€™asta e del tubo.

Secondo caratteristiche addizionali vantaggiose che possono essere combinate in un qualsiasi modo appropriato:

- il materiale di attrito ha almeno un taglio radiale che si estende su almeno parte della lunghezza del materiale di attrito;

- lo smorzatore comprende inoltre una membrana flessibile che circonda il materiale di attrito, in modo da impedire che il fluido passi attraverso il materiale di attrito fino all'asta;

- il materiale di attrito ha un coefficiente di attrito avente un valore sostanzialmente costante per uno spostamento relativo dell'asta e del tubo avente una velocitÃ compresa tra 1 e 500 mm/ s;

- il valore sostanzialmente costante Ã ̈ compreso tra 0,15 e 0,25;

- il coefficiente di attrito del materiale di attrito Ã ̈ al di sotto di detto valore sostanzialmente costante per uno spostamento dell'asta e del tubo avente una velocitÃ inferiore a 0,01 mm/ s;

- il fluido ha una comprimibilitÃ tale da conferire una pressione sostanzialmente costante al materiale di attrito in presenza di naturali variazioni di temperatura;

- l'asta e il materiale di attrito hanno forma sostanzialmente cilindrica;

- l'asta e il materiale di attrito hanno una sezione trasversale variabile;

- l'asta e il materiale di attrito hanno sostanzialmente la forma di almeno parte di un cono.

L'invenzione propone anche una struttura comprendente due parti rispettivamente connesse all'asta e al tubo di uno smorzatore, come menzionato in precedenza.

Le caratteristiche preferite degli aspetti suddetti che sono indicate dalle rivendicazioni dipendenti possono essere combinate in modo appropriato, e possono essere combinate con uno qualsiasi dei suddetti aspetti dell'invenzione, come sarÃ evidente a chiunque sia esperto nella tecnica.

- La figura 1 Ã ̈ una sezione longitudinale parziale di uno smorzatore viscoso della tecnica anteriore;

- la figura 2 Ã ̈ un grafico il quale mostra curve che rappresentano la forza di reazione di uno smorzatore in funzione della velocitÃ ;

- la figura 3 Ã ̈ un grafico che mostra curve le quali rappresentano la forza di reazione di uno smorzatore in funzione dello spostamento.

- la figura 4 Ã ̈ una sezione longitudinale parziale di un primo smorzatore esemplificativo secondo l'invenzione;

- la figura 5 Ã ̈ una sezione trasversale di un primo smorzatore esemplificativo secondo l'invenzione;

- la figura 6 Ã ̈ una sezione longitudinale parziale di un secondo smorzatore esemplificativo secondo l'invenzione.

La figura 4 e la figura 5 mostrano un esempio non limitativo di uno smorzatore secondo Î“ invenzione.

Questo smorzatore comprende un'asta 10 e un tubo 13 contenente l'asta 10 per la connessione a parti rispettive di una struttura (non mostrata).

Nell'esempio illustrato il tubo 13 ha forma cilindrica. Ma puÃ² avere anche qualsiasi altra forma. Il tubo 13 puÃ² essere in acciaio o materiale simile.

La connessione dell'asta 10 e del tubo 13 alle rispettive parti della struttura puÃ² essere realizzata per esempio mediante cerniere sferiche 9 a cui l'asta 10 e il tubo 13 sono rispettivamente fissati attraverso coperchi 15 e dadi di bloccaggio 16, in un modo simile alla tecnica anteriore summenzionata. Altri tipi di connessione sono pure possibili, come risulterÃ evidente a chi sia esperto nella tecnica.

L'asta 10 puÃ² essere in acciaio inossidabile e/o acciaio al carbonio placcato con cromo e/o nickel, o di qualsiasi altro materiale adatto. PuÃ² vantaggiosamente avere una superficie che conferisca una rugositÃ sostanzialmente costante per tutta la vita utile dello smorzatore.

Lo spostamento relativo dell'asta 10 e del tubo 13 Ã ̈ reso possibile. Per esempio, l'asta 10 puÃ² scorrere all'interno del tubo 13, per esempio attraverso fori dei coperchi 15. Tale spostamento puÃ² risultare da uno spostamento relativo tra le due cerniere sferiche 9, che puÃ² esso stesso essere il risultato di uno spostamento relativo tra le due parti della struttura a cui l'asta 10 e il tubo 13 possono rispettivamente essere connesse.

Lo smorzatore comprende inoltre un materiale di attrito 1 1 che circonda l'asta 10. Questo materiale di attrito 11 Ã ̈ pure connesso al tubo 13, per esempio attraverso i coperchi 15. In questo modo, lo spostamento relativo tra l'asta 10 e il materiale di attrito 11 Ã ̈ possibile.

Un fluido 12 si estende tra la superficie interna del tubo 13 e il materiale di attrito 11. Questo fluido puÃ² essere olio o qualsiasi altro liquido o gas adatto.

Il fluido 12 Ã ̈ soggetto a una pressione maggiore di quella atmosferica, che preme il materiale di attrito 11 contro l'asta 10. Di conseguenza, Ã ̈ consentito un attrito tra l'asta 10 e il materiale di attrito 11 in risposta a uno spostamento relativo dell'asta 10 e del tubo 13.

L'attrito determina pertanto la forza di reazione dello smorzatore in risposta a uno spostamento relativo delle sue due estremitÃ , che puÃ² far seguito al movimento delle due parti della struttura a cui esse sono connesse, per esempio in conseguenza di un terremoto, di vento o di altra sollecitazione.

Essendo basata sullâ€™attrito, la forza di reazione dello smorzatore Ã ̈ sostanzialmente indipendente dalla velocitÃ dello spostamento relativo tra le due estremitÃ dello smorzatore. Dipende quasi esclusivamente dalla pressione del fluido 12 e dal coefficiente di attrito del materiale di attrito 1 1.

Utilizzando il modello teorico summenzionato, la forza di attrito dello smorzatore puÃ² essere vista come avente un valore uguale o molto prossimo a 0 per l'esponente a. Come spiegato in precedenza, l'energia dissipata risultante E di tale smorzatore Ã ̈ massima o vicina al massimo.

Il materiale di attrito 1 1 puÃ² comprendere Polietilene ad altissimo peso molecolare con o senza additivi, resine poliammidiche con o senza additivi, PTFE (politetrafluoroetÃ¬lene) con o senza additivi. Possono essere adatti anche altri materiali sintetici, metallici e/o compositi.

Vantaggiosamente, il materiale di attrito 1 1 puÃ² essere scelto in modo da avere un coefficiente di attrito di valore sostanzialmente costante per uno spostamento relativo dell'asta 10 e del tubo 13 con un'ampia gamma di velocitÃ , per esempio da 1 a 500 mm/s. In questo modo, anche la forza di reazione dello smorzatore puÃ² essere resa sostanzialmente costante. Un coefficiente di attrito sostanzialmente costante in un campo di variabilitÃ compreso tra 0,15 e 0,25 puÃ² essere particolarmente adatto.

Un materiale di attrito 11 avente un coefficiente di attrito con un valore sostanzialmente costante per un'ampia gamma di temperatura e/o in diversi stati di invecchiamento puÃ² pure essere vantaggioso per le stesse ragioni.

Vantaggiosamente, il coefficiente di attrito del materiale di attrito 11 puÃ² avere un valore inferiore per uno spostamento relativo dell'asta 10 e del tubo 13 che avvenga a bassa velocitÃ , per esempio inferiore a 0,01 mm/s. In questo modo, la forza di reazione Ã ̈ ridotta in risposta a movimenti lenti che possono essere dovuti per esempio a effetti termici, scorrimento e contrazione del calcestruzzo della struttura alla quale lo smorzatore Ã ̈ connesso. In quelle condizioni, un coefficiente di attrito compreso tra 0,05 e 0,1 puÃ² essere particolarmente adatto.

Come esempio non limitativo, il polietilene ad altissimo peso molecolare con riempitivo a base di alluminio puÃ² costituire un vantaggioso materiale di attrito, dal momento che presenta un coefficiente di attrito pressochÃ© costante di circa 0,2 nella gamma di pressioni da 20 a 30 MPa e velocitÃ da 1 a 500 mm/s con superficie di accoppiamento in acciaio inossidabile lucidato, e un coefficiente di attrito piÃ¹ basso, tra 0,05 e 0,08, per velocitÃ dell' ordine di 0,01 mm/s.

In quanto al fluido 12 che riempie lo spazio tra il tubo 13 e il materiale di attrito 12, esso puÃ² vantaggiosamente avere una comprimibilitÃ appropriata in modo da conferire una pressione sostanzialmente costante al materiale di attrito in presenza di variazioni naturali di temperatura. CiÃ² contribuirebbe anche a rendere sostanzialmente costante la forza di reazione dello smorzatore.

Come mostrato in figura 5, il materiale di attrito 1 1 puÃ² inoltre avere uno o diversi tagli radiali 17 che si estendono su almeno parte della lunghezza del materiale di attrito, vale a dire parallelamente all'asse del materiale di attrito 11.

Tali tagli consentono un migliore trasferimento della pressione del fluido all'interfaccia tra il materiale di attrito I l e l'asta 10, aiutando il materiale di attrito I l a entrare in stretto contatto con l'asta 10 mediante deformazione.

Pure mostrata in figura 5, Ã ̈ una membrana flessibile 14 che circonda il materiale di attrito 11. Questa membrana flessibile 14 impedisce che il fluido 14 passi attraverso il materiale di attrito 11 fino all'asta 10. PuÃ² essere particolarmente utile quando il materiale di attrito 11 ha almeno un taglio radiale 17, ma potrebbe anche essere usata indipendentemente dalla presenza di tali tagli.

La membrana flessibile 14 puÃ² utilizzare qualsiasi materiale che sia impermeabile al fluido 12 e la cui flessibilitÃ non impedisca alla pressione del fluido di essere trasferita al materiale di attrito 11 . Come esempi non limitativi, la membrana flessibile 14 puÃ² consistere di un tubo di gomma o di un sottile tubo in acciaio inossidabile.

Nello smorzatore esemplificativo mostrato nelle figure 4 e 5, l'asta 10 e il materiale di attrito 11 hanno ciascuno forma cilindrica.

Tuttavia, sono anche possibili altre forme. Queste comprendono forme con una sezione trasversale fissa. In alternativa, l'asta 10 e il materiale di attrito 11 possono avere una sezione trasversale variabile. Per esempio, possono avere ciascuno la forma di almeno parte di un cono come mostrato in figura 6.

In questo caso, la pressione applicata al materiale di attrito 11 dal fluido 12 sotto pressione, e pertanto lâ€™attrito tra il materiale di attrito 11 e l'asta 10, variano durante uno spostamento relativo dell'asta 10 e del tubo 13.

Di conseguenza, la forza di reazione dello smorzatore non Ã ̈ costante ma varia con l'apertura dello smorzatore. Questa forza di reazione F puÃ² quindi essere espressa nel modo seguente:

F = Cx V° f(x) , che puÃ² essere semplificato in F = C f(x) , in quanto a Ã ̈ uguale o molto prossimo a 0, come spiegato in precedenza.

In questa espressione, C puÃ² essere un valore sostanzialmente costante a seconda della pressione del fluido 12 e del coefficiente di attrito del materiale di attrito 11 , ed f{x) Ã ̈ una forza che dipende dalla posizione longitudinale x dell'asta 10 all'interno del tubo 13. In altre parole, questa forza di reazione F dipende dallo spostamento relativo dell'asta 10 e del tubo 13.

Si puÃ² vedere che l'energia dissipata da un tale smorzatore Ã ̈ ancora piÃ¹ alta di quella relativa agli smorzatori viscosi menzionati della tecnica anteriore.

Gli smorzatori secondo l'invenzione possono essere disposti tra parti qualsiasi di qualsiasi tipo di struttura. Come esempi non limitativi, le loro rispettive estremitÃ possono essere connesse a un ponte e a una sua spalla, a un molo e a un ponte eccetera.

Un qualsiasi tipo di struttura che faccia uso di tali smorzatori Ã ̈ pure parte della presente invenzione. CiÃ² si applica in particolare a strutture soggette a vibrazioni, per esempio causate da terremoto, vento o altre sollecitazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Smorzatore comprendente un'asta (10) e un tubo (13) contenente l'asta per la connessione a parti rispettive di una struttura, il quale smorzatore comprende inoltre un materiale di attrito (11), circondante l'asta e connesso al tubo, e un fluido (12) che si estende tra una superficie interna del tubo e il materiale di attrito, essendo detto fluido soggetto a una pressione maggiore della pressione atmosferica in modo da consentire l'attrito tra l'asta e il materiale di attrito in risposta a uno spostamento relativo dell'asta e del tubo.
2. Smorzatore secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale di attrito (11) ha almeno un taglio radiale (17) che si estende su almeno parte della lunghezza del materiale di attrito.
3. Smorzatore secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre una membrana flessibile (14) che circonda il materiale di attrito (11) in modo da impedire che il fluido (12) passi attraverso il materiale di attrito fino all'asta (10).
4. Smorzatore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il materiale di attrito (11) ha un coefficiente di attrito avente un valore sostanzialmente costante per uno spostamento relativo dell'asta (10) e del tubo (13) avente ima velocitÃ compresa tra 1 e 500 mm/s.
5. Smorzatore secondo la rivendicazione 4, in cui detto valore sostanzialmente costante Ã ̈ compreso tra 0,15 e 0,25.
6. Smorzatore secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui il coefficiente di attrito del materiale di attrito (11) Ã ̈ al di sotto di detto valore sostanzialmente costante per imo spostamento relativo dell'asta (10) e del tubo (13) avente una velocitÃ inferiore a 0,01 mm / s.
7. Smorzatore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il fluido (12) ha una comprimibilitÃ tale da conferire una pressione sostanzialmente costante al materiale di attrito (11) in presenza di variazioni naturali di temperatura.
8. Smorzatore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui l'asta (10) e il materiale di attrito (11) hanno forma sostanzialmente cilindrica.
9. Smorzatore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui l'asta e il materiale di attrito hanno una sezione trasversale variabile.
10. Smorzatore secondo la rivendicazione 9, in cui lâ€™asta e il materiale di attrito hanno sostanzialmente la forma di almeno parte di un cono.
11. Struttura comprendente due parti rispettivamente connesse all'asta (10) e al tubo (13) di uno smorzatore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.