Isolamento sismico

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3.4. Isolatore a ricircolo di sfere – CLB: Crossed Linear Bearing

L’isolamento sismico con dispositivi a ricircolo di sfere d’acciaio è una tecnologia innovativa che si è diffusa rapidamente in Giappone, integrandosi nel panorama dei dispositivi in gomma. L’isolatore sismico in esame è costituito da due guide a ricircolo di sfere montate ortogonalmente, che possono muoversi liberamente sui 360° del piano (Errore. L’origine riferimento non è stata trovata.). Le
guide a ricircolo di sfere applicano il principio dei cuscinetti volventi per ottenere un moto lineare ( Errore. L’origine riferimento non è stata trovata.). Esse sono composte di tre elementi principali: le rotaie, i carrelli e le sfere.
Le sfere rotolano su piste ad arco circolare con raggio RP appena superiore al raggio RS delle sfere stesse (RP = 1,04 RS), in modo da offrire alle sfere una superficie di appoggio che conferisce grande capacità di carico, 13 volte superiore rispetto a quella che esse avrebbero se fossero poggiate su una superficie piana (Fig. 3.21). Ad esempio, il singolo carrello della THK della serie “CLB780″utilizza sfere di diametro pari a 30,16 mm, di cui 72 sono in zona di carico, ed ha una capacità di carico radiale di 7800 KN.

Le guide lineari hanno 4 o 6 circuiti di sfere (a seconda del modello) delle quali 2 o 4 sono disposte sulla parte superiore della guida con un angolo di contatto di 90° e sono atte a sostenere i carichi radiali a compressione, mentre altre 2 sono disposte lateralmente, con un angolo di contatto di 45°, e conferiscono agli isolatori la capacità di sopportare carichi di trazione pari a circa il 1/3 di quelli radiali (Fig. 3.22).

Grazie alle caratteristiche degli elementi volventi, le guide lineari hanno un coefficiente d’attrito molto basso, pari a circa 5/1000 ÷ 8/1000 del carico applicato, e costante per tutta la corsa desiderata. Per fare un esempio pratico, ciò permette lo spostamento di una massa di 1 t con una forza laterale costante di 5 daN, per una corsa di 400 mm (Fig. 3.23).

Fig.
3.19 Isolatore a ricircolo di sfere: due guide disposte ortogonalmente

Fig. 3.19
Guida lineare a ricircolo di sfere

Fig. 3.21
Superficie di appoggio maggiorata

Fig. 3.22
Capacità di sopportare carichi di trazione

Fig. 3.23
Spostamento di una massa di 1 t con una forza laterale costante di 5 daN, per una corsa di 400 mm

Nella Fig. 3.24 viene rappresentata le relazione tra il coefficiente d’attrito, la forza di resistenza d’attrito e lo spostamento di un isolatore, sottoposto ad un carico di 592KN.

Fig. 3.24
Coefficiente di attrito costante al variare dello spostamento orizzontale

Il coefficiente di attrito volvente di questi isolatori non è molto variabile al mutare di fattori come la direzione, la velocità di scorrimento e la pressione atmosferica. Il valore di tali coefficienti e la loro variazione massima si ottengono dalle equazioni riportate nella seguente tabella:

Tab. 3.1
Calcolo del coefficiente di attrito degli isolatori CLB

P = carico a compressione applicato

tP = carico a trazione applicato

Pol = capacità di carico a compressione isolatore CLB

tPol = capacità di carico a trazione isolatore CLB

m max2 e m max1 = variazioni limite massime di m

In questi dispositivi vengono utilizzati acciai speciali di tipo martensitico legato, con caratteristiche di alta stabilità molecolare che vengono protetti con opportuni trattamenti.

Questi isolatori sono disponibili in una vasta gamma dimensionale e offrono un’ampia scelta di soluzioni. Essi vengono prodotti con le seguenti configurazioni:

– 2 rotaie e 2 carrelli

– 3 rotaie e 4 carrelli

– 4 rotaie e 8 carrelli

Fig. 3.25
Configurazioni isolatori CLB

Fig. 3.26
Gamma di isolatori CLB

La gamma degli spostamenti è disponibile con corse fino a +/- 600mm scegliendo prodotti a catalogo, ma su richiesta possono essere realizzati isolatori con corse più lunghe.

Il ciclo isteretico di questi isolatori è riportato riportato in Fig. 3.24.

Gli isolatori in esame assolvono la funzione di sostegno dei carichi verticali, ma dati i modestissimi valori di attrito e rigidezza orizzontale non hanno funzione di dissipazione dell’energia e di ricentraggio dopo uno spostamento. Al fine di evitare spostamenti residui al termine del sisma, nonché spostamenti eccessivi dell’edificio che renderebbero difficile il collegamento degli impianti a terra e dei giunti di separazione con edifici adiacenti, è sempre necessario predisporre dispositivi ausiliari per la dissipazione dell’energia del sisma e per riportare l’edificio nella posizione originale
(ad esempio isolatori tipo HDRB).

In fase di progettazione si determina la rigidezza equivalente del sistema una volta fissato il valore del periodo di oscillazione T che si vuole ottenere e della massa sismica M della sovrastruttura.

Keq è la sommatoria delle rigidezze orizzontali di tutti i dispositivi d’isolamento applicati.

In particolare la rigidezza orizzontale Kc di un isolatore a ricircolo di sfere, sottoposto ad un carico P per uno spostamento d si calcola con la seguente espressione:

Essendo il valore di m prossimo a 0.01 si ottengono valori di rigidezza orizzontale molto contenuti.

La rigidezza orizzontale di un dispositivo elastomerico HDRB si calcola con la seguente equazione:

Dove G è il modulo elastico a taglio della gomma, A la sezione trasversale dell’isolatore e t la sua altezza.

La scelta della sezione trasversale A è operata in funzione del carico e dello spostamento orizzontale al quale l’isolatore di gomma è sottoposto in caso di sisma. Ciò potrebbe determinare una rigidezza orizzontale complessiva elevata, soprattutto in zona ad elevata sismicità dove sono previsti spostamenti considerevoli e ridurre così l’efficacia del sistema d’isolamento stesso.

Si evince come l’utilizzo di opportuni mix di isolatori a ricircolo di sfere con altri di gomma favorisca il raggiungimento di periodi lunghi, specialmente nel caso di edifici o strutture leggere.

Alcuni dei pregi di questi dispositivi vengono di seguito elencati:

  • Grande durabilità dei materiali.
  • Capacità di resistere anche a carichi di trazione.
  • Possibilità di grandi spostamenti.

Avendo una resistenza all’avanzamento molto bassa e costante per tutta la corsa, essi hanno un funzionamento ottimale con carichi leggeri, spostamenti ampi (potenzialmente senza limiti progettuali di corsa) e periodi lunghi (oltre 4 s)

Per cui questi dispositivi sono idonei per isolare strutture leggere, quali edifici di 1 o 2 piani, sovrastrutture come i tetti, o ancora per strutture mobili strategiche e/o di grande valore, quali impianti energetici e delle telecomunicazioni, statue e teche museali, ecc. Anche il fatto di essere costituiti da materiali di elevatissima durabilità (acciai speciali) rende gli isolatori suddetti di grande interesse, ad esempio, ma non solo, nel settore della protezione sismica del patrimonio culturale.

Gli isolatori sismici a ricircolo di sfere trovano, però, applicazioni anche in edifici di notevole altezza e, comunque, laddove i calcoli progettuali identificano possibili carichi di trazione in caso di terremoto. Inoltre, è da sottolineare che, in Giappone, per ottimizzare l’efficacia dell’isolamento sismico, come già detto, si ricorre sovente ad una combinazione di isolatori a ricircolo di sfere con quelli elastomerici, posizionati secondo le necessità. In ogni caso, si sottolinea nuovamente, che i sistemi a sfere necessitano di componenti ausiliari per il ricentraggio e per la
dissipazione d’energia.

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