Capitolo 3. La commutazione di attrito.

Description
Pag 1 Capitolo 3 La commutazione di attrito. 3.1 La commutazione di attrito oleodinamica. Il dispositivo della commutazione di attrito costituisce l elemento determinante per l utilizzazione del sistema

Please download to get full document.

View again

of 8
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Word Search

Publish on:

Views: 2 | Pages: 8

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
Pag 1 Capitolo 3 La commutazione di attrito. 3.1 La commutazione di attrito oleodinamica. Il dispositivo della commutazione di attrito costituisce l elemento determinante per l utilizzazione del sistema di isolamento sismico cinematico in quanto consente di conciliare con un basso coefficiente di attrito, necessario per un idoneo isolamento, la labilità delle forze di richiamo, necessarie per ottenere periodi di risonanza sufficientemente lunghi, con la altrettanto necessaria stabilità ordinaria di un edificio Come illustrato schematicamente in Fig 3.1, in condizioni normali il carico dell edificio è sostenuto, tramite la testata 1, dal bordo superiore 5 della struttura esterna 2 che poggia sulla platea di rullaggio 2 tramite la superficie di contatto 3 e contiene al suo interno l organo di rullaggio 4 sullo strato di sfere 6. Questo organo di rotolamento 2 è libero di spostarsi verticalmente all interno di 2 per scorrimento verticale lungo le superfici cilindriche di contatto 7. All interno di 4 si inserisce come pistone il prolungamento 10 di 1 di sezione Sp delimitando una camera a tenuta 8 riempita di fluido incompressibile. Dal punto di vista elastico la struttura è schematizzabile come in Fig 3.2. La struttura portante 2 sotto carico si comporta come una molla di rigidità equivalente K1 di lunghezza a riposo x1 0. La distanza x1 0 può assumersi come la distanza tra la superficie di appoggio 5 ed un piano orizzontale 9 interno alla base di appoggio 2 e sufficientemente lontano dall area di contatto 3. A pressione nulla in 8 ed in presenza di carico Fc e si avrà una compressione δ 1 di 2 data da b c 1) Fc = K1 A x1 x1 δ1 = x1 x1 mentre sullo strato di sfere graverà solo il peso del piatto 4. L applicazione di una pressione p in 8 determinerà sullo strato di sfere 6 una forza 2) F2 = pa Sp ed una eguale ed opposta sul pistone 10 determinando un alleggerimento su 2 3) F1 = F2 una compressione dell insieme strato di sfere, area di appoggio dello stesso e pistone 10 4) δ 2 = 1 f A F2 (x2=s1+s2 ) K2 ed una variazione di spessore della camera Pag 2 5) δ =δ1 +δ2 = p A Sp K1 f f K1 A 1 + K2 g f La commutazione totale di carico si avrà quando p=fc/sp c con una conseguente variazione di volume della camera 8 b c f g FcA Sp 6) dv 8 = SpA δ 1 +δ 2 = f K1 A 1 + f K1 K2 L energia richiesta per la commutazione è : h 7) Lc = FcAδ f K2 2 1f K Aδ2 = 1 2f A FcAδ1 A 1 + δ i j 2 fk δ 1 dove δ 1 e δ 2 sono le variazioni sotto carico Fc di x1 e x2. Se δ 1 δ 2 la 7) si riduce a 7 ) Lc FcAδ 1 Se c av e c ar sono rispettivamente i coefficienti di attrito volvente e radente, la forza resistente di rullaggio Fa r sarà: F 8) Fa r = F1 A c ar + F2 A c av + c ar A M 2 A g = FcA c p A Sp f` ag A c Fc av + car A M 2 A g dove M 2 è la massa della campana di appoggio 2. La δ in 5) è evidentemente il valore minimo dello scorrimento relativo tra il piatto di rotolamento 4 e il pistone 10 perché si ottenga la commutazione completa. In pratica bisogna aggiungere un ulteriore incremento per garantire che durante il rullaggio la testata 1 non tocchi mai la campana di appoggio 2 per evitare ovvie conseguenze. La Fig 3.4 mostra l andamento tipico della forza di attrito Fa e della pressione p al variare dello spostamento del pistone 10 rispetto a 4. Δ rappresenta l escursione di sicurezza. La Fig 3.3 illustra in sezione lo schema di funzionamento del sistema di commutazione di attrito nell isolatore sismico. Lo sopostamento δ, richiesto per quanto sopra è ottenuto praticando una cavità cilindrica 12 all interno del pistone 10 comunicante con la 8. In 12 scorre un pistone ausiliario 13 che può esse azionato da un meccanismo 11 di qualche tipo. La cavità costituita da 8 e la parte di 12 delimitata da 13 situato in alto è riempita di olio e dimensionata in modo che, dovendo essere costante il volume del fluido, un abbassamento ξ di 13 determini un innalzamento δ di 10. Se Sp è la sezione di 10 e sp quella di 13 avremo 9) SpA δ=spaξ e per la forza di spinta 11 10) Fx = p A sp = FcA sp f Sp Faremo ora una valutazione degli ordini di grandezza. Consideriamo un isolatore in acciaio da 500ton di carico massimo. Come dal capitolo 2 sul cuscinetto omnidirezionale il raggio R p del piatto di rotolamento, assumendo un carico unitario massimo sulle strato di sfere σ p =8MPa, sarà v w u Fc f R p = t 45cm π Aσ p Considerato che la parte più sollecitata dal carico Fc è il pistone 10, assumendo di farlo lavorare al 10% del limite di elasticità dell acciaio (per molle) σ el 1200MPa con E= MPa, essendo di lunghezza Rp, abbiamo per δ δ=r p A 10%Aσ el f 0.2mm E Accettando come ragionevole Δ = 1mm, l energia di commutazione minima è Lc = FcA δ 1kJ e quella effettiva di sicurezza incrementa nel rapporto Δ/δ 5. Questa energia deve essere fornita in tempi sufficientemente brevi ( 0.1 sec) per cui si richiedono potenze dell ordine di 10 kw. Vedremo nel Cap 4 come ciò si può ottenere abbastanza facilmente. Ponendo per il raggio del pistone 10 R 10 =1/2Rp e per la corsa l 13 del pistone ausiliario 13 l ps = 1/2Rp allora dalla 9) e 10) otteniamo per il raggio R 13 di 13, per la pressione p dell olio e per la forza F 11 su 13: v w u Δ f R 13 = R 10 At 0.07 R 10 = 1.5cm l 13 p = Fc f 2 = 32MPa π A R 10 F 11 = p A π A R 2 13 = 23kN 0.46%A Fc In Fig 3.5 è rappresentato il diagramma forza spostamento per il pistone ausiliario 13. Pag Il basculaggio. Nell isolatore sismico un basculaggio di qualche grado della testata è necessario per compensare le variazioni di inclinazioni relative tra superficie di rullaggio e superficie di fissaggio alla sovrastruttura. Queste possono derivare da sia da eventuali deformazioni sovrastrutturali sia certamente dalla curvatura della superficie di rullaggio. L idea di usare come articolazione del basculaggio lo stesso pistone principale 10 usato per la commutazione di attrito consente per piccoli angoli non solo uno snodo virtualmente senza attrito ma anche un abbassamento del momento indotto dalla forza di attrito Fa sul piatto di rotolamento 4. Come illustrato in Fig.3.6, il centro di basculaggio 16 coincide con il baricentro del perimetro bagnato di 10. Per piccoli angoli, la distanza dei bordi di 10 dalle pareti di 4, in corrispondenza della guarnizione di tenuta 15 si mantiene sufficientemente piccola da assicurare la tenuta della guarnizione 14. E evidentemente opportuno arrotondare detti bordi secondo la sfera illustrata in tratteggio e sagomare le superfici di appoggio tra la testata 1 e la campana 2 secondo la superficie sferica 17 con centro in 16. Il momento della forza di attrito Fa rispetto al centro di basculaggio 16 ha come conseguenza una disuniforme distribuzione σ del carico sullo strato di sfere portanti. Se b è la distanza del centro di basculaggio 16 dalla superficie di rotolamento di 4, il momento M applicato in movimento su 4 è: M = b A Fa = c av A b A Fc. Se δσ max è la variazione di densità di carico indotta sul piatto di forma circolare si trova facilmente: M = π f 3 A δσ 2 max A R p D altra parte la s dovuta a Fc è σ= Fc f 2 π A R p ed in definitiva δσ max f = 2cav A b f cav σ R p Pertanto la distribuzione di carico sullo strato di sfere è garantita in ogni caso. La forza Fa viene trasmessa dal piatto di rotolamento al bordo del pistone principale che è collegato rigidamente alla testata. E importante conoscere la pressione massima esercitata tra questi due corpi. In pratica si tratta di un contatto tra un cilindro ed una sfera in esso contenuta di raggio quasi uguale. Applicando le formule disponibili nel Nuovo Colombo Vol 2 &1.3.4 si trova per la massima pressione di contatto a pieno carico Pag 4 1f 3 h i f g 2 f 3 1f 1 Fa f σc max = Aj k E f A = A c 2 π A R p ν 2 3 ava p 3 f A f g 2 f 3 E f ν 2 che per c av=.2% caso dà σc max 170MPa. Fino c av 5% i valori rientrano nei limiti di elasticità dell acciaio. 3.5 L isolatore nella forma finale integrata Le soluzioni dei paragrafi precedenti si integrano nell isolatore sismico a commutazione di attrito mostrato in sezione verticale assiale prospettica in Fig 3.7. La campana 2 di appoggio normale funge anche da campana superiore del cuscinetto omnidirezionale a delimitazione della camera di riciclo delle sfere 27. Il piatto di rotolamento 4 è scomposto nelle parti 4a e 4cm che sono collegate rigidamente tramite le viti di fissaggio 4c a corona, dopo la sistemazione del pistone principale 27 di sollevamento e basculaggio, del pistone secondario 13 e dell olio di attivazione nelle camere 12 e 14 con relative guarnizioni di chiusura. La campana 2 ed il piatto 4 del cuscinetto possono scorrere coassialmente una rispetto all altra lungo la superficie cilindrica 7 che deve consentire minimo gioco. La testata 22 di fissaggio alla sovrastruttura è rigidamente fissata all albero 10 in incastro coassiale con il pistone 27. La cavità 24 ha dimensioni tali da consente un basculaggio relativo di 2-3 tra il blocco di testata ed cuscinetto attorno al centro di basculaggio 16. Pag 5 All interno del blocco di testata è disegnato per intero l attuatore 11 che, spingendo il pistone secondario 13 tramite la barra 11, esegue la commutazione. Quest organo può essere di vario tipo e sarà discusso nel successivo Cap 4. In Fig 3.8 e Fig 3.9 sono illustrate in sezione verticale assiale la configurazione nello stato attivato e disattivato rispettivamente. Pag 6 Le molle 28 servono per scaricare il peso della campana di appoggio sul piatto di rotolamento in modo da limitare l attrito. Ciò è utile per un uso del dispositivo come gruppo di trasporto. Nell impiego come isolatore sismico non si montano perché quell attrito è utile per smorzare le oscillazioni di lungo periodo legate alla curvatura di centraggio gravitazionale della base B di rotolamento. Inoltre lo strisciamento della campana, eventualmente fornita di una corona spazzolante serve a rendere pulita la superficie di scorrimento di B per delle sfere di carico. 3.6 Conclusioni E evidente da quanto esposto nel capitolo che il dispositivo di isolamento sismico descritto consente di superare quei problemi che hanno reso finora inutile e/o inutilizzabile e/o poco conveniente economicamente l utilizzo dell isolamento cinematico. Questi problemi erano: a) la necessità di organi di smorzamento b) la saldatura a freddo c) il basso rapporto portata /peso d) l elevato rapporto costo /portata. Mentre il primo a) affligge praticamente tutti gli isolatori sismici attuali con un isolamento indegno di questo nome, gli altri problemi sono tipici dei dispositivi antisismici a rotolamento. L isolatore a commutazione di attrito elimina il problema a) in quando in grado, se corredato di opportuni dispositivi accessori di bassissimo costo relativo, riesce a distinguere tra forze d inerzia dovute ad un sisma dalle altre come ad esempio il vento. Il problema b) è eliminato in quanto gli organi di rotolamento sono caricati solo in presenza di sisma, mentre la superficie di appoggio normale è sottoposta a pressione di due ordini di grandezza più bassa di quella degli organi di rotolamento. I problemi c) e d) sono risolti in quanto, a parità di peso o volume del dispositivo la portata del cuscinetto a sfere omnidirezionale è di circa un ordine di grandezza superiore a quelli noti in arte e l intero dispositivo, nelle parti più significative, è abbastanza semplice da realizzare e richiede un impegno di manutenzione assolutamente accettabile. 6.7 Un confronto indicativo A titolo puramente illustrativo, la Fig 3.10 consente confronto a parità di portata con l isolatore a sfera (l unico confrontabile per prestazioni cinematiche al cuscinetto a sfere omnidirezionale a 3 gradi di libertà). Il punto critico che condiziona le dimensioni è la pressione al vertice superire della sfera di rotolamento specialmente se il disaccoppiamento tra il corpo concavo di appoggio del carico e la sfera è costituito da uno strato di piccole sfere per ottenere un coefficiente di attrito abbastanza basso. Per il resto è afflitto da tutti i problemi di cui sopra. Pag 7 Pag 8
Related Search
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks