Cuscinetti sferici di isolamento sismico per applicazioni su ponti autostradali

I, Definizione, ambito e norme

1.1, Definizione
A cuscinetto sfericog è un dispositivo strutturale (cuscinetto multi-rotazionale ad alto carico, ovvero HLMB) progettato per trasmettere i carichi tra la sovrastruttura e la sottostruttura di un ponte, consentendo rotazioni multi-direzionali e, in alcuni progetti, movimenti traslatori limitati. Il cuscinetto è costituito da una superficie sferica concava accoppiata con una superficie sferica convessa, consentendo una rotazione angolare regolare attorno a qualsiasi asse orizzontale.
Nell'ingegneria dei ponti, gli appoggi sferici vengono utilizzati per:
- Trasferisci carichi verticali, forze orizzontali e spostamenti longitudinali o trasversali secondo i requisiti di progettazione.
- Consentire rotazioni causate da carichi di traffico, espansione e contrazione termica, azioni sismiche, scorrimento e restringimento della struttura del ponte.
- Forniscono un'elevata capacità di carico-con un attrito minimo attraverso l'uso di materiali di scorrimento a basso-attrito (ad es. PTFE) e superfici di accoppiamento in acciaio inossidabile-resistenti alla corrosione.
Questi cuscinetti sono generalmente prodotti in conformità con gli standard nazionali e internazionali pertinenti come GB/T 17955 (Cina), AASHTO LRFD Bridge Design Specifiche (USA) ed EN 1337-7 (Europa), garantendo affidabilità delle prestazioni, sicurezza e durata in applicazioni di ponti a lunga- campata e con carichi pesanti.

1.2, Ambito
Questo articolo definisce le specifiche, i parametri di progettazione, i requisiti di produzione, i test, l'installazione e la manutenzioneCuscinetti sferici di isolamento sismico (SSIB)destinato ad applicazioni a ponte, conforme sia ai codici cinesi che a quelli internazionali.
1.3, Norme applicabili:
Regione|Codice standard|Titolo|Ambito
Cina|GB/T17955-2009 |Cuscinetti sfericiper Ponti|Requisiti di progettazione, produzione e test per gli appoggi sferici per ponti.
Cina|GB/T32836-2016 |Appoggi sferici per strutture in acciaio| Requisiti aggiuntivi per applicazioni strutturali in acciaio.
Cina|JTG/T2231-01-2020|Specifiche per cuscinetti per ponti autostradali|Requisiti prestazionali e di qualità per gli appoggi dei ponti autostradali.
Europa|EN 1337-7|Cuscinetti strutturali– Parte 7: Cuscinetti sferici|Requisiti di materiale, geometria, attrito e test.
Europa|EN15129:2018 |Dispositivi anti-sismici| Progettazione dell'isolamento sismico per applicazioni strutturali.
Stati Uniti|Specifiche di progettazione del ponte AASHTO LRFD (2023) Sezione 14|Cuscinetti e dispositivi di espansione|Metodologia di progettazione percuscinetti sferici.
Regno Unito|BS 5400 Parte 9 |Cuscinetti del ponte| Requisiti di progettazione e installazione.

II. Descrizione del prodotto

2.1, Funzione:
Appoggi sferici di isolamento sismicofornire un'interfaccia rotazionale tra la sovrastruttura e la sottostruttura del ponte, consentendo allo stesso tempo lo scorrimento controllato per dissipare l'energia sismica.

2.2, Componenti principali:

1. Piastra concava superiore – Acciaio al carbonio ad alta resistenza- (Q345 o ASTM A709 grado 50) con superficie concava lavorata con precisione-.
2. Elemento scorrevole sferico – Acciaio inossidabile (AISI 304/316) con strato di PTFE o UHMWPE legato.
3. Piastra convessa inferiore: si adatta alla curvatura e trasferisce il carico verticale.
4. Sistema di ritenuta – Barre guida o vincoli opzionali per il controllo del movimento unidirezionale.
5. Elemento di dissipazione dell'energia sismica – Strati opzionali ad alto smorzamento.

2.3,Tipi e classificazioni
In base ai diversi requisiti funzionali, i cuscinetti sferici possono essere suddivisi nei seguenti tipi:

1,Cuscinetti sferici fissi
I cuscinetti sferici fissi non consentono lo spostamento orizzontale ma possono ruotare liberamente. Sono adatti per parti strutturali che devono limitare il movimento orizzontale pur consentendo la rotazione.
2,Cuscinetti sferici scorrevoli unidirezionali
I cuscinetti sferici scorrevoli unidirezionali consentono lo scorrimento lungo una direzione. Sono applicabili a strutture con requisiti di spostamento specifici, come la regolazione dello spostamento longitudinale in alcuni ponti.
3, Cuscinetti sferici a scorrimento multidirezionale
I cuscinetti sferici scorrevoli multidirezionali possono scorrere in qualsiasi direzione orizzontale. Sono adatti per aree-a rischio sismico o per ponti-a campata lunga per far fronte a condizioni di carico complesse.
4, Appoggi sferici sismici
Gli appoggi sferici sismici sono solitamente dotati di dispositivi di smorzamento, che possono fornire ulteriore capacità di dissipazione di energia durante i terremoti e migliorare le prestazioni sismiche delle strutture.

2.4,Campi di applicazione diCuscinetti sferici
Grazie alle loro eccellenti prestazioni, i cuscinetti sferici sono ampiamente utilizzati nei seguenti campi:

1, Ponti-a campata lunga
Nei ponti-a campata lunga, come i ponti-strallati, i ponti sospesi e i ponti ad arco, i cuscinetti sferici possono adattarsi efficacemente agli spostamenti e alle rotazioni causati da variazioni di temperatura, carichi di veicoli o carichi di vento.
2, Edifici-alti
Gli edifici- alti oscilleranno sotto i carichi del vento o le azioni sismiche. I cuscinetti sferici possono ridurre lo stress strutturale e migliorare la stabilità e la sicurezza degli edifici.
3, Stadi e strutture spaziali-di grandi dimensioni
Nelle strutture spaziali di ampia- campata come palestre e centri congressi, i cuscinetti sferici possono adattarsi a carichi complessi e garantire la stabilità e la durata delle strutture.
4, Centrali nucleari e infrastrutture chiave
Nelle infrastrutture chiave come le centrali nucleari e le grandi dighe, i cuscinetti sferici possono fornire supporto affidabile e resistenza sismica per garantire la sicurezza strutturale.

2.5, Vantaggi e sfide degli snodi sferici
1, vantaggi:
• Elevata capacità di carico-portante: può sopportare carichi di diverse migliaia di tonnellate.
• Adattabilità allo spostamento multidirezionale: capace di adattarsi simultaneamente sia alla rotazione che allo spostamento orizzontale.
• Elevata durata: realizzato con materiali ad alte-prestazioni, che garantiscono una lunga durata.
• Eccellenti prestazioni sismiche: ampiamente utilizzato nelle aree-a rischio sismico.

2, sfide:
• Requisiti elevati di precisione di produzione: sono necessari processi-di alta precisione per la lavorazione delle superfici sferiche e l'abbinamento dei materiali scorrevoli.
• Costi di manutenzione relativamente elevati: potrebbe essere necessario sostituire i materiali di scorrimento o i dispositivi di tenuta dopo un utilizzo a lungo termine.
• Progettazione complessa: è richiesta una progettazione personalizzata in base alle specifiche esigenze ingegneristiche.

III. Ricerca e sviluppo

3.1 Specifiche tecniche
Parametri di progettazione (gamma di produzione tipica):
Capacità di carico verticale: 1.000 – 50.000 kN
Capacità di spostamento orizzontale: da ±50 a ±250 mm
Capacità di rotazione: maggiore o uguale a 0,03 rad (~ 1,7 gradi)
Coefficiente di attrito (μ): 0,03 – 0,06 (statico), 0,02 – 0,05 (dinamico)
Rapporto di smorzamento (tipo HDR): 8 – 25%
Intervallo di temperatura di servizio: da -40 gradi a +60 gradi (fino a +70 gradi speciali)
Durata utile: maggiore o uguale a 50 anni
Prestazioni sismiche: accelerazione di progetto maggiore o uguale a 0,3 g

3.2, Brevetto

IV. Materiali

V. Produzione e controllo qualità

Rugosità superficiale (superficie di scorrimento): Ra inferiore o uguale a 0,2 μm
Tolleranza di planarità: inferiore o uguale a 0,5 mm per 1.000 mm
Durezza (piastra scorrevole): Maggiore o uguale a HB 220
Forza di adesione del PTFE: maggiore o uguale a 3 MPa al taglio
Tutti i cuscinetti sono testati in fabbrica al 100%-per verificarne l'accuratezza dimensionale, la curva di deformazione del carico-, il coefficiente di attrito sotto carico di progetto e i difetti visivi.

VI. Verifica delle prestazioni, test e garanzia di qualità

6.1 Requisiti generali
Tutti i cuscinetti sferici per l'isolamento sismico saranno sottoposti a prove di tipo, prove di routine e prove di accettazione in conformità con gli standard cinesi e internazionali.
6.2 Classificazione dei test
Test di tipo: prova della conformità del progetto (una volta per ogni nuovo progetto)
Test di routine – Verificare la qualità della produzione (ogni lotto)
Test di accettazione – Approvazione del prodotto finale prima della consegna (100% cuscinetti)
6.3 Test e requisiti specifici
Test di carico verticale – Deformazione residua Inferiore o uguale a 0,3 mm, nessun danno visibile.
Test di spostamento orizzontale – Coefficiente di attrito μ Inferiore o uguale a 0,06, nessun danno superficiale dopo 50 cicli.
Test della capacità di rotazione – Movimento fluido con rotazione maggiore o uguale a 0,03–0,05 rad.
Test di usura e fatica – Perdita di spessore del PTFE inferiore o uguale all'1% dopo i cicli.
Test di simulazione sismica – Rapporto di smorzamento entro ±2% del progetto, spostamento entro il gioco.
Test di temperatura – Variazione di attrito Inferiore o uguale a ±15% rispetto alla temperatura ambiente.
Test di resistenza alla corrosione – Nessun cedimento del rivestimento dopo 500 ore di nebbia salina.
6.4 Procedure di controllo qualità in fabbrica
Ispezione del materiale in entrata: controllo ad ultrasuoni dell'acciaio, densità e resistenza del PTFE.
Nel-QC del processo – Tolleranza di lavorazione della piastra ±0,2 mm, ispezione della saldatura.
Ispezione Finale – Controllo dimensionale, verifica marcatura.
6.5 Documentazione e Tracciabilità
Conservare i certificati di prova dei materiali, i registri di controllo della produzione in fabbrica e i certificati di conformità.
6.6 Riepilogo dei criteri di accettazione
Deformazione verticale inferiore o uguale a 0,3 mm, attrito inferiore o uguale a 0,06, usura PTFE inferiore o uguale a 1%, rotazione maggiore o uguale a 0,03 rad.
6.7, Prove di tipo e rapporti.

6.7.1, Apparecchiature di prova

6.7.2, Rapporti di prova

VII. Linee guida per l'installazione

Preparazione – Controllare la tolleranza della sede del cuscinetto e la posizione dei bulloni.
Fasi di installazione – Sollevare la sovrastruttura, posizionare i cuscinetti, fissare, controllare e rilasciare i martinetti.
Spazio libero – Mantenere uno spazio sismico maggiore o uguale a 50 mm.

VIII. Programma di manutenzione

6 mesi: controllo visivo
2 anni: controllo funzionale
5 anni: ispezione dettagliata
25 anni: Revisione

IX. Imballaggio e stoccaggio

Imballare in un involucro a prova di umidità-, conservare in un'area ventilata, massimo 3 strati impilati.

X. Tabella delle dimensioni tipiche

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10.1, Specifiche per appoggi sferici QZ per ponti autostradali.
10.2, Specifiche per appoggi sferici LQZ per ponti autostradali

XI. Casi di applicazione

XII, Tendenze di sviluppo futuro degli snodi sferici

Con lo sviluppo della tecnologia ingegneristica,cuscinetti sfericisono costantemente innovativi e in futuro potrebbero emergere le seguenti tendenze:

1, cuscinetti intelligenti:
Integrati con la tecnologia dei sensori, possono monitorare lo stress, lo spostamento e l'usura dei cuscinetti in tempo reale per realizzare avvisi tempestivi e manutenzione intelligenti.
2, Applicazione di nuovi materiali
Materiali come i compositi rinforzati con grafene-e i materiali auto-lubrificanti possono migliorare la durata e le prestazioni di scorrimento dei cuscinetti sferici.
3, progettazione di protezione verde e ambientale
L'uso di materiali riciclabili o rivestimenti di protezione ambientale a basso-attrito può ridurre l'impatto sull'ambiente.
4, tecnologia di stampa 3D
L’uso della tecnologia di stampa 3D per produrre cuscinetti con forme complesse può migliorare l’efficienza produttiva e le capacità di personalizzazione.