isola t ori a scorriment oa superficie cur va isola t ori

ISOLATORI A SCORRIMENTO A SUPERFICIE CURVA
ISOLATORI A SCORRIMENTO
A SUPERFICIE CURVA
S04
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INTRODUZIONE
CERTIFICAZIONI
Nel 1992 FIP Industriale ha ottenuto la certificazione
CISQ-ICIM per il Sistema di Assicurazione Qualità in conformità con le normative europee EN 29001 (ISO 9001).
FIP Industriale è orgogliosa di essere il primo produttore
italiano di apparecchi d’appoggio, dispositivi antisismici e
giunti di dilatazione ad aver ottenuto un Sistema di Assicurazione Qualità certificato ai livelli più alti, dal progetto
all’assistenza al Cliente.
La certificazione è stata ottenuta tramite una rigorosa valutazione da parte di un organismo internazionale indipendente. Tale certificazione è pertanto riconosciuta a livello
internazionale.
ISO 9001 - Cert. N. 0057
Nell’ambito della Direttiva Europea sui Prodotti da Costruzione, FIP Industriale ha ottenuto la Marcatura CE dei diversi tipi di dispositivi antisismici, tra cui gli isolatori a scorrimento a superficie curva, in accordo alla norma europea
armonizzata UNI EN 15129:2009 Dispositivi Antisismici.
DESCRIZIONE
Il funzionamento degli isolatori a scorrimento a superficie curva o isolatori a pendolo scorrevole FIP (Friction
Isolation Pendula) è riconducibile a quello del pendolo semplice, in cui il periodo di oscillazione non dipende
dalla massa ma solo dalla lunghezza del pendolo stesso. Il periodo proprio di vibrazione di una struttura sismicamente isolata con isolatori a scorrimento a superficie curva dipende principalmente dal raggio di curvatura
della superficie di scorrimento, ed è invece quasi indipendente dalla massa della struttura. La dissipazione di
energia è fornita dall’attrito che si sviluppa durante lo scorrimento, e la capacità di ricentraggio è fornita dalla
curvatura della superficie di scorrimento.
Possono essere realizzati in due tipologie, rispettivamente denominate serie FIP o FIP-D, con una o due superfici di scorrimento primarie che consentono lo spostamento orizzontale.
I dispositivi della serie FIP sono caratterizzati da: i) un elemento (in alto nella figura) con una superficie di scorrimento concava primaria il cui raggio di curvatura determina il
periodo di oscillazione, e che consente lo spostamento
orizzontale; ii) un elemento di base con una superficie di
scorrimento concava secondaria che consente la rotazione; iii) un elemento centrale con due superfici convesse
opportunamente sagomate per accoppiarsi alle superfici
concave degli altri due elementi. Il dispositivo può anche
essere installato capovolto, con la superficie di scorrimento primaria in basso anziché in alto.
I dispositivi della serie FIP-D, o isolatori a scorrimento a
doppia superficie curva, sono caratterizzati da due superfici di scorrimento concave con lo stesso raggio di curvatura;
entrambe consentono sia lo spostamento orizzontale che
la rotazione (che si trasforma in spostamento orizzontale).
In questo caso ogni singola superficie curva è progettata
solamente per metà dello spostamento orizzontale, cosicché le dimensioni in pianta dei dispositivi possono essere
notevolmente ridotte rispetto a quelle della serie FIP.
E’ individuabile un ulteriore vantaggio della serie FIP-D rispetto alla serie FIP: il dimezzamento dell’eccentricità del
carico verticale (effetto P-Δ), pari alla metà dello spostamento anziché a tutto lo spostamento.
Per controllare l’attrito viene utilizzato uno speciale materiale termoplastico (di colore rosso nelle figure), accoppiato
ad acciaio inossidabile, tanto nelle superfici di scorrimento
primarie quanto in quella secondaria.
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serie FIP
serie FIP-D
CARATTERISTICHE
MATERIALI
La scelta del materiale di scorrimento è essenziale per dare agli isolatori a scorrimento a superficie curva un
comportamento ottimale in termini di: i) capacità portante; ii) coefficiente d’attrito e conseguente dissipazione
d’energia; iii) stabilità del ciclo isteretico forza-spostamento sia con la temperatura che durante cicli ripetuti;
iv) durabilità; v) resistenza all’usura.
Il materiale di scorrimento usato nella superficie di scorrimento primaria degli isolatori serie FIP ed in entrambe
le superfici di scorrimento degli isolatori serie FIP-D è il FFM (FIP Friction Material), un polietilene ad altissimo
peso molecolare (Ultra-High Molecular Weight Poly-Ethylene - UHMWPE) caratterizzato da proprietà eccezionali per quanto concerne la capacità di carico, la resistenza all’usura, la stabilità e la durabilità. Altre importanti
caratteristiche del FFM sono l’assenza del fenomeno di stick-slip ed il basso rapporto tra attrito di primo distacco ed attrito dinamico. Tali proprietà sono state verificate attraverso numerose prove sperimentali, tra cui quelle
richieste dalla Norma Europea UNI EN 15129, eseguite sia nel laboratorio di FIP Industriale che in laboratori
indipendenti italiani e stranieri.
Il FFM viene utilizzato senza lubrificazione. Il materiale usato nella superficie di scorrimento secondaria dei
dispositivi della serie FIP è il SMF (Sliding Material FIP), che è anch’esso UHMWPE, ma nicchiato e lubrificato.
Il coefficiente di attrito dinamico è il parametro più importante che l’Ingegnere Strutturista deve conoscere per
modellare una struttura con isolatori a scorrimento a superficie curva. Per qualsiasi materiale di scorrimento il
coefficiente di attrito è dipendente sia dalla velocità che dalla pressione. La dipendenza dalla velocità solitamente non è significativa nel campo di velocità associate all’eccitazione sismica di una struttura isolata. Al contrario, è risaputo dalla letteratura, e confermato dai risultati sperimentali, che la dipendenza dalla pressione (carico verticale) non è trascurabile: in particolare il coefficiente d’attrito diminuisce all’aumento del carico verticale.
In tabella sono riportati i valori tipici del coefficiente di attrito dinamico del FFM, rispettivamente per FFM tipo L
(basso attrito) e FFM tipo M (attrito medio).
tipo di FFM
L (basso attrito)
Coefficiente d’attrito minimo (%)
2.5
M (attrito medio)
5.5
I valori del coefficiente di attrito riportati in tabella sono i valori minimi e corrispondono al carico verticale
massimo di progetto NEd dell’isolatore a scorrimento a superficie curva; il valore di NEd per gli isolatori FIP-D
standard è riportato nelle tabelle a partire da pag. 12 del presente catalogo.
Il grafico sottostante mostra come il coefficiente di attrito dinamico cambi con il carico verticale, in particolare con
il rapporto tra il carico verticale NSd agente sull’isolatore (solitamente considerato costante ed uguale al carico
quasi-permanente) ed il carico verticale massimo di progetto NEd. Quest’ultimo è il carico verticale massimo che
l’isolatore può sopportare nelle combinazioni di carico SLU comprensive del sisma, o comunque in qualsiasi
combinazione di carico che includa spostamento orizzontale.
Al materiale di scorrimento viene accoppiata una superficie di acciaio inossidabile lucidata a specchio secondo
le prescrizioni della Norma Europea UNI EN 10088-2.
4
MODELLAZIONE
Il modello matematico che meglio rappresenta il funzionamento degli isolatori a scorrimento a superficie curva
della serie FIP e FIP-D è la curva bilineare Forza-Spostamento mostrata nel grafico sottostante, dove:
F0 = m • NSd a forza di attrito sviluppata dall’isolatore
NSd
Fmax = F0 +
Kr • d = m • NSd + ___
R
•
d a forza orizzontale massima
NSd
Kr = ___
R
a rigidezza di richiamo
m
a coefficiente di attrito
NSd
a carico verticale agente sull’isolatore
R
a raggio di curvatura equivalente
d
a spostamento
Il carico verticale NSd, utilizzato per modellare il comportamento degli isolatori a superficie curva sotto l’azione
sismica, corrisponde abitualmente al carico verticale quasi-permanente, ossia alla massa moltiplicata per l’accelerazione di gravità, che è il carico verticale medio agente sull’isolatore durante il sisma. Talvolta vengono
utilizzati modelli dinamici non lineari che prendono in considerazione la variazione del carico verticale durante
il terremoto.
Il coefficiente d’attrito μ è funzione del carico verticale, come descritto in precedenza. Normalmente viene calcolato in corrispondenza del carico quasi-permanente, secondo la legge μ(NSd/NEd), sopra riportata.
Negli isolatori della serie FIP, il raggio di curvatura equivalente R è quasi coincidente con il raggio geometrico
di curvatura della superficie primaria, mentre negli isolatori della serie FIP-D, R equivale approssimativamente
a due volte il raggio geometrico di curvatura di ognuna delle due superfici curve.
Qualora le norme utilizzate per la progettazione strutturale consentano di modellare il comportamento non
lineare sopra descritto con un modello lineare equivalente, la rigidezza equivalente e lo smorzamento viscoso
equivalente possono essere calcolati con le seguenti formule:
Ke = NSd •
(
1
__
R
+
m
__
d
)
2
1
xe = __ • ______
p ____
d
+1
m •R
Vale la pena segnalare come tanto la rigidezza equivalente quanto il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente dipendano dallo spostamento. Di conseguenza, anche quando è concesso dalle norme modellare il
sistema di isolamento come lineare equivalente, va applicata una procedura iterativa, finché la differenza tra i
valori di spostamento a due passi successivi diventa trascurabile.
Grazie alla dipendenza della rigidezza equivalente dal carico verticale, il centro di rigidezza del sistema di isolamento ed il baricentro delle masse coincidono in pianta.
Il periodo proprio equivalente, ossia il periodo associato alla rigidezza equivalente, di una struttura isolata con
isolatori a superficie curva può essere calcolato come segue:
Te = 2p
1
__________
(
)
1
m
g • __ + __
R
d
Invece, il periodo associato alla rigidezza di richiamo Kr è lo stesso di un pendolo semplice di lunghezza R:
R
T = 2p __
g
5
criteri
CRITERI progetTUALI
PROGETTUALI E PRODUTTIVI
NORMATIVE
Gli isolatori a scorrimento a superficie curva serie FIP e FIP-D sono abitualmente progettati secondo la norma
europea UNI EN 15129:2009 Dispositivi Antisismici. Su richiesta, possono essere progettati per soddisfare
altre norme o specifiche tecniche.
PROGETTAZIONE
Gli isolatori a doppia superficie curva (serie FIP-D) standard, le cui caratteristiche geometriche e meccaniche
sono elencate nelle tabelle, sono progettati per sette diversi valori dello spostamento massimo, da 100 a 400
mm. Tale spostamento va inteso come lo spostamento
massimo dEd in accordo alla simbologia usata nella UNI
EN 15129:2009. Per gli edifici, dEd è dato dallo spostamento di progetto dbd, moltiplicato per il fattore moltiplicativo γx in accordo all’Eurocodice 8 (EN 1998-1:2004, §
10.3 (2)P). In accordo alle NTC 2008, lo spostamento di
progetto dbd è calcolato allo SLV, mentre lo spostamento
fattorizzato γxdbd risulta coincidente con lo spostamento sismico calcolato allo SLC. Per i ponti, lo spostamento massimo dEd coincide con lo spostamento dmax definito nell’Eurocodice 8 (EN 1998-2:2005, § 7.6.2), ossia è ottenuto
sommando allo spostamento sismico fattorizzato γxdbd (o
allo spostamento sismico calcolato allo SLC in accordo
alle NTC 2008) lo spostamento in esercizio prodotto da
azioni permanenti o deformazioni a lungo termine (ritiro,
fluage) e la metà dello spostamento prodotto dalle variazioni termiche.
• Isolatore a scorrimento a doppia superficie curva della serie FIP
prodotto per il Mary Bridge, Turkmenistan (foto sotto).
Il carico verticale NEd indicato nelle tabelle è il massimo
carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive
dell’azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di
carico che preveda spostamento orizzontale. Il carico verticale ammissibile in assenza di spostamento orizzontale
può essere molto più alto del valore NEd, e solitamente
nelle strutture in calcestruzzo armato è limitato dalla resistenza del calcestruzzo.
Per gli isolatori FIP-D standard, il raggio di curvatura
equivalente è fissato per ciascun valore di spostamento,
in particolare è pari a 2.5 m per spostamento 100 e 150
mm, 3.1 m per spostamento 200 e 250 mm, e 3.7 m per
spostamento 300, 350 e 400 mm. Qualora in una struttura si usino diversi tipi di isolatori a superficie curva, si
raccomanda che tutti gli isolatori abbiano lo stesso raggio
di curvatura, per evitare spostamenti verticali differenziali
associati allo spostamento orizzontale.
Nella progettazione degli isolatori FIP-D standard è stata
assunta una rotazione pari a 0.01 rad concomitante con lo
spostamento orizzontale massimo. In concomitanza con
spostamenti inferiori, sono ammessi valori maggiori di rotazione.
L’Ufficio Tecnico di FIP Industriale è a disposizione dell’ingegnere strutturista per progettare ad hoc isolatori a
doppia superficie curva diversi dagli standard, ad esempio con valori diversi di raggio di curvatura, spostamento, carico verticale, coefficiente di attrito, oppure isolatori a superficie curva della serie FIP.
CONTROLLO QUALITÀ
Il controllo qualità operante all’interno di FIP Industriale assicura la conformità del prodotto ai vari requisiti, con
garanzia di qualità sia riguardo ai materiali utilizzati sia riguardo al processo produttivo.
6
PROVE DI QUALIFICAZIONE ED ACCETTAZIONE
Gli isolatori a superficie curva serie FIP e FIP-D sono stati
sottoposti a prove sia di qualificazione che di accettazione
presso laboratori indipendenti.
Sono state eseguite numerose prove di qualificazione
su isolatori di diverse dimensioni e caratteristiche, con le
modalità di prova previste dalle NTC 2008, dalla norma
europea UNI EN 15129:2009, e da altre normative internazionali. In particolare, presso il laboratorio di prova
SRMD (Seismic Response Modification Device) dell’Università della California a San Diego sono state effettuate
con successo anche prove dinamiche bidirezionali, con
applicazione simultanea di uno spostamento orizzontale
sinusoidale in due direzioni perpendicolari (la cosiddetta
traiettoria a quadrifoglio prevista dalla norma europea UNI
EN 15129:2009), ed anche con applicazione simultanea
in due direzioni delle time-hystories di spostamento orizzontale ottenute da analisi non lineari al passo su un edificio soggetto ad un sisma reale.
L’affidabilità della tecnologia di FIP Industriale è stata confermata da tali prove di qualificazione, così come
da numerose prove di accettazione eseguite in accordo
a diverse normative. Inoltre, diversi edifici del progetto
C.A.S.E. all’Aquila sono stati soggetti a prove dinamiche
eseguite dalla Protezione Civile.
• Prove di qualifica su un isolatore FIP-D presso il Laboratorio
TREES dell’Eucentre di Pavia.
• Prove di qualifica bi-direzionali su un isolatore FIP-D presso il
Laboratorio SRMD all’Università della California a San Diego.
• Cicli isteretici sperimentali di un isolatore FIP-D ottenuti in una
prova a velocità costante.
• Cicli isteretici sperimentali di un isolatore FIP-D ottenuti in una
prova a spostamento imposto con legge sinusoidale.
• Prove dinamiche su un edificio del progetto C.A.S.E. a L’Aquila,
isolato con isolatori della serie FIP-D.
7
criteri
CRITERI PROGETTUALI E PRODUTTIVI
SISTEMI DI ANCORAGGIO
Gli isolatori a superficie curva progettati da FIP Industriale sono dotati di sistemi di ancoraggio di tipo meccanico per il trasferimento del 100% delle forze orizzontali (nonostante la norma europea UNI EN 15129:2009
consenta di trasferire solo il 75 % delle forze orizzontali mediante ancoraggi meccanici nel caso in cui il carico
verticale minimo durante l’azione sismica sia stato calcolato mediante analisi dinamiche non lineari).
POSA IN OPERA
La tipica procedura di installazione dell’isolatore vincolato
superiormente ed inferiormente a strutture in c.a. gettate
in opera, prevede le seguenti fasi:
•
•
•
•
•
•
•
•
getto della sottostruttura fino ad un livello più basso
di alcuni centimetri di quello degli isolatori, prevedendo fori di alloggiamento delle zanche di ancoraggio di
diametro almeno doppio di quello delle stesse;
posizionamento degli isolatori al livello di progetto e
con la superficie di base orizzontale;
costruzione di una cassaforma di dimensioni leggermente più grandi dell’isolatore e più alta di circa 1 cm
del livello inferiore dello stesso;
allettamento con malta (epossidica o cementizia antiritiro) per uno spessore consigliato tra i 2 e i 5 cm;
avvitamento delle zanche superiori (se non già fissate);
approntamento della cassaforma superiore adattandola con precisione attorno alla piastra superiore dell’
isolatore;
posizionamento dell’armatura lenta della sovrastruttura ed esecuzione del getto in c.a.;
dopo la maturazione del calcestruzzo, e ad ogni modo
prima che si inizi ad utilizzare la struttura, rimozione
delle staffe di trasporto (tipicamente di colore giallo)
attraverso lo svitamento delle viti; è buona norma riavvitare tutte le viti nei rispettivi fori filettati in modo da
garantire la massima protezione alla corrosione degli
stessi fori.
Si raccomanda di prestare attenzione, durante le operazioni di getto del calcestruzzo, alla protezione delle superfici di scorrimento degli isolatori. Nel caso in cui le superfici
di scorrimento vengano accidentalmente sporcate durante l’installazione, devono essere pulite il prima possibile.
RESISTENZA AL FUOCO
Gli isolatori a superficie curva sono caratterizzati da un’intrinseca resistenza al fuoco, solitamente maggiore
di 240 minuti, se installati in strutture in c.a., ossia quando l’esposizione al fuoco è solo mediante la superficie
laterale. Tuttavia, dopo un incendio potrebbe essere necessaria la sostituzione dell’intero isolatore esposto al
fuoco o almeno di alcune sue parti (ad es. il materiale plastico di scorrimento e la superficie di scorrimento in
acciaio inossidabile).
Per gli isolatori a scorrimento a superficie curva installati in strutture d’acciaio, si raccomanda un sistema passivo di protezione al fuoco.
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COMBINAZIONE DI DISPOSITIVI
Gli isolatori a superficie curva possono essere combinati
con altri dispositivi antisismici, cosi’ da ottenere speciali
prestazioni, utili soprattutto nelle applicazioni nei ponti.
Ad esempio, è possibile combinarli con i dispositivi di
vincolo dinamico per l’utilizzo sulle pile mobili di ponti e
viadotti, così da ridurre le forze orizzontali trasmesse alle
pile in condizioni di servizio. In tali dispositivi combinati,
i dispositivi di vincolo dinamico consentono i movimenti
lenti dovuti alle variazioni di temperatura senza trasmettere alla pila valori significativi di forza orizzontale; invece
durante un sisma, i dispositivi di vincolo dinamico diventano rigidi e gli isolatori a scorrimento a superficie curva vengono attivati, dissipando energia e garantendo il
ricentraggio in accordo al legame costitutivo degli isolatori stessi.
SIGLA
Gli isolatori a scorrimento a superficie curva o a doppia superficie curva sono identificati rispettivamente mediante la sigla FIP o FIP-D, seguita da una lettera e tre cifre. La lettera indica il coefficiente di attrito (L: basso
attrito – M: attrito medio), la prima cifra è un numero convenzionale, la seconda cifra rappresenta lo spostamento totale in mm, e la terza cifra tra parentesi indica il raggio di curvatura equivalente in mm.
Ad esempio:
FIP-D L 1200/600 (3700) isolatore a scorrimento a doppia superficie curva con materiale a basso attrito,
che permette uno spostamento di ± 300 mm in tutte le direzioni, e caratterizzato
da un raggio di curvatura equivalente di 3700 mm.
• TURKMENISTAN - Avaza Bridge
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• CASTEL DI SANGRO (AQ) - edificio privato protetto sismicamente con isolatori della serie FIP-D.
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SCHEMA FIP-D
Disegno schematico di un isolatore serie FIP-D con 4 zanche superiori e 4 inferiori.
Disegno schematico di un isolatore serie FIP-D con 8 o più zanche superiori e 8 o più inferiori.
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TABELLE FIP-D STANDARD
Attrito minimo
Sigla isolatore
Attrito minimo
Sigla isolatore
Attrito medio
SPOSTAMENTO ±100 mm
Sigla isolatore
Attrito medio
SPOSTAMENTO ±150 mm
Sigla isolatore
Raggio di curvatura equivalente R = 2500 mm
LEGENDA
N Ed Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell’azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che
preveda spostamento orizzontale
Diametro dell’isolatore esclusi elementi di ancoraggio
D
Massima dimensione in pianta
Y
Lato del quadrato circoscritto all’isolatore, inclusi elementi di ancoraggio
Z
Altezza dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
H
Numero zanche superiori/inferiori
n
Peso dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
W
12
Attrito minimo
Sigla isolatore
Attrito minimo
Sigla isolatore
Attrito medio
SPOSTAMENTO ±200 mm
Sigla isolatore
Attrito medio
SPOSTAMENTO ±250 mm
Sigla isolatore
Raggio di curvatura equivalente R = 3100 mm
LEGENDA
N Ed Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell’azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che
preveda spostamento orizzontale
Diametro dell’isolatore esclusi elementi di ancoraggio
D
Massima dimensione in pianta
Y
Lato del quadrato circoscritto all’isolatore, inclusi elementi di ancoraggio
Z
Altezza dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
H
Numero zanche superiori/inferiori
n
Peso dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
W
13
TABELLE FIP-D STANDARD
Attrito minimo
Sigla isolatore
Attrito minimo
Sigla isolatore
Attrito medio
SPOSTAMENTO ±300 mm
Sigla isolatore
Attrito medio
SPOSTAMENTO ±350 mm
Sigla isolatore
Raggio di curvatura equivalente R = 3700 mm
LEGENDA
N Ed Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell’azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che
preveda spostamento orizzontale
Diametro dell’isolatore esclusi elementi di ancoraggio
D
Massima dimensione in pianta
Y
Lato del quadrato circoscritto all’isolatore, inclusi elementi di ancoraggio
Z
Altezza dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
H
Numero zanche superiori/inferiori
n
Peso dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
W
14
Attrito minimo
Sigla isolatore
Attrito medio
SPOSTAMENTO ±400 mm
Sigla isolatore
Raggio di curvatura equivalente R = 3700 mm
LEGENDA
N Ed Massimo carico verticale nelle combinazioni di carico comprensive dell’azione sismica (SLC), o in qualsiasi combinazione di carico che
preveda spostamento orizzontale
Diametro dell’isolatore esclusi elementi di ancoraggio
D
Massima dimensione in pianta
Y
Lato del quadrato circoscritto all’isolatore, inclusi elementi di ancoraggio
Z
Altezza dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
H
Numero zanche superiori/inferiori
n
Peso dell’isolatore, escluse zanche di ancoraggio
W
• L’AQUILA, ITALA - progetto C.A.S.E.: installazione di isolatori a scorrimento a doppia superficie curva della serie FIP-D.
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MAG 2013
FIP INDUSTRIALE Spa
via Scapacchiò 41, Casella Postale 97
35030 Selvazzano (PD) • Italy
T +39 049 8225511 • F +39 049 638567
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FIP INDUSTRIAL UK LTD
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T +44 1223 518286 • F +44 1223 518287
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