Ancoraggio strutturale

Connessione di base colonna-fondazione[1]

Un ancoraggio strutturale è usato per connettere elementi primari o secondari a una struttura di base in calcestruzzo armato.[2] La connessione è composta dall'assemblaggio di differenti componenti: ancoraggi (nelle costruzioni metalliche anche definiti tirafondi), piastra in acciaio, irrigidimenti. Gli ancoraggi possono trasferire azione assiale e azione di taglio.[3] Una connessione tra elementi strutturali primari, tipica nelle costruzioni metalliche, è quella tra la colonna di acciaio e fondazione in calcestruzzo armato (cfr.figura).[4] Una comune applicazione degli ancoraggi strutturali ad elementi secondari, è invece la connessione tra sistemi di facciata e struttura primaria in calcestruzzo armato.[5]

Tipologia

Tipologie di ancoraggi[1]

Pre-inseriti

Un ancoraggio pre-inserito

Gli ancoraggi pre-inseriti vengono posizionati attraverso apposite dima prima del getto dell'elemento in calcestruzzo armato. La tipica applicazione è nelle strutture di fondazione di macchine od edifici a telaio in acciaio (residenziali ed industriali).[4] Trovano un'ulteriore applicazione nei connettori a taglio per le strutture composte acciaio-calcestruzzo. Gli ancoraggi pre-inseriti possono essere distinti nelle seguenti categorie[3]:

  • Inserti per il sollevamento: usati per le operazioni di sollevamento di travi in calcestruzzo armato precompresso.
  • Ancoraggi con profilo: costituiti da un profilo a canale in acciaio sagomato a freddo od a caldo a cui vengono saldati con opportuna spaziatura dei dispositivi di ancoraggio (pioli). Questo tipo di ancoraggio viene particolarmente usato nelle strutture prefabbricate.[6]
  • Pioli con testa: utilizzati come connettori di taglio nelle strutture composte acciaio-calcestruzzo[7]

Per ogni tipo di ancoraggio pre-inserito, il trasferimento delle forze avviene mediante l'ingranamento meccanico. In particolare, la parte annegata dell'ancoraggio scambia pressioni concentrate a livello con il calcestruzzo circostante; questo avviene in entrambi i casi di forza assiale e di taglio. Il cimento in compressione, per effetto di uno stato triassiale di sforzo può raggiungere valori superiori ad 10 volte la resistenza a compressione del calcestruzzo.[3]

Post-inseriti

Gli ancoraggi post-inseriti vengono installati in un apposito foro nell'elemento in calcestruzzo.[3] Il vantaggio rispetto agli ancoraggi pre-inseriti è la maggiore versatilità nel posizionamento, purtuttavia dovendo considerare la presenza delle armature. La distinzione che segue, è basata sul principio di funzionamento dell'ancoraggio:

Ancoraggi meccanici ad espansione

Esempio di ancoraggio meccanico ad espansione (a cuneo)

Il meccanismo di trasferimento delle forze è basato in parte sull'ingranamento meccanico, in parte sull'attrito sviluppato per effetto della forza di espansione. È possibile un'ulteriore suddivisione[3]:

  • a momento torcente imposto: l'ancoraggio è inserito nel foro e viene bloccato dall'applicazione di un momento torcente alla testa della vite con una chiave dinamometrica. Il serraggio garantisce che il cuneo di estremità rientri nella camicia, deformandola permanentemente per effetto della forza di espansione. Un esempio di ancoraggio ad espansione con cuneo è mostrato in figura.
  • a spostamento imposto: il funzionamento è simile a quelle a momento torcente imposto. Il cuneo viene tuttavia spinto attraverso martellamento.

Ancoraggi tipo undercut

Il meccanismo di trasferimento delle forze è basato sull'ingranamento meccanico. Una speciale operazione di foratura, crea la superficie di contatto tra la testa dell'ancoraggio ed il calcestruzzo circostante. Il trasferimento delle pressioni di contatto avviene in modo simile agli ancoraggi meccanici ad espansione.

Ancoraggi Chimici

Lo stesso argomento in dettaglio: Ancoraggio chimico.

Un ancoraggio chimico è l'insieme di barra di acciaio filettata od nervata ed agente adesivo. Nel trasferire l'azione assiale, l'ancoraggio impegna la aderenza che si sviluppa tra l'agente adesivo ed la parete del foro (calcestruzzo). Il trasferimento del taglio avviene invece secondo i meccanismi tipici degli altri ancoraggi. Le prestazioni dell'ancoraggio, in termini di carico massimo di trazione applicabile, sono strettamente legate alle condizioni di pulizia del foro. Risultati sperimentali [3] mostrano come in condizioni di pulizia non completa, la riduzione della capacità è fino al 60% rispetto a quella di riferimento. Lo stesso si constata anche variando le condizioni di umidità del calcestruzzo. Nel caso di calcestruzzo saturo di acqua, la riduzione del carico massimo è del 20%. Ulteriori condizioni critiche di impiego sono legate all'esposizione alle alte temperature[8] ed alla condizione di carico di lunga durata [9]

Vite da calcestruzzo

Questo tipo di ancoraggio trasferisce forze di trazione scambiando pressioni concentrate attraverso la filettatura.

Ancoraggi plastici

Lo stesso argomento in dettaglio: Tassello.

Comportamento Meccanico

Meccanismi di rottura per forza di trazione

Gli ancoraggi mostrano differenti modi di rottura quando sottoposti a forza di trazione:[3]

  • Rottura lato acciaio: la barra di acciaio è meno resistente di tutti i meccanismi di rottura lato calcestruzzo. La rottura segue lo snervamento dell'acciaio.
  • Sfilamento: l'ancoraggio si sfila dal foro.
  • Cono di calcestruzzo: la rottura coincide con la formazione di una superficie di rottura conica nel calcestruzzo. Il cono ha vertice coincidente con la testa dell'ancoraggio e loasse di rivoluzione coincide con l'asse dell'ancoraggio.[10] Questo tipo di rottura è osservato anche nella Prova di estrazione.[11][12]
  • Rottura da splitting (spacco): caratterizzata dalla formazione di un piano di fessura contenente l'asse dell'ancoraggio. Questo tipo di rottura è tipico per ancoraggi installati in prossimità dei bordi dell'elemento di base in calcestruzzo, od per elementi in calcestruzzo di dimensioni limitate.
  • Rottura per Blow-out: la rottura è caratterizzata dall'espulsione laterale del calcestruzzo circostante a livello della testa dell'ancoraggio. Questo tipo di rottura è caratteristico degli ancoraggi pre-inseriti installati in prossimità dei bordi dell'elemento in calcestruzzo.[3]

Nelle verifiche strutturali a stato limite ultimo, le norme prescrivono di considerare tutti i possibili meccanismi di rottura.[13]

  • Rottura lato acciaio [1]
    Rottura lato acciaio [1]
  • Cono di calcestruzzo[1]
    Cono di calcestruzzo[1]
  • Sfilamento - 1[1]
    Sfilamento - 1[1]
  • Sfilamento - 2[1]
    Sfilamento - 2[1]
  • Rottura per blow-out[1]
    Rottura per blow-out[1]
  • Spacco
    Spacco

Meccanismi di rottura per forza di taglio

Gli ancoraggi mostrano differenti modi di rottura quando sottoposti a forza di taglio:[3]

  • Rottura lato acciaio
  • Rottura di bordo: la rottura è caratterizzata da una superficie semi-conica che coinvolge la porzione di calcestruzzo dall'asse dell'ancoraggio al bordo più vicino.
  • Scalzamento: la rottura è caratterizzata da una superficie semi-conica che parte della zona della testa dell'ancoraggio e si sviluppa con angolo di 35-45° sull'orizzontale. Il meccanismo di scalzamento è tipico di pioli corti, infatti questi non subendo grosse deformazioni flessionali, sviluppano un effetto leva.[14]

Nelle verifiche strutturali a stato limite ultimo, le norme prescrivono di considerare tutti i possibili meccanismi di rottura.[13]

  • Rottura di bordo[1]
    Rottura di bordo[1]
  • Rottura per scalzamento[1]
    Rottura per scalzamento[1]

Azione combinata trazione/taglio

Quando l'azione assiale è combinata a quella di taglio, la risultante delle forze è inclinata di un angolo compreso tra 0 e 90° rispetto all'asse dell'ancoraggio. In questo caso, la rottura avviene per un meccanismo combinato tra quelli summenzionati. Il carico di rottura è inferiore rispetto alla condizione disaccoppiata.[3] Nella pratica progettuale, si adotta un dominio di interazione di tipo lineare.[15]

Gruppo di ancoraggi

Gruppo di due ancoraggi chimici formanti coni di calcestruzzo sovrapposti[16]

Quando gli ancoraggi sono assemblati in gruppo, il loro comportamento meccanico (taglio e/o trazione) dipende da: (i) spaziatura tra i componenti del gruppo; (ii) possibile differenza nelle forze applicate.[17]

Comportamento in Esercizio

Sotto carichi di esercizio (trazione e/o taglio) lo spostamento dell'ancoraggio deve essere limitato. Lo spostamento limite è definito in un documento tecnico di valutazione (specifico per ogni ancoraggio) basato su caratterizzazione sperimentale del comportamento meccanico.[18] [19]

Condizione di carico sismico

Ancoraggi installati in strutture in calcestruzzo armato soggette a sollecitazione di tipo sismico, possono contemporaneamente (i) essere soggetti a forze di inerzia proporzionali alla massa e all'accelerazione della struttura secondaria connessa; (ii) essere installati in una fessura provocata dal danneggiamento della struttura primara in calcestruzzo. Le condizioni di carico possono essere definite come segue:

  • Azione assiale pulsante: cicli azione assiale di trazione. Non si considera efficace l'azione di compressione.
  • Taglio alternato: cicli di azione di taglio, con verso di azione opposto.
  • Fessura ciclica: le fessure provocate dal danneggiamento della struttura primaria, subiscono cicli di apertura e chiusura.[2] L'ancoraggio installato in un piano di fessura soggetta a cicli di apertura e chiusura, mostra (i) una minore resistenza alle sollecitazioni di taglio e trazione e (ii) uno spostamento maggiore a parità di carico imposto, rispetto alla condizione non-fessurata.[3]

Condizione di carico eccezionale

Per carico eccezionale, qui si intende un carico applicato con una velocità superiore rispetto alla convenzionale applicazione in condizione statica. Per esempio, un'azione di trazione eccezionale per un ancoraggio ha un tempo di carico pari a 0,03 secondi, mentre il tempo convenzionale durante una prova sperimentale è pari a 100 secondi se ci si riferisce al carico di picco.[20] Circa le connessioni acciaio-calcestruzzo un esempio di carico eccezionale è la collisione di un veicolo contro una barriera ancorata a una soletta in calcestruzzo. Ancoraggi soggetti a sollecitazioni eccezionali di trazione, hanno mostrato sperimentalmente[21] un aumento della resistenza nei meccanismi di rottura lato calcestruzzo. Nelle norme[7] la definizione comprende anche i carichi di tipo incendio.

  • Ancoraggio ad espansione tipo cuneo - 1
    Ancoraggio ad espansione tipo cuneo - 1
  • Ancoraggio tipo undercut
    Ancoraggio tipo undercut
  • Ancoraggio ad espansione con camicia
    Ancoraggio ad espansione con camicia
  • Ancoraggio ad espansione tipo cuneo - 2
    Ancoraggio ad espansione tipo cuneo - 2
  • Ancoraggio chimico
    Ancoraggio chimico
  • Vite da calcestruzzo
    Vite da calcestruzzo

Note

  1. ^ a b c d e f g h i Ronald Cook, G. T. Doerr e R.E. Klingner, Design Guide For Steel To Concrete Connections, University Of Texas Austin, 2010.
  2. ^ a b Matthew S. Hoehler e Rolf Eligehausen, Behavior and testing of anchors in simulated seismic cracks, in ACI Structural Journal, vol. 105, n. 3, 2008, pp. 348–357, ISSN 08893241 (WC · ACNP).
  3. ^ a b c d e f g h i j k Rainer Mallèe, Rolf Eligehausen e John F Silva, Anchors In Concrete Structures, Ernst&Shon, 2006, ISBN 978-3-433-01143-0.
  4. ^ a b Giulio Ballio e Federico M. Mazzolani, Strutture in Acciaio, Milano, Hoepli, 1982.
  5. ^ IStructE, Aspects of Cladding, London, 1988.
  6. ^ Hubert Bachmann e Alfred Steinle, Precast Concrete Structures, Berlin, Ernst&Shon, 2012, ISBN 0-7506-5084-2.
  7. ^ a b MIT ITALIA, NORME TECNICHE DELLE COSTRUZIONI, Rome, Ministero delle Infrastrutture, 2008, p. 39.
  8. ^ Mohammad Mahdi Raouffard e Minehiro Nishiyama, Idealization of bond stress-slip relationship at elevated temperatures based on pullout tests, in ACI Structural Journal, n. 115, 2018, DOI:10.14359/51701120, ISSN 0889-3241 (WC · ACNP).
  9. ^ Rasoul Nilforoush, Martin Nilsson, Gunnar Söderlind e Lennart Elfgren, Long-Term Performance of Adhesive Bonded Anchors, in ACI Structural Journal, n. 113, 2016, pp. 251–262, DOI:10.14359/51688060.
  10. ^ Rolf Eligehausen e G. Sawade, A fracture mechanics based description of the pull-out behavior of headed studs embedded in concrete, in Fracture mechanics of concrete structures, 1989, pp. 281–299, DOI:10.18419/opus-7930.
  11. ^ J.H. Bungey e S.G. Millard, Testing of Concrete in Structures, London, Blackie Academic & Professional, 1996, ISBN 0-203-48783-4.
  12. ^ William C. Stone e Nicholas J Carino, Deformation and Failure in Large-Scale Pullout Tests, in ACI Structural Journal, n. 80, 1984.
  13. ^ a b ACI, ACI 318-14 Building code requirements for structural concrete, vol. 22, 2014, ISBN 978-0-87031-930-3, JSTOR 3466335.
  14. ^ Neal S Anderson e Donald F Meinheit, Pryout Capacity of Cast-In Headed Stud Anchors, in PCI Journal, 2005, pp. 90–112, ISSN 0887-9672 (WC · ACNP).
  15. ^ ACI, ACI 349.2 Guide to the Concrete Capacity Design ( CCD ) Method — Embedment Design Examples, in Concrete, Ccd, 2004, pp. 1–77.
  16. ^ G. T. Doerr e R.E. Klingner, Adhesive Anchors Behaviour And Spacing Requirements, University Of Texas Austin, 1989.
  17. ^ Philipp Mahrenholtz e Rolf Eligehausen, Behavior of anchor groups installed in cracked concrete under simulated seismic actions base Under, 2010.
  18. ^ European Assessment Documents and European Technical Assessments, su EOTA.
  19. ^ How to find a TAB, su EOTA. URL consultato il 15 giugno 2018 (archiviato dall'url originale il 14 giugno 2018).
  20. ^ Kazunori Fujikake, Jun Nakayama, Hiroshi Sato, Sidney Mindess e Takeshi Ishibashi, Chemically bonded anchors subjected to rapid pullout loading, in ACI Materials Journal, vol. 100, n. 3, 2003, pp. 246–252.
  21. ^ George Solomos, Testing of Anchorages in Concrete under Dynamic Loading, Ispra, Joint research Centre.

Voci correlate

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