MANUTENZIONE
& PROGETTAZIONE
Progettazione moderna
degli ancoraggi
su calcestruzzo
Lo stato dell’arte nella progettazione degli ancoraggi:
una metodologia accurata al servizio dei progettisti
C
on la generalizzazione dell’impiego dei sistemi
di fissaggio nel mondo delle costruzioni, si è venuta affermando la necessità, da parte dei professionisti del settore, di disporre di opportune metodologie riconosciute a livello internazionale per una loro accurata e sicura progettazione. Uno strumento capace di fornire al progettista regole di progetto degli
ancoraggi che tengano conto del loro comportamento
strutturale e dei tipici fattori che ne influenzano la risposta meccanica. In grado, inoltre, di distinguere tra i
diversi sistemi di fissaggio, dai meccanici ai chimici, e
tra le diverse sollecitazioni agenti.
Cenni storici
Alla fine degli anni ’80, il CEB (Comité Euro-International du Béton o, secondo la versione inglese, EuroInternational Concrete Committee) ha istituito il gruppo di lavoro “Fastening to reinforced concrete and masonry structures” (“Ancoraggi su calcestruzzo armato e
muratura”), con lo scopo di raccogliere, nella fase iniziale, una vasta serie di risultati sperimentali e modelli
teorico-empirici allora disponibili, su cui successivamente basare regole progettuali vere e proprie. Questo
lavoro ha portato alla pubblicazione, all’inizio degli anni ’90, dei bollettini di informazione n.206 e 207, i cui
contenuti sono stati successivamente inclusi nel n.216.
L’elemento di maggiore interesse è rappresentato dalla
descrizione di quello che viene considerato lo stato
dell’arte nella progettazione dei sistemi di ancoraggio,
il cosiddetto “CC-Method” o “Concrete Capacity Design Method” (in italiano potrebbe essere tradotto come
“Metodo della capacità del calcestruzzo”). Le regole per
la progettazione in esso contenute sono state poi incluse nelle guide tecniche per il rilascio del benestare
tecnico europeo relative ai prodotti per le costruzioni.
P. Bianchi,
Ingegnere Ricercatore c/o Centro Ricerche Hilti,
Schaan - Principato del Lichtenstein
dell’EOTA (European Organization for Technical Approvals), l’Ente Europeo che predispone le Guide Tecniche
(ETAG, European Technical Approval Guidelines) per il
rilascio del Benestare Tecnico Europeo relativo a prodotti innovativi per le costruzioni. Un prodotto conforme alle specifiche contenute nelle Guide Tecniche si riconosce dalla presenza del marchio CE, che ne garantisce le caratteristiche meccaniche e la sicurezza.
Per gli ancoranti metallici su calcestruzzo va fatto riferimento alle ETAG 001. In esse sono descritti i vari tipi
di ancoranti, le procedure di prova necessarie ad attestarne le prestazioni e, da ultimo, nell’Annesso C, i metodi di progetto applicabili. Tra di essi, il più importante è il già citato “Metodo CC”.
Il metodo della capacità
del calcestruzzo
Il Metodo CC si applica ad ancoraggi su calcestruzzo e
contiene una accurata descrizione del comportamento
dell’ancorante, distinguendo infatti tra le diverse modalità di rottura, alle quali rispettivamente competono
diversi coefficienti parziali di sicurezza. Nel caso in cui
la normativa nazionale non presenti tali coefficienti, è
possibile utilizzare quelli presenti nell’Annesso C. È ne• Direzione del carico
rispetto all’asse
dell’ancorante:
• Direzione del taglio
rispetto al bordo libero
dell’elemento
in calcestruzzo:
Che cos’è una guida ETAG
La direttiva 89/106/CE della Comunità Europea relativa
ai prodotti per le costruzioni (CPD) è stata recepita in Italia mediante il decreto n.246. In esso vengono fissati gli
Enti Nazionali cui è affidata la partecipazione ai lavori
Fig. 1
Possibili direzioni della sollecitazione agente
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MANUTENZIONE & PROGETTAZIONE
Sistemi di ancoraggio
La tenuta di un ancorante in un materiale da costruzione si basa sui tre seguenti principi fondamentali di funzionamento:
Attrito
Il carico di trazione N,
viene trasmesso ad
un materiale base
per mezzo della forza di attrito, R. Perché ciò si verifichi è
necessaria la forza di
espansione Fexp che viene ad esempio prodotta dall’inserimento di un ancorante ad espansione.
Fig. 2
Cono di rottura per sollecitazione di trazione
(lato calcestruzzo)
Forma
Il carico di trazione N
risulta in equilibrio
con le forze portanti
R e agisce quindi sul
materiale base.
Adesione chimica
Tra la barra filettata e
la parete del foro viene a crearsi un legame chimico a base di
resina sintetica.
Fig. 3
Influenza dell’interasse tra i tasselli
cessario, inoltre, tenere conto della direzione del carico, sia per distinguere la forza assiale da quella di taglio, ma anche per introdurre l’effetto dell’inclinazione
della seconda rispetto al bordo libero del materiale base (figura 1).
La verifica a trazione
Nella verifica a trazione del tassello, due sono i principali modi di rottura da considerare. Il primo è la semplice rottura a trazione dell’acciaio costituente l’ancorante, il cui valore caratteristico è fornito dal produttore dello stesso; il progettista, in questo caso, deve solo
applicare l’opportuno coefficiente parziale di sicurezza
relativo alla crisi lato acciaio.
Il secondo riguarda la rottura per estrazione del cono di
calcestruzzo (figura 2). Basandosi su una vastissima
gamma di risultati sperimentali, si è visto che la proiezione della superficie circolare di collasso ha in media
un raggio pari a 1.5 volte l’affondamento (hef), il che
equivale ad assumere un angolo di propagazione della
rottura di circa 55° rispetto all’asse dell’ancorante. Nel
metodo, per semplicità, si fa riferimento ad una proiezione di forma quadrata di lato 3 volte l’affondamento
hef. Se le dimensioni del materiale base sono tali da permettere la formazione completa di questo cono, il progettista può assumere come valore caratteristico di resi-
Combinazione dei principi di lavoro
Per molti ancoranti la
capacità di tenuta dipende da una combinazione dei suddetti
principi di funzionamento. Ad esempio, la pressione d’espansione sulle pareti del foro viene sviluppata facendo scorrere un cono
in un manicotto. Ciò consente la trasmissione per attrito
della forza longitudinale N all’ancorante.
Contemporaneamente questa pressione di espansione
opera una deformazione locale permanente del materiale base, soprattutto nel caso di ancoranti metallici. Si
ha così un’azione di ancoraggio “per forma”, che permette un’ulteriore trasmissione della forza longitudinale
N al materiale base. Nel caso di ancoranti ad espansione, viene inoltre fatta una distinzione tra quelli a controllo di coppia e quelli a controllo di spostamento.
La forza di espansione degli ancoranti a controllo di coppia dipende dalla forza di trazione agente sugli stessi che
si genera e quindi viene controllata quando viene applicata la coppia di serraggio per espandere l’ancorante.
Nel caso di ancoranti a controllo di spostamento, la forza di espansione si esplica ad una distanza che viene
determinata dalla geometria dell’ancorante in condizione espansa.
Si genera quindi una forza di espansione che è controllata dal modulo di elasticità del materiale base.
Nel caso di ancoranti chimici, la resina sintetica penetra
nei pori del materiale base e, dopo l’indurimento e la maturazione, determina una tenuta per forma oltre che per
adesione.
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Fig. 4
Influenza della distanza dal bordo del tassello
stenza del tassello quello fornito dal produttore, dividendo per l’opportuno coefficiente parziale di sicurezza relativo alla crisi lato calcestruzzo, in modo da ricavare il valore di progetto. In molti casi gli ancoranti sono disposti ad un interasse inferiore a 3 volte l’affondamento hef (figura 3), o ad una distanza dal bordo libero del materiale base inferiore a 1.5 volte hef (figura 4).
Questo impedisce la formazione completa del cono di
rottura relativo a ciascun ancorante, per cui la sua attuale resistenza andrà calcolata applicando un coefficiente (inferiore ad 1) ricavabile dal rapporto tra l’area
effettivamente disponibile e quella necessaria per dare
luogo alla piena capacità portante.
Vi sarebbero altri aspetti da considerare, quali la rottura per spacco del materiale base, l’influenza dell’eccentricità del carico e la presenza di armature ravvicinate,
Fig. 5
Rottura per sollecitazione di taglio (lato calcestruzzo)
ma di questi aspetti si tiene conto semplicemente mediante opportuni coefficienti. È più importante sottolineare il fatto che i valori caratteristici di resistenza degli
ancoranti sono forniti nella condizione di calcestruzzo
fessurato. Nel caso in cui sia ragionevole escludere la
presenza di tali fessure, è applicabile un coefficiente
maggiorativi pari ad 1.4. A questo punto va ricercata la
minore resistenza analizzando quelle ottenute per rottura lato acciaio o lato calcestruzzo, e questa va confrontata, come usuale nella verifica, con la sollecitazione di progetto.
La verifica a taglio
Nella verifica a taglio la filosofia del metodo rimane
pressoché immutata.
Accanto al valore caratteristico di resistenza per rottura
Dimensionamento di ancoraggi
Molti sono i fattori da considerare per
una corretta progettazione degli ancoraggi.
Innanzitutto la tipologia di materiale
base sul quale verrà effettuato l’ancoraggio. Il materiale più diffuso è
naturalmente il calcestruzzo, ma sono stati studiati anche ancoranti per
murature e per legno.
Nelle zone in cui il calcestruzzo è
sottoposto a sforzi di trazione si possono avere fessure che attraversano
la zona del foro in cui è posto il tassello. Gli ancoranti ad espansione a
controllo di deformazione perdono la
loro capacità portante, mentre quelli
a controllo di coppia perdono sino al
70% della loro capacità relativa a calcestruzzo non fessurato.
Gli ancoranti sottosquadro, invece,
con una sufficiente lunghezza di an-
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coraggio, superano questo problema
e possono essere utilizzati anche in
zone tese o in presenza di calcestruzzo fessurato.
Il secondo fattore da considerare è il
tipo di sollecitazione che agirà sull’ancoraggio. Infatti il criterio di verifica è differente per carichi statici e per
carichi dinamici. In entrambe i casi si
deve comunque ottimizzare la geometria di posa in funzione di interassi e distanze dai bordi, secondo l’ETAG Appendice C. I moderni sistemi
di ancoraggio, in particolare per carichi elevati, sono realizzati in modo
che, in condizioni ideali (assenza di
influenza di interassi e distanze dal
bordo) si abbia la crisi dell’acciaio costituente l’ancoraggio.
Questo fa si che, a rottura, si abbiano visibili deformazioni, elevata dut-
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tilità ed un comportamento meno dipendente dalle caratteristiche del
calcestruzzo.
Infine è necessario considerare le
condizioni ambientali in cui verrà effettuato effettuato l’ancoraggio. Queste condizioni sono distinte in classi
di esposizione secondo l’Eurocodice
2, in base alle quali si determina il tipo di acciaio o il tipo di protezione da
adottare affinché non avvengano fenomeni corrosivi.
In casi particolari è richiesta una resistenza al fuoco. Gli ancoraggi vengono testati simulando le condizioni
di incendio secondo la curva standard ISO834. Da queste prove sperimentali si ottiene la variazione di resistenza nel tempo, secondo la quale è possibile dimensionare l’ancoraggio.
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Durabilità degli ancoraggi
Fig. 6
Influenza dello spessore del materiale base
Gli ancoraggi meccanici a controllo di coppia, per garantire l’espansione necessaria al loro funzionamento,
devono essere serrati applicando la coppia di serraggio
prescritta.
A causa delle sollecitazioni agenti, del rilassamento dell’acciaio costituente il tassello e della viscosità del calcestruzzo, si possono verificare perdite della forza di
pretiro nel tempo.
Per ripristinare le condizioni iniziali e garantire la necessaria tenuta del fissaggio, è necessario procedere al riserraggio dell’ancorante dopo pochi giorni dall’avvenuta installazione.
Per quanto riguarda gli ancoranti chimici, la diminuzione di resistenza può essere provocata dalla sola viscosità del calcestruzzo ed eventualmente da quella
della resina.
Vengono effettuate prove di viscosità sulla resina per verificare che l’entità di tale diminuzione sia ininfluente rispetto alla resistenza globale.
Con tali prove si verificano gli spostamenti nel tempo di
un ancoraggio sottoposto a tensione costante, che devono rientrare nei parametri di accettazioni stabiliti da
criteri normati a livello europeo.
Hilti conduce inoltre da anni prove di carico su materiali
invecchiati e su ancoranti chimici posati al fine di verificare le eventuali variazioni di tenuta nel tempo.
La durabilità degli ancoraggi chimici viene inoltre testata verificando la loro resistenza a cicli gelo-disgelo ed alla resistenza in particolari condizioni ambientali, a contatto per esempio con numerosi agenti chimici potenzialmente aggressivi per la resina.
L’azione combinata taglio-trazione
Fig. 7
Influenza della direzione della sollecitazione rispetto
al bordo libero
lato acciaio, fornito dal produttore, va di nuovo calcolato quello lato calcestruzzo in base all’effettiva disposizione dei tasselli. L’elemento fondamentale è di nuovo la proiezione della superficie di collasso (figura 5).
La geometria è diversa rispetto al caso della trazione,
ma a parte questo, gli effetti dovuti all’interasse tra i tasselli o la distanza dall’eventuale secondo bordo libero
del materiale base sono analoghi; si tratta comunque di
rapportare l’area effettiva a disposizione con quella che
darebbe luogo alla piena capacità portante.
Tra i vari aspetti da considerare, merita attenzione lo
spessore del materiale base (figura 6) che ora entra direttamente nella determinazione dell’area di collasso disponibile.
Come anticipato, il metodo tiene conto della direzione
della forza di taglio rispetto al bordo libero (figura 7).
La verifica è del tutto analoga al caso della trazione, così come le considerazioni relative alla presenza o meno
di calcestruzzo fessurato.
Una volta calcolate la minima resistenza di progetto a
trazione e a taglio, la determinazione della resistenza di
progetto relativa ad azione comunque inclinata rispetto
all’asse dell’ancorante si ottiene semplicemente mediante l’utilizzo di una delle due formule di interazione proposte nel metodo.
Naturalmente questa non vuole essere una presentazione esaustiva delle regole di progetto contenute nel Metodo CC, quanto piuttosto un invito a prendere coscienza degli strumenti per una corretta progettazione degli
ancoranti oggi esistenti.
Pietro Bianchi, ha consestruttura e l’applicazione a
guito la Laurea in Ingeproblemi di fissaggio sono
gneria Civile (Strutture)
stati gli argomenti della ripresso il «Politecnico di Micerca. Dal Gennaio 2000,
lano» nel Dicembre del
si è trasferito presso il Cen1997. Da quel momento
tro Ricerche Hilti in
ha lavorato due anni come
Schaan, Liechtenstein, nel
ricercatore presso il “Poligruppo che si occupa del
tecnico di Milano” sotto la
fissaggio. L’analisi numedirezione del Prof. Luigi
rica dei problemi di fissagCedolin. La modellazione del compor- gio e la progettazione e sperimentaziotamento del calcestruzzo mediante mo- ne di nuovi ancoranti sono state le
delli numerici simulanti la sua meso- principali attività in Hilti.
l’Autore
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