Hilti. Passione. Performance.
La progettazione degli ancoranti
in zona sismica
Ing. Stefano Eccheli
ing. Stefano Eccheli
Field Engineer – Lombardia / Emilia
Hilti Italia S.p.A.
P.zza Indro Montanelli, 20
20099 Sesto San Giovanni (MI)
T +39-02 21272 90 | C +39-335 6993762 | F +39-02 21272 402
E [email protected]
t f
h li@hilti
www.hilti.it
www.hilti.it
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1
Hilti. Passione. Performance.
Agenda
Introduzione
Inquadramento normativo
La normativa nazionale ed europea
La normativa negli Stati Uniti
La progettazione degli ancoranti in zona sismica
Generalità
I requisiti degli ancoranti installati in zona sismica
La simulazione sismica secondo lo Standard ACI 355.2
Le certificazioni ICC-ES Report
Il concetto di duttilità
La corretta scelta dell‘ancorante
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2
Hilti. Passione. Performance.
Introduzione
I terremoti di magnitudine elevata sono molto più comuni di quanto si pensi
2008
2009
2010
2011
China M8.0
New Zealand M7.8
Chile M8.8
Japan M9.0
Indonesia M7.3
Indonesia M7.6
Mexico M7.2
New Zealand M6.3
Japan M6.9
Italy M6.3
Haiti M7.0
Spain M5.3
Chile M6.8
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New Zealand M7.0
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3
Hilti. Passione. Performance.
Introduzione
Terremoti: magnitudine e periodo di ritorno
Gi
Giappone
M9 0 marzo 2011
M9.0,
Richter scale
(log10 scale)
~15,000 vittime, 125,000 edifici danneggiati
o distrutti, NPP danneggiata in seguito a
tsunami (onde di ~9m)
H iti M7
Haiti
M7.0,
0 gennaio
i 2010
~100,000 vittime, 280,000 distrutti o
severamente danneggiati
Î La preparazione e progettazione
adegauta sono le chiavi per la sicurezza
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Hilti. Passione. Performance.
Introduzione
Mappa del rischio sismico: accelerazione di picco al suolo (PGA) di progetto
Source: Global Seismic Hazard Assessment Program
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Hilti. Passione. Performance.
Introduzione
Î Esiste
E i t un’alta
’ lt correlazione
l i
t densità
tra
d
ità di popolazione
l i
e rischio
i hi sismico
i i
Source: WorldTrends 2001 World Resources Institute
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Hilti. Passione. Performance.
Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE
Kobe (Great Hanshin) earthquake, Japan, January 17, 1995, 5:46 am
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Hilti. Passione. Performance.
Air conditioning unit, 1995 Kobe earthquake
(photos courtesy of M. Ohkubo )
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Hilti. Passione. Performance.
Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE
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Hilti. Passione. Performance.
“The Hyogo-Ken
H ogo Ken Nanbu
Nanb Earthquake
Earthq ake of January
Jan ar 17,
17 1995 – NRC/DOE Reconnaissance Report –
Draft”, Chokshi, N.C, et al., U.S. Nuclear Regulatory Commission, Rockville, Maryland, 1996.
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Agenda
Introduzione
Inquadramento normativo
La normativa nazionale ed europea
La normativa negli Stati Uniti
La progettazione degli ancoranti in zona sismica
Generalità
I requisiti degli ancoranti installati in zona sismica
La simulazione sismica secondo lo Standard ACI 355.2
Le certificazioni ICC-ES Report
Il concetto di duttilità
La corretta scelta dell‘ancorante
11
Hilti. Passione. Performance.
Progettazione e certificazione dei prodotti: Europa
Progettazione
Certificazione
European Committee for
Standardization (CEN)
European Organization for
Technical Approval (EOTA)
CEN-TS 1992-4:2009
Eurocodici
European Technical Approval
Guideline (ETAG)
European Technical Approval
(ETA)
Organizzazione
Codice/Standard
Linea Guida
Certificazione
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Applicazione
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Hilti. Passione. Performance.
Inquadramento normativo: Europa
Carichi statici
Load definition
Design resistance
Technical data
Pre-qualification
f
criteria
EN 1991-1
(Eurocode 1)
Azioni
ETAG 001, Annex C or
CEN-TS 1992-4:2009
European
p
Technical
Approval: ETA
R i t
Resistenze
ETAG 001
Î Una
U progettazione
tt i
coerente
t è possibile
ibil solo
l con tutti
t tti e 4 glili elementi
l
ti
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Hilti. Passione. Performance.
Inquadramento normativo: Europa
Load definition
Design resistance
Technical data
Pre-qualification
f
criteria
Carichi statici
Carichi sismici
EN 1991-1
(Eurocode 1)
EN 1998-1:2004
(Eurocode 8)
ETAG 001, Annex C or
CEN-TS 1992-4:2009
CEN-TS
CEN
TS 1992-4:2009
1992 4:2009
European
p
Technical
Approval: ETA
ETAG 001
Î La
L progettazione
tt i
non è possibile
ibil senza prequalifica
lifi e dati
d ti tecnici!
t
i i!
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Hilti. Passione. Performance.
Progettazione e certificazione dei prodotti: U.S.A.
Progettazione
International
Code Council
(ICC)
American
Society of
Civil
Engineers
(ASCE)
Certificazione
International Code
Council Evaluation
Services (ICC-ES)
American
Concrete
Institute
(ACI)
ICC-ES Acceptance Criteria
(AC193 & AC308)
IBC
ASCE 7
(Loads)
ACI 318
(RC design)
ACI 355.2
(Anchorage)
Evaluation Services
Report (ESR)
Organizzazione
Linea Guida
Codice / Standard
Certificazione
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Applicazione
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Hilti. Passione. Performance.
Ipotesi: è possibile utilizzare l’inquadramento
Americano con azioni secondo Eurocodice?
Europa
Load definition
Design resistance
Technical data
Pre-qualification
criteria
f
EN 1998-1:2004
(Eurocode 8)
CEN-TS
CEN
TS 1992-4:2009
1992 4:2009
To be derived
USA
ASCE 7
ACI 318-08 Appendix D
AC308
based on pre-qualification
criteria
ICC ESR
ICC-ESR
Under development
ACI 355.2
355 2 with
by EOTA
ICC-ES AC193/AC308
Î Possibile
da entrambi
P
ibil solo
l se lle azioni
i i derivate
d i t d
t
bi i codici
di i sono compatibili!
tibili!
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Hilti. Passione. Performance.
Approccio raccomandato per verifiche di ancoranti a
sisma in Europa
Design approach
Load definition
Design resistance
Technical data
Pre-qualification
f
criteria
EN 1998-1:2004
(Eurocode 8)
Azioni
ACI 318-08 Appendix D
AC308
ICC-ESR &
Tech expert report
R i t
Resistenze
ACI 355.2
355 2 with
ICC-ES AC193/AC308
Î Attraverso validazioni esterne siamo in grado di garantire al progettista un
dimensionamento a sisma anche in Europa!
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Agenda
Introduzione
Inquadramento normativo
La normativa nazionale ed europea
La normativa negli Stati Uniti
La progettazione degli ancoranti in zona sismica
Generalità
I requisiti degli ancoranti installati in zona sismica
La simulazione sismica secondo lo Standard ACI 355.2
Le certificazioni ICC-ES Report
Il concetto di duttilità
La corretta scelta dell‘ancorante
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Hilti. Passione. Performance.
L’azione sismica sull’ancorante
Ampiezza
A
i
fessure
Durante un terremoto l’ancorante è sottoposto
p
a:
1) Cicli di carico
2) Variazione dell’ampiezza delle fessure
Carichi
Trrazione Taglio
Struttura
primaria
Struttura
secondaria
Terremoto
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Struttura
Ancorante
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Hilti. Passione. Performance.
Requisiti essenziali di un ancorante qualificato per
l’impiego in zone sismiche
L’ancorante deve:
9essere certificato pper l’impiego
p g in calcestruzzo fessurato
9essere progettato appicando ulteriori coefficienti di sicurezza che riducano le resistenze
di progetto
9essere certificato mediante un ICC-ES Report non precedente al 2007
9superare
p
i test di simulazione sismica secondo l’ ACI 355.2
9garantire che il sistema di ancoraggio abbia i necessari requisiti di duttilità
Qualora ll’ancorante
ancorante non possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura duttile
dell’elemento metallico, è necessario che il nodo nel suo complesso sia progettato in modo da
consentire un meccanismo di rottura duttile con un carico inferiore a quello di progetto dell’ancorante
stesso.
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Hilti. Passione. Performance.
Performace di un ancorante in calcestruzzo fessurato
Calcestruzzo fessurato:
- Elemento
El
t iin calcestruzzo
l
t
sottoposto
tt
t a trazione
t i
- Apertura di fessura superiore a Δw = 0.3 mm
Ancorante in calcestruzzo non fessurato
f
Presenta una distribuzione degli sforzi simmetrica
rispetto all’asse dell’ancorante. La resistenza lato
calcestruzzo è data dal cono degli sforzi.
sforzi
Ancorante in calcestruzzo fessurato
Vi è una ridistribuzione degli sforzi con riduzione
della porzione di materiale base che determina la
resistenza a trazione lato calcestruzzo.
stress
t
di
distribution
t ib ti in
i
non-cracked concrete
stress distribution in
cracked concrete
crack pane
Il calcestruzzo fessurato comporta una riduzione della caricabilità dell’ancorante
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Agenda
Introduzione
Inquadramento normativo
La normativa nazionale ed europea
La normativa negli Stati Uniti
La progettazione degli ancoranti in zona sismica
Generalità
I requisiti degli ancoranti installati in zona sismica
La simulazione sismica secondo lo Standard ACI 355.2
Le certificazioni ICC-ES Report
Il concetto di duttilità
La corretta scelta dell‘ancorante
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Hilti. Passione. Performance.
Test sismico a trazione
Resistenza del calcestruzzo: bassa
Ampiezza fessure: Δw = 0,5 mm
trazione
Ns = 50%Nu
Ni = 1/2(Ns-Nm)+Nm
Nm = 25%Nu
10
30
100
cicli
Requisiti
Tutti gli ancoranti devono passare il test e, al
termine della prova, avere una resistenza
residua a trazione non inferiore all’80% della
capacità
i à di riferimento.
if i
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Hilti. Passione. Performance.
Resistenza del calcestruzzo: bassa
Ampiezza delle fessure: Δw = 0,5 mm
Test sismico a taglio
taglio
Vs= 50%Vu
Vi = 1/2(Vs-Vm)+Vm
Vm= 25%Vu
cicli
10
100
30
Requisiti
Tutti gli ancoranti devono passare il test e, al
termine della prova, avere una resistenza
residua a taglio non inferiore all’80% della
capacità
i à di riferimento.
if i
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Hilti. Passione. Performance.
www ucsd edu
www.ucsd.edu
Test su tavola vibrante in scala 1:1
Englekirk Center
Jacobs School of Engineering
University of California San Diego
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Hilti. Passione. Performance.
7°
4°
Pendinatura
verticale
1°
Irrigidimento
antisismico
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Hilti. Passione. Performance.
http://www.icc-es.org/reports
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Agenda
Introduzione
Inquadramento normativo
La normativa nazionale ed europea
La normativa negli Stati Uniti
La progettazione degli ancoranti in zona sismica
Generalità
I requisiti degli ancoranti installati in zona sismica
La simulazione sismica secondo lo Standard ACI 355.2
Le certificazioni ICC-ES Report
Il concetto di duttilità
La corretta scelta dell‘ancorante
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Hilti. Passione. Performance.
Il concetto di duttilità
Un sistema di ancoraggio realizzato con ancoranti post-installati deve garantire i necessari
requisiti di duttilità.
Qualora l’ancorante
l ancorante NON possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura
duttile dell’elemento metallico, è necessario che il nodo, nel suo complesso, sia
progettato in modo da consentire un meccanismo di rottura duttile con un carico inferiore
a quello di progetto dell’ancorante stesso.
Un ancorante post-installato ha un comportamento duttile o fragile?
E’ impossibile stabilite a priori se la
rottura di un ancorante avvenga in
maniera duttile o fragile
fragile.
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E’ necessario studiare ogni caso specifico,
considerando:
9 il contesto in cui è installato l’ancorante
l ancorante
9 la geometria
9 il tipo di sollecitazione agente
9 il meccanismo di collasso
9 la formazione di cerniere plastiche
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Hilti. Passione. Performance.
Il concetto di duttilità
1 A
1.
Ancoraggio
i progettato per rottura d
duttile
il d
dell’ancorante
ll’
Fy
Feq
Piastra di
ancoraggio rigida
Ancorante duttile
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Hilti. Passione. Performance.
Il concetto di duttilità
2 A
2.
Ancoraggio
i progettato per fformazione
i
di cerniera
i
plastica
l i
nell’elemento da fissare
Mp
Feq
Mp
Feq
Cerniera plastica
Mp
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Hilti. Passione. Performance.
Il concetto di duttilità
3 A
3.
Ancoraggio
i progettato iin ffunzione
i
d
della
ll resistenza
i
d
dell sistema
i
fifissato
Vult
Ancorante progettato
per rottura dell’elemento
in legno
Feq
Distanza dal bordo troppo
piccola per garantire la rottura
duttile lato acciaio del tassello.
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Hilti. Passione. Performance.
Il concetto di duttilità
4 A
4.
Ancoraggio
i progettato amplificando
lifi
d lla fforza sismica
i i
Feq
Feq
Fv
h
Feq
s
Neq
Azione sollecitante l’ancorante
determinata da un multiplo
dell’azione sismica di progetto.
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Hilti. Passione. Performance.
Il concetto di duttilità
Taglio e momento torcente
In un sistema si ancoraggio sottoposto ad azioni di taglio,
la presenza di uno o più bordi nel calcestruzzo può influire
in maniera decisiva sulla modalità di rottura del sistema
stesso.
A favore di sicurezza, la normativa
prescrive di far assorbire il taglio
ai soli ancoranti più vicini al bordo,
considerando non sollecitati a
taglio gli altri tasselli.
Rottura duttile
dell’elemento in acciaio
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Rottura fragile del bordo
di calcestruzzo
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Hilti. Passione. Performance.
Disposizione degli ancoranti nella piastra di
ancoraggio
Nei gruppi di ancoranti
ancoranti, risulta fondamente la modalità di trasferimento dell’azione
dell azione di taglio
tra piastra e tassello. Può succedere che solo alcuni tasselli entrino in contatto con la
piastra, rendendo così disomogenea la risposta del sistema di ancoraggio sollecitato a
taglio.
g
Caso ideale
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Caso reale
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Hilti. Passione. Performance.
L’utilizzo del Dynamic Set
Al fine di distribuire l’azione di taglio su TUTTI i tasselli
costituenti
tit
ti il sistema
i t
di ancoragio,
i è possibile:
ibil
1) saldare i tasselli alla piastra
e p e lo
o spa
spazio
o anulare
a u a e ttra
ap
piastra
ast a e tasse
tassello
o con
co resina
es a
2)) riempire
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Agenda
Introduzione
Inquadramento normativo
La normativa nazionale ed europea
La normativa negli Stati Uniti
La progettazione degli ancoranti in zona sismica
Generalità
I requisiti degli ancoranti installati in zona sismica
La simulazione sismica secondo lo Standard ACI 355.2
Le certificazioni ICC-ES Report
Il concetto di duttilità
La corretta scelta dell‘ancorante
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Hilti. Passione. Performance.
Certificazione
Denominazione
ETA
ICC-ES
Ancorante utilizzabile
Resistenza
dell’ancorante
in cls
fessurato
in zone a
sismicità
Sì
media o alta
alta
Sì
media o alta
alta
Sì
bassa
media
Sì
bassa
media
Sì
media o alta
alta
---
Sì
bassa
alta
---
Sì
bassa
alta
Report
Ancorante HDA
Ancorante HSL-3
ACI
Ancorante HST
355.2
ACI
Ancorante HUS-H
355.2
Ancorante HIT-RE 500 SD
Ancorante HIT-HY 200
A
Ancorante
t HVZ
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Hilti. Passione. Performance.
Grazie per l’attenzione.
l’attenzione
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39
Hilti. Passione. Performance.
Anchor seismic design resistance: US
ACI 318-08, Appendix D strength design
● Design steel strength in tension
● Design steel strength in shear
● Design concrete breakout strength
in tension
● Design concrete breakout strength
in shear
● Design pullout/bond strength in
tension
● Design pryout strength in shear
*Images taken from ACI 318-08
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40
Hilti. Passione. Performance.
Anchor seismic design resistance: US
ACI 318-08, Appendix D seismic provisions: basics
● Seismic provisions apply when Seismic
Design Category (SDC) C-F is assigned
● Anchor shall not be installed in plastic
hinge regions
● Concrete is considered cracked under
seismic activity
● Concrete related design strengths shall
be multiplied by 0.75 (φseismic)
Î SDC: C to F
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|
Cracked concrete
|
Concrete resistance multiplied by 0.75
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Hilti. Passione. Performance.
Anchor seismic design resistance: US
ACI 318-08, Appendix D seismic provisions: design approaches
● Connection governed
by steel ductile failure
of the anchors
● Connection governed
by steel failure of the
fixture ((or steel p
plate))
● Connection designed
for a resistance
reduction multiplication
factor of 0.4 factor
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Hilti. Passione. Performance.
Anchor seismic design resistance: US
ACI 318-08, Appendix D strength design: tensile loading
● φNsa = Design steel strength in tension
φsteel (n ⋅ N sa )
φsteel N sa
Given in the ESR relevant design table
● φNcb, φNcbg = Design concrete breakout strength in tension
φconcreteN cbg
b = φconcrete
t
ANc
ψ ec, N ψ edd , N ψ c, N ψ cp, N Nb x φseismic = 0.75
ANc0
● φNa, φNag= Design pullout/bond strength in tension
φbond ⋅ N ag = φbond ⋅
ANa
⋅ψ ed , Na ⋅ψ g , Na ⋅ψ ec, Na ⋅ψ p, Na ⋅ N a 0 x φseismic = 0.75
ANa0
*Images taken from ACI 318-08
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Hilti. Passione. Performance.
Anchor seismic design resistance: US
ACI 318-08, Appendix D strength design: shear loading
● φVsa = Design steel strength in shear
φsteel (n ⋅ Vsa )
φsteelVsa
Given in the ESR relevant design table
● φVcb, φVcbg = Design concrete breakout strength in shear
φconcreteVcbg = φconcrete
AVc
ψ ec ,V ψ ed ,V ψ c ,V Vb x φseismic = 0.75
AVc 0
● φVcp, φVcpg= Design pryout strength in shear
φconcreteVcpg
with
Vcpg = min k cp N ag ; k cp N cbg x φseismic = 0.75
*Images taken from ACI 318-08
www.hilti.it
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Hilti. Passione. Performance.
Anchor seismic design resistance: US
ACI 318-08, Appendix D strength design: interaction of tension and shear
● Determined assuming a tri-linear interaction approach
● The tri-linear approach
pp
is a simplified
p
approach
pp
to the traditionally
y
interaction expression shown on the picture (PA2 uses the real interaction)
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