In caso di carico a fatica, le modalità di rottura degli ancoranti possono cambiare in funzione del numero di cicli di carico. La verifica statica del tassello, seppur fondamentale e di comune conoscenza, non sostituisce la progettazione a fatica, nei casi dove rilevante questa condizione di carico. Un sistema di fissaggio può soddisfare tutte le verifiche statiche e comunque cedere sotto carico a fatica. Pertanto, è chiaro che gli ingegneri strutturali dovrebbero valutare attentamente i casi in cui la fatica agisce sul sistema di fissaggio e progettare adeguatamente.

COS'È LA FATICA? 

Se un materiale è sottoposto a un carico ripetuto nel tempo, esso può cedere dopo un certo numero di cicli per un "limit load" che è ben al di sotto della resistenza statica. Questo processo di degrado viene diefinito "fatica".

APPLICAZIONI 

I carichi alternati (carichi a fatica) possono essere distinti in base alla loro frequenza e ampiezza. I carichi alternati con alta ripetizione e bassa ampiezza possono essere considerati carichi di vibrazione. I carichi di vibrazione possono verificarsi, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, nel fissaggio di: 

• ventilatori, 
• macchinari di produzione,  
• apparecchiature di centrali elettriche.

Queste applicazioni sono solitamente identificate come "rilevanti per la fatica" per il sistema di fissaggio e sono progettate di conseguenza. Altri esempi tipici di applicazioni con "carico e scarico ripetuto" sono, tra gli altri:  

• gru (gru a torre, gru da officina, rotaie per gru),  
• ascensori (binari guida, dispositivi di movimentazione del carico),  
• attrezzature di sollevamento (paranchi, attacchi di martinetti di sollevamento),  
• robot e altri dispositivi rotanti per la movimentazione dei carichi, componenti per ponti e sistemi di carico (scivoli per materiali sfusi, sistemi di trasporto). 

Tuttavia, le norme nazionali e internazionali di solito specificano se un'azione variabile debba essere considerata un'azione statica o un carico a fatica. Ad esempio, in carico del vento cambia spesso magnitudo e direzione ma è spesso considerato un carico statico equivalente ai fini della progettazione. Di contro, per i carichi a fatica c'è poca chiarezza sulla metodologia da seguire.

PERCHÉ È FONDAMENTALE UNA QUALIFICA ETA PER IL CARICO DI FATICA? 

Gli elementi di ancoraggio trasferiscono la sollecitazione nel calcestruzzo secondo diversi meccanismi, ossia aderenza, attrito, ingranamento meccanico o combinazione di questi. Questi tre principi di funzionamento da soli possono attivarsi in modo completamente diverso sotto carico a fatica. Il dispositivo di fissaggio o il materiale base cederanno perché viene superata la capacità portante del calcestruzzo, la capacità portante dell'acciaio o l'aderenza tra acciaio e resina o resina e calcestruzzo circostante (nel caso di ancoranti chimici). Di conseguenza, è necessario capire come le varie modalità di rottura si comportano o si sviluppano sotto carico di fatica, si veda Figura 1. 

Figura 1: Per gli ancoranti post-installati, diversi materiali interagiscono e il comportamento è difficile da valutare in modo analitico. 

A causa del diverso comportamento a fatica dei materiali (calcestruzzo, acciaio ed eventualmente ancorante chimico), la modalità di rottura decisiva per un ancoraggio caricato a fatica può cambiare a seconda del numero di cicli di carico. Inoltre, la forma e le dimensioni degli elementi di ancoraggio, i metodi di produzione, ma anche la rigidezza di esso possono avere un'influenza significativa sul comportamento a fatica e sul verificarsi delle singole modalità di rottura. Difficilmente il meccanismo di collasso può quindi essere stimato teoricamente ma deve essere determinato da una procedura di valutazione. Quest'ultima, per il telaio normatico europeo è EAD 330250-00-0601 "Post-installed fasteners in concrete under fatigue cyclic loading". 

RIFERIMENTI NORMATIVI PER LA PROGETTAZIONE A FATICA

Il Technical Report EOTA TR 061 fornisce un metodo di progettazione per gli elementi di fissaggio sotto l’azione a fatica in combinazione o non con il carico statico o quasi statico. Le verifiche a fatica devono essere effettuate quando gli ancoranti sono sottoposti a cicli di carico regolari (ad esempio fissaggi di gru, macchinari, binari di guida, ascensori, ecc.). I cicli di carico a fatica possono verificarsi anche nei vincoli di componenti sottoposti a sollecitazioni termiche (ad es. facciate). Secondo EOTA TR 061, le verifiche a fatica sone necessarie nei seguenti casi: 

• Se è previsto un numero di cicli di carico pulsanti a trazione maggiore o uguale a 1000,  
• Se è previsto un numero di cicli di carico pulsanti o alternati a taglio maggiore o uguale a 100,
• Se i cicli di carico sono imposti da variazioni climatiche e l'intervallo di sollecitazione indotta sull'ancorante meno sollecitato è superiore a 100 MPa in caso di trazione o superiore a 60 MPa in caso di taglio. 

Le regole di progettazione dettate da EOTA TR 061 si applicano solo agli elementi di fissaggio provvisti di valutazione tecnica europea (ETA) con resistenza a fatica qualificata con la EAD 330250-00-0601.  
Rispetto all'EOTA TR061, l'Eurocodice 2 Parte 4 non descrive in dettaglio in quali condizioni è richiesta una verifica a fatica. Secondo quest'ultimo, una verifica a fatica deve essere eseguita se gli elementi di fissaggio sono frequentemente soggetti a cicli di carico ripetuti (ad es. fissaggio di gru, macchine alternative, binari di guida di ascensori); inoltre limita "indirettamente" la validità dell'approccio a 2 milioni di cicli di carico. Infine, non eplicita un approccio chiaro su come la progettazione dovrebbe essere eseguita. L'EOTA TR 061 è molto più dettagliato in questo caso.  
 
EOTA TR 061 distingue tra due metodi di progettazione ossia il metodo di progettazione I (metodo completo) e il metodo di progettazione II (metodo semplificato).

Il metodo di progettazione I (metodo completo) è applicabile quando:  

• condizione (a) - è possibile un'esatta definizione dell'azione statica e dell'azione rilevante per la fatica, 
• condizione (b) - si può stimare il numero di cicli di carico n durante la vita utile dell'applicazione. 

Se è soddisfatta solo la condizione (a) in cui l'intervallo di carico rilevante per la fatica è noto esattamente, ma non il numero di cicli di carico che si verificano, la resistenza a fatica è limitata al valore relativo a infiniti cicli di carico. 
Si configura una seconda casistica quando viene rispettata la sola condizione (b) dove è noto solo il carico totale sull'ancoraggio (statico e fatica), ma non è possibile distinguere tra la percentuale di azione statica e la percentuale di azione a fatica. In questo caso, si presume che tutti i carichi agenti siano rilevanti per la fatica. Ciò può portare a risultati molto conservativi, soprattutto se la percentuale del carico statico è molto elevata rispetto alla percentuale di carico rilevante per la fatica, cioè se il carico è prevalentemente statico.
Se entrambe le condizioni (a) e (b) sono soddisfatte, è possibile una conoscenza esatta del carico statico e del carico rilevante a fatica e, inoltre, è possibile stimare il numero di cicli. In tal caso, la resistenza a fatica è limitata all'ordinata della curva S-N relativa al numero di cicli di carico, se è disponibile una curva di Wöhler completa. Infatti, solo un diagramma di questo tipo consente di determinare la resistenza caratteristica a fatica di un sistema di ancoraggio in quanto essa è funzione del numero di cicli. Il diagramma di resistenza alla fatica (curva di Wöhler) del fissaggio può essere determinato sperimentalmente durante il processo di qualifica sulla base dell’ EAD 330250-00-0601. 

Il metodo di progettazione II (metodo semplificato), è applicabile se è noto solo il carico totale ma non l'esatta distinzione tra l'azione statica e quella a fatica né, tantomeno, il numero di cicli di carico durante la vita utile. Di conseguenza, nel metodo di progettazione II, si assume un numero infinito di cicli e si considera tutta l'azione come rilevante a fatica.  

SOLUZIONI HILTI QUALIFICATI A FATICA 

I seguenti sistemi di fissaggio sono stati testati secondo EAD 330250-00-0601 e possono essere progettati in condizioni di fatica con l'aiuto di Hilti PROFIS Engineering. Il portfolio Hilti per le applicazioni rilevanti a fatica comprende ancoranti chimici, ancoranti meccanici e ancoraggi sottosquadro differenziati per tipo di acciaio e classi di prestazioni (Figura 2). Poichè la gamma dei prodotti Hilti è in continua evoluzione, si suggerisce di controllare sempre il certificato ETA di prodotto per verificare la sua idoneità all'utilizzo.

Figura 2: Panoramica dei sistemi di ancoraggio Hilti approvati a fatica (aggiornamento 06.2024)

IL SET DI RIEMPIMENTO HILTI

Secondo EOTA TR 061, sono necessarie misure costruttive utili a ridurre al minimo l'effetto di martellamento sugli ancoraggi dovuti, ad esempio, allo spazio anulare piastra-fissaggio. A tale scopo, Hilti fornisce un set di riempimento Hilti composto da una rondella di riempimento, un disco speciale e un controdado (locknut), come in Figura 3.  

Figura 3: Set di riempimento Hilti 
Il set di riempimento Hilti svolge quattro funzioni principali in un’unica soluzione: 

• colmare lo spazio anulare foro piastra-ancoraggio come richiesto da EOTA TR 061 e dalle relative ETA tramite la rondella di riempimento, 
• dare la possibilità di prevedere un’inclinazione ammissibile senza introdurre ulteriori momenti flettenti nell'ancoraggio grazie al disco sferico, 
• trasferire in modo affidabile le forze di serraggio poiché il disco sferico mantiene il contatto, anche se l'ancoraggio è inclinato,  
• assicurare ulteriormente il serraggio con il controdado presente nel set. 

 
Di conseguenza, il vantaggio per il progettista può essere riassunto come segue: 

• progettazione del sistema conforme a EN 1992-4 in caso di foro piastra maggiorato sotto carico statico o in conformità a EN 1992-4 e EOTA TR 061 in caso di fatica e sollecitazione a taglio, 
• raddoppio della resistenza di progetto a taglio in condizioni di carico sismico, 
• compensazione del momento flettente non previsto che agisce sull'ancoraggio a causa dell'inclinazione dell'ancorante,  
• non necessaria una verifica separata della rondella in quanto il set fornisce uno spessore di rondella sufficiente ad evitare l'eventuale rottura tipo "abbottonatura"

CONCLUSIONE 

Le prestazioni a fatica dei materiali sono comunemente caratterizzate da una curva S-N, nota anche come curva di Wöhler. Nel caso degli ancoraggi post-installati, tre materiali e diverse modalità di rottura sono coinvolti nella resistenza a fatica complessiva e quindi quest'ultima non può essere valutata in modo puramente teorico. Di conseguenza, è necessario utilizzare un ancoraggio approvato ETA a fatica. Per "l'ancoraggio di piastra di base" è attualmente disponibile solo in Europa un processo dettagliato di qualificazione (EAD 330250-00-0601) e progettazione (EOTA TR 061, EN 1992-4). L'EOTA TR061 descrive in dettaglio in quali condizioni è richiesta la verifica a fatica e ne esplicita un metodo. Nella progettazione a fatica non sono consentiti spazi anulari, deve essere evitato l'allentamento del dado o della vite e il set di riempimento Hilti rappresenta una soluzione efficace per riempire gli spazi anulari. Il carico di taglio deve essere applicato senza braccio di leva e un'installazione stand-off non è ancora coperta (contattare Hilti per maggiore supporto in quest'ultimo caso).

Hilti mette a disposizione dei progettisti il software PROFIS Engineering per la progettazione a fatica conforme alle norme applicabili.