1.0 INTRODUZIONE

Il ruolo sempre più cruciale dei fissaggi post-installati nel collegamento di elementi in acciaio al calcestruzzo in scenari complessi può portare a configurazioni di ancoraggio che superano le geometrie standard previste dalle normative nazionali ed internazionali per la progettazione dei fissaggi, come l’EN1992-4 [1]. Ad esempio, un ancoraggio che collega una trave primaria in acciaio a un pilastro in calcestruzzo sollecitato a taglio – come illustrato in figura 1 – può richiedere un livello di flessibilità superiore per resistere alle combinazioni di carico statico e sismico rispetto a quanto contemplato dagli attuali standard di progettazione. In questi casi, ingegneri e progettisti si trovano spesso in difficoltà nel trovare soluzioni che garantiscono l’affidabilità del collegamento restando nei limiti imposti da EN 1992-4.

Fig. 1: Trave primaria in acciaio che sostiene un solaio collaborante collegata ad una colonna in calcestruzzo

Questo articolo presenta un’estensione delle disposizioni di progettazione contenute nell’attuale EN1992-4 nell’ambito del “Metodo Hilti SOFA (SOlutions for FAstening)”, che consente la distribuzione dello sforzo di taglio oltre la prima fila di ancoranti per la verifica della rottura del bordo in condizioni statiche e sismiche. Questo approccio fornisce una maggiore flessibilità progettuale nel caso di ancoraggio sollecitato a taglio vicino a uno o più bordi di calcestruzzo.

2.0 CONFIGURAZIONI DEGLI ANCORANTI E DISPOSIZIONI DI PROGETTAZIONE SECONDO EN1992-4

La norma EN1992-4 contiene disposizioni di progettazione per i sistemi di fissaggio su calcestruzzo, basate su evidenze empiriche fondamentali e tenendo conto di varie incertezze al fine di garantire un elevato livello di sicurezza. Tuttavia, queste disposizioni possono non sempre portare a una progettazione praticabile. Una delle conseguenze di tali limitazioni è la restrizione delle configurazioni dei gruppi di ancoraggi previsti dalle EN1992-4, come illustrato nella Figura 2. Sebbene tutti questi gruppi possano essere progettati per resistere a trazione e/o taglio, ciò è possibile solo se l’ancoraggio più vicino è posizionato a una distanza adeguata dal bordo di calcestruzzo (con una distanza minima dal bordo pari a , l’EN1992-4 limita la progettazione dei gruppi di ancoraggi sollecitati a taglio in prossimità di un bordo in calcestruzzo, a meno che il gap anulare tra l’ancoraggio e la piastra di base non venga completamente annullato tramite malta di riempimento, saldatura (applicabile principalmente agli ancoraggi con testa gettati in opera) o soluzioni specifiche come il Set di riempimento Hilti).

Fig. 2: Ancoranti senza gap anulare per tutte le distanze dal bordo e per tutte le direzioni di carico e fissaggi con vuoto anulare conformi alla tabella 6.1 (EN1992-4) posizionati lontano dal bordo per tutte le direzioni di carico; fissaggi con gap anulare in accordo alla tabella 6.1 (EN1992-4) posizionati vicino a un bordo caricati solo a trazione.

3.0 DISPOSIZIONE DEGLI ANCORANTI E DISTRIBUZIONE DEL CARICO DI TAGLIO CONDIZIONI STATICHE

Tabella 3.1: Differenze tra gruppi di ancoraggio sollecitati a taglio vicino al bordo con e senza gap anulare.

La tabella 3.1 illustra le differenze tra gruppi di ancoranti con e senza gap anulare quando sono posizionati vicino a un bordo di calcestruzzo e sollecitati a taglio in direzione del bordo. I due fattori principali – gap anulare e la distanza dal bordo – determinano l’efficacia dei singoli ancoranti nel contrastare la rottura del bordo di calcestruzzo, rappresentata da una superficie semiconica di calcestruzzo. Per un Gruppo di ancoranti sollecitato a taglio perpendicolare al bordo, il taglio è ripartito equamente tra la fila di ancoraggi più vicina al bordo e la superficie di rottura. Tuttavia, secondo l’EN1992-4, la resistenza è attribuita unicamente alla fila anteriore di ancoraggi. Questa ipotesi conservative, secondo cui solo la prima fila di ancoraggi in un gruppo resiste all’intero carico di taglio applicato alla piastra di base, può portare a soluzioni non praticabili. Gli altri due possibili meccanismi di rottura - la rottura dell’acciaio e pry-out del calcestruzzo - considerano rispettivamente il taglio applicato sull’ancorante più sollecitato del gruppo e su tutto il gruppo di ancoranti.

4.0 APPROCCIO ALLO STATO DELL'ARTE PER LA DISTRIBUZIONE DEL CARICO DI TAGLIO NEL FIB BULLETIN 58

L’approccio della EN1992-4 alla progettazione degli ancoranti, basato su configurazioni di ancoraggio predefinite, risulta spesso inadeguato e non praticabile quando sono necessari gruppi di ancoraggi più grandi, come nel caso di fissaggio di una colonna in acciaio vicino al bordo di un elemento in calcestruzzo. In determinate circostanze, a seconda dei parametri quali la distanza dal bordo, la distanza tra ancoranti, lo spessore dell’elemento in calcestruzzo e il diametro del foro, la rottura del bordo di calcestruzzo potrebbe iniziare da un ancoraggio vicino al bordo o da uno più lontano, richiedendo una verifica di tutti gli ancoraggi.

Il fib Bulletin 58 [2], sezione 4.3.1.3, prevede la possibilità di progettare per tali casi e consente che il carico di taglio agisca perpendicolarmente al bordo, distribuendosi uniformemente oltre la prima fila di ancoranti parallela al bordo, a condizione che non vi sia il gap anulare, tra il foro della piastra di base e gli ancoranti. Nella pratica, ciò si traduce nella verifica di resistenza del bordo che potrebbe essere generato da ogni fila di ancoranti parallela a un bordo, poiché il piano di rottura predominante potrebbe non essere sempre la prima fila. Un’illustrazione di questo effetto è fornita dalla Figura 4.1.

Fig.4.1: Distribuzione del carico di taglio perpendicolare al bordo e superfici di rottura

Come illustrato nella figura 4.2, lo stesso principio di distribuzione del carico di taglio si applica al carico di taglio che agisce parallelo a un bordo.

Fig. 4.2: Distribuzione del carico di taglio parallelo a un bordo e superfici di rottura

Si noti che l’applicazione dello stesso approccio con un gap anulare normale (diverso da zero) può portare a una progettazione non conforme e causare una perdita di funzionalità.

Sebbene il fib Bulletin 58 consenta la distribuzione del carico di taglio oltre le prime file per la rottura del bordo, i gruppi di ancoraggi sono ancora limitati a una griglia 3x3 senza gap anulare e a una griglia 2x2 con gap anulare, come mostrato nella figura 4.3-1 di [2]. Le configurazioni oltre la griglia 3x3 e quelle irregolari, come quelle triangolari e circolari, non sono trattate né dalla EN1992-4 né dal fib Bulletin 58.

5.0 METODO SOFA PER LA DISPOSIZIONE DEGLI ANCORANTI E LA DISTRIBUZIONE DEL CARICO DI TAGLIO IN CONDIZIONI STATICHE E SISMICHE

Il metodo SOFA applica le disposizioni del fib Bulletin 58 per la distribuzione del carico di taglio a tutti gli ancoraggi partecipanti all’interno di tre file in un gruppo, sia parallele che perpendicolari al bordo, ed estende le configurazioni a cui si applica. Ciò consente al progettista di modellare disposizioni di fissaggio sollecitate a taglio verso il bordo che superano quelle prescritte sia dalla EN1992-4 che dal fib Bulletin 58, con il prerequisito che non vi sia il vuoto anulare tra l’ancoraggio e la piastra di base. Per le diverse configurazioni degli ancoranti, la distribuzione statica e sismica del carico di taglio per gli ancoranti vicini al bordo, consentita dal metodo SOFA, è riportate nella tabella 5.1.

Tabella 5.1: Distribuzione del carico di taglio per ancoranti vicini al bordo in condizioni statiche e sismiche.

Per il carico statico e sismico, il metodo SOFA consente la distribuzione del carico di taglio per disposizioni regolari di ancoranti (entro e oltre la configurazione 3x3). Tuttavia, vengono posti limiti basati sulle conoscenze attuali riguardo a configurazioni di ancoraggi più grandi, con gruppi irregolari e grandi (ni x nj > 16) che continuano a resistere completamente al carico di taglio attraverso la fila anteriore di ancoranti, in cui nj e ni si riferiscono rispettivamente al numero di file perpendicolari e parallele al bordo. Il numero massimo di ancoranti per fila è limitato a 5 per assumere il contributo della fila posteriore. Questo limite è giustificato dalla ricerca disponibile (Grosser, 2012). In condizioni sismiche, la distribuzione alla fila posteriori di ancoranti richiede il riempimento del foro anulare.

5.1 LAYOUT PIU' GRANDI DI ANCORANTI E IMPATTO SULLA DISTRIBUZIONE DEL CARICO DI TAGLIO PER FILA DI ANCORANTI

Come indicato nella Tabella 5.1, sebbene il trasferimento del taglio oltre la fila anteriore di ancoraggi sia possibile fino a tre file parallele al bordo, la Figura 4.3-1 del fib Bulletin 58 limita esplicitamente i gruppi di ancoraggi a un layout rettangolare 3x3, limitando, per estensione, il numero di ancoraggi per fila a tre. Tali layout restrittivi potrebbero essere insufficienti per il fissaggio di elementi strutturali primari in acciaio che in genere resistono a forze di taglio elevate. Espandere i layout tramite il metodo SOFA consente al progettista di modellare qualsiasi layout, regolare o irregolare. Un esempio di rottura del bordo oltre la fila anteriore per un layout di ancoraggio 5x3 posizionato vicino a un bordo senza gioco dei fori è mostrato nella Figura 5.1, dove una forza di taglio, , agisce perpendicolarmente al bordo. Qui, la rottura del bordo per SOFA è verificata per ogni fila parallela a ogni bordo, con solo il corpo di rottura della fila centrale mostrato come semplificazione. Si noti che il metodo SOFA non richiede un numero uguale di ancoranti per fila.

Fig. 5.1: Superficie di rottura del bordo di calcestruzzo per la fila centrale di ancoranti sollecitata perpendicolarmente al bordo

5.2 APPROCCIO SOFA PER ANCORANTI NON ALLINEATI

Per configurazioni ortogonali in fase di progettazione, tutti gli ancoraggi potrebbero allinearsi perfettamente in una fila, ma l'esecuzione in loco potrebbe non essere sempre precisa al "millimetro", portando a una sovrastima della resistenza se il piano di rottura dovesse iniziare dall'ancoraggio più vicino al bordo. Tuttavia, il piano di rottura per la rottura del bordo del calcestruzzo non richiede un allineamento perfetto di tutti gli ancoraggi in una fila e il piano di rottura può comprendere altri ancoraggi mentre si attivano all'interno di una "striscia" virtuale definita. Come mostrato nella Fig. 5.2, la striscia include tutti gli ancoraggi entro un quarto della spaziatura massima tra l'ancoraggio più vicino e quello più lontano nelle direzioni y- (sy,max) e x-(sx,max) se esiste un bordo adiacente. Questo estende il corpo di rottura utilizzando la distanza minima dal bordo tra tutti gli ancoraggi nella striscia, c(y,1), per aumentare la resistenza del bordo del calcestruzzo.

Si noti che questo approccio si applica solo in condizioni di carico statico, mentre il normale approccio EN 1992-4 per la rottura del bordo dall'ancoraggio più vicino al bordo si applica in condizioni sismiche anche se il vuoto anulare viene annullato.

Fig. 5.2: Definizione della “striscia” delimitate dalla casella rossa, mostrata con un bordo di calcestruzzo

5.3 VERIFICA DELLA RESISTENZA NEI CONFRONTI DELLA ROTTURA DEL BORDO IN CALCESTRUZZO SECONDO IL METODO SOFA

Mentre la verifica per acciaio e pry-out sotto carico statico e sismico rimane inalterata, il metodo SOFA verifica la resistenza alla rottura del bordo di ciascuna fila, VRk,c,row, utilizzando le disposizioni di EN 1992-4 [1] con modifiche dal fib Bulletin 58 [2] per coprire gruppi di ancoraggio più grandi. L'unica differenza tra le due disposizioni di progettazione riguarda il calcolo per , che è riflesso più accuratamente per gruppi più grandi dal fib Bulletin 58, come illustrato dalla Fig. 5.3.

Fig. 5.3: Rappresentazione del parametro  nel fib Bulletin 58 vs. EN 1992-4

5.4 PROGETTAZIONE IN PROFIS ENGINEERING

Nel software Hilti PROFIS Engineering, l’ingegnere può trovare opzioni per progettare un'ampia gamma di fissaggi trattati in questo articolo secondo EN 1992-4, ETAG 001: Allegato C o il metodo SOFA: 

La personalizzazione dei layout è possibile tramite “Editor 2D” e PROFIS fornisce un messaggio di avviso con un'opzione per cambiare il metodo in SOFA quando si selezionano o posizionano gli ancoraggi nei layout oltre i limiti della norma EN 1992-4:

6.0 CONCLUSIONE

Il risultato di una vasta ricerca interna ed esterna nel corso degli anni ha portato al metodo SOFA che offre agli ingegneri una maggiore flessibilità e consente soluzioni fattibili nella progettazione di fissaggi di maggiore complessità in condizioni sia statiche che sismiche. Integrato nel modulo calcestruzzo di PROFIS Engineering, il metodo SOFA fornisce ai progettisti:

• Un approccio alla progettazione dei fissaggi che estende i limiti della EN 1992-4 per layout di ancoraggio oltre 3x3;
• Maggiore resistenza alla rottura del bordo del calcestruzzo trasferendo il carico di taglio oltre la fila di ancoraggi più vicini al bordo fino a un massimo di tre file, con un massimo di cinque ancoraggi per ogni fila;
• Utilizzo di una "striscia" per unificare gli ancoraggi non allineati in layout irregolari in una fila per aumentare la resistenza alla rottura del bordo.

Per maggiori dettagli, consulta il nostro Whitepaper che approfondisce ulteriormente questo articolo (Link).

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RIFERIMENTI

[1].  EN 1992-4:2018: Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.

[2].  fib bulletin 58: Design of anchorages in concrete, Lausanne: IFSC, 2011.

[3].  P. R. Grosser, Load-bearing behavior and design of anchorages subjected to shear and torsion loading in uncracked concrete, Germany: Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart, 2012.