PROGETTAZIONE DI CONNESSIONI CON ANCORANTI POST-INSTALLATI E ARMATURA SUPPLEMENTARE

Gli ancoranti post-installati sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni strutturali per collegare elementi in acciaio a elementi in calcestruzzo esistenti.

Tra le applicazioni tipiche rientra il collegamento di un nuovo elemento in acciaio a una struttura in calcestruzzo esistente (Figura 1). Gli ancoranti sono spesso soggetti a forze di trazione e di taglio significative, in particolare in prossimità dei bordi del calcestruzzo, dove la modalità di rottura è comunemente governata dalla rottura conica del calcestruzzo o dalla rottura del bordo del calcestruzzo. Queste limitazioni possono portare a risultati di progettazione conservativi, soprattutto nei casi in cui le distanze dal bordo o gli interassi tra gli ancoranti siano ridotti.

Figura 1: Tipici collegamenti strutturali acciaio-calcestruzzo

L’armatura supplementare, ad esempio costituita da staffe, può essere considerata come una possibile soluzione progettuale per influenzare il comportamento dell’ancoraggio in determinate condizioni al contorno. In alternativa, è possibile tenere conto dell’armatura trasversale presente nell’elemento in calcestruzzo nelle zone in cui essa risulta parzialmente o completamente scarica. Se adeguatamente disposta, questa armatura intercetta le superfici di fessurazione che si sviluppano e contribuisce al trasferimento delle forze dopo la fessurazione.

Le tradizionali disposizioni di progettazione relative all’armatura supplementare negli ancoraggi, definite nella EN 1992-4:2018 [1], considerano il cono di calcestruzzo e l’armatura come contributi indipendenti. Questa semplificazione può portare a risultati conservativi, in particolare negli ancoraggi disposti su più file, dove gli effettivi meccanismi di fessurazione possono mobilitare una quantità di armatura maggiore rispetto a quella considerata da questo modello di progettazione.

L’armatura supplementare funziona secondo il meccanismo tirante-puntone, che descrive il modo in cui le forze vengono trasmesse attraverso il calcestruzzo quando i percorsi di carico non sono uniformi. Nelle zone di ancoraggio, dove vengono introdotte forze concentrate nell’elemento, il flusso interno delle forze non può essere rappresentato mediante la semplice teoria delle travi, ma segue percorsi distinti di compressione e trazione. Come mostrato nella Figura 2:

Il carico applicato all’ancorante viene trasferito al calcestruzzo attraverso i puntoni (1), costituiti dalle zone di calcestruzzo compresso che si diramano a partire dalla testa dell’ancorante.

Questi puntoni convergono nei nodi (2), ovvero i punti di trasferimento delle forze nei quali le forze di compressione cambiano direzione. Tuttavia, la diffusione del carico genera tensioni trasversali di trazione che il calcestruzzo da solo non è in grado di sopportare.

I tiranti (3), realizzati sotto forma di armatura supplementare, intercettano e resistono a queste tensioni di trazione, completando il percorso delle forze e mantenendo l’equilibrio del sistema. Pertanto, l’armatura supplementare può contribuire alla distribuzione del carico all’interno dell’elemento in calcestruzzo, aumentando la resistenza alla rottura del calcestruzzo.

L’armatura supplementare funziona secondo il meccanismo tirante-puntone, che descrive il modo in cui le forze vengono trasmesse attraverso il calcestruzzo quando i percorsi di carico non sono uniformi. Nelle zone di ancoraggio, dove vengono introdotte forze concentrate nell’elemento, il flusso interno delle forze non può essere rappresentato mediante la semplice teoria delle travi, ma segue percorsi distinti di compressione e trazione. Come mostrato nella Figura 2:

Il carico applicato all’ancorante viene trasferito al calcestruzzo attraverso i puntoni (1), costituiti dalle zone di calcestruzzo compresso che si diramano a partire dalla testa dell’ancorante.

Questi puntoni convergono nei nodi (2), ovvero i punti di trasferimento delle forze nei quali le forze di compressione cambiano direzione. Tuttavia, la diffusione del carico genera tensioni trasversali di trazione che il calcestruzzo da solo non è in grado di sopportare.

I tiranti (3), realizzati sotto forma di armatura supplementare, intercettano e resistono a queste tensioni di trazione, completando il percorso delle forze e mantenendo l’equilibrio del sistema. Pertanto, l’armatura supplementare può contribuire alla distribuzione del carico all’interno dell’elemento in calcestruzzo, aumentando la resistenza alla rottura del calcestruzzo.

Figura 2: Esempio di meccanismo tirante-puntone soggetto a carico di trazione

Nel corso degli anni, la progettazione dell’armatura supplementare si è evoluta, passando da ipotesi iniziali semplificate a modelli in grado di rappresentare meglio il comportamento reale degli ancoraggi. Sebbene la EN 1992-4 fornisca un quadro progettuale chiaro, alcune delle sue semplificazioni, come l’ipotesi che la rottura si sviluppi esclusivamente a partire dalla fila anteriore di ancoranti e la limitazione del contributo dell’armatura dopo la fessurazione, tendono a produrre risultati conservativi per gruppi di ancoranti disposti su più file e per configurazioni comunemente utilizzate.

Recenti ricerche mostrano che la fessurazione spesso ha origine in corrispondenza della fila posteriore, attivando una quantità di armatura maggiore rispetto a quanto previsto dal modello normativo e determinando superfici di rottura più ampie e capacità ultime più elevate [2]. Questi risultati evidenziano la necessità di un metodo che rappresenti in modo realistico il trasferimento dei carichi, includendo l’interazione tra la rottura del calcestruzzo, l’attivazione dell’armatura e il comportamento dei puntoni di calcestruzzo.

Il metodo Hilti si basa direttamente su queste evidenze. Tiene conto della ripartizione del carico tra i bracci attivi delle staffe e il calcestruzzo, considera una quota della resistenza alla rottura del calcestruzzo e limita la resistenza di progetto in funzione della capacità dei puntoni di calcestruzzo, così da rappresentare il comportamento osservato nei gruppi di ancoranti disposti su più file.

Il metodo Hilti riflette i meccanismi di trasferimento del carico osservati nella ricerca sperimentale [3], nell’ambito di applicazione e nei limiti descritti nella pubblicazione di riferimento, e considera esplicitamente l’interazione tra la rottura del calcestruzzo, l’attivazione dell’armatura e la resistenza dei puntoni di calcestruzzo. Una volta formatasi la fessura di rottura determinante, le staffe chiuse che racchiudono l’armatura superficiale/di bordo vengono attivate e contribuiscono, insieme al calcestruzzo, alla resistenza al carico. La resistenza di progetto dell’ancoraggio viene pertanto assunta come somma di:

• la resistenza dell’ancoraggio fornita dai bracci attivi delle staffe (resistenza del gancio + resistenza di aderenza);

• una quota conservativa della resistenza del calcestruzzo non armato.

La resistenza di progetto dell’ancoraggio è soggetta a un limite superiore governato dal meccanismo dei puntoni di calcestruzzo. Ciò riflette il comportamento osservato nei gruppi disposti su più file, nei quali la fessura determinante ha frequentemente origine in corrispondenza della fila posteriore e si propaga fino a intercettare più bracci delle staffe.

La Tabella 1 e il grafico sottostante (Figura 3) riassumono le principali differenze tra la EN 1992-4 e il metodo Hilti.

Figura 3: Rappresentazione grafica della resistenza dell’ancoraggio [3]

Tabella 1: Sintesi delle principali differenze tra la EN 1992-4:2018 e il metodo di progettazione Hilti

Il software PROFIS Engineering di Hilti consente al progettista di considerare l’effetto dell’armatura presente nell’elemento in calcestruzzo, in conformità alla EN 1992-4 e al metodo Hilti (Figura 4). È possibile modellare diverse configurazioni dell’armatura e tener conto della loro influenza sui diversi meccanismi di rottura.

Figura 4: Opzione di progettazione dell’armatura supplementare in PROFIS

_{Nota: I risultati generati da PROFIS Engineering si basano sui dati di input forniti dall’utente e sui modelli di calcolo selezionati. Essi non sostituiscono il giudizio professionale del progettista. Il progettista rimane responsabile della verifica dell’adeguatezza delle ipotesi e dei risultati, nonché della conformità alle norme, alle approvazioni e alle regolamentazioni locali applicabili.}

I risultati della ricerca più avanzata condotta nel corso degli anni hanno consentito lo sviluppo di un approccio più realistico per la progettazione degli ancoraggi con armatura supplementare. Integrato nel modulo acciaio-calcestruzzo di PROFIS Engineering, questo metodo fornisce un approccio strutturato per considerare l’interazione tra la rottura del calcestruzzo, l’attivazione dell’armatura e il comportamento dei puntoni di calcestruzzo, sulla base degli attuali risultati della ricerca e nell’ambito di ipotesi definite.

• Gli ancoranti post-installati nel calcestruzzo sono spesso governati dalla rottura del calcestruzzo, in particolare in prossimità dei bordi o in presenza di elevate sollecitazioni di trazione e taglio.

• L’armatura supplementare migliora il comportamento dell’ancoraggio attraverso l’attivazione di un meccanismo tirante-puntone, nel quale i tiranti (staffe) intercettano le fessure e contribuiscono al trasferimento del carico dopo la fessurazione del calcestruzzo.

• Il metodo Hilti considera un comportamento più realistico tenendo conto della ripartizione del carico tra i bracci delle staffe e il calcestruzzo, includendo una quota della resistenza alla rottura del calcestruzzo e applicando limiti basati sulla capacità dei puntoni di calcestruzzo.

• PROFIS Engineering implementa sia la EN 1992-4 sia il metodo Hilti, consentendo ai progettisti di modellare la disposizione dell’armatura e valutarne l’influenza sui diversi meccanismi di rottura.

Per iniziare la progettazione, visita https://profisengineering.hilti.com/