Progetto di tirafondi con piatto di estremità soggetti ad azioni di trazione

I tirafondi con piatto di estremità sono comunemente impiegati nei giunti di base delle costruzioni metalliche o per l’ancoraggio di macchine industriali. Gli attuali strumenti normativi presentano differenti approcci per la progettazione e la verifica a seconda del contesto considerato.

Alcuni aspetti rilevanti ai fini della progettazione, tuttavia, non sembrano siano esplicitamente presi in considerazione. Specifiche indagini sperimentali sono state condotte presso il Politecnico di Milano per studiare il comportamento di tali tirafondi, in differenti condizioni inclusi eventuali effetti dovuti all’azione sismica. Il presente articolo sintetizza le esperienze maturate evidenziando la necessità di un metodo di progetto e di verifica specifico.

Ancoraggi gettati in opera

I sistemi di ancoraggio non passanti sono comunemente impiegati in ingegneria civile per collegare componenti strutturali e non strutturali alle strutture portanti in calcestruzzo.

In funzione del momento in cui si esegue l’installazione, essi possono essere classificati in

• (i) ancoraggi gettati in opera, se essa avviene prima del getto di calcestruzzo, oppure
• (ii) ancoraggi post-installati, se l’installazione avviene a calcestruzzo indurito mediante operazioni di roto-percussione.

La scelta di soluzioni post-installate è in progressivo aumento. Ciò è dovuto principalmente all’avvento sul mercato di soluzioni affidabili e di facile installazione, le quali consentono di rispondere alle crescenti richieste di recupero e riuso del patrimonio costruito esistente.

Tuttavia, sono numerose le applicazioni per le quali gli ancoraggi gettati in opera sono tutt’oggi preferiti. Infatti, anche a fronte di maggiori oneri progettuali e di cantiere, presentano i seguenti vantaggi:

• (i) ridotta sensibilità alle procedure di installazione;
• (ii) precisa conoscenza del punto di applicazione delle forze.

Quest’ultimo aspetto permette la disposizione di un’eventuale armatura supplementare in grado di migliorare le prestazioni degli ancoraggi stessi.

Gli ancoraggi gettati in opera possono, al loro volta, essere classificati in sottogruppi come in Figura 1. La soluzione più comune, sia per i giunti di base delle costruzioni in acciaio che per l’ancoraggio in fondazione delle macchine industriali, è costituita da una piastra d’estremità annegata nel getto e collegata ad una barra filettata (Figura 1(b)). Per tale tipologia di ancoraggio gettato in opera, l’affondamento efficace è definito come la distanza misurata dalla faccia superiore della piastra d’estremità alla superficie del calcestruzzo. In funzione della geometria del collegamento, un tirafondo con piatto di estremità soggetto ad un carico di trazione può giungere a rottura per uno dei cinque meccanismi di collasso [1] mostrati in Figura 2.

Figura 1 – Tipologie più comuni di ancoraggi gettati in opera: (a) connettore a piolo, (b) tirafondo con piastra di estremità, (c) (d) tirafondi ad uncino
(il parametro hef identifica l’affondamento efficace, o di calcolo).

Figura 2 – Meccanismi di collasso per tirafondi con piatto di estremità caricati a trazione: (a) rottura del gambo in acciaio, (b) rottura per sfilamento (o pull-out), (c) estrazione del cono in calcestruzzo, (d) rottura per splitting, (e) rottura per blow-out (o scalzamento laterale).

Lo sfilamento e l’estrazione del cono in calcestruzzo sono i meccanismi di collasso fragili decisivi per ancoraggi superficiali installati in elementi strutturali progettati correttamente. Il cono in calcestruzzo è caratterizzato dalla propagazione di una fessura tronco-conica fino in superficie. Di contro, lo sfilamento di un tirafondo con piatto di estremità è riconducibile ad un incremento degli spostamenti permanenti, quale conseguenza delle elevate pressioni di contatto con schiacciamento e polverizzazione del calcestruzzo [2]. Spostamenti eccessivi possono ridurre la capacità associata al cono in calcestruzzo, per tale motivo essi sono controllati indirettamente limitando la pressione di contatto e, dunque, introducendo una capacità fittizia per sfilamento anche se l’ancoraggio non viene estratto fisicamente dell’elemento strutturale.

La verifica della capacità di ancoraggi nel calcestruzzo 

L’approccio più utilizzato per la verifica della capacità di ancoraggi nel calcestruzzo è il cosiddetto “metodo del Concrete Capacity Design”, anche noto come “metodo CCD” [3].

Esso è stato implementato nella norma europea EN 1992-4 [4], recentemente recepita in lingua italiana dalla commissione Ingegneria Strutturale UNI. Il metodo è in generale valido anche per tirafondi con piastra d’estremità ma, come verrà mostrato in seguito, con delle limitazioni legate alle ipotesi semplificative adottate per calibrare il modello di calcolo.

La geometria di un collegamento in calcestruzzo è funzione dell’intensità e della direzione dei carichi applicati. La maggior parte dei collegamenti prevede l’impiego di ancoraggi in gruppi, il cui comportamento strutturale è legato a quello del singolo ancoraggio. Sebbene gli ancoraggi possano essere impiegati per trasferire sia azioni di trazione che di taglio, in molti casi pratici i collegamenti sono progettati con delle “chiavi di taglio”, ossia parti del collegamento progettate per assorbire carichi di taglio e momenti torcenti.

In presenza di tali elementi è possibile ipotizzare che gli ancoraggi siano sollecitati soltanto a trazione, nonostante esista un potenziale rischio di interazione tra i due differenti sistemi.

Questo aspetto è molto dibattuto a livello internazionale e sarà probabilmente implementato nella prossima generazione di codici normativi e linee guida quali, ad esempio, l’aggiornamento del bollettino fib n.58 [5].

Un modello di calcolo esaustivo per ancoraggi gettati in opera dovrebbe includere specifiche valutazioni riguardo alla dimensione relativa dell’ancoraggio in relazione all’elemento strutturale (Figura 3).

La risposta di ancoraggi di piccola dimensione (di solito post-installati) alle sollecitazioni di trazione è tipicamente “locale” e legata alla resistenza a trazione del calcestruzzo.

Di contro, la risposta di ancoraggi di grossa dimensione può essere caratterizzata da un meccanismo più complesso che coinvolge l’intero elemento strutturale.

Ad uno stato tensionale “locale”, dovuto all’ingranamento meccanico per contatto tra il piatto di estremità ed il calcestruzzo, si sovrappone uno stato tensionale “globale” generato dall’interazione con l’elemento strutturale.

Quest’ultimo aspetto non è esplicitamente incluso nel metodo CCD, per tale motivo non è chiaro se il metodo sia conservativo per tutte le tipologie di ancoraggi. Infatti, maggiori spostamenti ed una interazione strutturale più forte potrebbero causare il collasso prematuro del collegamento per valori di carico ben lontani dalla capacità ultima dei singoli ancoraggi. Il risultato dell’interazione ancoraggio-struttura può manifestarsi con un quadro fessurativo, nel quale gli ancoraggi stessi fungono da “induttori di fessura” anche in condizioni di esercizio [1].

Figura 3 – Comportamento strutturale di ancoraggi nel calcestruzzo aventi differenti dimensioni. Ancoraggi di grandi dimensioni possono indurre effetti strutturali non trascurabili (forza assiale di splitting (Fsp) e momento flettente (M)).

È noto come il comportamento di ancoraggi intercettati da fessure sia caratterizzato da una capacità ridotta con spostamenti significativi. Tuttavia, tale aspetto è ancora molto discusso e, in via cautelativa, nelle applicazioni pratiche si assume che gli ancoraggi installati in zona tesa si trovino sempre in “condizioni fessurate”.

All’incertezza legata agli effetti dell’interazione strutturale, si aggiunge un quadro normativo caratterizzato dalla presenza di differenti prescrizioni in contrasto tra loro.

I tirafondi con piastra di estremità, infatti, possono essere progettati e verificati come:

• (i) elementi sollecitati da “pressioni localizzate” secondo UNI EN 1992-1-1 [6],
• (ii) “ancoraggi a piolo o con testa a martello” secondo EN 1992-4 [4], oppure
• (iii) “tirafondi con piatto di estremità” secondo EN 1993-1-8 [7].

Se il progetto è condotto secondo EN 1993-1-8, la capacità del tirafondo è la minima tra la resistenza a trazione del gambo in acciaio e la rottura lato calcestruzzo valutata secondo la EN 1992-1-1. Quest’ultima norma però non presenta formulazioni per introdurre il contributo dell’ingranamento meccanico offerto dal piatto di estremità.

A tale mancanza è possibile sopperire con le prescrizioni da EN 1992-4. Tuttavia, il modello teorico di base non considera eventuali benefici legati ad un’area di contatto più ampia (piatto di estremità) se paragonato ai classici connettori a piolo. In alternativa, il progettista potrebbe far ricorso all’Eurocodice 2 verificando il tirafondo con i modelli per le pressioni localizzate o per il punzonamento, i quali però non sono stati sviluppati per ancoraggi non passanti.

In modo del tutto analogo, anche il Model Code 2010 [8] non presenta regole specifiche per i tirafondi con piatto di estremità, la cui verifica dovrà essere eseguita per la generica classe degli ancoraggi gettati in opera secondo il bollettino fib n.58. Quest’ultimo documento è l’unico che prescrive uno spessore minimo (hmin) dell’elemento di calcestruzzo per ancoraggi gettati in opera, calcolato come la somma dell’affondamento efficace (hef), dello spessore della testa a martello (th) e dello spessore copriferro (cØ). Ipotizzando una dimensione tipica di tirafondi ed elemento strutturale, lo spessore minimo che si ottiene è circa pari a 1.3 hef, valore in contrasto con 2.0 hef suggerito da altri autori [1], [9]. Secondo Eligehausen et al. [1], uno spessore minimo di 2.0 hef è necessario per ridurre il rischio di rottura da splitting, in tutti quei casi in cui la distanza dai bordi liberi è inferiore ad un valore caratteristico (fissato pari a ccr,sp = 2.0 hef per ancoraggi con testa a martello).

Un incremento della capacità di ancoraggi gettati in opera si ottiene installando un’armatura supplementare costituita da staffe chiuse o barre piegate [1]. Le informazioni disponibili in letteratura sul comportamento strutturale di tale configurazione sono piuttosto limitate, tuttavia tutte concordano su un sostanziale aumento del carico di rottura contestualmente ad una maggiore duttilità [10].

Il modello di calcolo per ancoraggi con armatura supplementare ipotizza, in modo conservativo che, in presenza di armatura supplementare, la capacità portante sia soltanto quella associata alle barre. Il contributo lato calcestruzzo è quindi totalmente trascurato, anche se studi di letteratura hanno dimostrato come i due contributi (associati all’armatura supplementare e al cono in calcestruzzo) sono in realtà concomitanti [11].

Il metodo di calcolo da norma, inoltre, può non essere conservativo quando l’armatura supplementare è costituita da un numero elevato di barre. Ciò è dovuto al limite fissato dallo schiacciamento dei puntoni di calcestruzzo nel meccanismo diffusivo. Diversi autori hanno proposto degli specifici modelli tirante-puntone per ancoraggi localmente rinforzati da armatura supplementare. Il modello di Sharma et al. [12], ad esempio, è formulato sulla base delle seguenti ipotesi: (i) le staffe sono attive in funzione della loro posizione rispetto all’ancoraggio, (ii) il contributo del calcestruzzo non è trascurabile anche quando le staffe sono attive, (iii) la resistenza è comunque limitata dalla rottura dei puntoni di calcestruzzo.

La breve sintesi di letteratura presentata mostra chiaramente la necessità di un approccio progettuale completo per tirafondi con piatto di estremità, il quale dovrebbe superare le criticità evidenziate differenziando tra stati limite e non limitando le verifiche alla sola capacità locale degli ancoraggi.

Attività di ricerca svolte presso il Politecnico di Milano

Numerose attività sperimentali sono state condotte presso il Politecnico di Milano. In particolare, prove di pull-out sono state effettuate su tirafondi singoli, su tirafondi localmente rinforzati con armatura supplementare e su gruppi di tirafondi. Il presente articolo sintetizza i principali risultati focalizzando l’attenzione sui seguenti aspetti: (i) comportamento in presenza di fessure al variare dell’affondamento e (ii) presenza di armatura supplementare. 

...CONTINUA.

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