Resistenza a sfilamento di inghisaggi, confronto con dati sperimentali

Gli inghisaggi di tirafondi nelle strutture in calcestruzzo sono spesso realizzati con fori di grande dimensione e getti di malte cementizie espansive caricate con sabbia, più recentemente si sono sviluppate boiacche cementizie espansive ad alta resistenza che possono essere impiegate per inghisaggi con fori di piccolo diametro, non solo in caduta verticale, ma anche in orizzontale o sopratesta. I materiali cementizi da inghisaggio presentano una maggiore versatilità e non risentono degli inconvenienti classici delle resine. In questa memoria si vuole verificare il coefficiente di sicurezza di un semplice modello sulla base dei dati sperimentali contenuti in diverse pubblicazioni che trattano il tema.

Strutture in calcestruzzo: ancoraggi resinosi vs ancoraggi cementizi

É noto che, in ambito europeo, i materiali per l'impiego in edilizia devono avere la certificazione CE. A questo scopo diversi anni fa furono prodotte le procedure di qualificazione ETAG per l'impiego di ancoranti resinosi.

L'ancorante resinoso ha due svantaggi che minano la sua performance nel tempo:

1. il modulo elastico della resina è molto inferiore a quello del conglomerato, fori grandi producono deformazioni elastiche aggiuntive e l'inghisaggio non può qualificarsi come "rigido"
2. il materiale ha un effetto viscoso e di ritiro differente da quello del calcestruzzo cui si trova in contatto

Oltre a ciò bisogna segnalare che l'ancorante resinoso non accetta l'impiego in presenza di acqua e/o di basse temperature, presenta un coefficiente di allungamento termico diverso dal conglomerato e oltre una certa temperatura di utilizzo inizia la fase di rammollimento.

Allo stato attuale non esiste una procedura di armonizzazione a livello europeo per qualificare il prodotto e fornire regole di progetto per gli ancoraggi con materiale cementizio, ma a suo favore sappiamo che i predetti "svantaggi" dei materiali resinosi sono superati, a parte il ritiro che deve essere adeguatamente contrastato o ridotto.

Sono tante le pubblicazioni reperibili a livello internazionale sull'impiego di ancoranti resinosi o cementizi, si vedano al riguardo i lavori:

• [1] Arduini M. Nicoletti A., " Ancorante cementizio per tirafondi nel calcestruzzo", Strade ed Autostrade, n.5 - 2015 
• [2] Hariyadi, Munemoto S., Sonoda Y, "Experimental analysis of anchor bolts in concrete under the pull-out-loading", Procedia Engineering 171 - 2017
• [3] M. Gesoglu, T. Özturan, M. Özel, E. Güneyisi, " Tensile Behavior of Post-Installed Anchors in Plain and Steel Fiber-Reinforced Normal- and High-Strength Concretes" ACI Structural Journal March-April 2005
• [4] N. A. Zamora, R. A. Cook, R. C. Konz, G. R. Consolazio, "Behavior and Design of Single, Headed and Unheaded, Grouted Anchors under Tensile Load" ACI Structural Journal/March-April 2003
• [5] T.Gurbuz, A. Ilki, "Pullout Performance of Fully and Partially Bonded Retrofit Anchors in Low-Strength Concrete" ACI Structural Journal/January-February 2011

ed esistono anche lavori sperimentali dove il confronto con ancoranti polimerici viene analizzato in dettaglio al fine di valutare l'entità della riduzione della tenuta con fori non puliti e/o umidi, vedi: 

• [6] D. Darwin, S.S. Zavaregh, "Bond Strength of Grouted Reinforcing Bars", ACI Structural Journal/July-August 1996
• [7] Akiyamal T. , Yamamoto Y., Ichihashi S, Ariki K., "Experimental study on performance of bonded anchors in low strength reinforced concrete",  13th World Conference on Earthquake , Engineering, Vancouver, B.C., Canada, August 1-6, 2004, Paper No. 748

In questa memoria si vuole verificare il coefficiente di sicurezza di un semplice modello sulla base dei dati bibliografici prima citati.

Resistenza a sfilamento di inghisaggi

Affinchè il confronto possa operarsi in modo corretto è necessario scartare tutti i dati sperimentali di tipo "confinato", dove, cioè, il contrasto alla forza di trazione che si applica alla barra per estrarla dal calcestruzzo si trova troppo vicino alla barra stessa. Questi risultati, infatti, impediscono la formazione di alcuni meccanismi di crisi che, nella realtà potrebbero invece accadere a carichi sensibilmente inferiori a quelli ottenibili con altri meccanismi.

Partiamo dai risultati visivi ottenuti dalle prove sperimentali prima citate, si osserva che:

• sono 4 i possibili meccanismi di crisi: snervamento della barra, sfilamento della barra dall'ancorante, sfilamento dell'ancorante dal calcestruzzo, spacco del calcestruzzo;
• con inghisaggi di limitata lunghezza si produce, prevalentemente, la crisi per sfilamento dell'ancorante dal calcestruzzo, si forma cioè una superficie di rottura mista: un cilindro di diametro pari al foro nella parte profonda ed un tronco di cono nel calcestruzzo superficiale, vedi Fig. 1.  Il tronco di cono ha una altezza 1-3 volte la dimensione dell'aggregato che costituisce il basamento;
• il cono cambia forma se il foro viene praticato verso uno spigolo del basamento di calcestruzzo, vedi Fig. 2;
• con inghisaggi abbastanza profondi diventa più probabile lo spacco dell'ancorante accompagnato da lesioni radiali che, a volte, si propagano anche nel calcestruzzo, vedi Fig.3.

La modellazione

La normativa nazionale vigente (paragrafo 4.1.2.1.1.4) definisce la tensione tangenziale di aderenza acciaio-calcestruzzo correlandola alla resistenza a trazione caratteristica del calcestruzzo che circonda la barra f_ctk:

f_bd=2.25 h₁ h₂ f_{ctk /} g_c   (1)

dove k₁ e k₂ sono definiti in funzione della buona o cattiva aderenza e in funzione del diametro della barra che si vuole inghisare.

La resistenza a trazione caratteristica di un calcestruzzo o di una malta o di una boiacca cementizia può essere stabilita mediante prove di trazione diretta o indiretta, in Tab. 2.1 si riportano, ad esempio, dati di resistenza a trazione a diverse età di stagionatura di una boiacca cementizia finissima e di una malta espansiva cementizia normalmente utilizzati per gli inghisaggi.

La tensione di aderenza acciaio - ancorante f_{bd anc}, quindi, può essere dedotta dall'equazione (1) utilizzando i dati della tabella precedente, parimenti si può calcolare la f_{bd sup}  di aderenza tangenziale  supporto-ancorante.  Questa proprietà, però, non viene definita nel testo normativo e molti sono gli studi sperimentali pubblicati sull'argomento.  Praticando un foro con trapano, ad esempio, si ottiene una superficie di contatto con il conglomerato di supporto sicuramente più scabra rispetto a quella ottenibile con una perforazione con corona diamantata, è quindi lecito supporre che anche in questo caso l'aderenza possa essere differente così come avviene nella situazione precedente.

Assegnando quindi un valore di tensione di aderenza f_{bd sup} ed una forma fisica definita ai vari possibili meccanismi di crisi, è possibile calcolare la forza di tiro N minima necessaria per ottenere la rottura dell'ancoraggio, il confronto con dati sperimentali fornirà la prova della accuratezza della previsione.

Definiti, pertanto, i seguenti simboli:

L_anc: lunghezza di inghisaggio

f: diametro lordo barra di ancoraggio, per le barre ad aderenza migliorata è il diametro maggiore che tiene conto delle nervature, per le barre filettate è il diametro esterno massimo

d: diametro della barra equipesante

D: diametro del foro

d_a: diametro max. dell'aggregato nel conglomerato

L_r=L_anc - k d_a lunghezza del cono di sfilamento nel conglomerato

Per quanto riguarda il meccanismo di sfilamento ancorante-calcestruzzo si impone la formazione di un tronco di cono superiore con angolo a 45°, la cui altezza è correlata alla dimensione del diametro massimo dell'inerte impiegato nel calcestruzzo d_a e la forza necessaria alla sua formazione è data dal prodotto dell'area del tronco di cono per la resistenza a trazione del calcestruzzo,  e un cilindro inferiore, avente diametro pari al diametro del foro D e la forza necessaria alla sua formazione è pari al prodotto della f_{bd sup} per l'area del perimetro del cilindro, vedi Fig. 4.

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ndr. L'articolo prosegue con la comparazione dei dati sperimentali e le conclusioni a cui sono arrivati gli autori.