La progettazione delle connessioni mediante ancoranti in zona sismica

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1 La progettazione delle connessioni mediante ancoranti in zona sismica ing. Alberto Casagrande Responsabile Divisione Tecnica Hilti Italia S.p.A. Roma, 30 aprile

2 Indice Introduzione Inquadramento normativo La normativa nazionale ed europea La normativa negli Stati Uniti La progettazione degli ancoranti in zona sismica Generalità I requisiti degli ancoranti installati in zona sismica La simulazione sismica secondo lo Standard ACI Le certificazioni ICC-ES Report Il concetto di duttilità La corretta scelta dell ancorante Esempio di calcolo 2

3 L Aquila 2009 (foto: Corriere della Sera) 3

4 L Aquila 2009 (foto: Corriere della Sera) Seminario Università di Tor Vergata,

5 Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE Kobe (Great Hanshin) earthquake, Japan, January 17, 1995, 5:46 am 5

6 Air conditioning unit 1995 Kobe earthquake (photos courtesy of M. Ohkubo ) 6

7 The Hyogo-Ken Nanbu Earthquake of January 17, 1995 NRC/DOE Reconnaissance Report Draft, Chokshi, N.C, et al., U.S. Nuclear Regulatory Commission, Rockville, Maryland,

8 Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE Northridge earthquake, Southern California, January 17, 1994, 4:31 am 8

9 Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE 9

11 Inquadramento nomativo CPD 89/106/CEE DIRETTIVA EUROPEA SUI PRODOTTI PER LE COSTRUZIONI Gli Stati Membro devono prendere tutte le misure necessarie per assicurare che i prodotti di cui all art.1 [prodotti realizzati per essere installati in modo permanente nelle opere civili, includendo in tal senso tutte le costruzioni e le opere dell ingegneria civile] siano inseriti nel mercato unicamente se idonei per il loro specifico impiego [...]. DPR n 246/93 REGOLAMENTO DI ATTUAZIONE DELLA DIRETTIVA 89/106/CEE Art. 2 - Condizioni di immissione sul mercato I prodotti possono essere immessi sul mercato solo se idonei all impiego previsto. Sono idonei i prodotti dotati di caratteristiche tali da rendere le opere sulle quali devono essere incorporati o comunque installati, se adeguatamente progettate e costruite, conformi ai requisiti essenziali di cui all allegato A, se e per quanto tali requisiti sono prescritti. I prodotti che recano il marchio si presumono idonei all impiego previsto. ETAG 001 L eventuale AZIONE SISMICA non viene mai considerata 11

12 ICC-ES (AC193 & AC308) ETAG 001 CCD Concrete Capacity Design La normativa americana sull impiego strutturale dei sistemi di ancoraggio post-installati, così come la linea guida ETAG 001, si basa sul Concrete Capacity Design. Risulta quindi possibile impiegare tali norme nel caso si voglia fare una valutazione della resistenza degli ancoranti soggetti ad azioni sismiche. NTC 2008 NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI (D.M. 14 Gennaio 2008) Art. 1 Le presenti Norme Tecniche per le costruzioni definiscono i principi per il progetto, l esecuzione e il collaudo delle costruzioni, nei riguardi delle prestazioni loro richieste in termini di requisiti essenziali di resistenza meccanica e stabilità [...] trattano gli aspetti attinenti alla sicurezza strutturale delle opere. Circa le indicazioni applicative per l ottenimento delle prescritte prestazioni, per quanto non espressamente specificato nel presente documento, ci si può riferire a normative di compravata validità [...]. 12

13 Progettazione e certificazione dei prodotti Europa Progettazione Certificazione European Committee for Standardization (CEN) European Organization for Technical Approval (EOTA) Eurocodici European Technical Approval Guideline (ETAG) a) Organizzazione Linea Guida Codice / Standard Certificazione Applicazione European Technical Approval (ETA) a) ETAG per carichi sismici in fase di sviluppo 13

14 Progettazione e certificazione dei prodotti U.S.A Progettazione Certificazione International Code Council (ICC) American Society of Civil Engineers (ASCE) American Concrete Institute (ACI) International Code Council Evaluation Services (ICC-ES) ICC-ES Acceptance Criteria (AC193 & AC308) IBC ASCE 7 (Loads) ACI 318 (RC design) ACI (Anchorage) Evaluation Services Report (ESR) Organizzazione Linea Guida Codice / Standard Certificazione Applicazione 14

16 L azione sismica sull ancorante Ampiezza fessure Durante un terremoto l ancorante è sottoposto a: 1) Cicli di carico 2) Variazione dell ampiezza delle fessure Struttura primaria Taglio Carichi Trazione Struttura secondaria Terremoto Struttura Ancorante 16

17 Azioni sismiche sugli ancoranti Le azioni sismiche conducono a: (1) Test addizionali per qualificare gli ancoranti verificando la risposta ad azioni sismiche (2) Modifiche alle procedure standard di progettazione degli ancoranti: i. Restrizioni circa il campo di utilizzo di un ancorante ii. Riduzione della resistenza di progetto di un ancorante iii. Regole di progettazione che prevengano rotture degli ancoranti e che eventualmente impongano una specifica modalità di rottura 17

18 Requisiti essenziali di un ancorante qualificato per l impiego in zone sismiche L ancorante deve: essere certificato per l impiego in calcestruzzo fessurato essere progettato appicando ulteriori coefficienti di sicurezza che riducano le resistenze di progetto essere certificato mediante un ICC-ES Report non precedente al 2007 superare i test di simulazione sismica secondo l ACI garantire che il sistema di ancoraggio abbia i necessari requisiti di duttilità Qualora l ancorante non possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura duttile dell elemento metallico, è necessario che il nodo nel suo complesso sia progettato in modo da consentire un meccanismo di rottura duttile con un carico inferiore a quello di progetto dell ancorante stesso. 18

19 Test sismico a trazione Resistenza del calcestruzzo: bassa Ampiezza fessure: Δw = 0,5 mm trazione N s = 50%N u N i = 1/2(N s -N m )+N m N m = 25%N u cicli Requisiti Tutti gli ancoranti devono passare il test e, al termine della prova, avere una resistenza residua a trazione non inferiore all 80% della capacità di riferimento. 19

20 Test sismico a taglio Resistenza del calcestruzzo: bassa Ampiezza delle fessure: Δw = 0,5 mm taglio V s = 50%V u V i = 1/2(V s -V m )+V m V m = 25%V u cicli Requisiti Tutti gli ancoranti devono passare il test e, al termine della prova, avere una resistenza residua a taglio non inferiore all 80% della capacità di riferimento. 20

21 Test su tavola vibrante in scala 1:1 Englekirk Center Jacobs School of Engineering University of Calif. San Diego 21

22 7 4 Pendinatura verticale 1 Irrigidimento antisismico 22

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25 Il concetto di duttilità Un sistema di ancoraggio realizzato con ancoranti post-installati deve garantire i necessari requisiti di duttilità. Qualora l ancorante NON possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura duttile dell elemento metallico, è necessario che il nodo, nel suo complesso, sia progettato in modo da consentire un meccanismo di rottura duttile con un carico inferiore a quello di progetto dell ancorante stesso. Un ancorante post-installato ha un comportamento duttile o fragile? E impossibile stabilite a priori se la rottura di un ancorante avvenga in maniera duttile o fragile. E necessario studiare ogni caso specifico, considerando: il contesto in cui è installato l ancorante la geometria il tipo di sollecitazione agente il meccanismo di collasso la formazione di cerniere plastiche 25

26 Il concetto di duttilità 1. Ancoraggio progettato per rottura duttile dell ancorante F y F eq Piastra di ancoraggio rigida Ancorante duttile 26

27 Il concetto di duttilità 2. Ancoraggio progettato per formazione di cerniera plastica nell elemento da fissare M p F eq M p F eq Cerniera plastica M p 27

28 Il concetto di duttilità 3. Ancoraggio progettato in funzione della resistenza del sistema fissato Ancorante progettato per rottura dell elemento in legno V ult F eq Distanza dal bordo troppo piccola per garantire la rottura duttile lato acciaio del tassello. 28

29 Il concetto di duttilità 4. Ancoraggio progettato amplificando la forza sismica F eq F v F eq h F eq s N eq Azione sollecitante l ancorante determinata da un multiplo dell azione sismica di progetto. 29

30 Il concetto di duttilità Taglio e momento torcente In un sistema si ancoraggio sottoposto ad azioni di taglio, la presenza di uno o più bordi nel calcestruzzo può influire in maniera decisiva sulla modalità di rottura del sistema stesso. A favore di sicurezza, la normativa prescrive di far assorbire il taglio ai soli ancoranti più vicini al bordo, considerando non sollecitati a taglio gli altri tasselli. Rottura duttile dell elemento in acciaio Rottura fragile del bordo di calcestruzzo 30

31 Disposizione degli ancoranti nella piastra di ancoraggio Nei gruppi di ancoranti, risulta fondamente la modalità di trasferimento dell azione di taglio tra piastra e tassello. Può succedere che solo alcuni tasselli entrino in contatto con la piastra, rendendo così disomogenea la risposta del sistema di ancoraggio sollecitato a taglio. Caso ideale Caso reale 31

32 L utilizzo del Dynamic Set Al fine di distribuire l azione di taglio su TUTTI i tasselli costituenti il sistema di ancoragio, è possibile: 1) saldare i tasselli alla piastra 2) riempire lo spazio anulare tra piastra e tassello con resina 32

34 Tabella riassuntiva ancoranti Denominazione Ancoranti meccanici Certificazione ICC-ES ETA Report Ancorante utilizzabile in cls fessurato in zone a sismicità Resistenza dell ancorante Ancorante HDA Ancorante HSL-3 Ancorante HST Ancoranti chimici Sì media o alta alta Sì media o alta alta --- Sì bassa media Sì media o alta alta Ancorante HIT-RE 500 SD Ancorante HVZ --- Sì bassa alta 34