La progettazione degli ancoranti

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1 La progettazione degli ancoranti in zona sismica Ing. Stefano Eccheli ing. Stefano Eccheli Field Engineer Lombardia / Emilia Hilti Italia S.p.A. P.zza Indro Montanelli, Sesto San Giovanni (MI) T C F E stefano.eccheli@hilti.com 1

2 Agenda 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 2

3 Introduzione I terremoti di magnitudine elevata sono molto più comuni di quanto si pensi China M8.0 New Zealand M7.8 Chile M8.8 Japan M9.0 Indonesia M7.3 Indonesia M7.6 Mexico M7.2 Japan M6.9 Italy M6.3 Haiti M7.0 Chile M6.8 New Zealand M7.0 New Zealand M6.3 Spain M5.3 3

4 Introduzione Terremoti: magnitudine e periodo di ritorno Richter scale (log10 scale) Giappone M9.0, marzo 2011 ~15,000 vittime, 125,000 edifici danneggiati o distrutti, NPP danneggiata in seguito a tsunami (onde di ~9m) Haiti M7.0, gennaio 2010 ~100,000 vittime, 280,000 distrutti o severamente danneggiati La preparazione e progettazione adegauta sono le chiavi per la sicurezza 4

5 Introduzione Mappa del rischio sismico: accelerazione di picco al suolo (PGA) di progetto Source: Global Seismic Hazard Assessment Program 5

6 Introduzione Esiste un alta correlazione tra densità di popolazione e rischio sismico i Source: WorldTrends 2001 World Resources Institute 6

7 Kobe (Great Hanshin) earthquake, Japan, January 17, 1995, 5:46 am Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE 7

8 Air conditioning unit, 1995 Kobe earthquake (photos courtesy of M. Ohkubo ) 8

9 Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE 9

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

12 Progettazione e certificazione dei prodotti: Europa Progettazione European Committee for Standardization (CEN) Certificazione European Organization for Technical Approval (EOTA) Eurocodici CEN-TS :2009 European Technical Approval Guideline (ETAG) European Technical Approval (ETA) Organizzazione Codice/Standard Linea Guida Certificazione Applicazione 12

13 Inquadramento normativo: Europa Carichi statici Load definition EN (Eurocode 1) Azioni Design resistance ETAG 001, Annex C or CEN-TS :2009 Technical data European Technical Approval: ETA Resistenze Pre-qualification criteria ETAG 001 Una progettazione coerente è possibile solo con tuttitti e 4 gli elementi 13

14 Inquadramento normativo: Europa Carichi statici Carichi sismici EN (Eurocode 1) EN :2004 (Eurocode 8) Load definition (Eurocode 8) Design resistance ETAG 001, Annex C or CEN-TS :2009 CEN-TS :2009 Technical data European Technical Approval: ETA Pre-qualification criteria ETAG 001 La progettazione non è possibile senza prequalifica e dati tecnici! i! 14

15 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 15

16 Ipotesi: è possibile utilizzare l inquadramento Americano con azioni secondo Eurocodice? Europa USA EN :2004 (Eurocode 8) Load definition (Eurocode 8) ASCE 7 Design resistance CEN-TS :2009 ACI Appendix D AC308 Technical data To be derived based on pre-qualification criteria ICC-ESR Pre-qualification criteria Under development by EOTA ACI with ICC-ES AC193/AC308 Possibile solo se le azioni derivate da entrambi i codici sono compatibili! 16

17 Approccio raccomandato per verifiche di ancoranti a sisma in Europa Design approach Load definition EN :2004 (Eurocode 8) Azioni Design resistance ACI Appendix D AC308 ICC-ESR & Technical data Resistenze Tech expert report Pre-qualification criteria ACI with ICC-ES AC193/AC308 Attraverso validazioni esterne siamo in grado di garantire al progettista un dimensionamento a sisma anche in Europa! 17

19 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 glio Carichi Tr razione Ta Struttura secondaria Terremoto Struttura Ancorante 19

20 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 superarep 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. 20

21 Performace di un ancorante in calcestruzzo fessurato Calcestruzzo fessurato: - Elemento in calcestruzzo sottoposto t a trazione - Apertura di fessura superiore a Δw = 0.3 mm Ancorante in calcestruzzo non fessurato Presenta una distribuzione degli sforzi simmetrica rispetto all asse dell ancorante. La resistenza lato calcestruzzo è data dal cono degli sforzi. f stress distribution ib ti in non-cracked concrete Ancorante in calcestruzzo fessurato Vi è una ridistribuzione degli sforzi con riduzione della porzione di materiale base che determina la resistenza a trazione lato calcestruzzo. stress distribution in cracked concrete crack pane Il calcestruzzo fessurato comporta una riduzione della caricabilità dell ancorante 21

23 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. 23

24 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. 24

25 Test su tavola vibrante in scala 1:1 Englekirk Center Jacobs School of Engineering University of California San Diego 25

26 7 4 Pendinatura verticale 1 Irrigidimento antisismico 26

27 27

29 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 29

30 Il concetto di duttilità 1. Ancoraggio progettato per rottura duttile dell ancorante F y F eq Piastra di ancoraggio rigida Ancorante duttile 30

31 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 31

32 Il concetto di duttilità 3. Ancoraggio progettato in funzione della resistenza del sistema fissato V ult F eq Ancorante progettato per rottura dell elemento in legno Distanza dal bordo troppo piccola per garantire la rottura duttile lato acciaio del tassello. 32

33 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. 33

34 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 34

35 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 35

36 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 e lo spazio anulare a tra piastra a e tassello con resina 36

38 Denominazione Certificazione ETA Ancorante utilizzabile ICC-ES in cls in zone a Report fessurato sismicità Resistenza dell ancorante Ancorante HDA Ancorante HSL-3 ACI Ancorante HST ACI Ancorante HUS-H Ancorante HIT-RE 500 SD Sì media o alta alta Sì media o alta alta Sì bassa media Sì bassa media Sì media o alta alta Ancorante HIT-HY 200 Ancorante HVZ --- Sì bassa alta --- Sì bassa alta 38

39 Grazie per l attenzione. 39

40 Anchor seismic design resistance: US ACI , Appendix D strength design Design steel strength in tension Design steel strength in shear Design concrete breakout strength in tension Design concrete breakout strength in shear Design pullout/bond strength in tension Design pryout strength in shear *Images taken from ACI

41 Anchor seismic design resistance: US ACI , Appendix D seismic provisions: basics Seismic provisions apply when Seismic Design Category (SDC) C-F is assigned Anchor shall not be installed in plastic hinge regions Concrete is considered cracked under seismic activity Concrete related design strengths shall be multiplied by 0.75 (φseismic) SDC: C to F Cracked concrete Concrete resistance multiplied by

42 Anchor seismic design resistance: US ACI , Appendix D seismic provisions: design approaches Connection governed by steel ductile failure of the anchors Connection governed by steel failure of the fixture (or steel plate) Connection designed for a resistance reduction multiplication factor of 0.4 factor 42

43 Anchor seismic design resistance: US ACI , Appendix D strength design: tensile loading φnsa = Design steel strength in tension φ steel ( n N sa ) φsteeln sa Given in the ESR relevant design table φncb, φncbg = Design concrete breakout strength in tension A φ = N x φseismic = 0.75 Nc concrete N cbg φconcrete ψ ec, N ψ ed, N ψ c, N ψ cp, N ANc0 b φna, φnag= Design pullout/bond strength in tension A Na φbond Nag = φbond ψ ed, Na ψ g, Na ψ ec, Na ψ p, Na Na0 x φseismic = 0.75 ANa0 *Images taken from ACI

44 Anchor seismic design resistance: US ACI , Appendix D strength design: shear loading φvsa = Design steel strength in shear φsteel( n V sa ) φ V steel sa Given in the ESR relevant design table φvcb, φvcbg = Design concrete breakout strength in shear A Vc φ concretev cbg = φ concrete ψ ec, V ψ ed, V ψ c, V V b x φseismic = 0.75 AVc0 φvcp, φvcpg= Design pryout strength in shear φconcretev cpg V = min k N ; k with x φseismic = 0.75 cpg cp ag cp N cbg *Images taken from ACI

45 Anchor seismic design resistance: US ACI , Appendix D strength design: interaction of tension and shear Determined assuming a tri-linear interaction approach The tri-linear approach is a simplified approach to the traditionally interaction expression shown on the picture (PA2 uses the real interaction) 45