Premessa

In tutto il mondo, le metodologie di progettazione sismica, non solo per applicazioni strutturali, ma anche per macchinari, impianti ed altri elementi non strutturali, hanno acquisito negli ultimi anni sempre più importanza. Questo è vero non solo per quelle aree notoriamente ad elevata sismicità quali Stati Uniti (costa ovest), Giappone, ecc., ma anche per territori come quello Europeo, che a dispetto di quanto si possa immaginare, ha registrato negli ultimi 30 anni diversi terremoti di magnitudo superiore a 5 (Figura 1).

Figura 1. Distribuzione degli eventi sismici in Europa per il periodo 1976–2009 (Catalogo NEIC)

L’impatto sui costi economici e sociali connessi al collasso o interruzione di alcuni servizi e attrezzature quali sistemi di approvvigionamento idrico o linee per la telecomunicazione è di grandezza paragonabile ai costi associati ai cedimenti strutturali, se non maggiori. Secondo uno studio presentato alla Conferenza Nazionale sull’Ingegneria Antisismica a Boston nel 2002, per edifici strategici come ospedali, uffici e alberghi, i danni economici generalmente causati da un terremoto legati ad arredi e a parti non strutturali ammontano all’80% circa del totale.

1.1 L’influenza delle fessurazioni nel cls causate da un evento sismico

Un corretto approccio alla progettazione in condizioni sismiche, sia per elementi strutturali che non strutturali, non può prescindere dalle condizioni in cui il materiale base viene effettivamente a trovarsi durante il terremoto. La struttura in risposta al movimento del suolo subirà spostamenti e quindi deformazioni nei suoi elementi costitutivi. Queste deformazioni portano alla formazione e apertura di fessure negli elementi in calcestruzzo. Conseguentemente tutti gli ancoranti destinati a trasferire carichi sismici devono essere idonei per l'impiego in calcestruzzo fessurato e la loro progettazione deve essere basata sull’assunzione che le fessure nel materiale base abbiano cicli di apertura e chiusura per la durata del movimento del terreno.

1.2 Idoneità degli ancoranti per azioni di tipo sismico

Un ancorante adatto (certificato) per essere impiegato in un calcestruzzo comunemente definito fessurato, con fessure di 0.3 mm, non è conseguentemente idoneo a resistere ad azioni sismiche, ma rappresenta solo un punto di partenza.

Durante un evento sismico i carichi ciclici nella struttura e nell’ancoraggio avvengono simultaneamente. Ne consegue che l’ampiezza delle fessure varia tra un valore minimo e massimo ed i fissaggi saranno caricati ciclicamente. Test con procedure specifiche e criteri di verifica adeguati sono quindi necessari per valutare correttamente le prestazioni di un ancorante sottoposto ad azioni sismiche. Solo gli ancoranti certificati sulla base di tali requisiti saranno adatti per connessioni rilevanti per la sicurezza.

Ancoranti generalmente idonei per resistere ad azioni sismiche sono quelli a cui può essere data una coppia di serraggio controllata e mantenuta e sono in grado di riespandere quando si verifica la fessurazione. Sono altresì idonei gli ancoranti che hanno un meccanismo basato sulla tenuta attraverso ingranamento nel materiale base (meccanismo di resistenza “per forma”) come nel caso di ancoranti sottosquadro. Inoltre, in alcuni anco-ranti chimici sono state riconosciute buone prestazioni per resistere alle azioni sismiche. Ancoranti ad espansione a controllo di spostamento dovrebbero essere evitati considerando che le loro prestazioni sotto azione sismica si sono dimostrate inadeguate.

La tabella 1 fornisce un quadro di massima dell’idoneità dei vari tipi di ancoranti a resistere alle azioni sismiche. Il livello di idoneità dipende in larga misura da quanto evidente sia la fessurazione nel calcestruzzo e dall’ampiezza delle fessure durante un terremoto. Le classificazioni mostrate si basano su una valutazione generale dei tipi di ancoranti non facendo riferimento ad un particolare prodotto o produttore.

 

 

Tabella 1. Idoneità degli ancoranti per carichi sismici (- non idoneo, + limitatamente idoneo, ++ idoneo)

 

Si noti che la corretta valutazione della resistenza di un ancorante in presenza di carichi sismici deve sempre essere verificata consultando le certificazioni dell’ancorante stesso, essendo la tabella 2 una semplice guida per la generica individuazione delle caratteristiche e limitazioni di differenti tipologie di tasselli.

 

1.3 Influenza del gioco foro piastra-ancorante sulla resistenza a taglio

In condizione di azioni di taglio, se il carico agente supera l'attrito tra il calcestruzzo e la piastra di ancoraggio, la conseguenza sarà lo slittamento dell’elemento fissato in misura pari al vuoto anulare presente all’interno del foro della piastra. Le forze sull’ancorante sono amplificate per un effetto martello risultante dall’improvviso arresto contro il bordo del foro della piastra (Figura 3.a). Questo giustifica la raccomandazione della nuova linea guida europea di evitare nel caso di progettazione sismica il vuoto anulare tra il fo-ro dell’elemento fissato e l’ancorante.

Inoltre, quando si esegue un fissaggio con più ancoranti, si deve assumere che, a causa del gioco lasciato all’interno dei fori della piastra d’acciaio, il carico di taglio potrebbe non essere distribuito equamente tra tutti gli ancoranti. In una situazione sfavorevole, quando gli ancoranti sono posizionati in prossimità di uno spigolo di un elemento strutturale, solo gli ancoranti più vicini al bordo dovrebbero essere considerati caricati e questo potrebbe portare alla rottura del bordo di calcestruzzo prima che gli ancoranti più lontani possano partecipare al trasferimento del carico (Figura 3.b).

 

 

Figura 3. Principali possibili conseguenze in presenza di vuoto anulare

 

Eliminando il gioco foro piastra-ancorante, riempiendo ad esempio il vuoto all’interno del foro piastra con della resina, si controllano gli effetti sopra indicati con grande beneficio per le prestazioni dell’ ancoraggio. L’utilizzo di dispositivi tipo Hilti Dynamic Set (Figura 4) garantisce un riempimento controllato del vuoto anulare e previene l'allentamento del dado di serraggio comprendendo anche un dado di contrasto, conformemente alla chiara raccomandazione prevista dalla linea guida europea per la progettazione sismica (EOTA TR045). Sempre secondo la stessa linea guida, nel caso in cui si possa garantire l’assenza tra il vuoto tra il foro piastra e l’ancorante, la resistenza sismica dell’ancorante a taglio è raddoppiata rispetto alla condizione di fori piastra non riempiti.

 

Figura 4. Benefici del riempimento dei fori piastra e Hilti Dynamic Set

 

2 Normativa sismica Statunitense ed Europea

L’influenza della tipologia di suolo è considerata in entrambi i metodi mediante un coefficiente basato sulla correlazione tra le classificazioni del suolo considerando i limiti di velocità di propagazione delle onde di taglio e la descrizione del suolo. Basato sul ri-schio associato ad una impropria prestazione sismica, la classificazione degli edifici è definita nello stesso modo da entrambi le normative, ed i corrispondenti coefficienti di importanza sono assegnati con valori simili (anche se in fasi differenti del metodo di progettazione).

Considerando quanto sopra menzionato, ci si aspetterebbe che le equazioni per ricavare lo spettro sismico di progetto siano diverse tra le due metodi ma, considerando una classe di importanza dell’edificio ed un tipo di terreno equivalenti, la forma risultante e l’accelerazione spettrale sono molto simili. Semplificando, si può dire che matematicamente i due modelli puntano a differenti coordinate dello spettro di progetto (Fig. 2.1.). Si noti che lo spettro di risposta di progetto secondo l’ASCE7 non contempla l'influenza dell'importanza dell'edificio (considerata successivamente nella progettazione) e pertanto il confronto è effettuato considerando lo spettro risultante volutamente scalato di questo coefficiente.

 

 

Figura 5. Spettro di risposta di progetto secondo Eurocodice 8 ed ASCE 7

 

Un ulteriore confronto è stato effettuato tra la forza di taglio sismica di base calcolata usando la EN1998-1: 2004 e la ASCE7. Valutando le diverse espressioni per alcune applicazioni pratiche delle due norme si può affermare che i valori sono decisamente coincidenti. Dalla forza di taglio sismica di base possono essere utilizzati diversi metodi ben noti per determinare il carico agente ad ogni quota della struttura.

Inoltre, confrontando gli spettri sismici di progetto risultanti per classi di importanza e tipologie di suolo equivalenti (con S il coefficiente del tipo di suolo), è possibile correlare il grado di sismicità europea con la categoria sismica di progetto americana, come espresso nella Tabella 3.

 

 

Tabella 3. Confronto tra grado di sismicità europeo e categoria sismica di progetto (SDC) per classi di importanza I, II, III

 

Come unica importante eccezione alla Tabella 3, in caso di un edificio di classe di importanza IV e un grado di sismicità bassa o superiore la corrispondente categoria sismica di progetto è C o superiore. Ciò significa che per edifici che, nel caso di collasso potrebbero rappresentare un sostanziale pericolo per l'ambiente o la comunità (ad esempio ospedali, caserme dei pompieri, centrali energetiche), il progetto deve prevedere tutte le particolari prescrizioni sismiche.

 

2.2 Resistenza sismica di progetto degli ancoranti

Le prescrizioni di progetto per il dimensionamento degli ancoranti a sisma sono definite dall’ACI 318 Appendix D o dal recente EOTA TR045. Entrambi i regolamenti per la progettazione prevedono il metodo Concrete Capacity (metodo della capacità del calce-struzzo) per calcolare le resistenze caratteristiche degli ancoranti. Le differenze tra le due norme si evincono nelle assunzioni alla base delle equazioni di progetto che in parte danno luogo a diversi coefficienti. Secondo il metodo CC le resistenze di progetto sono calcolate per carico di trazione e taglio considerando tutte le possibili modalità di rottura.

Tutti i concetti di sicurezza discussi calcolano le resistenza e le sollecitazioni basandosi su coefficienti di sicurezza parziali. Il principale requisito per la progettazione con le normative discusse è che la sollecitazione fattorizzata E sia minore o uguale alla resistenza R fattorizzata (Eqn. 2.1.). Entrambe i metodi fattorizzano la sollecitazione caratteristica E_k attraverso il coefficiente parziale di sicurezza gamma (Eqn. 2.2.).

 

Ed≤ Rd                                    (Eqn. 2.1)

Ed= Ek∙ gamma                       (Eqn. 2.2)

 

Per la resistenza caratteristica vi è una differenza concettuale poiché la norma europea divide la resistenza caratteristica R_k con un coefficiente parziale di sicurezza gamma (Eqn. 2.3.) mentre quella americana moltiplica la resistenza caratteristica R_k con un coefficiente riduttivo della resistenza phi (Eqn. 2.4 .). L'effetto di questi coefficienti è comunque lo stesso riducendo il valore caratteristico al livello di quello di progetto. La resistenza di progetto R_d è generalmente molto simile per tutte le modalità di rottura indipendentemente dalla normativa adottata.

 

Rd= Rk/ gamma                        (Eqn. 2.3)

Rd= phi ∙ Rk                             (Eqn. 2.4)

 

Come per la nuova linea guida di progettazione europea, EOTA TR045, la progettazione incorpora tre approcci progettuali di seguito descritti. Si noti che tutti e tre gli approcci sono accettabili nell’ambito della relativa condizione di applicazione. La tabella 4 fornisce una panoramica di queste diverse opzioni di progetto.

 

Tabella 4. Approcci di progetto sismici previsi dalla linea guida europea TR045

 

Si noti che l'ACI 318 considera anch’esso i tre approcci progettuali che sono concet-tualmente identici a quelli presentati dalla EOTA TR045. La differenza principale, che tuttavia ha le stesse intenzioni di base, deriva dal fatto che "la progettazione elastica", definita secondo linea guida europea ha un approccio differente nella normativa americana. Nell’ACI 318 questo approccio di progetto considera i carichi derivanti da una normale progettazione sismica (non elastica) e introduce un coefficiente riduttivo (consigliato pari a 0.4) applicato direttamente su tutte le modalità di rottura del calcestruzzo. È opinione degli autori che le nuove norme europee hanno reso gli approcci di progetto più chiari rispetto all’interpretazione dell’ACI 318.

 

2.3 Valutazione della prestazione sismica dell’ancorante

Per testare gli ancoranti nel calcestruzzo devono essere considerate tre diverse linee guida. Negli Stati Uniti l’ACI 355.2 comprende le prove di ancoranti meccanici postinstallati sotto carico statico e sismico e prescrive il programma di test ed i requisiti per la valutazione degli ancoranti meccanici post-installati destinati all'utilizzo in calcestruzzo e seguendo le prescrizioni di progetto dell’ACI 318. Questa linea guida è la base per i criteri di accettazione AC193 e AC308 dalla International Code Council (ICC). Mentre l’AC193 comprende le prove di ancoranti meccanici, l’AC308 comprende i test e la progettazione di ancoranti chimici.

Facendo riferimento alle principali procedure di prova, gli ancoranti vengono installati in una fessura chiusa che poi viene aperta fino a 0.5 mm. Gli ancoranti testati sono quindi soggetti ad una specifica variazione di carico sinusoidale, utilizzando una frequenza di carico compresa tra 0.1 e 2Hz, come esposto in Fig. 6. La massima sollecitazione di trazione e taglio testata è pari al 50% della capacità media in calcestruzzo fessurato ottenuta da prove di riferimento.

 

 

 

Figura 6. Schema di carico per simulare un test sismico a trazione in accordo all’ACI355.2

 

Dopo aver eseguito i cicli di simulazione sismica a trazione e a taglio, gli ancoranti sono testati a rottura per trazione e taglio statici. La tensione residua media e la capacità di taglio sono valutate secondo i limiti definiti dalla linee guida.

In Europa l’ETAG 001 è valida per le prove di ancoranti meccanici post-installati (da Parte 1 a Parte 4) e ancoranti chimici (Parte 3). Con la pubblicazione della ETAG 001 Allegato E, la prequalifica sismica degli ancoranti è stata regolamentata anche in ambito europeo. L’idoneità di un ancorante per azioni di tipo sismico viene valutata secondo due differenti categorie sismiche (C1 e C2) in funzione della gravosità dei test:

• Categoria sismica C1: simile alla procedura di prequalifica sismica americana e adatta solo per applicazioni non strutturali.
• Categoria sismica C2: test sismici con variazioni di ampiezza delle fessure e adatta per applicazioni strutturali e/o non strutturali.

Mentre la categoria sismica C1 è analoga alla procedura di prequalifica sismica americana, la categoria sismica C2 comporta una serie di prove in cui, oltre alla ciclicità del carico, è presa in considerazione anche la variabilità di apertura della fessura fino ad una ampiezza massima di 0.8 mm. 

 

Tabella 5 – Definizione delle categorie sismiche C1 e C2 secondo il TR045 

 

Il risultato dei nuovi test secondo linee guida europee consentono di ottenere nuove certificazioni ETA attraverso le quali condurre correttamente la progettazione. Il TR045, in uscita quest’anno, rappresenta attualmente l’unico strumento in ambito europeo che consente al progettista di eseguire la verifica sismica di un ancorante. 

In termini pratici, secondo l'EOTA TR045, per ag∙S maggiore a 0.05g, gli ancoranti destinati a connessioni tra elementi strutturali principali o membrature sismiche secondarie devono sempre avere categoria sismica C2. Per ancoranti utilizzati nel fissaggio di elementi non strutturali, se l’accelerazione ag∙S è compresa tra 0.05g e 0.10g allora si può utilizzare una categoria sismica C1. Si prega di notare che queste sono raccomandazioni generali che gli stati membri possono modificare a livello locale.

 

3 Conclusioni

Le pubblicazioni dell’ETAG001 Annesso E e del TR045 colmano un importante gap di natura tecnica a livello europeo e aiutano i professionisti a seguire un approccio unico partendo dalla definizione dei carichi (Eurocodice 8 e/o normative nazionali), passando per la scelta di prodotti certificati (ETA con categoria C1/C2), fino  all’applicazione del metodo di calcolo (TR045), il tutto nell’ottica di ridurre quei fattori di pericolosità all’interno di una struttura (ospedali, uffici, teatri, etc.) che durante un terremoto rappresentano spesso la reale causa di danni in termini economici e di vite umane.

E' ora responsabilità dei produttori di ancoranti fornire ai progettisti i dati per la progettazione sismica secondo le nuove procedure di prova europee. L’essere sempre all’avanguardia da parte di Hilti, è confermato con l’ottenimento delle prime certificazioni ETA per la categoria sismica C2, ottenute lo scorso marzo per il sistema ad iniezione Hilti HIT-HY 200-A (ETA-12/0006) e lo scorso giugno per l’ancorante meccanico HST (ETA-98/0001).

 

 

Riferimenti

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[2] American Concrete Institute (2007). ACI 355.2, Qualification of Post-Installed Mechanical Anchors in Concrete. United States of America.

[3] American Society of Civil Engineers (2005). ASCE 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. United States of America.

[4] Applied Technology Council (2008). ATC-69, Reducing the risks of nonstructural earthquake damage. California. United States of America.

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[6] European Committee for Standardisation (2004). EN 1998:2004, Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Brussels. Belgium.

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[11] Hilti Corporation (2011). Build a future safer from earthquakes. Schaan. Liechtenstein.

[12] Hilti Corporation (2004). Guideline for earthquake resistant design of installations and non-structural elements. Schaan. Liechtenstein.

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