Progettazione antisismica degli ancoraggi: fissaggio di un elemento non portante alla struttura

La progettazione sismica degli ancoraggi è fondamentale per la durata degli stessi in zone sismiche. Scopriamo insieme i sistemi di ancoraggio per applicazioni sismiche, come fare un dimensionamento e la qualificazione degli ancoranti sismici, con le linee guida della normativa antisismica.

Progettazione sismica: cos’è e come si misura un sisma?

I terremoti sono solitamente causati dal rilascio delle tensioni accumulate nella crosta terrestre: ciò vale in particolare per le regioni in cui si incontrano due o più placche tettoniche. Lo scorrimento di queste placche provoca il rilascio di energia, che si propaga poi nel sottosuolo sotto forma di onde sismiche. Anche esplosioni o eruzioni vulcaniche possono portare a scosse di significativa entità nel terreno. Per questo è necessario creare un sistema antisismico che tenga conto dei diversi fattori che influenzano un evento sismico.

L’entità di un terremoto dipende dalla profondità dell’ipocentro, ossia dal punto all’interno della crosta terrestre in cui esso ha origine. Le onde sismiche che vengono a formarsi, si diffondono poi in tutte le direzioni, raggiungendo la superficie terrestre dopo un determinato lasso di tempo, provocando spostamenti e accelerazioni della stessa. Minore è la distanza dell’ipocentro dalla superficie terrestre, minore sarà l’effetto di smorzamento delle onde sismiche, che si traduce in uno spostamento e accelerazione maggiore della superficie.

analisi dei terremoti
Fig. 1: Registrazione e analisi dei terremoti storici in Europa (Programma europeo SHARE)

La scala di magnitudo momento sismico

L’intensità del terremoto rappresenta perciò un indicatore affidabile sulla reale energia liberata dal sisma. Generalmente viene misurata in base alla scala di magnitudo momento sismico che è, come la maggior parte delle scale sismiche, una scala logaritmica: ciò significa che un terremoto di magnitudo 6 libera un’energia circa 10 volte superiore a quella di un terremoto di magnitudo 5. Questa scala ha il vantaggio di essere universale e indipendente dagli strumenti di misura, a differenza della scala Richter, motivo per cui risulta essere la più utilizzata.

La scala macrosismica europea EMS

Un’altra scala impiegata per la valutazione dell’intensità sismica è la scala macrosismica europea EMS (European Macroseismic Scale), che misura gli effetti del sisma sull’ambiente e sulla popolazione. Si va dall’intensità I (sisma non avvertito) a XII (sisma completamente devastante: distruzione quasi totale di tutte le strutture).

È possibile determinare l’accelerazione del suolo derivante dal sisma a partire dalla sua intensità o dalla magnitudo. Sulla base dei dati storici e delle misurazioni dei terremoti (Fig. 1), ricorrendo a metodi statistici è possibile calcolare la probabilità per cui un dato valore di accelerazione del suolo in una determinata area geografica possa essere superato (Fig. 2). In questo caso, ci si riferisce ai cosiddetti valori di accelerazione attesi su suolo rigido con probabilità di eccedenza del 10% in 50 anni (corrispondenti a un periodo di ritorno di 475 anni).

analisi dei terremoti
Fig. 2: Accelerazioni del suolo attese in Europa per un periodo di ritorno di 475 anni (programma europeo SHARE)

Progettazione sismica di un ancorante: dimensionamento e qualificazione di ancoranti sottoposti ad azione sismica

Quando si progetta e occorre scegliere ancorante sismico, ci si confronta sempre con una corrispondenza o interazione tra azione e resistenza in base al funzionamento del sistema di ancoraggio antisismico.

La verifica degli ancoraggi viene eseguita in conformità con:

  • Linea Guida Europea ETAG 001, all. E
  • EOTA TR 049
  • EAD 30232-00-0601.

La progettazione antisismica viene invece eseguita in base ai parametri sismici e modalità conformemente:

  • al Technical Report EOTA TR 045
  • alla norma EN 1992-4.

Entrambi i documenti sono il risultato di indagini approfondite per determinare le condizioni limite per la qualificazione e il dimensionamento sismico. A tal fine sono stati effettuati calcoli prendendo in esame edifici con diverse frequenze proprie di oscillazione, determinando poi il numero massimo di variazioni di carico e di fessurazioni di tali strutture, in presenza di 21 accelerazioni del suolo rappresentative.

Una serie di edifici da 2 fino a 20 piani sono stati esposti a 21 diversi tipi di spettro di risposta. I calcoli sono stati quindi valutati, determinando:

  • il numero massimo di variazioni di carico per i singoli piani
  • le curvature degli elementi strutturali
  • il numero massimo di aperture previste per l’ampiezza delle fessure.

Sulla base di questi dati semplificati, è stata poi redatta la relazione di calcolo per le sollecitazioni di trazione e di taglio. Seguendo lo stesso principio è stata redatta la relazione relativa all’apertura delle fessure. La progettazione antisismica viene invece eseguita in base ai parametri sismici e modalità conformemente, il dimensionamento viene effettuato basandosi prevalentemente sulle direttive dell’EN 1998-1.

Normativa antisismica: la valutazione degli ancoranti sottoposti ad azione sismica

Qualora gli ancoranti vengano impiegati in strutture portanti sottoposte ad azione sismica e dunque a sollecitazioni eccezionali, è necessario che siano sottoposti al processo di valutazione e dimensionamento.

Questa valutazione è fatta secondo l’ETAG 001, allegato E o più recentemente secondo l’EAD 330232-00-0601. La progettazione antisismica, tuttavia, è regolata nei documenti EN 1992-4 e EOTA TR 045, in cui sono specificati anche i valori non dipendenti dal prodotto necessari per il dimensionamento. Inoltre viene fatto riferimento anche a valori dipendenti dal prodotto, specificati nella Valutazione Tecnica Europea (ETA). La progettazione è quindi possibile solo se questi valori dipendenti dal prodotto sono stati determinati durante la procedura di valutazione.

Normativa antisismica: le categorie di prestazione sismica C1  e C2 degli ancoranti

Gli ancoranti vengono suddivisi in due categorie di prestazione: C1 e C2. I requisiti per le due categorie di prestazione sono molto diversi, in particolare quelli per la categoria C1 sono paragonabili a quelli stabiliti per la stessa categoria sismica di progetto americana.

La categoria di prestazione degli ancoranti è determinata sulla base di test per l’approvazione tecnica effettuati agli stati limite. In primo luogo, occorre operare una distinzione tra le categorie di terremoti per cui viene effettuata la valutazione degli ancoranti. Per entrambe le categorie, è necessaria una valutazione per il calcestruzzo fessurato, ossia è necessario presentare una Valutazione Tecnica Europea (ETA) secondo l’opzione 1.

Categoria di prestazione C1

Per la categoria di prestazione sismica C1, la capacità portante sotto carico sismico viene ulteriormente testata per un’ampiezza massima delle fessure dovute all’evento sismico pari a 0,5 mm. In presenza della fessura aperta, si applicano all’ancorante 140 diverse variazioni di carico. L’ancorante deve quindi continuare a esibire una sufficiente capacità portante residua. I test di qualificazione degli ancoranti di categoria C1 prevedono prove di carico a trazione pulsante e a taglio in direzione alternata.

Categoria di prestazione C2

Per la categoria C2, i requisiti per gli ancoraggi sono più severi: la capacità portante viene testata sotto carico sismico fino al raggiungimento di una larghezza della fessura di 0,8 mm. La sollecitazione viene applicata in modo che il carico aumenti continuamente durante i 75 cicli di carico. Anche i test valutativi per la categoria C2 prevedono prove di carico a trazione impulsiva e a taglio in direzione alternata. Inoltre i tasselli devono tollerare aperture e chiusure delle fessure comprese tra 0,1 mm e 0,8 mm, evitando che l’ancorante esibisca spostamenti importanti e assicurando una sufficiente capacità portante residua.

Test necessari secondo ETAG 001, allegato E per la valutazione di ancoranti della categoria C2

Prova no. Obiettivo delle prove Calcestruzzo Larghezza della fessura ∆w [mm] Numero minimo delle prove Procedura di prova

(Riferimento alla sezione)

Criteri di valutazione

(Riferimento alla sezione)

C2.1a Prove di trazione di riferimento in calcestruzzo a bassa resistenza C20/25 0.8 5 2.4.2 3.2.1, 3.2.2
C2.1b Prove di trazione in calcestruzzo ad alta resistenza C50/60 0.8 5 2.4.2 3.2.1, 3.2.2
C2.2 Prove di taglio di riferimento C20/25 0.8 5 2.4.2 3.2.1, 3.2.3
C2.3 Comportamento sotto azione di trazione impulsiva C20/25 0,5 (≤ 0,5·N/Nmax)

0,8 (> 0,5·N/Nmax)

5 2.4.3 3.2.1, 3.2.4
C2.4 Comportamento sotto azioni di taglio alternate C20/25 0.8 5 2.4.4 3.2.1, 3.2.5
 

C2.5

Comportamento nei confronti della trazione sotto variazione ciclica dell’ampiezza delle fessure  

C20/25

∆w1 = 0,0

∆w2 = 0,8

 

5

 

2.4.5

 

3.2.1, 3.2.6

Il principale metodo di verifica nel caso sismico per testare la capacità portante e di spostamento degli ancoranti si effettua monitorando l’apertura e la chiusura ciclica delle fessure.

All’ancorante viene applicata una sollecitazione costante NW1, producendo progressivamente 20 fessure di larghezza pari a 0,1 mm, 10 larghe 0,2 mm e 5 fessure lunghe 0,5 mm. Si procede poi con un ulteriore aumento della sollecitazione costante NW2 e generando 5 aperture da 0,6 mm, altre 5 di ampiezza pari a 0,7 mm e solo 4 da 0,8 mm.

ancoraggi sismici
Fig. 3: Regime di prova per le prove di apertura e chiusura di fessure con un’ampiezza compresa tra 0,1 mm e 0,8 mm

In un secondo momento viene determinata la forza di tenuta residua. L’idoneità d’uso viene valutata prima di aumentare il carico costante nei diversi cicli di carico. La capacità portante, invece, viene testata dopo aver determinato la forza di tenuta residua (Fig. 3).

Progettazione sismica di un ancorante: il dimensionamento degli ancoranti sottoposti ad azione sismica

Sollecitazione degli ancoranti nella progettazione sismica

La progettazione antisismica di un ancorante non può prescindere dal dimensionamento della struttura portante, poiché il carico sull’ancorante è condizionato dalla frequenza propria di oscillazione sia della struttura portante sia dell’elemento di fissaggio.

grafico
Sollecitazione e deformazione di una struttura portante e sollecitazione di diversi ancoraggi sottoposti a forza sismica orizzontale.

L’ancorante viene sollecitato dalla trasmissione delle accelerazioni (e quindi delle deformazioni) del suolo alla struttura portante. A seconda della rigidezza e del valore di smorzamento della struttura portante, l’accelerazione viene amplificata o diminuita, in base anche all’altezza dell’edificio. È possibile stimare il valore dell’accelerazione in un dato punto all’interno della struttura ricorrendo all’equazione 1.

Sempre mediante questa equazione è possibile convertire il valore dell’accelerazione ricavata dallo spettro di risposta del suolo in quello relativo ai piani dell’edificio. In questo modo vengono calcolate le forze che agiscono sui singoli ancoranti.

Equazione 1
Equazione 1

z: altezza del baricentro dell’elemento strutturale
H: altezza totale dell’elemento strutturale
Aa: fattore di incremento per tener conto della frequenza di oscillazione propria del componente fissato tramite ancorante
S: coefficiente del suolo nello spettro di risposta di progetto
a: coefficiente correttivo

La sollecitazione sull’ancorante (forza sismica orizzontale) è data dall’accelerazione sull’elemento non strutturale applicando l’equazione 2.

Il coefficiente di struttura qA tiene conto della possibile deformazione plastica / duttilità dell’elemento non strutturale e, in base al’elemento a cui fa riferimento, assume un valore pari a 1,0 o 2,0. Partendo dal valore relativo alla sollecitazione dell’elemento non portante, in funzione della costruzione, è possibile calcolare la sollecitazione applicata sull’ancorante.

Qualora la sollecitazione sull’ancorante o sull’insieme di ancoranti sia nota, è possibile confrontarla con la resistenza calcolata secondo EN 1992-4 o TR 045.

Equazione 2
Equazione 2

Sa: coefficiente del suolo dello spettro di risposta di elementi non strutturale
Wa: massa dell’elemento non strutturale espresso in kN
γa: coefficiente di importanza dell’elemento non strutturale
qa: coefficiente di struttura dell’elemento non strutturale

Progettazione sismica di un ancorante: resistenza degli ancoranti sismici

La resistenza di un ancorante o di un insieme di ancoranti sottoposti a sollecitazioni sismiche viene calcolata sulla base della EN 1992-4 o TR 045, tenendo conto anche dei parametri sismici dipendenti dal prodotto, in particolare della riduzione sotto carico di trazione pulsante αSeis,N e αSeis,V. Questi coefficienti di riduzione devono poi essere applicati ai valori statici.

In alternativa, vengono indicate anche le rispettive capacità portanti caratteristiche per carichi di trazione e taglio sismico, in base al tipo o al valore minimo dei meccanismi di rottura. I valori caratteristici di resistenza sono specificati per le singole categorie di performance sismica C1 e C2 nelle relative omologazioni. Nell’ETA i valori caratteristici relativi alla capacità di portata dei diversi meccanismi di rottura, verranno dunque indicati separatamente per le singole categorie di performance sismica C1 e C2:

  • Rottura dell’acciaio NRk,s,Seis e VRk,s,Seis
  • Sfilamento NRk,p,Seis e VRk,p,Seis

I valori specificati nella tabella sottostante fanno riferimento all’ancorante Würth ad elevata prestazione W-HAZ/S (zincato galvanico) con Valutazione Tecnica Europea ETA-02/0031 per sollecitazione di trazione sismica per le categorie di prestazione sismica C1 e C2. Nell’ETA è riportata anche una tabella simile per ancoranti sotto carico di taglio sismico e per le varianti inossidabili.

Valore di resistenza caratteristica a trazione nel caso di rottura dell’acciaio e per sfilamento dell’ancorante metallico ad alta prestazione W-HAZ (zincato galvanico) per categoria di prestazione sismica C1 e C2

Misura dell’ancorante 12/M8 15/M10 18/M12 24/M16
Trazione
Coefficiente di sicurezza per l’installazione γinst [-] 1,0
Rottura dell’acciaio
Resistenza a trazione caratteristica, categoria di prestazione sismica C1 NRk,s,eq,C1 [kN] 26 41 60 110
Resistenza a trazione caratteristica, categoria di prestazione sismica C2 NRk,s,eq,C2 [kN] 26 41 60 110
Coefficiente di sicurezza W-HAZ-B γMs [-] 1,5
Coefficiente di sicurezza W-HAZ-S e W-HAZ-SK γMs [-] 1,87
Rottura per sfilamento
Resistenza a trazione caratteristica, categoria di prestazione sismica C1 NRk,p,eq,C1 [kN] 9 16 26 36
Resistenza a trazione caratteristica, categoria di prestazione sismica C2 NRk,p,eq,C2 [kN] 4,8 16,5 24,8 44,5
Taglio
Rottura dell’acciaio senza braccio di leva
W-HAZ-B
Resistenza a taglio caratteristica, categoria di prestazione sismica C1 VRk,s,eq,C1 [kN] 9,6 13,3 25,4 75,4
Resistenza a taglio caratteristica, categoria di prestazione sismica C2 VRk,s,eq,C2 [kN] 9,7 14,0 18,0 32,2
Coefficiente di sicurezza γMs [-] 1,25
W-HAZ-S
Resistenza a taglio caratteristica, categoria di prestazione sismica C1 VRk,s,eq,C1 [kN] 9,6 13,3 25,4 75,4
Resistenza a taglio caratteristica, categoria di prestazione sismica C2 VRk,s,eq,C2 [kN] 9,7 14,0 18,0 32,2
Coefficiente di sicurezza γMs [-] 1.36
W-HAZ-SK
Resistenza a taglio caratteristica, categoria di prestazione sismica C1 VRk,s,eq,C1 [kN] 11,5 23,3 31,6
Resistenza a taglio caratteristica, categoria di prestazione sismica C2 VRk,s,eq,C2 [kN] 10,8 17,4 15,4
Coefficiente di sicurezza γMs [-] 1,36

Per tutti gli altri meccanismi di rottura la resistenza caratteristica viene calcolata come nel caso di una sollecitazione non sismica.  I valori di resistenza caratteristici estrapolati dalla tabella vengono dunque ridotti applicando il coefficiente di correzione αSeis,N, αSeis,V oppure αgap.

Il valore di resistenza di progetto di un ancorante viene calcolato con l’equazione 3, mentre la resistenza caratteristica per il meccanismo di rottura preso in esame, in base a αSeis e αgap, può essere calcolata con l’equazione 4.

Qualora una sollecitazione a trazione sia combinata a un carico da taglio, si esegue una combinazione lineare.

Equazione 3
Equazione 3

Rk,Seis: Valore caratteristico iniziale della resistenza per il meccanismo di rottura di riferimento, tenendo conto di αSeis e αgap

γM,Seis: Coefficiente parziale di sicurezza del materiale in caso di sollecitazione sismica.

Questi valori sono specificati nell’ETA. Qualora non venissero indicati, fanno fede i valori relativi alla sollecitazione non sismica.

Equazione 4
Equazione 4

R0k,Seis: Valore caratteristico iniziale della resistenza per il meccanismo di rottura di riferimento, per un ancorante singolo

αgap: Coefficiente di riduzione della resistenza, che tiene conto dello spazio esistente tra il tassello e l’elemento fissato, =0,5 per uno spazio massimo di 2 mm, = 1,0 se non è presente spazio tra i due elementi

αSeis: Coefficiente di riduzione della resistenza dovuta alla sollecitazione sismica, che tiene conto del meccanismo di rottura e della disposizione dell’ancorante (insieme o singolo ancorante)

Conclusioni

Nel caso in cui gli ancoranti siano soggetti a sollecitazioni sismiche devono rispondere a determinati requisiti. In caso di carico sismico, gli ancoranti sono infatti soggetti a un carico di trazione pulsante e a un carico a taglio in direzione alternata. Di norma, l’entità dei carichi è significativa e il numero di cicli di carico relativamente ridotto.

Quando si effettua la progettazione sismica di un ancorante, il valore della sua resistenza è determinato dalla sua categoria di prestazione sismica. I test sono generalmente eseguiti in conformità con l’ETAG 001, allegato E o EAD 330232- 00-0601, mentre la progettazione è eseguita in conformità con l’EOTA TR 045 o norma EN 1992-4.

Nelle Valutazioni Tecniche Europee, la qualificazione sismica è specificata in termini di resistenza caratteristica per i diversi meccanismi di rottura. Viene effettuata una distinzione tra le categorie di prestazione sismica C1 e C2. L’utilizzo di un ancorante di categoria C1 o C2 dipende fondamentalmente dalle condizioni che si verificano in caso di evento sismico. Secondo l’EOTA TR 45, l’appartenenza all’una o all’altra categoria è stabilita in base ai valori relativi all’accelerazione del suolo e alla classe d’uso dell’edificio prevista. In caso di accelerazioni del suolo non significative S x ag < 0,05 g, non è richiesta alcuna qualificazione sismica.

Riferimenti bibliografici

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  • ETAG 001, Tefal Anchors for Use in Concrefe Annex E: Assessmenf of Tefal Anchors under Seismic Action, EOTA 2013
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  • DIN EN 1998-1:2010-12, Regole generali, azioni sismiche e regole per gli edifici – Parte 1: Fondazioni, strutture di contenimento ed aspetti geo-tecnici
  • Philipp Tahrenholfz, Experimenfal Performance and Recommendafions for Qualificafion of Posf-insfalled Anchors for Seismic Applicafions, Istituto dei materiali da costruzione dell’Università di Stoccarda, 2012
  • ETA-02/0031, ancorante Würth ad elevate prestazioni W-HAZ/S, W-HAZ/A4, DIBt Berlin

Articolo del Prof. Dr. Ing. Jan Hofmann, Università di Stoccarda (tratto dalla rivista ql2/8 · 02/2018).

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