Ancoraggio delle rotaie di guida in condizioni sismiche

Vengono esaminate diverse soluzioni progettuali.

Questo documento è stato presentato a  Madrid 2016, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 21, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori   (sito web: www.elevcon.com).

Una progettazione specifica per le condizioni sismiche è richiesta in un numero crescente di settori dell'edilizia. Per l'ancoraggio vengono comunemente utilizzate piastre di acciaio fuso collegate alle armature prima del getto del calcestruzzo. Le staffe delle guide sono saldate alle piastre in acciaio. Le soluzioni di ancoraggio aggiornate per le condizioni sismiche utilizzano inserti gettati in opera collegati alle armature o ancoraggi post-installati. In ogni caso, le staffe del binario sono fissate da bulloni. La progettazione di tali sistemi di ancoraggio segue gli standard nordamericani ed europei per le condizioni sismiche. Questo articolo fornisce un'introduzione alle soluzioni di ancoraggio per condizioni sismiche, oltre alle approvazioni specifiche e all'approccio progettuale richiesto per conformarsi a queste approvazioni.

Ora che le norme edilizie e le normative edilizie appropriate hanno notevolmente migliorato la resistenza e la stabilità delle strutture rispetto ai terremoti, vi sono crescenti richieste di progettazione antisismica da utilizzare per i fissaggi di ancoraggio incorporati negli elementi non strutturali degli edifici. Oltre ai terremoti gravi e moderatamente gravi che si verificano nelle regioni sismiche "classiche", con spettacolari cedimenti strutturali e riportati di conseguenza dai media, incidenti minori si verificano regolarmente in molte parti del mondo.

A livello mondiale, l'impatto economico e sociale del guasto dei sistemi di approvvigionamento energetico o idrico e delle reti di telecomunicazione o di trasporto a seguito di terremoti di lieve entità raggiunge livelli simili, o forse addirittura superiori, ai costi e ai disagi derivanti dal danneggiamento o dalla distruzione di edifici e strutture in terremoti localmente gravi.

Dopo che una struttura in calcestruzzo è stata costruita, vengono eseguiti lavori per installare punti di ancoraggio per elementi strutturalmente rilevanti, nonché per fissare componenti o apparecchiature strutturalmente irrilevanti all'interno o sulla struttura. Questi ancoraggi dovrebbero essere selezionati e progettati in modo tale che il costo del cedimento in caso di terremoti della magnitudo prevista sia mantenuto il più basso possibile. Anche nella fase di progettazione e specifica dell'edificio, si dovrebbe anche tenere in considerazione i componenti non strutturali per rendere consapevoli i requisiti dell'appaltatore generale e degli ispettori edili interessati. Pertanto, non spetta al subappaltatore decidere se le disposizioni corrispondenti debbano essere prese in merito ai lavori di installazione.

 Influenza dei terremoti

I terremoti causano un'accelerazione che porta a un aumento molto rapido a breve termine delle forze che agiscono su un ancoraggio. Queste forze non solo sono molte volte superiori a quando la struttura è in uno stato statico, ma anche la loro direzione di azione cambia rapidamente. L'ancoraggio deve, quindi, essere in grado di assorbire carichi dinamici. Gli standard per ancoraggi di questo tipo esistono da diversi anni.[3] Tuttavia, le crepe che compaiono nel calcestruzzo a seguito di terremoti sono considerevolmente più grandi della larghezza della fessura di 0.3 mm presa in considerazione nelle norme per gli ancoranti fissati nella zona di tensione del calcestruzzo fessurato.

A causa della deformazione estremamente plastica della struttura di un edificio, specialmente nell'area dei nodi della struttura che fungono da giunti flessibili, possono apparire crepe con una larghezza di diversi millimetri. Gli ancoranti dei tipi attualmente in uso non sono progettati per continuare a funzionare in fessure di tale larghezza e sono quindi soggetti a rottura. Di conseguenza, la pianificazione dovrebbe garantire che gli ancoraggi nelle strutture che possono essere soggette a terremoti non siano posizionati in prossimità dei nodi flessibili della struttura.

I tasselli ad espansione meccanica installati con una tensione prefissata controllata (coppia controllata) e con la possibilità di applicare in tempi molto rapidi ulteriori dilatazioni in caso di aumento del diametro del foro dovuto a fessurazioni sono generalmente idonei all'uso in cemento armato in cui la formazione di grandi si prevedono crepe a causa di terremoti. Sono adatti anche ancoranti che trasferiscono le forze al calcestruzzo formando una presa a chiave, come nel caso degli ancoraggi sottosquadro.

Alcuni tipi di ancoranti chimici si sono dimostrati idonei anche per l'utilizzo in componenti in calcestruzzo soggetti a terremoti. Allo stesso modo, i canali di ancoraggio collegati all'armatura prima del getto del calcestruzzo (noti anche come "getto in opera") sono in grado di trasferire le forze alla struttura in calcestruzzo tramite una presa a chiave. La tabella 1 fornisce una valutazione approssimativa dell'idoneità degli attuali tipi di ancoraggio per il carico sismico. Le prestazioni degli ancoranti dipendono molto dall'ampiezza delle fessure risultanti dagli effetti dei terremoti. Questa classificazione si basa su una valutazione generale e non sui risultati di prove speciali di singoli tipi di ancoranti secondo le norme vigenti in materia di prove di idoneità sismica. 

Oltre alle forze di trazione che si verificano a causa dell'elevata accelerazione di una struttura, anche le forze di taglio salgono a un livello molte volte superiore a quello per cui è stato progettato l'ancoraggio. Quando ciò accade, l'attrito coesivo che crea stabilità tra la piastra di base della struttura fissata e la superficie del calcestruzzo viene superato e lo spazio anulare tra il gambo dell'ancora e il perimetro del foro consente il movimento della struttura fino al punto in cui il gambo dell'ancora entra in contatto con il bordo del foro, determinando una tenuta positiva (Figura 3a).

A causa del rapido cambiamento di direzione delle forze, questo processo può ripresentarsi in più direzioni. Se una piastra di base è fissata da più ancoraggi, ciò significa solitamente che solo alcuni degli ancoraggi sono in grado di fornire una tenuta positiva e che l'intero carico viene quindi trasportato da questi ancoraggi. Il carico dinamico e le forze di picco estremamente elevate portano al cedimento degli ancoranti o al cedimento del calcestruzzo quando questi ancoraggi che sopportano il carico di taglio tramite la loro tenuta positiva sono posizionati vicino al bordo di un elemento in calcestruzzo (Figura 3b). Il movimento può essere evitato e il carico di taglio distribuito tra tutti gli ancoranti che compongono l'ancoraggio se lo spazio anulare tra il gambo dell'ancora e il perimetro del foro è adeguatamente riempito. A tale scopo, i produttori di ancoranti hanno sviluppato speciali rondelle con aperture che consentono di iniettare la malta di ancoraggio adesiva, che indurisce senza ritiro, nell'intercapedine anulare. Questi sistemi costituiscono parte integrante degli standard europei per la progettazione di ancoraggi per l'uso in presenza di influenze sismiche.

Ricerca sugli effetti sismici

Fino a pochi anni fa, poco si sapeva in dettaglio sugli effetti dei terremoti sui punti di ancoraggio post-installati sulle strutture in calcestruzzo. Per questo motivo, laddove l'acciaio deve essere ancorato al calcestruzzo, la pratica corrente oggi richiede che gli ancoraggi da sottoporre ad azione sismica vengano installati saldando le parti richieste all'armatura in acciaio. Questo viene fatto incorporando piastre di acciaio gettate nella struttura in cemento armato. Queste piastre sono esposte sulla superficie del calcestruzzo nelle posizioni di fissaggio richieste. Se fissaggi di questo tipo non vengono presi in considerazione in fase di progettazione o vengono dimenticati prima del getto del calcestruzzo, successivamente il calcestruzzo deve essere scheggiato per esporre le armature.

Nel frattempo, varie università degli Stati Uniti hanno condotto per diversi anni un programma di ricerca che consente un'indagine completa e dettagliata sulla sollecitazione di componenti e apparecchiature non strutturali installati in edifici esposti a terremoti. A tal fine, presso l'Englekirk Structural Engineering Research Center presso l'Università della California, San Diego (UCSD), è stata eretta una struttura edilizia in cemento armato di cinque piani sul tavolo shaker indipendente più grande del mondo. 

Ai vari livelli dell'edificio sono stati installati impianti funzionanti per la fornitura di energia e acqua, riscaldamento, condizionamento e telecomunicazioni, nonché le apparecchiature necessarie nei reparti di terapia intensiva ospedaliera e nelle sale operatorie. I piani erano collegati da una scala in acciaio e da un ascensore funzionante. Fino a 40 aziende delle industrie associate hanno sostenuto il progetto. Per gli ancoraggi sono stati utilizzati prodotti e sistemi Hilti.

Nei mesi di aprile e maggio 2012 l'edificio è stato sottoposto a scosse simulanti le misurazioni ottenute dai terremoti più violenti degli ultimi anni. La tavola vibrante è stata utilizzata per simulare eventi sismici di magnitudo 6.7, come quelli registrati a Northridge, California, nel 1994, fino a terremoti di magnitudo 8.8, come quello sperimentato in Cile nel 2010. Il comportamento dell'edificio e i carichi a cui è stata sottoposta l'apparecchiatura installata durante la simulazione sono stati registrati da un sistema di posizionamento globale, più di 80 telecamere digitali e fino a 500 sensori installati nell'edificio. I risultati sono stati utilizzati per confermare e ottimizzare gli standard americani ed europei per la progettazione e la selezione di sistemi di ancoraggio resistenti ai sismi per l'uso su strutture in calcestruzzo.

Normative sismiche statunitensi ed europee

La corretta progettazione e selezione di un ancoraggio da utilizzare su un elemento in calcestruzzo esistente inizia con la definizione delle forze che agiranno su di esso. Negli Stati Uniti, la procedura per la definizione delle forze attese a seguito di un terremoto si basa sull'American Society of Civil Engineers (ASCE) 7, mentre la determinazione delle prestazioni di un ancoraggio sotto l'influenza sismica si basa sull'American Concrete Institute (ACI) 318, Appendice D per ancoranti meccanici e ACI 308 per ancoranti chimici. La documentazione tecnica (rapporto ICC Evaluation Service) preparata sulla base degli standard di prova e dei criteri di approvazione sopra menzionati fornisce una solida base per la corretta progettazione e selezione dell'ancoraggio.

 La norma europea adotta lo stesso approccio. In questo caso, le forze che agiscono durante i terremoti sono definite nella EN 1998:2004 (Eurocodice 8). Fino all'entrata in vigore della EN 1992-4, prevista entro la fine del 2016, la norma per la progettazione e la scelta degli ancoraggi antisismici per le strutture in acciaio su calcestruzzo è dettata dall'Organizzazione Europea per i Benestare Tecnici (EOTA) TR 045 Questa linea guida tecnica è allineata con le Linee guida per l'approvazione tecnica europea (ETAG) 001 Allegato E, che definisce i test e la determinazione dei dati sulle prestazioni per gli ancoranti sottoposti a sollecitazione sismica e fornisce la documentazione di ciò nei rapporti ETA. Gli standard europei per la progettazione di un ancoraggio da utilizzare su componenti in calcestruzzo esistenti esposti a sollecitazioni sismiche sono, quindi, ben coordinati.

La tabella 2 fornisce una panoramica di come vengono applicate le linee guida e gli standard citati. Le linee guida di progettazione qui presentate rappresentano l'attuale stato dell'arte per la sperimentazione e la progettazione di ancoraggi sotto l'influenza dell'azione sismica. Praticamente tutti i paesi del mondo basano le loro normative sulla progettazione di ancoraggi antisismici su uno di questi due standard.

 Definizione del carico sismico

Il punto di partenza per la definizione delle azioni sismiche è lo spettro di progetto sismico. Negli Stati Uniti è stata approvata una categoria di progettazione sismica (SDC) e lo spettro di progettazione sismica è ottenuto dal massimo mappato (breve periodo, 0.2 s.) e 1.0 s. accelerazione del periodo In Europa, invece, la pericolosità sismica è definita dal picco di accelerazione del suolo e non è stato stabilito alcun DSC. Esiste, tuttavia, una chiara definizione di sismicità bassa e molto bassa basata sull'accelerazione del suolo di progetto e, nel caso di sismicità molto bassa, non è necessario osservare disposizioni sismiche specifiche.

L'influenza del tipo di suolo è presa in considerazione in entrambi i codici da un coefficiente di sito, che si basa sulla corrispondenza delle classificazioni del suolo, tenendo conto dei limiti di velocità delle onde di taglio e delle descrizioni del suolo. In base al rischio di prestazioni sismiche eventualmente improprie, la categorizzazione degli edifici viene effettuata allo stesso modo da entrambi i codici e il corrispondente fattore di importanza viene assegnato con valori simili (sebbene in una fase diversa del flusso progettuale).

Considerando i punti sopra menzionati, le equazioni utilizzate per derivare lo spettro di progetto sismico dovrebbero differire tra i codici, ma, quando si considerano classi di importanza e tipi di terreno equivalenti, la forma e l'accelerazione spettrale risultanti sono molto simili. In termini semplici, si può dire che, matematicamente, i due codici puntano solo a coordinate diverse dello spettro di progettazione. Si noti che lo spettro di risposta di progetto, in accordo con ASCE 7, non tiene conto dell'importanza dell'edificio (questo viene preso in considerazione nella progettazione successiva), e, di conseguenza, il confronto è stato effettuato prendendo lo spettro risultante in conto, ridimensionato di conseguenza da questo fattore.

È stato inoltre stabilito un confronto tra la forza di taglio sismica di base utilizzando la EN 1998-1:2004 e l'ASCE 7. Valutando le diverse espressioni, nonché alcune applicazioni pratiche dei codici, possiamo concludere che i valori sono decisamente coincidenti. Partendo dalla forza di taglio sismica alla base, è possibile utilizzare vari metodi ben noti per determinare il carico agente a ciascun livello della struttura.

Di conseguenza, confrontando gli spettri di progetto sismico risultanti con classi di importanza e tipi di terreno equivalenti (S essendo il fattore suolo), è possibile correlare il rating di sismicità europea con la categoria di progettazione sismica statunitense.

L'unica, ma importante, eccezione alla tabella 3, nel caso di un edificio di classe di importanza IV e un rating di sismicità basso o superiore alla corrispondente categoria di progettazione sismica, è C o superiore. Ciò significa che nei casi in cui gli edifici potrebbero rappresentare un rischio sostanziale per l'ambiente o la comunità in caso di guasto (ad es. ospedali, caserme dei vigili del fuoco, centrali elettriche), il progetto dovrebbe tenere conto di tutte le disposizioni sismiche specifiche.

Resistenza di progettazione sismica dell'ancoraggio

Le disposizioni per la progettazione dell'ancoraggio sismico sono fornite dall'ACI 318 Appendice D o dal recente EOTA TR 045. Entrambe le norme di progettazione funzionano con il metodo della capacità del calcestruzzo (CC) per calcolare le resistenze caratteristiche dei fissaggi. Le differenze tra i codici si verificano nelle assunzioni di base per le equazioni di progettazione, che in parte si traducono in fattori diversi. Secondo il metodo CC, le resistenze di progetto sono calcolate per carico di trazione e taglio, tenendo conto di tutte le possibili modalità di rottura.

Tutti i concetti di sicurezza discussi qui calcolano la resistenza e le azioni in base a fattori di sicurezza parziali. Il requisito principale per la progettazione utilizzando i codici discussi è che l'azione fattorizzata E sia minore o uguale alla resistenza fattorizzata R (Equazione 1). Tutti i codici fattorizzano l'azione caratteristica Ek con fattori di sicurezza parziali (Equazione 2).

 E_d R_d                                             (Equazione 1)

 E_d = E_k γ (Equazione 2)

Per la resistenza caratteristica esiste una differenza concettuale, poiché i codici europei dividono la resistenza caratteristica Rk per un fattore di sicurezza parziale (Equazione 2.3), mentre i codici statunitensi calcolano la resistenza caratteristica Rk con un fattore di riduzione della resistenza γ (Equazione 2.4). L'effetto di questi fattori, tuttavia, è lo stesso: ridurre il valore caratteristico a livello di progetto. La resistenza di progetto Rd è generalmente molto simile per tutte le modalità di guasto valutate indipendentemente dal codice adottato.

 R_d R_k / (3)

 R_d = Φ ∙ R_k                                      (4)

Come per il new Europeuna linea guida di progettazione EOTA TR045, la progettazione incorpora tre approcci, descritti di seguito. Si noti che tutti e tre questi approcci di progettazione sono accettabili nelle loro condizioni applicative. La tabella 4 fornisce una panoramica di queste diverse opzioni di progettazione.

Si noti che ACI 318 considera anche tre approcci progettuali concettualmente identici a quelli presentati da EOTA TR 045. La differenza principale, che ha comunque la stessa intenzione di fondo, deriva dal fatto che il “design elastico” definito come da linea guida europea adotta un approccio diverso nelle normative statunitensi. In ACI 318, questa opzione di progetto tiene conto dei carichi risultanti da un progetto sismico regolare (non elastico) e introduce un fattore di riduzione (consigliato come 0.4) che deve essere applicato direttamente a tutte le modalità di rottura del calcestruzzo. 

Valutazione delle prestazioni sismiche dell'ancora

Tre diverse linee guida di base devono essere considerate per la prova dei fissaggi in calcestruzzo. Negli Stati Uniti, ACI 355.2 copre le prove di ancoranti meccanici post-installati sotto carico statico e sismico e prescrive programmi di prova e requisiti di valutazione per ancoranti meccanici post-installati destinati all'uso nel calcestruzzo secondo le disposizioni di progettazione di ACI 318. Questa linea guida costituisce il base per i criteri di accettazione (AC) 193 e AC 308 da parte dell'International Code Council (ICC). Mentre AC 193 copre le prove di ancoraggi meccanici, AC 308 copre le prove e la progettazione di ancoraggi adesivi.

Per quanto riguarda le principali procedure di prova, gli ancoranti vengono installati in una fessura chiusa che viene poi aperta per una larghezza di 0.5 mm. Gli ancoranti in prova vengono quindi sottoposti ai carichi variabili sinusoidali specificati utilizzando una frequenza di carico compresa tra 0.1 e 2 Hz. Il carico massimo di prova a trazione e taglio sismico è pari al 50% della capacità media in calcestruzzo fessurato dalle prove di riferimento.

Dopo che sono stati eseguiti i cicli di carico di trazione sismico simulato e di taglio sismico, gli ancoranti vengono quindi testati a rottura sotto carico di trazione statica e taglio statico. Le capacità di trazione e taglio residue medie devono essere valutate secondo i limiti definiti nella linea guida.  

In Europa, l'ETAG 001 è applicabile per le prove di ancoraggi meccanici post-installati (parti 1-4) e incollati (parte 5). La prequalifica sismica degli ancoranti è stata regolamentata in Europa dalla pubblicazione dell'ETAG 001 Allegato E nella prima metà del 2013. Vengono presentati due diversi programmi di prova per valutare l'idoneità dell'ancoraggio al carico sismico, risultando in due categorie di prestazioni sismiche, come segue:

Categoria sismica C1: simile alla procedura di prequalifica sismica statunitense e adatta solo per applicazioni non strutturali.

Categoria sismica C2: Prova sismica di movimento fessurativo molto impegnativa per la classificazione di un ancorante come idoneo per applicazioni strutturali e non strutturali.  

Mentre la categoria sismica C1 è identica alla procedura di prequalifica sismica statunitense, la categoria sismica C2 comporta un insieme di prove di carico sismico e/o ciclo di fessura notevolmente più impegnative, soprattutto considerando che per la valutazione delle prestazioni sismiche sotto carico di trazione, una delle il test prevede il ciclo delle fessure fino a una larghezza di 0.8 mm.

In pratica, secondo EOTA TR045 e per ag∙S superiori a 0.05 g, gli ancoranti destinati alle connessioni tra elementi strutturali di elementi sismici primari o secondari dovrebbero sempre essere conformi alla categoria sismica C2. Per gli ancoranti utilizzati per il fissaggio di elementi non strutturali in cui l'accelerazione ag∙S è compresa tra 0.05 e 0.10 g, possono essere utilizzati elementi della categoria sismica C1. Si prega di notare che si tratta di raccomandazioni generiche che gli Stati membri possono modificare a livello locale.

Normative sismiche statunitensi ed europee per i canali di ancoraggio gettati in opera

Informazioni molto meno dettagliate sono disponibili sul comportamento dei canali di ancoraggio gettati sotto l'influenza dell'azione sismica rispetto agli ancoranti post-installati in calcestruzzo. Allo stesso modo degli ancoranti post-installati nel calcestruzzo, da ottobre 2015 negli Stati Uniti sono applicabili norme e regolamenti relativi alla progettazione e alla selezione di canali di ancoraggio gettati in opera per applicazioni di carico sismico.

ASCE 7 basa l'approccio per la definizione sulle forze attese a seguito degli effetti dell'azione sismica. Le prestazioni di un canale di ancoraggio gettato in opera sotto l'influenza del terremoto dovrebbero essere determinate sulla base rispettivamente dell'AC 232, Appendice A, approvata nell'ottobre 2015 e dei rapporti di valutazione ICC. I dati prestazionali (rapporti ICC-ES) preparati sulla base degli standard di prova e dei criteri di approvazione qui menzionati forniscono una solida base per la corretta progettazione e selezione dell'ancoraggio.

Conclusioni

Negli Stati Uniti e in Europa esistono linee guida e standard completi per la progettazione e la selezione di ancoraggi antisismici su calcestruzzo costituiti da ancoraggi post-installati. Sebbene tali standard che coprono anche i canali di ancoraggio gettati siano applicati negli Stati Uniti dall'ottobre 2015, l'Europa sta ancora lavorando per raggiungere questo obiettivo. Ingegneri e progettisti possono ora orientarsi verso questi standard e linee guida quando specificano ancoraggi antisismici da utilizzare su calcestruzzo.

I produttori di ancoraggi post-installati e binari di ancoraggio gettati per l'uso su calcestruzzo sono ora responsabili di garantire che i loro prodotti siano testati sulla base delle norme e delle linee guida per la prova di tali ancoraggi sotto sollecitazione sismica e che la documentazione tecnica corrispondente sia redatti o, in alternativa, che vengano sviluppati nuovi prodotti conformi a tali standard.

Hilti ha svolto un ruolo pionieristico nello sforzo cooperativo verso la preparazione di norme sismiche, nonché nello sviluppo di prodotti adeguati e nella produzione della documentazione tecnica appropriata. Le approvazioni ETA per la categoria sismica C2 sono già state ottenute per il sistema di ancoraggio chimico HIT-HY200 di Hilti in combinazione con le barre di ancoraggio HIT Z, nonché per gli ancoranti meccanici HST. All'inizio del 2016, i binari di ancoraggio HAC Hilti, insieme ai bulloni per binari Hilti HBC-C, sono gli unici prodotti disponibili sul mercato per i quali i dati tecnici sulle prestazioni per la progettazione e la selezione degli ancoraggi esposti all'azione sismica in conformità con AC 232 hanno stato reso disponibile in un rapporto ICC-ES.

Referenze
[1] 2nd European Conference of Earthquake Engineering and Sismology, Istanbul 2014.
[2] Gramaxo, J., Ural, M., New Europeun regolamento sismico per la qualificazione e la progettazione di ancoraggi post-installati, Elevcon 2006: Tecnologia degli ascensori 16.
[3] Merz, M., Progettazione dinamica per l'ancoraggio di ascensori agli edifici, 2006.
[4] American Concrete Institute, AC232, Criteri di accettazione per i binari di ancoraggio negli elementi in calcestruzzo, 2015.
[5] ICC Evaluation Service, Inc., AC232, Criteri di accettazione per i binari di ancoraggio negli elementi in calcestruzzo, 2015.