Trasferimento della forza di taglio nella piastra di base per attrito e ancoraggi

In alcuni casi, la forza di taglio può essere trasferita per attrito tra una piastra di base e il blocco di calcestruzzo, con o senza malta. Questo articolo discute le raccomandazioni e gli sviluppi nelle linee guida di progettazione, con particolare attenzione alle norme europee. Per un'introduzione generale alla progettazione dell'ancoraggio in IDEA StatiCa, leggere il blog Progettazione sicura e accurata degli ancoraggi.

Cosa dice EN 1993-1-8:2005?

L'Eurocodice per la progettazione dei giunti in acciaio, al Punto 6.2.2, stabilisce che la forza di taglio può essere distribuita tra ancoraggi e attrito. In altre parole, la resistenza a taglio è la somma della resistenza per attrito e della resistenza a taglio di tutti gli ancoraggi (Equazione 6.3):

\[F_{v,Rd} = F_{f,Rd}+nF_{vb,Rd}\]

dove:

• \(F_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}\) – resistenza per attrito come definita nell'Equazione (6.1)
  • \( C_{f,d} = 0.2 \) – coefficiente di attrito tra piastra di base e strato di malta per malta di sabbia e cemento
  • \(N_{c,Ed}\) – valore di progetto della forza normale di compressione nel pilastro; si deve utilizzare il valore minimo e la combinazione di carico in cui agiscono contemporaneamente il taglio massimo e la forza di compressione minima. Per l'effetto del carico che aumenta la forza di compressione, tipicamente il peso proprio, si devono utilizzare i coefficienti parziali di sicurezza infimi (ad es. \(\gamma_{G,inf}=1.0\)).
• \(n\) – numero di bulloni di ancoraggio nella piastra di base
• \(F_{vb,Rd} = \min \{F_{1,vb,Rd}, F_{2,vb,Rd} \}\) – resistenza a taglio di progetto dei bulloni di ancoraggio
  • \(F_{1,vb,Rd} = \frac{\alpha_v f_{ub} A}{\gamma_{M2}}\) – resistenza a taglio di progetto del bullone di ancoraggio determinata dal Punto 3.6.1
    • \(\alpha_v = 0.6 \) per le classi 4.6, 5.6 e 8.8
    • \(\alpha_v = 0.5 \) per le classi 4.8, 5.8, 6.8 e 10.9
    • \(f_{ub}\) – resistenza ultima del bullone di ancoraggio
    • \(A = A_s\) – quando il piano di taglio passa attraverso la parte filettata del bullone di ancoraggio
      • \(A_s\) – area della sezione resistente a trazione del bullone di ancoraggio
    • \(A = A_g\) –  quando il piano di taglio non passa attraverso la parte filettata del bullone di ancoraggio
      • \(A_g\) – area lorda del gambo non filettato del bullone di ancoraggio
    • \(\gamma_{M2} = 1.25 \) – coefficiente parziale di sicurezza per i bulloni (Tabella 2.1)
  • \(F_{2,vb,Rd} = \frac{\alpha_b f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}} \) – Equazione (6.2)
    • \(\alpha_b = 0.44-0.0003 f_{yb}\)
    • \(f_{yb}\) – tensione di snervamento del bullone di ancoraggio, dove 235 MPa \(\le f_{yb} \le\) 640 MPa

Queste disposizioni derivano dalla ricerca condotta presso il laboratorio Stevin della Università Tecnica di Delft nei Paesi Bassi, sintetizzata in un articolo pubblicato su Heron Journal.  

Si noti che la resistenza a taglio dell'ancoraggio con piastra di base con malta è molto più elevata rispetto a quella prevista da EN 1992-4:2018, poiché sono ammesse deformazioni maggiori e nei bulloni di ancoraggio caricati a taglio si sviluppano forze di trazione del secondo ordine.

Si noti inoltre che non viene considerata la resistenza del blocco di calcestruzzo della fondazione. Si assume che la sua resistenza venga verificata altrove secondo EN 1992. Per gli ancoraggi a sbalzo è descritto un approccio diverso in questo articolo.

Fib Bulletin 58: Progettazione degli ancoraggi nel calcestruzzo (2011)

Il Bollettino fib 58 internazionale tratta l'effetto dell'attrito nel Capitolo 4.2. Afferma che l'attrito si sviluppa non solo quando sulla piastra di base agisce una forza di compressione, ma anche quando agisce un momento flettente. Tuttavia, stabilisce che:

Di norma, la resistenza per attrito deve essere trascurata se:

• lo spessore dello strato di malta supera la metà del diametro dell'ancorante
• la capacità di ancoraggio è governata da una condizione di bordo ravvicinato
• l'ancoraggio è destinato a resistere a carichi sismici

La rottura del bordo del calcestruzzo deve essere verificata per la forza di taglio totale e non solo per la forza di taglio agente sugli ancoraggi ridotta dall'attrito.

Il coefficiente di attrito comparabile a \(C_{f,d}\) in EN 1993-1-8 è \(\mu / \gamma_{Mf} = 0.4/1.5 = 0.267\).

Disposizioni di EN 1992-4: 2018

L'Eurocodice per la progettazione degli ancoraggi è molto controverso perché molti progetti che avevano superato tutte le verifiche con i metodi di progettazione tradizionali hanno improvvisamente fallito. L'Eurocodice è principalmente adatto per ancoraggi con bulloni corti, dove i risultati variano significativamente, il che si riflette in elevati coefficienti parziali di sicurezza. Ciò è mostrato ad esempio in questo articolo con 1 722 prove.

Al Punto 6.1 (2), si afferma che:

Quando su un elemento di fissaggio, a contatto con il calcestruzzo o la malta, agiscono un momento flettente e/o una forza di compressione, si sviluppa una forza di attrito. Se sull'elemento di fissaggio agisce anche una forza di taglio, questo attrito riduce la forza di taglio sull'elemento di fissaggio. Tuttavia, nella presente EN le forze di attrito vengono trascurate nella progettazione dei fissaggi.

Pertanto, non vieta esplicitamente l'utilizzo del contributo dell'attrito, ma semplicemente non lo considera affatto.

FprEN 1993-1-8:2023

La bozza finale dell'Eurocodice per la progettazione dei giunti in acciaio suddivide rigorosamente gli ancoraggi in:

• Elementi di fissaggio tra acciaio e calcestruzzo – bulloni corti
• Bulloni di ancoraggio – bulloni lunghi tradizionali

Si assume che per i bulloni di ancoraggio sia determinante la rottura dell'acciaio. La resistenza a taglio è trattata al Punto D.3.1.4 e, anche in questo caso, consente di sommare la resistenza di progetto per attrito e quella dei bulloni di ancoraggio. Si noti che non viene detto nulla riguardo agli elementi di fissaggio tra acciaio e calcestruzzo (bulloni corti in cui possono essere determinanti le rotture del calcestruzzo o per sfilamento).

\[ F_{v,Rd} = F_{f,Rd} + n F_{vb,Rd} \]

dove:

• \(F_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}\) – resistenza per attrito come definita nell'Equazione (6.1)
  • \( C_{f,d} = 0.3 \) – coefficiente di attrito tra piastra di base e strato di malta per malta di sabbia e cemento
  • \(N_{c,Ed}\) – valore di progetto della forza normale di compressione nel pilastro
• \(n\) – numero di bulloni di ancoraggio nella piastra di base
• \(F_{vb,Rd} = \frac{\alpha_{bc} f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}} \) – resistenza a taglio di progetto dei bulloni di ancoraggio
  • \(\alpha_{bc} = 0.44-0.0003 f_{yb}\)
    • \(f_{yb}\) – tensione di snervamento del bullone di ancoraggio, dove 235 MPa \(\le f_{yb} \le\) 640 MPa
  • \(f_{ub}\) – resistenza ultima del bullone di ancoraggio
  • \(A_s\) – area della sezione resistente a trazione del bullone di ancoraggio
  • \(\gamma_{M2} = 1.25 \) – coefficiente parziale di sicurezza per i bulloni (Tabella 2.1)

Si noti che il coefficiente di attrito \(C_{f,d}\) è ora aumentato a 0.3. Ciò può essere dovuto a una qualità generalmente migliore della malta. Inoltre, \(F_{1,vb,Rd}\), che probabilmente non è mai determinante, è stato rimosso.

Le resistenze di progetto delle modalità di rottura nel calcestruzzo devono essere verificate secondo EN 1992-4 e non devono essere determinanti. Le diverse modalità di rottura e le verifiche normative degli ancoraggi in un blocco di calcestruzzo sono elencate in questo articolo.

Pratica

Nella pratica, la somma della resistenza per attrito e della resistenza a taglio degli ancoraggi viene utilizzata molto raramente. 

Per gli ancoraggi gettati in opera, le tolleranze dei fori nelle piastre di base sono tipicamente ampie, ad es. +/-30 mm, il che significa che in casi estremi la piastra di base può spostarsi di 60 mm prima di toccare il lato opposto del foro. Possono essere saldate alla piastra di base delle piastre rondella con fori standard, ma in tal caso il bullone di ancoraggio è soggetto a flessione piuttosto che a taglio e la sua resistenza è ridotta. Di conseguenza, il taglio viene tipicamente trasferito solo per attrito o tramite una chiavetta a taglio.

Gli ancoraggi post-installati possono avere fori standard nella piastra di base (e se sono destinati a resistere al taglio, dovrebbero assolutamente averli – EN 1992-4 – 6.2.2.1). Ma per questi, il contributo dell'attrito viene tipicamente trascurato.

Sintesi

Le norme si stanno evolvendo e le linee guida di progettazione convergono verso una soluzione in cui i tradizionali bulloni di ancoraggio lunghi terminati con un gancio o una piastra rondella possono beneficiare dell'attrito tra la piastra di base in acciaio e la fondazione in calcestruzzo o la malta, a condizione che:

• La modalità di rottura dell'acciaio sia determinante
• Non vi siano carichi sismici
• Lo strato di malta sia sottile

Non utilizzare il contributo dell'attrito, in particolare nei casi:

• in cui è determinante la rottura del bordo del calcestruzzo
• con carichi sismici

Per i bulloni corti, tipicamente ancoraggi post-installati e ora definiti con il termine elementi di fissaggio tra acciaio e calcestruzzo, il contributo dell'attrito deve essere trascurato.

Nella pratica, la combinazione di attrito e resistenza a taglio degli ancoraggi viene raramente utilizzata.

In IDEA StatiCa non è disponibile l'opzione per selezionare il trasferimento della forza di taglio tramite una combinazione di attrito e taglio negli ancoraggi. Se l'utente desidera utilizzare questa opzione nei calcoli manuali successivi, devono essere soddisfatte tutte le condizioni sopra menzionate.

Ulteriori informazioni sulle modalità di trasferimento della forza di taglio per attrito, ancoraggi e chiavetta a taglio in questo articolo. IDEA StatiCa Connection consente il trasferimento della forza di taglio interamente tramite ancoraggi o per attrito.