Test unitario: ancoraggio

Introduzione 

In questo articolo presentiamo uno studio di test unitario finalizzato alla verifica del 3D-CSFM per il comportamento di estrazione (pull-out) degli ancoraggi nel calcestruzzo, attraverso un confronto diretto con risultati sperimentali^[1]. L'obiettivo della nostra indagine è valutare le capacità predittive dei modelli numerici nel cogliere gli aspetti chiave del comportamento dell'ancorante, inclusi i modi di rottura e la capacità ultima. Il nostro studio comprende una gamma diversificata di diametri di ancoranti, da 10mm fino a 32mm, riflettendo la variabilità riscontrata negli scenari ingegneristici pratici. Ciò ci consente di individuare eventuali tendenze dipendenti dal diametro e di valutare la robustezza del 3D-CSFM su diverse scale. È opportuno sottolineare che tutte le simulazioni sono state condotte all'interno del 3D-CSFM, un metodo implementato in IDEA StatiCa Detail, utilizzando le impostazioni predefinite per tutti i parametri. 

Definizione dei modi di rottura

Per valutare le prestazioni del 3D-CSFM nella modellazione di ancoranti incollati post-installati, dobbiamo considerare due modi di rottura: pull-out (estrazione), dove la tensione di aderenza (τ_b) è pari alla tensione di aderenza di progetto (τ_bd), e snervamento dell'ancorante stesso, il che significa che viene raggiunta la deformazione principale plastica limite.

Impostazione del test unitario

In questo studio, ancoranti Hilti HIT-RE500 - SD Injectable Mortar with Reinforcement (500B) sono stati modellati in IDEA StatiCa Detail e i risultati sono stati confrontati con i dati sperimentali^[1]. 

Le dimensioni dei blocchi di calcestruzzo e la loro armatura sono state accuratamente considerate per mitigare qualsiasi potenziale effetto sul comportamento di estrazione, garantendo così la validità dei risultati sperimentali^[1]. È stata utilizzata una dimensione di blocco di calcestruzzo unica per tutti i test unitari degli ancoranti (1,0x1,0x0,5 m; LxPxH). Il blocco è armato con barre in acciaio B 500B e diametro di 8-14 mm. 8 strati di barre attorno a ciascuna superficie (eccetto la superficie inferiore, dove le armature sono modellate come continue attraverso l'appoggio inferiore) con una distanza tra strati di 135,0 mm.  Tutti i coefficienti di sicurezza prescritti dalle norme di costruzione pertinenti sono stati rigorosamente rispettati, con un'impostazione di 1,0 utilizzata per tutti i calcoli. La dimensione del foro dell'ancorante rispetto al diametro dell'ancorante stesso non è stata esplicitamente considerata nel modello di calcolo.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.1 Vista laterale di un blocco di calcestruzzo armato con ancorante incollato}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2 Vista di un blocco di calcestruzzo armato con ancorante evidenziato. Il diametro dell'ancorante è pari a 16 mm }}}$$

La resistenza di aderenza dell'ancorante, un parametro critico nella progettazione dell'ancoraggio, è stata determinata pari a 15,4 MPa in base alle considerazioni sperimentali^[1], e 12,0 MPa per il secondo modello di verifica. Analogamente, in base all'esperimento, la lunghezza di ancoraggio dell'ancorante nel blocco di calcestruzzo è stata determinata in modo coerente. Nel modello è stata considerata la lunghezza aggiuntiva di 50 mm dell'ancorante al di sopra del blocco di calcestruzzo, a cui è stata applicata la forza di trazione assiale. In questo test, ancoranti con diametro di 10mm, 12mm, 16mm, 20mm, 25mm, 32mm sono stati confrontati con i risultati sperimentali. Le impostazioni sperimentali sono riassunte nella Tabella 2.2.

Utilizzando un modello 3D-CSFM Solid Block, l'analisi comprende un esame completo di vari aspetti, tra cui le caratteristiche di estrazione dell'ancorante, la determinazione delle soglie critiche di carico e la previsione dettagliata dei modi di rottura. 

Proprietà dei materiali

Le proprietà dei materiali del calcestruzzo, dell'armatura e dell'ancorante utilizzate nell'analisi CSFM sono riassunte nella Tabella 2.2. La tensione di snervamento ($f_{yk}$) e la tensione ultima ($k \times f_{yk}$) dell'armatura, così come la resistenza a compressione ($f_{ck}$), la deformazione plastica ($\epsilon_{c2}$) e la deformazione plastica limite ($\epsilon_{cu2}$) del calcestruzzo, sono state selezionate in base alle condizioni indicate nelle note dell'esperimento. La resistenza di aderenza è specificata anche dal produttore nel prospetto fornito.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3 Diagrammi tensione-deformazione dei materiali: (a) Diagramma tensione-deformazione dell'armatura B 500B, (b) Diagramma tensione-deformazione del calcestruzzo C30/37 }}}$$

Confronto con i risultati sperimentali 

Questa sezione confronta i risultati sperimentali del produttore con i carichi ultimi e i modi di rottura previsti dal 3D-CSFM. Sei casi di carico ultimo di estrazione, corrispondenti a vari diametri di ancoranti, sono stati confrontati con i risultati del 3D-CSFM. Inoltre, è stato determinato uno specifico modo di rottura per ciascun diametro di ancorante.

Modi di rottura e carichi ultimi

La Tabella 2.4 presenta un riepilogo completo dei carichi ultimi registrati nei test sperimentali (P_u,exp) e quelli previsti dal 3D-CSFM (P_u,3D-CSFM), insieme ai corrispondenti modi di rottura. Rapporti superiori a uno indicano che le previsioni del modello sono conservativamente più elevate rispetto ai valori misurati. Come evidenziato nella Tabella 2.4, i principali modi di rottura previsti da tutte le analisi 3D-CSFM sono coerenti con i risultati sperimentali, sebbene siano state riscontrate alcune discrepanze in specifici sottotipi di rottura per i diametri maggiori. Le previsioni del 3D-CSFM sono generalmente accurate, con tendenze leggermente conservative indicate da rapporti superiori al 100% per i diametri maggiori. 

Inoltre, i valori di ($P_{u,bar}$) e ($P_{u,bond}$) sono stati calcolati e aggiunti alla tabella.

$P_{u,bar}=A_{bar}\cdot k \cdot f_{yk}$

$P_{u,bond}=C_{bar}\cdot l_{bar} \cdot \tau_{bd}$

Dove ($A_{bar}$) è l'area dell'ancorante, ($C_{bar}$) è la circonferenza dell'ancorante e ($l_{bar}$) è la lunghezza dell'ancorante nel calcestruzzo.

Si può osservare, dai valori presentati sopra, che l'esperimento è impostato per dimostrare che il solutore è in grado di calcolare correttamente i modi di rottura combinati Pull-out e YA.

Inoltre, gli stessi modelli con resistenza di aderenza pari a ($\tau_{bd} = 12.0 MPa$) sono stati calcolati e confrontati con valori determinati analiticamente di ($P_{u,bond}$).

La Figura 1.4 conferma i risultati indicati nella Tabella 2.4, mostrando che viene raggiunta la piena capacità della tensione di aderenza, così come la deformazione limite, il che porta di conseguenza a identificare il modo di rottura come Pull-out e YA.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4 Ancorante 16 mm: Valore di verifica della deformazione (sinistra) e Tensione di aderenza (destra) }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.5 Ancorante 32 mm: Vista del flusso di tensione }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.6 Ancorante 25 mm: Tensione nell'armatura }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.7 Ancorante 20 mm: Deformazione nell'armatura }}}$$

Conclusione 

Il confronto tra i dati sperimentali^[1] e la versione beta del 3D-CSFM indica una correlazione soddisfacente. Le principali osservazioni di questa valutazione preliminare includono:

• È stata stabilita una forte correlazione per tutti gli ancoranti, evidente nei modi di rottura osservati nei modelli e nei valori dei carichi ultimi. 
• Sebbene il 3D-CSFM sia ancora nella sua fase beta, il suo allineamento con i risultati sperimentali evidenzia la sua potenziale utilità. Questo accordo fornisce una certa validazione dell'efficacia dello strumento, sebbene debba essere interpretato con cautela data la sua fase di sviluppo.

Riferimenti 

[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injectable Mortar with Rebar (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Disponibile su: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf