INTRODUZIONE

Gli ancoranti ad espansione post-installati vengono tipicamente utilizzati per fissare piastre su materiale base calcestruzzo. I tipi di ancoraggi ad espansione includono ancoranti a controllo di coppia, che devono essere serrati per espandere i cunei, e ancoranti a controllo di spostamento, che richiedono forze di impatto su un manicotto. Gli ancoraggi che si basano sulla coppia di serraggio per espandere i cunei sono indicati come ancoranti ad espansione a coppia controllata, denominati in gergo anche “tasselli a battere”.

Questo articolo discute l'importanza che ha la coppia di serraggio sull'installazione e sulle prestazioni degli ancoranti ad espansione a controllo di coppia installati nel calcestruzzo.

Figura 1 Parti costitutive e fasi di installazione di un ancorante meccanico a controllo di coppia

MECCANISMO DI FUNZIONAMENTO DEGLI ANCORANTI AD ESPANSIONE

La Figura 1 illustra i componenti di un ancoraggio ad espansione con controllo di coppia. L'applicazione di una coppia al dado attiva un meccanismo che genera uno spostamento in direzione verticale il quale provoca l'espansione dei cunei nel calcestruzzo. Questo meccanismo è costituito da un mandrino conico che si muove verso l'alto rispetto ai cunei. Il mandrino conico può far parte del gambo del bullone (Fig. 1a) oppure può essere un gruppo separato che si avvita sul gambo del bullone (Fig. 1b). Quando i cunei vengono espansi, si sviluppa una sollecitazione di trazione nell’ancorante (Fs) che, al raggiungimento della coppia di serraggio, raggiunge il valore del precarico di trazione nell'ancoraggio (Fs=Ntorque) e, come reazione uguale ma opposta, si genera un carico di bloccaggio (detto anche “clamping”) che consiste in una compressione tra l'elemento di fissaggio e il calcestruzzo (Fc). 

QUAL È L'EFFETTO DEL SERRAGGIO?

L’applicazione della coppia crea un precarico di trazione nell'ancoraggio (Ntorque) e un carico di bloccaggio (clamping - Fc) proporzionato tra l'elemento di fissaggio e il calcestruzzo. Il precarico di trazione e il carico di bloccaggio dipendono da diversi parametri:

-       il valore della coppia applicata all'ancoraggio;
-       l'attrito che si sviluppa tra la filettatura del dado e del bullone;
-       l’attrito tra dado e rondella;
-       l'attrito tra la rondella e la piastra;
-       l'attrito tra la piastra e la superficie del calcestruzzo;
-       la quantità di espansione dei cunei;
-       la resistenza a compressione del calcestruzzo;
-       l'angolo tra l'ancoraggio installato e la superficie della piastra;
-       il tempo trascorso dopo l’applicazione della coppia di installazione.

La Figura 2 illustra l'effetto di un carico di trazione esterno (Fext) su un ancorante ad espansione a coppia controllata. Il carico corrispondente al precarico nell'ancoraggio e al bloccaggio tra l'elemento e il calcestruzzo è denominato Ntorque.

Figura 2 Andamento della deformazione dell’ancorante al variare della forza applicata 

La coppia fa sì che l'ancoraggio subisca una deformazione positiva (cioè di trazione), che è compensata da una deformazione negativa (cioè di compressione) nel calcestruzzo. La quantità di precarico, bloccaggio e spostamento dipendono dai parametri sopra elencati. L'applicazione di un ulteriore carico di trazione esterno all'elemento di fissaggio (Fext) riduce la compressione tra la piastra e il calcestruzzo (Fc) aggiungendo al tempo stesso un carico di trazione all'ancoraggio (Fs). Questo è visibile nella zona 1 indicata in Figura 2. Poiché il calcestruzzo è tipicamente più rigido in compressione rispetto alla rigidezza a trazione di un ancoraggio, il carico aggiuntivo sull'ancorante dovuto ad un carico esterno è ridotto al minimo finché permane il carico di bloccaggio. L’incremento del carico sull’ancorante dovuto alla trazione esterna è limitato perché si ha una diminuzione della compressione (clamping) agente sul calcestruzzo. Quest’ultimo assorbe quota parte della trazione (vedere Fext - zona 1 in Fig. 2). Una volta che la trazione esterna vince il clamping (zona 2 della Fig. 2) qualsiasi incremento della stessa viene assorbito direttamente dall'ancorante.

È necessario fare una distinzione tra le prestazioni degli ancoranti nel calcestruzzo non fessurato e nel calcestruzzo fessurato. Quando un ancorante ad espansione a controllo di coppia viene installato, il precarico dell'ancoraggio creato dalla coppia d’installazione diminuirà nel tempo. Il rilassamento all'interno dell'interfaccia tra le filettature del dado e del bullone e il rilassamento del calcestruzzo sollecitato nelle aree adiacenti ai cunei di dilatazione contribuiscono a questa diminuzione. La diminuzione del precarico dell'ancoraggio avviene inizialmente in modo rapido, a volte entro pochi minuti dall'applicazione della coppia iniziale. La diminuzione continua per diverse ore, poi per giorni, raggiungendo infine un plateau (ad esempio oltre 100 giorni). La quantità di precarico perso in questo periodo potrebbe variare tra il 50% e il 60% del precarico iniziale dell'ancoraggio. L’applicazione di nuovo serraggio consente di recuperare parte della perdita di precarico dell'ancoraggio. Tuttavia, continuerà a verificarsi una perdita di precarico dell’ancoraggio dovuta al rilassamento, anche se in misura minore rispetto alla perdita originaria. Il ri-serraggio verrà discusso più avanti in questo articolo. Gli ancoraggi ad espansione possono subire una riduzione più rapida del precarico qualora una fessura si propaghi nella zona di installazione. La dimensione del foro praticato viene effettivamente aumentata, il che richiede un'espansione ulteriore del cuneo, tramite un nuovo spostamento dell'ancoraggio, per accogliere la fessura. Questa ulteriore espansione del cuneo, risultante dallo spostamento aggiuntivo dell'ancoraggio, viene definita “riserva di espansione” o “espansione successiva” (follow-up expansion). La progettazione dell'ancoraggio ad espansione a controllo di coppia per condizioni di calcestruzzo fessurato richiede che l'ancoraggio abbia una capacità di espansione successiva. Pertanto, è importante selezionare un ancorante specificamente qualificato per l'uso su calcestruzzo fessurato.

Indipendentemente dal fatto che esistano condizioni di calcestruzzo fessurato o non fessurato, il precarico e il carico di bloccaggio diminuiranno seppur nel caso di calcestruzzo fessurato il fenomeno è più accentuato. Una volta che la forza esterna annulla il clamping sul calcestruzzo, qualsiasi carico di trazione (Fext) aggiuntivo causerà un ulteriore spostamento dell'ancoraggio e un "sollevamento" dell'elemento di fissaggio, per cui si svilupperà uno spazio tra l'elemento di fissaggio e la superficie del calcestruzzo. Il carico di trazione ora agirà direttamente sugli ancoraggi.  Le disposizioni progettuali per il calcolo della resistenza a trazione presuppongono che il carico esterno a trazione agisca direttamente sull’ancorante senza considerare eventuale precarico o carico di bloccaggio (ovvero senza considerare i meccanismi descritti in Fig. 2). Allo stesso modo, le disposizioni progettuali per il calcolo della resistenza a taglio presuppongono che il carico esterno a taglio agisca direttamente sull’ancorante senza considerare l'eventuale carico di bloccaggio. Inoltre, la forza di bloccaggio che si genera dall’applicazione della coppia di serraggio non è considerata sufficiente per resistere al taglio applicato come slip-critical in modo simile alla bullonatura. Anche l’eventuale attrito, che si potrebbe generare tra la piastra e il calcestruzzo, dovuto dall’applicazione di un momento flettente o una compressione sulla piastra, viene trascurato nella verifica a taglio degli ancoranti con riferimento alle normative applicabili. Per questo motivo, una progettazione conforme alle norme applicabili, che tiene in conto sia delle condizioni di carico rilevanti per l’applicazione (sisma, fuoco o fatica) sia di altre condizioni al contorno, assicura un corretto funzionamento durante al vita utile qualora le condizioni al contorno non cambino (es. degrado del materiale base). Ovviamente è necessaria una corretta posa in opera in combinazione con prodotti idonei per l’utilizzo previsto (Approvazione ETA). Quanto sopra vale indipendentemente dalla perdita iniziale di una quota parte della coppia di serraggio che è fisiologica per l’ancorante.

Le norme, in particolare l’Eurocodice, richiedono che sia evitato l’allentamento del dado nel caso sismico e per sollecitazioni cicliche a fatica. Per quest’ultima condizione di carico, l’Eurocodice richiede anche la presenza costante di un precarico (ossia della coppia di serraggio residua) senza specificarne il valore limite. Infatti, nella Sezione 8.1 (6) della EN-1992-4 si evince che: “loosening of the nut or screw shall be avoided. A permanent prestressing force on the fastener shall be present during the service life of the fastener.” 

In questo contesto, oltre una progettazione corretta e conforme, alcuni accorgimenti per minimizzare il rischio di perdita del serraggio potrebbero essere la manutenzione continua per garantire un precarico permanente e l’utilizzo di un set di riempimento (vedi anche articolo) per assicurare ulteriormente il serraggio con il controdado presente nel set.

QUAL È L'EFFETTO DI UN SERRAGGIO "IMPROPRIO"?

Gli ancoraggi ad espansione devono essere serrati in base ai valori forniti dalle certificazioni ETA per espandere correttamente i cunei e bloccare la piastra. Una coppia insufficiente comporta una sotto-espansione dei cunei. Il rischio principale di un serraggio non sufficiente è che non si attivi correttamente il meccanismo di funzionamento e di conseguenza non si raggiungono le resistenze previste riportate nell’ETA e nel progetto. Quando viene rimosso il precarico/clamping, un ancorante non serrato sufficientemente che viene soggetto a trazione si sposterà con successiva espansione del cuneo e sollevamento della piastra. Un gruppo di ancoranti serrati in modo differente durante l'installazione può avere una distribuzione del carico disuguale sugli ancoranti.

Se non venisse considerata questa distribuzione differente del carico, la capacità complessiva calcolata potrebbe non essere conservativa e si svilupperà anche un carico di bloccaggio non uniforme tra l'elemento di fissaggio e il calcestruzzo. Una coppia eccessiva su un ancorante ad espansione con controllo di coppia potrebbe provocare il verificarsi di varie modalità di rottura, ad esempio la rottura del calcestruzzo. Una coppia eccessiva può anche causare la rottura dell'acciaio dell'ancoraggio, l'estrazione dell'ancorante attraverso i cunei di rottura o l'estrazione dell'intero ancorante dal calcestruzzo di base. L’installazione di un ancoraggio in un foro di diametro sottodimensionato può danneggiare i cunei e inibirne l'espansione durante il serraggio. Inoltre, l'installazione di un ancorante in un foro sovradimensionato fa sì che i cunei non siano in grado di espandersi correttamente quando l'ancoraggio viene serrato o caricato esternamente.

Il serraggio deve essere eseguito con una chiave dinamometrica adeguatamente calibrata. Questo garantisce che venga utilizzata la coppia di installazione specificata dalla certificazione dell’ancorante e aiuta a evitare una coppia insufficiente o eccessiva sull'ancoraggio. Inoltre, essendo l’interfaccia tra le filettature del dado e del bullone parte integrante dello sviluppo del precarico nell'ancoraggio, tali filetti devono essere ispezionati per eventuali danni o incrostazioni prima del serraggio e non devono mai essere lubrificati. Il precarico riduce la quantità di spostamento subita dall'ancoraggio quando sottoposto a carico di trazione esterno e riduce inoltre la fatica dell'ancoraggio sotto carichi ciclici. Il bloccaggio elimina gli spazi tra la piastra e il calcestruzzo. La verifica del valore di coppia porta al tema del ri-serraggio.

Come notato in precedenza, anche in assenza di carico esterno, il precarico derivante dalla torsione tende a diminuire nel tempo a causa del rilassamento anche per un ancorante ad espansione installato in calcestruzzo non fessurato. Nel calcestruzzo fessurato, invece, la perdita del precarico è fortemente legata alla propagazione delle fessure nell'ancorante. Il ri-serraggio di un ancorante a espansione viene utilizzato per reintrodurre un precarico o un bloccaggio (clamping) più elevato di quello residuo. Il nuovo serraggio può essere utilizzato quando è necessario regolare la posizione di un dispositivo o fare manutenzione dello stesso. Le filettature del dado, le filettature dell'ancorante e l'area sotto la rondella devono essere pulite prima di serrarle nuovamente se il dado viene allentato o rimosso. Il ri-serraggio non deve mai superare il valore della coppia indicata nell'ETA e evidenziata nelle IFU del prodotto.

CONCLUSIONI

Questo articolo evidenzia l'importanza della coppia di serraggio relativa all'installazione e al funzionamento degli ancoraggi ad espansione installati nel calcestruzzo. La coppia di installazione crea un precarico di trazione nell'ancorante e un carico di bloccaggio, definito “clamping”, tra l'elemento di fissaggio e il calcestruzzo. Una coppia insufficiente provoca una sotto espansione dei cunei, che si traduce in un "clamping” inferiore a quello previsto dal dispositivo e in un aumento dello spostamento dell'ancorante quando vengono applicati carichi di trazione esterni. In generale il rischio è che non si attivi il meccanismo di funzionamento e che l’ancorante non si comporti come previsto a livello progettuale. Una coppia eccessiva può portare a rotture del calcestruzzo, ad un cedimento dell'acciaio dell'ancorante e, in generale, ad una minore capacità dell’ancoraggio.

L’ancorante ad espansione, adeguatamente qualificato, progettato e installato con la coppia di installazione specificata nell’ETA, funzionerà come previsto se le condizioni al contorno non cambiano durante la vita utile. Le norme richiedono che sia evitato l’allentamento del dado nel caso sismico e per sollecitazioni cicliche a fatica. Per quest’ultima condizione di carico, l’Eurocodice richiede anche che ci sia sempre del precarico senza specificare un valore limite. L’eventuale ri-serraggio non deve mai superare i valori riportati nell’ETA.

La certificazione ETA fornisce valori di coppia di installazione specifici per un ancorante. Per l'installazione e l'ispezione dell'ancoraggio è necessario utilizzare chiavi dinamometriche calibrate o altri utensili indicati nell’ETA. La coppia di serraggio massima infine è sempre esplicitata nel paragrafo “dati di installazione” del report di Hilti Profis Engineering, il programma messo a disposizione dei progettisti per il design e la verifica degli ancoranti conforme alle norme vigenti.

REFERENZE

• How Installation Torque Can Affect Expansion Anchors (structuremag.org): Link
• EN 1992-1-1:2004-12: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, Brussels: CEN, 2004.