1. COS'È UN ANCORANTE POST-INSTALLATO?

Gli ancoranti post-installati aiutano a fornire flessibilità in caso di modifiche, riparazioni e aggiunta di nuove strutture in acciaio alle strutture in calcestruzzo esistenti garantendo che la connessione sia ben eseguita. Questa tecnologia può essere utilizzata in una vasta gamma di applicazioni, inclusi collegamenti strutturali e non strutturali grazie alla semplicità di installazione e contribuendo a pratiche costruttive sostenibili in accordo agli standard moderni. Per le connessioni acciaio-calcestruzzo, gli ancoranti post-installati rappresentano soluzioni affidabili, sicure e conformi alle normative, mantenendo l'integrità strutturale delle applicazioni primarie, secondarie, strutturali temporanee e non strutturali. 

Fig. 1.1: Applicazione tipica in un edificio in costruzione

2. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELL'ANCORANTE

I sistemi di ancoraggio trasferiscono i carichi al materiale di base in diversi modi. Sia in caso di trazione (Fig. 2.1 a) che di taglio (Fig. 2.1 b), il meccanismo di trasferimento del carico prevede l'utilizzo della resistenza a trazione del calcestruzzo. In questo caso ci riferiamo a Teoria del design degli elementi di fissaggio in contrasto alla teoria del calcestruzzo armato, in cui la resistenza alla trazione del calcestruzzo viene solitamente trascurata nel progetto. I meccanismi di trasferimento del carico sono tipicamente identificati come interblocco meccanico, attrito e adesione 
 
Fig. 2.1: Schema della capacità a trazione del calcestruzzo utilizzata per il trasferimento del carico tramite ancoranti post-installati (teoria del design degli elementi di fissaggio)

Gli ancoranti post-installati seguono uno o più dei meccanismi descritti di seguito:

• Interblocco meccanico definisce il principio di funzionamento in cui il carico viene trasferito tramite una superficie di contatto tra l’ancorante e il materiale di base (vedi Fig. 2.2 a). Alcuni fissaggi post-installati sviluppano un interblocco meccanico tra l’ancorante e il materiale di base. Per ottenere questo risultato, il foro cilindrico viene modificato creando un sottosquadro, di dimensioni specifiche in una posizione definita, mediante una punta speciale oppure grazie all’azione di sottosquadro dell’ancorante stesso. Un esempio è il tassello Hilti HDA.
• L’attrito è il principio di trasferimento del carico tipico dei sistemi in cui la forza di espansione viene generata da una clip o da un cuneo premuto contro le pareti del foro durante il processo di installazione. La resistenza per attrito equilibra la forza di trazione esterna sugli ancoranti. Il carico di trazione, N, viene trasferito al materiale di base tramite attrito, R (vedi Fig. 2.2 b). Un esempio è il tassello Hilti HST4.
• L’adesione comporta il trasferimento del carico esterno al calcestruzzo tramite un legame adesivo (vedi Fig. 2.2 c). Le forze vengono trasferite dall’elemento di ancoraggio (ad esempio, una barra filettata) alla malta tramite interblocco meccanico e al materiale di base attraverso una combinazione di micro-interblocco e adesione chimica tra la malta e la superficie laterale del foro. Un esempio è l’ancorante chimico Hilti HIT-HY 200 A V3.

Fig. 2.2: Diversi meccanismi di trasferimento del carico e esempi di ancoranti post-installati Hilti che seguono tali meccanismi

3. MODALITÀ DI ROTTURA SOTTO CARICO DI TRAZIONE

Gli ancoranti post-installati possono cedere in vari modi se il carico applicato supera la loro resistenza. Le modalità di rottura possono essere distinte per diverse direzioni di carico, tensione (Fig. 3.1) e taglio (Fig. 4.1). Le modalità di rottura possono essere inoltre distinte tra rottura del fissaggio (rottura lato acciaio) e rottura del materiale di base o dell'interfaccia tra l'ancorante e il materiale di base (rottura lato calcestruzzo). 
 
Fig. 3.1: Diverse modalità di rottura dovute al carico di trazione

Di seguito sono descritte diverse modalità di rottura lato acciaio e calcestruzzo.
• La rottura lato acciaio si verifica quando le tensioni indotte dal carico di trazione nella sezione trasversale più piccola dell'ancorante superano la resistenza ultima dell'acciaio stesso (Fig. 3.2). 

Fig. 3.2: Rottura dell'acciaio sotto carico di trazione

Per ottenere una maggiore resistenza sotto questa modalità di rottura, si può seguire una di queste strategie (o una combinazione di esse): 
1) aumentare il numero di ancoranti; 
2) selezionare una classe di acciaio più elevata per l’ancorante;
3) aumentare il diametro dell'ancoranti post-installati.

• La rottura conica del calcestruzzo è caratterizzata dalla formazione di una superficie di frattura a forma di cono che ha origine nella zona di trasferimento del carico dall'ancorante post-installato e si irradia verso la superficie del calcestruzzo con un angolo di circa 35° tra la fessura radiale inclinata e la superficie del calcestruzzo (Fig. 3.3).  
 

Fig. 3.3: Rottura del cono di calcestruzzo sotto carico di trazione

Per ottenere una maggiore resistenza del cono in calcestruzzo, si può seguire una delle strategie (o una combinazione di esse): 
1) aumentare l’interasse tra gli ancoranti post-installati; 
2) aumentare la profondità di posa; 
3) prevedere come materiale di base un calcestruzzo di classe superiore.

• Rottura per sfilamento si verifica quando l'intero ancorante post-installato viene estratto dal foro senza danni significativi al materiale di base (Fig. 3.4). 

Fig. 3.4: Rottura del pullout in tensione

Per migliorare la resistenza a pull-out, si può seguire una delle strategie (o una combinazione di esse): 
1) scelta di ancoranti post-installati aventi resistenza più elevata; 
2) aumentare il diametro degli ancoranti; 
3) aumentare il numero di ancoranti.

• Rottura combinata per sfilamento e conica lato calcestruzzo è applicabile solo agli ancoranti chimici. Questo meccanismo di crisi è una combinazione tra l’estrazione dovuta alla perdita di adesione tra l'ancoraggio e il calcestruzzo e la formazione di un cono di calcestruzzo poco profondo vicino alla superficie del calcestruzzo stesso (Fig. 3.5).

Fig. 3.5: Rottura combinata per sfilamento e conica lato calcestruzzo sotto carico a trazione

• Rottura per fessurazione causata da sollecitazioni nell’intorno dell'ancoraggio che hanno origine dal trasferimento locale del carico e dalle forze di espansione che determinano il superamento della resistenza a trazione del calcestruzzo (Fig. 3.6). Questa modalità di rottura può verificarsi durante l'installazione di un ancorante se non viene rispettato l’interasse minimo tra essi, le distanze dal bordo o gli spessori minimi del materiale base, oppure a causa del carico in condizioni di vicinanza al bordo.
È possibile evitare la rottura per fessurazione durante l'installazione rispettando le seguenti condizioni, come indicato nell’ETA di prodotto: 
1) distanza minima dal bordo 
2) distanza minima tra gli ancoraggi 
3) spessore minimo del materiale di base.

Strategie efficaci per aumentare la resistenza a rottura per splitting sono: 
1) aumentare la distanza dal bordo e l’interasse tra i dispositivi di fissaggio; 
2) ridurre la profondità di ancoraggio; 
3) considerare il calcestruzzo fessurato durante il design tenendo conto di un’armatura di rinforzo sufficiente nel materiale di base tale da limitare la larghezza delle fessure.

Fig. 3.6: Rottura per fessurazione sotto carico di trazione

• Rottura per espulsione del calcestruzzo è il risultato delle elevate pressioni di contatto generate nell’area di trasferimento del carico dell’ancoraggio (Fig. 3.7). Queste elevate tensioni di contatto causano forze di espansione trasversali alla direzione del carico, creando una rottura del calcestruzzo sulla faccia laterale dell’elemento. Questa modalità di rottura può essere determinante in condizioni di prossimità al bordo e grandi profondità di ancoraggio, che solitamente si hanno nei tirafondi ma di norma non con ancoraggi post-installati. Per evitare questa rottura, è necessario aumentare la distanza dal bordo.

Fig. 3.7: Rottura per espulsione del calcestruzzo

4. MODALITÀ DI ROTTURA SOTTO CARICO DI TAGLIO

Gli ancoraggi post-installati possono subire rotture dell’acciaio o del calcestruzzo sotto carico di taglio, con o senza braccio di leva.

Fig. 4.1: Diversi tipi di rottura dovuti al carico di taglio

• Rottura lato acciaio si verifica quando le tensioni di trazione indotte dal carico agente nella sezione più piccola dell’ancoraggio superano la resistenza ultima dell’acciaio (Fig. 4.2). Se il carico di taglio viene applicato con un braccio di leva, la resistenza si riduce a causa delle ulteriori tensioni di trazione generate dal momento flettente.

a) Rottura senza braccio di leva

 

b) Rottura con braccio di leva
Fig. 4.2: Rottura dell'acciaio sotto carico di taglio

Per aumentare la resistenza contro questa modalità di rottura: 
1) selezionare un acciaio più resistente;
2) aumentare il diametro dell'ancorante; 
3) aumentare il numero di ancoranti.

• Rottura per “pry-out” del calcestruzzo si verifica principalmente nei casi di ridotta profondità di ancoraggio. È causata dalla rotazione del fissaggio e dalla forza di trazione a catena generata nel fusto di ancoraggio come risultato della deformazione laterale e dell’eccentricità tra la forza di taglio agente e la forza resistente risultante nel calcestruzzo (Fig. 4.3). La rottura per pry-out dipende dalla resistenza a rottura conica e a sfilamento. Pertanto la resistenza a pry-out sarà maggiore all’aumentare del valore di resistenza per queste due modalità di rottura.

Fig. 4.3: Rottura per pry-out del calcestruzzo sotto carico di taglio

• Rottura del bordo di calcestruzzo sotto carico di taglio si verifica quando gli ancoraggi sono vicini a un bordo nella direzione del carico. È caratterizzata dalla formazione di una superficie di frattura a forma di cono che origina dal fusto dell’ancorante e si propaga verso il bordo del calcestruzzo con un angolo di circa 35° (Fig. 4.4). Questa modalità di rottura è anche indicata come “concrete break-out” sotto carico di taglio. La resistenza a rottura può essere migliorata aumentando:
1) la distanza dal bordo per la prima fila di ancoranti;
2) la profondità di ancoraggio; 
3) l’interasse e il diametro degli ancoranti.

Fig. 4.4: Rottura del bordo di calcestruzzo sotto carico di taglio

5. CONCLUSIONE

In conclusione, gli ancoranti post-installati sono componenti critici utilizzati per fissare elementi strutturali e non strutturali al calcestruzzo. Pertanto, il loro cedimento può comportare gravi rischi per la sicurezza. Comprendere e affrontare correttamente le modalità di rottura è fondamentale per garantire la sicurezza strutturale, le prestazioni e la conformità alle norme. Una progettazione conforme alle normative e finalizzata a garantire la resistenza richiesta contro le modalità di rottura a trazione e a taglio, contribuisce a garantire l’integrità strutturale, prevenire rischi per la sicurezza ed evitare costose riparazioni e perdite di tempo. Per ulteriori informazioni dettagliate, consulta il manuale Hilti delle connessioni acciaio-calcestruzzo al seguente link. Per iniziare a progettare accedi subito alla Suite di PROFIS Engineering!

REFERENZE

[1] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018. 
[2] S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.