Come anticipato nel precedente articolo “Fissaggio su acciaio – Tecnologie Hilti a confronto: prigionieri filettati e morsetti”, il fissaggio su acciaio è un aspetto molto importante nel settore delle costruzioni e la scelta della metodologia di fissaggio risulta essere un aspetto cruciale.

Questo articolo esplorerà in dettaglio il comportamento dei prigionieri filettati e dei morsetti Hilti in diverse condizioni, tra cui vibrazioni, carichi a fatica, azioni sismiche e resistenza al fuoco, fornendo una panoramica completa delle prestazioni e delle approvazioni ottenute.

1.NORME

Per i prodotti da costruzione non standardizzati, la Valutazione Tecnica Europea (ETA) [1] fornisce una valutazione indipendente a livello europeo delle caratteristiche essenziali di prestazione. Oltre all'ETA, un prodotto da costruzione può essere valutato anche da altri enti esterni, tra cui Bureau Veritas [2], l'American Bureau of Shipping [3], il RINA [4], varie compagnie di assicurazione per sprinkler (VdS, FM o UL) [5] [6] [7].

Le approvazioni da parte di società esterne garantiscono la conformità, la qualità dei prodotti nonchè la mitigazione del rischio degli edifici.

Anche alcuni prodotti del portfolio Hilti sono stati approvati dagli enti esterni precedentemente citati. Nella tabella successiva, si riportano le approvazioni ottenute per i morsetti a partire da giugno 2024.

Dalle informazioni riportate nella tabella precedente, si evince quindi che i prigionieri filettati hanno una gamma complessivamente più ampia di approvazioni, mentre le qualifiche per i morsetti ricadono maggiormente per applicazioni sprinkler, come per esempio FM. Tuttavia, i morsetti per binari sono dotati di dichiarazione LABS/PWIS [8].

2. COMPORTAMENTO IN CASO DI VIBRAZIONI

La vibrazione è l'oscillazione meccanica di un oggetto attorno ad una posizione di riferimento. Essa si verifica comunemente quando un sistema fisico viene spostato dal suo stato di equilibrio generando delle forze che cercano di ripristinare lo stato e la posizione originali.

Nelle applicazioni di fissaggio con perni filettati, le vibrazioni possono essere causate da molteplici fonti come turbomacchine, nastri trasportatori o carichi dovuti all'azione del vento. Non bisogna però confondere la vibrazione con lo stato di fatica, in quanto il limite di resistenza del materiale non viene raggiunto durante un’oscillazione, come avviene invece, in caso di cedimento per fatica. Durante una vibrazione, si può potenzialmente portare una rotazione del dado/vite, come mostrato in Figura 1.

Al fine di analizzare il comportamento del fissaggio su acciaio con prigionieri filettati contenuti nel portfolio Hilti, sono stati raccolti dati per più di 100 ore, consentendo una comprensione più approfondita dei parametri di vibrazione in termini di frequenza ed ampiezza dei movimenti.

Hilti ha sviluppato un test che valuta le prestazioni di una connessione filettata in un ambiente ricco di vibrazioni quando una sorgente vicina provoca l'oscillazione del materiale fisso. Per rappresentare l'applicazione reale, viene utilizzata una mensola a sbalzo, in cui una massa è fissata all'estremità del braccio di leva (vedere la Figura 2 per una rappresentazione del test). Ogni elemento di fissaggio è contrassegnato per osservare eventuali allentamenti che possono verificarsi a causa della rotazione della vite (effetto vibrazione).

I risultati ottenuti dai test effettuati, indicano l’idoneità dei prigionieri e dei dati flangiati in quanto non sono state osservate rotazioni del dado/vite, allentamenti o slittamenti della trave fissata. Mediante questi test si può notare anche una buona ritenzione della forza di pretensionamento e serraggio del fissaggio. Per quanto riguarda i morsetti invece, è stata testata l’applicazione di MI-SGC con 2 piastre di base (quindi mediante l’utilizzo di 8 morsetti) e con 4 piastre di base (16 morsetti) sottoponendoli ad 1 milione di cicli di carico ciascuno. I risultati di questi test sono utili per il rilascio di Engineering Judgment (EJ), documenti che riportano una valutazione ingegneristica, effettuata tramite test su casi non-standard.

In conclusione, se sono previste delle vibrazioni, il fissaggio più idoneo risulta essere quello con prigionieri filettati, mentre, per il fissaggio mediante morsetti, è necessario un giudizio ingegneristico (EJ).

3. COMPORTAMENTO IN CASO DI CARICHI A FATICA

I carichi a fatica sono carichi ciclici che provocano oscillazioni che variano nel tempo in modo ciclico. Per questo motivo, è complesso distinguere se la fonte di carico dinamico sta causando un carico di fatica o una vibrazione. Inoltre, i carichi dipendono fortemente da parametri come frequenza, ampiezza e distanza dalla sorgente di eccitazioni, difficili da individuare.

Per quanto concerne i prigionieri, lo scopo principale del test dinamico effettuato sugli elementi di fissaggio, è quello di esaminare la robustezza fondamentale dell'ancoraggio dell'elemento di fissaggio nel materiale di base in acciaio e di confermare la resistenza alle porzioni variabili dei carichi imposti in una progettazione quasi statica. Inoltre, mediante i diversi test, si vuole dimostrare che il numero caratteristico di cicli di carico al livello di carico di servizio dell'elemento di fissaggio, supera chiaramente il valore soglia di 10.000, al di sotto del quale le azioni possono essere considerate non rilevanti per la fatica. Per i rari casi in cui è richiesta la progettazione a fatica, dovrebbe essere richiesto un giudizio ingegneristico (EJ), basato su prove o per mezzo della simulazione numerica del dettaglio strutturale [9].

Tuttavia, quando è previsto un carico a fatica, non è consigliato l’utilizzo dei morsetti.

4. COMPORTAMENTO IN CASO DI AZIONE SISMICA

Per quanto riguarda le prestazioni sismiche, i prigionieri filettati X-BT e S-BT HL sono stati testati secondo lo standard AC70 [10] e ASTM E1190 [11]. I risultati dei test dimostrano la robustezza e l'idoneità dei prigionieri a resistere al carico sismico. Sulla base di queste indagini, non saranno necessarie riduzioni di carico come quelle dettate dalle norme nordamericane [10] in termini di tensione, ma vengono apportate lievi riduzioni ai carichi di taglio dovuto alle azioni sismiche. In Europa invece, non sono ancora in vigore il rispettivo processo di qualificazione del prodotto sismico (EAD per carichi sismici) così come le norme europee per la progettazione di elementi di fissaggio diretto in caso di azioni sismiche.

Sulla base delle disposizioni vigenti sulla progettazione degli ancoraggi [12] [13], si può concludere che:

• Gli attuali valori di carico di trazione raccomandati di X-BT e S-BT riportati nel Manuale delle Specifiche (e nel Manuale Tecnico Hilti Direct Fastening [14], rispettivamente) sono applicabili per la progettazione in regime sismico di connessioni di Tipo B (connessioni di elementi non strutturali) che applicano la categoria di prestazione C1 secondo la Relazione Tecnica TR45;
• In caso di carichi di taglio, sono necessarie lievi regolazioni (si può presumere una riduzione della resistenza del 10%) in base ai risultati dei test eseguiti da Hilti [15].

Per quanto riguarda invece i morsetti, Hilti fornisce una soluzione di rinforzo antisismica per applicazioni sprinkler, con MQS-IB coperta da approvazione FM.

5. RESISTENZA AL FUOCO

I prigionieri filettati X-BT sono stati testati anche per valutazione della resistenza alle alte temperature. Il test consiste nel valutare dei prigionieri X-BT fissati ad una piastra in acciaio e collocati in una camera utile per il raggiungimento di una temperatura di test specifica. Sono state testate diverse temperature, da -50°C (5 campioni) a temperature più elevate, ovvero 200°C, 400°C e 600°C (10 campioni ciascuno) [16]. Dopo che il materiale di base ha raggiunto la temperatura definita, è stato eseguito un test di estrazione. I risultati di questi test possono essere visti nella Figura 3.

Alla luce dei risultati dei test ottenuti, possiamo concludere che, se il dispositivo di fissaggio viene utilizzato su strutture in acciaio protette dal fuoco (con temperatura dell'acciaio tipicamente inferiore a 600°C in caso di incendio), le resistenze caratteristiche ad alta temperatura consentono la progettazione del dispositivo di fissaggio in caso di incendio secondo ETA-20/1042, Allegato C3 [17] [18].

Inoltre, sono state testate le resistenze al fuoco di S-BT HL e X-BT anche per applicazioni installate negli impianti di costruzione navale. Queste prove sono state eseguite al fine di comprendere l'effetto degli elementi di fissaggio sulla resistenza meccanica dei materiali di base in acciaio (paratie, ponti). I test sono stati effettuati secondo i requisiti della risoluzione IMO MSC.307 (88), Fire Test Procedure Code, 2010, parte 3 [19], in cui sono stati installati più prigionieri filettati nella faccia non esposta di due diverse paratie soggette al fuoco. Entrambe le paratie hanno superato i criteri di prestazione della risoluzione IMO MSC.307 (88), codice FTP, 2010 per le paratie "A-0". I prigionieri filettati S-BT installati non hanno influito sulla resistenza al fuoco delle paratie in acciaio ed i perni sono stati in grado di mantenere i loro carichi per un periodo di 60 minuti. Sulla base dei risultati dei test, nel documento delle specifiche tecniche S-BT HL [20] è possibile trovare non solo i carichi consigliati, ma anche le condizioni in cui questi carichi si applicano.

Per quanto riguarda invece le resistenze al fuoco dei morsetti proposti nel portfolio Hilti, è necessario valutare l’intera applicazione in quanto la verifica sul singolo morsetto potrebbe portare a risultati fuorvianti. In questo caso, Hilti offre una valutazione specifica sull’applicazione non-standard con conseguente rilascio di EJ (Engineering Judgment).

In conclusione, i test effettuati dimostrano come i prigionieri filettati sono idonei a diverse casistiche di fissaggio su acciaio, anche in situazioni non-standard. Le caratteristiche e le resistenze di questi prodotti sono state anche certificate da enti esterni. É permesso tuttavia, anche l’utilizzo di morsetti, per i quali è necessario lo studio dell’intera applicazione, al fine di fornire una documentazione attestante le resistenze del prodotto. Tuttavia, i morsetti, trovano ampia applicazione certificata per impianti sprinkler.

Per ulteriori approfondimenti sulle tecnologie di fissaggio su acciaio, ti invitiamo a leggere il nostro articolo: “Fissaggio su acciaio – Tecnologie Hilti a confronto: prigionieri filettati e morsetti”.

REFERENCES

[1]       EOTA, “What is an ETA?,” Retrieved from EOTA Website, [Accessed: Jul. 8, 2024].
[2]       Bureau Veritas, "About Us," Retrieved from Bureau Veritas Website, [Accessed: Jul. 8, 2024].
[3]       American Bureau of Shipping, "Who We Are," Retrieved from American Bureau of Shipping Website, [Accessed: Jul. 8, 2024].
[4]       RINA, "RINA at a glance," Retrieved from RINA Website, [Accessed: Jul. 8, 2024].
[5]       VdS – Verband der Schadenversicherer, "About VdS," Retrieved from VdS Website, [Accessed: Jul. 8, 2024].
[6]       FM Global, "About us," Retrieved from FM Global Website, [Accessed: Jul. 8, 2024].
[7]       UL Solutions, "About UL Solutions," Retrieved from UL Solutions Website, [Accessed: Jul. 8, 2024].
[8]       VDMA (Verband Deutscher Maschinen – und Anlagenbau – German Mechanical Engineering Industry Association), "VDMA 24364 – 2018-05 Hydraulic Fluid Power – Fluids – Method for coding the level of contamination by solid particles," 2018.
[9]       H. Beck, M. Siemers, M. Reuter, and E. Schoffendt, "Powder-actuated fasteners and Fastening Screws in Steel Construction," John Wiley & Sons, 2013.
[10]     ICC-ES Evaluation Service, "AC70: Acceptance criteria for fasteners power-driven into concrete, steel and masonry elements," approved February 2013.
[11]     ASTM E-1190-11, "Standard test method for strength of power-actuated fasteners installed in structural members," 2011.
[12]     EOTA, "ETAG 001 Edition 2012, Annex E: Guideline for European technical approvals of metal anchors for use in concrete, Annex E: Assessment of metal anchors under seismic actions," April 2013.
[13]     EOTA, "Technical Report TR 45, Edition February 2013: Design of metal anchors for use in concrete under seismic actions," 2013.
[14]     Hilti, "Direct Fastening Technology Manual 12/2023," 2023.
[15]     H. Beck, "Hilti Test Report XE-14-59," 2014.
[16]     EOTA, "EAD 333037-00-0602: Threaded studs for connection of materials to structural steel members," 2020.
[17]     EOTA, "ETA-20/1042 of 28 April 2021 – Annex C," 2021.
[18]     Hilti, "New Generation Hilti X-BT-GR, X-BT MR and X-BT ER Threaded Fastener Specification," 2021.
[19]     International Maritime Organization, "FTP Code – International Code for Application of Fire Test Procedures, 2010 (Resolution MSC.307 (88))," 2010.

[20]     Hilti, "Hilti S-BT HL Screw-In Threaded Studs – Hilti S-BT HL Specifications," 2023.