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Hilti. Passione. Performance.

La progettazione degli ancorantiin zona sismicain zona sismica

Ing. Stefano Eccheli

ing. Stefano EccheliField Engineer – Lombardia / Emilia

Hilti Italia S.p.A.P.zza Indro Montanelli, 2020099 Sesto San Giovanni (MI)T +39-02 21272 90 | C +39-335 6993762 | F +39-02 21272 402E t f h li@hilti

1www.hilti.it Scuola Edile di Reggio Emilia | 27.07.2012

E [email protected]


Agenda

IntroduzioneIntroduzione

Inquadramento normativoLa normativa nazionale ed europeaLa normativa negli Stati Uniti

La progettazione degli ancoranti in zona sismicaGeneralitàI requisiti degli ancoranti installati in zona sismicaI requisiti degli ancoranti installati in zona sismicaLa simulazione sismica secondo lo Standard ACI 355.2Le certificazioni ICC-ES ReportIl concetto di duttilitàIl concetto di duttilitàLa corretta scelta dell‘ancorante



Introduzione

I terremoti di magnitudine elevata sono molto più comuni di quanto si pensi

2008 2009 2010 2011

China M8.0 New Zealand M7.8 Chile M8.8 Japan M9.0

Indonesia M7.3

Japan M6.9

Indonesia M7.6

Italy M6.3

Mexico M7.2

Haiti M7.0

New Zealand M6.3

Spain M5.3


Chile M6.8 New Zealand M7.0


Introduzione

Gi M9 0

Terremoti: magnitudine e periodo di ritorno

Richter scale(log10 scale)

~15,000 vittime, 125,000 edifici danneggiatio distrutti, NPP danneggiata in seguito a

Giappone M9.0, marzo 2011

tsunami (onde di ~9m)

H iti M7 0 i 2010Haiti M7.0, gennaio 2010

~100,000 vittime, 280,000 distrutti o severamente danneggiati

La preparazione e progettazione


adegauta sono le chiavi per la sicurezza


Introduzione


Mappa del rischio sismico: accelerazione di picco al suolo (PGA) di progettoSource: Global Seismic Hazard Assessment Program


Introduzione

E i t ’ lt l i t d ità di l i i hi i i


Source: WorldTrends 2001 World Resources Institute

Esiste un’alta correlazione tra densità di popolazione e rischio sismico


Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE


Kobe (Great Hanshin) earthquake, Japan, January 17, 1995, 5:46 am


Air conditioning unit, 1995 Kobe earthquake

(photos courtesy of M. Ohkubo )



Karl V. Steinbrugge Collection - NISEE



“The H ogo Ken Nanb Earthq ake of Jan ar 17 1995 NRC/DOE Reconnaissance Report


“The Hyogo-Ken Nanbu Earthquake of January 17, 1995 – NRC/DOE Reconnaissance Report –Draft”, Chokshi, N.C, et al., U.S. Nuclear Regulatory Commission, Rockville, Maryland, 1996.

Agenda




11


CertificazioneProgettazione

Progettazione e certificazione dei prodotti: Europa


European Committee for Standardization (CEN)

European Organization for Technical Approval (EOTA)

European Technical ApprovalEurocodiciCEN-TS 1992-4:2009

Guideline (ETAG)

European Technical Approval (ETA)

Applicazione

OrganizzazioneCodice/StandardLinea Guida


Certificazione


Inquadramento normativo: Europa

Carichi statici

EN 1991-1 (Eurocode 1)Load definition Azioni(Eurocode 1)Load definition

Design resistanceETAG 001, Annex C or

Technical data European Technical

Design resistanceCEN-TS 1992-4:2009

R i tTechnical data pApproval: ETA

f

Resistenze

ETAG 001Pre-qualification criteria

U tt i t è ibil l t tti 4 li l ti


Una progettazione coerente è possibile solo con tutti e 4 gli elementi


Inquadramento normativo: Europa

EN 1998-1:2004 (Eurocode 8)

Carichi sismiciCarichi statici

EN 1991-1 (Eurocode 1)Load definition (Eurocode 8)

CEN-TS 1992-4:2009

(Eurocode 1)Load definition

Design resistanceETAG 001, Annex C or

CEN TS 1992 4:2009Design resistanceCEN-TS 1992-4:2009

Technical data European Technical Technical data pApproval: ETA

f

L tt i è ibil lifi d ti t i i!

ETAG 001Pre-qualification criteria


La progettazione non è possibile senza prequalifica e dati tecnici!



Progettazione e certificazione dei prodotti: U.S.A.

American

International Code Council Evaluation Services (ICC-ES)American

Society of

International Code Council (ICC)

American Concrete Institute (ACI)

ICC-ES Acceptance Criteria (AC193 & AC308)

Society of Civil Engineers (ASCE)

ASCE 7(Loads)

Evaluation Services Report (ESR)

ACI 355.2 (Anchorage)

ACI 318(RC design)

IBC

(Loads) Report (ESR)(Anchorage)(RC design)

Applicazione

OrganizzazioneLinea GuidaCodice / Standard


Certificazione


Ipotesi: è possibile utilizzare l’inquadramentoAmericano con azioni secondo Eurocodice?

EN 1998-1:2004 (Eurocode 8)

Europa USA

ASCE 7Load definition (Eurocode 8)

CEN-TS 1992-4:2009

Load definition

Design resistanceACI 318-08 Appendix D

CEN TS 1992 4:2009Design resistanceAC308

To be derivedTechnical data ICC ESR

ACI 355 2 with

based on pre-qualification criteria

Technical data

f Under development

ICC-ESR

ACI 355.2 with

ICC-ES AC193/AC308

P ibil l l i i d i t d t bi i di i tibili!

Pre-qualification criteria Under developmentby EOTA


Possibile solo se le azioni derivate da entrambi i codici sono compatibili!


Approccio raccomandato per verifiche di ancoranti a sisma in Europa

EN 1998-1:2004 (Eurocode 8)

Design approach

Load definition Azioni(Eurocode 8)Load definition

Design resistanceACI 318-08 Appendix D

ICC-ESR &

Design resistanceAC308

Technical data R i t

ACI 355 2 with

Tech expert reportTechnical data

f

Resistenze

ACI 355.2 with

ICC-ES AC193/AC308

Attraverso validazioni esterne siamo in grado di garantire al progettista un

Pre-qualification criteria


Attraverso validazioni esterne siamo in grado di garantire al progettista un dimensionamento a sisma anche in Europa!

Agenda




18


A i

Durante un terremoto l’ancorante è sottoposto a:

Ampiezzafessure

L’azione sismica sull’ancorante

p1) Cicli di carico2) Variazione dell’ampiezza delle fessure

Struttura primaria

glio

Carichi

Tara

zion

e

Struttura

Tr

Struttura secondaria

Terremoto Struttura Ancorante



Requisiti essenziali di un ancorante qualificato per l’impiego in zone sismiche

essere certificato per l’impiego in

L’ancorante deve:

calcestruzzo fessuratop p g

essere progettato appicando ulteriori coefficienti di sicurezza che riducano le resistenzedi progetto

essere certificato mediante un non precedente al 2007

superare i test di simulazione sismica secondo l’

ICC-ES Report

ACI 355.2p

garantire che il sistema di ancoraggio abbia i necessari requisiti di

Qualora l’ancorante non possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura duttile

duttilità

Qualora l ancorante non possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura duttiledell’elemento metallico, è necessario che il nodo nel suo complesso sia progettato in modo da consentire un meccanismo di rottura duttile con un carico inferiore a quello di progetto dell’ancorantestesso.



Performace di un ancorante in calcestruzzo fessurato

Calcestruzzo fessurato:El t i l t tt t t i

f t di t ib ti i

- Elemento in calcestruzzo sottoposto a trazione- Apertura di fessura superiore a Δw = 0.3 mm

Ancorante in calcestruzzo non fessuratoPresenta una distribuzione degli sforzi simmetricarispetto all’asse dell’ancorante. La resistenza latocalcestruzzo è data dal cono degli sforzi

stress distribution innon-cracked concrete

calcestruzzo è data dal cono degli sforzi.

Ancorante in calcestruzzo fessuratoAncorante in calcestruzzo fessuratoVi è una ridistribuzione degli sforzi con riduzionedella porzione di materiale base che determina la resistenza a trazione lato calcestruzzo.

stress distribution incracked concrete crack pane


Il calcestruzzo fessurato comporta una riduzione della caricabilità dell’ancorante

Agenda




22


Resistenza del calcestruzzo: bassaAmpiezza fessure: Δw = 0,5 mm

Test sismico a trazione

trazione

Ns = 50%Nu

Ni = 1/2(Ns-Nm)+Nm

N 25%NNm = 25%Nu

Requisiti

30 10010 cicli

RequisitiTutti gli ancoranti devono passare il test e, al termine della prova, avere una resistenza residua a trazione non inferiore all’80% della

i à di if i


capacità di riferimento.


Resistenza del calcestruzzo: bassaResistenza del calcestruzzo: bassaAmpiezza delle fessure: Δw = 0,5 mm

taglioV = 50%V

Test sismico a taglio

Vs= 50%Vu

Vi = 1/2(Vs-Vm)+Vm

V 25%VVm= 25%Vu

cicli

10010

3030

RequisitiRequisitiTutti gli ancoranti devono passare il test e, al termine della prova, avere una resistenza residua a taglio non inferiore all’80% della

i à di if i


capacità di riferimento.


www ucsd edu

Test su tavola vibrante in scala 1:1

Englekirk Center

www.ucsd.edu

Englekirk Center

Jacobs School of Engineering

University of California San Diego



7°

4°

Pendinatura verticale

1°

Irrigidimento antisismico



http://www.icc-es.org/reports


Agenda




28


Il concetto di duttilità

Qualora l’ancorante NON possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura

Un sistema di ancoraggio realizzato con ancoranti post-installati deve garantire i necessari requisiti di duttilità.

Qualora l ancorante NON possa garantire che il suo meccanismo critico sia la rottura duttile dell’elemento metallico, è necessario che il nodo, nel suo complesso, sia progettato in modo da consentire un meccanismo di rottura duttile con un carico inferiore a quello di progetto dell’ancorante stesso.

Un ancorante post-installato ha un comportamento duttile o fragile?

E’ necessario studiare ogni caso specifico, considerando:E’ impossibile stabilite a priori se la

rottura di un ancorante avvenga in maniera duttile o fragile il contesto in cui è installato l’ancorantemaniera duttile o fragile. il contesto in cui è installato l ancorante

la geometriail tipo di sollecitazione agenteil meccanismo di collasso


la formazione di cerniere plastiche


1 A i d il d ll’


1. Ancoraggio progettato per rottura duttile dell’ancorante

FyFeq

Piastra di ancoraggio rigida

Ancorante duttile



2 A i f i di i l i


2. Ancoraggio progettato per formazione di cerniera plastica nell’elemento da fissare

Mp F M F

Cerniera plastica

Mp Feq Mp Feq

Mp



3 A i i f i d ll i d l i fi


3. Ancoraggio progettato in funzione della resistenza del sistema fissato

Ancorante progettato

Vult Feq

Ancorante progettato per rottura dell’elemento in legno

Distanza dal bordo troppo


piccola per garantire la rottura duttile lato acciaio del tassello.


4 A i lifi d l f i i


4. Ancoraggio progettato amplificando la forza sismica

FeqFv

Feq

Feq

heq

sNeqeq

Azione sollecitante l’ancorante determinata da un multiplo dell’azione sismica di progetto.



Taglio e momento torcente


In un sistema si ancoraggio sottoposto ad azioni di taglio, la presenza di uno o più bordi nel calcestruzzo può influire in maniera decisiva sulla modalità di rottura del sistemain maniera decisiva sulla modalità di rottura del sistema stesso.

A favore di sicurezza, la normativa prescrive di far assorbire il taglioprescrive di far assorbire il taglio ai soli ancoranti più vicini al bordo, considerando non sollecitati a taglio gli altri tasselli.

Rottura duttile dell’elemento in acciaio

Rottura fragile del bordo di calcestruzzo



Disposizione degli ancoranti nella piastra di ancoraggioNei gruppi di ancoranti risulta fondamente la modalità di trasferimento dell’azione di taglioNei gruppi di ancoranti, risulta fondamente la modalità di trasferimento dell azione di tagliotra piastra e tassello. Può succedere che solo alcuni tasselli entrino in contatto con la piastra, rendendo così disomogenea la risposta del sistema di ancoraggio sollecitato a taglio.g


Caso realeCaso ideale


L’utilizzo del Dynamic Set

Al fine di distribuire l’azione di taglio su TUTTI i tasselli tit ti il i t di i è ibilcostituenti il sistema di ancoragio, è possibile:

1) saldare i tasselli alla piastra

2) riempire lo spazio anulare tra piastra e tassello con resina) e p e o spa o a u a e t a p ast a e tasse o co es a


Agenda




37


DenominazioneCertificazione Ancorante utilizzabile

Resistenza dell’ancoranteETA

ICC-ES

Reportin cls

fessuratoin zone a sismicitàReport fessurato sismicità

Ancorante HDASì media o alta alta

Ancorante HSL-3Sì media o alta alta

ACISì bassa media

Ancorante HST 355.2

Ancorante HUS-H

ACI

355.2Sì bassa media

Ancorante HIT-RE 500 SDSì media o alta alta

Ancorante HIT-HY 200--- Sì bassa alta

A t HVZ--- Sì bassa alta


Ancorante HVZ


Grazie per l’attenzioneGrazie per l’attenzione.



Anchor seismic design resistance: US

● Design steel strength in tension ● Design steel strength in shear

ACI 318-08, Appendix D strength design

● Design concrete breakout strength in tension

● Design concrete breakout strength in shear

● Design pullout/bond strength in ● Design pryout strength in sheartension


*Images taken from ACI 318-08



ACI 318-08, Appendix D seismic provisions: basics

● Seismic provisions apply when Seismic Design Category (SDC) C-F is assigned

● Anchor shall not be installed in plastic hinge regions

● Concrete is considered cracked under seismic activity

● Concrete related design strengths shall● Concrete related design strengths shall be multiplied by 0.75 (φseismic)


SDC: C to F | Cracked concrete | Concrete resistance multiplied by 0.75



ACI 318-08, Appendix D seismic provisions: design approaches

● Connection governed by steel ductile failure of the anchors

● Connection governed by steel failure of the fixture (or steel plate)( p )

● Connection designed● Connection designed for a resistance reduction multiplication factor of 0.4 factor




● φNsa = Design steel strength in tension

ACI 318-08, Appendix D strength design: tensile loading

saNsteelφ Given in the ESR relevant design table( )saNn ⋅steelφ

● φNcb, φNcbg = Design concrete breakout strength in tension

bNNNdNNc

tb NANconcrete ψψψψφφ = x φseismic = 0.75

● φNa φNag= Design pullout/bond strength in tension

bNcpNcNedNecNc

concretecbg NA

N ,,,,0

concrete ψψψψφφ x φseismic 0.75

● φNa, φNag= Design pullout/bond strength in tension

0,,,,0

aNapNaecNagNaedNa

Nabondagbond N

AAN ⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅ ψψψψφφ x φseismic = 0.75





● φVsa = Design steel strength in shear

ACI 318-08, Appendix D strength design: shear loading

( )saVn ⋅steelφ saVsteelφ Given in the ESR relevant design table

● φVcb, φVcbg = Design concrete breakout strength in shear

bVcVedVecVc

concretecbg VAVconcrete ψψψφφ = x φseismic = 0.75

● φVcp φVcpg= Design pryout strength in shear

bVcVedVecVc

concretecbg A ,,,0

concrete ψψψφφ x φseismic 0.75

● φVcp, φVcpg= Design pryout strength in shear

cpgVconcreteφ cbgcpagcpcpg NkNkV ;min=with x φseismic = 0.75





ACI 318-08, Appendix D strength design: interaction of tension and shear

● Determined assuming a tri-linear interaction approach

● The tri-linear approach is a simplified approach to the traditionally


pp p pp yinteraction expression shown on the picture (PA2 uses the real interaction)

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