Progettazione e dimensionamenti: Prescrizioni per l'ancoraggio

Progettazione di una facciata ventilata

Il pacchetto di offerta del Gruppo Rossi comprende, come noto, anche la progettazione di una facciata ventilata, tenendo in considerazione le caratteristiche dettate dai capitolati d'appalto e/o le variabili precisate dal Cliente, tenendo cioè conto sia dell'aspetto funzionale ed architettonico, sia dell'aspetto ingegneristico e quindi dimensionale. 
Nulla viene lasciato al caso, dall’isolamento a cappotto al rivestimento vero e proprio. 
Appoggiarsi a Rossi significa disporre di una struttura la cui articolazione è tale da non lasciare spazio ad improvvisazioni di sorta. 
Nulla viene da noi sottoscritto se non documentabile e documentato sotto l'aspetto ingegneristico. 
Per tale certezza e per il ns. riconosciuto know-how, sempre più spesso, Imprese, Studi di Ingegneria e di Architettura, nonché Enti Pubblici ed Imprese di costruzione si rivolgono a noi per la redazione di capitolati d'appalto, con la consapevolezza di poter disporre sin dalle prime fasi di progettazione, di un servizio globale rapportato ad un grado di know-how progettuale ed operativo difficilmente eguagliabile ed unanimemente riconosciuto.

Il pacchetto dei servizi proposti da Rossi comprende:

  • Verifica igrotermica
  • Studio e progettazione della facciata ventilata
  • Rilievi sul rustico
  • Restituzione grafica computerizzata di casellari architettonici esecutivi
  • Restituzione grafica computerizzata dell’abaco di lavorazione delle lastre
  • Studio e progettazione dei sistemi di ancoraggio, sia standard che riferiti a nodi particolari di carattere strutturale e/o architettonico
  • Dimensionamento, produzione e fornitura dei sistemi di ancoraggio in tutti i loro componenti 
  • Relazione di calcolo firmata da Ingegnere iscritto all’Albo
  • Posa in opera con proprie squadre di montaggio

Il tutto, visto con l’occhio del “dejà vu”, cioè di chi conosce, per esperienza vissuta quotidianamente sui cantieri, tutte le problematiche che normalmente si riscontrano in corso d’opera.
Per le opere di particolare entità ed importanza, laddove fornisca i sistemi di ancoraggio ma non operi direttamente come posa in opera, Rossi propone altresì un servizio specifico di “Consulenza di montaggio”, onde assicurare una guida sicura alle squadre di posa ed una attenta sorveglianza della buona esecuzione dei lavori dal punto di vista tecnico ed architettonico.

L'ancoraggio in generale

Ed ora, innanzi tutto, andiamo in dettaglio sulla tecnica di ancoraggio, poiché essa non può prescindere da alcune considerazioni di carattere generale, che sono alla base di qualunque sistema di ancoraggio.

1 - Fattori di incidenza sulla caricabilità dell'ancoraggio su CLS

I fattori di incidenza sulla caricabilità dell'ancoraggio sono:

  • consistenza della struttura
  • profondità dell 'ancoraggio
  • interasse applicato, cioè distanza tra singoli ancoranti
  • distanza da margine e da spigolo della struttura
  • staticità o dinamicità dei carico

In particolare, si può affermare che più che di una tenuta dell 'ancorante si dovrebbe parlare di "caricabilità del punto di fissaggio"

Infatti, se correttamente installato, l'ancorante fa corpo unico con la struttura, investendone una zona determinata che in termini tecnici viene definita "zona di tensione"

Chiarito questo concetto, allo scopo di una maggiore comprensione dei dati di installazione, riteniamo utile ed opportuna una disamina dei fattori sopra citati.

1.a Consistenza della struttura

Tale fattore è importantissimo soprattutto nel caso di installazione di carichi medio-pesanti.
Per semplificare, possiamo dire che, al di là della scelta dimensionale dello ancorante in rapporto al carico previsto, la struttura deve poter sopportare di per sé tale carico col dovuto coefficiente di sicurezza, proprio perché fa "corpo unico" con l'ancorante e diviene quindi, essa stessa, "portante"

E' quindi opportuno chiarire che, laddove non specificato diversamente, i carichi di rottura da cui si devono desumere i carichi ammissibili degli ancoranti sono riferiti a strutture in calcestruzzo armato o precompresso di classe di resistenza pari a 350 Kgf/cm2.

1.b Profondità dell'ancoraggio

Partendo dal concetto di "zona di tensione", si può affermare che vi è una stretta relazione tra la stessa e la profondità di ancoraggio, nel caso di fissaggi su calcestruzzo.
Poiché infatti la forza di espansione dell 'ancorante si scarica sul calcestruzzo, si crea una zona sollecitata, detta appunto "zona di tensione" la cui grandezza è determinata dalla profondità a cui avviene l'espansione.
Il vertice del cono di rottura del calcestruzzo, infatti, si colloca sempre intorno al punto di espansione dell 'ancorante, come schematizzato in fig. 1.

 Fig. 1

Fig. 1


Sottoponendo I'ancorante ad un carico di estrazione assiale pari al carico di rottura, a mezzo di un estrattore idraulico installato su un supporto a campana di diametro superiore all 'interasse minimo prescritto, se rispettati tutti i criteri di installazione, si possono verificare due possibilità:

  • rottura dell 'ancorante sottoposto a trazione
  • distacco della zona di tensione, cioè del blocco di calcestruzzo su cui è installato I'ancorante stesso.

In tale eventualità, si può venficare come la suddetta zona abbia una conformazione conica il cui apice è intorno al punto di massima espansione dell'ancorante. Va comunque tenuto presente quanto segue:

  • il concetto di zona di tensione serve a far capire I 'importanza della interconnessione funzionale tra profondità minima di ancoraggio - interasse minimo tra ancoranti distanza minima da margini e spigoli della struttura e carichi di rottura.

  • a parità di ancorante adottato, una maggiore profondità di ancoraggio (con conseguente aumento dell'interasse e della distanza dal margine) crea una più vasta zona di tensione e garantisce una maggior tenuta della struttura ma non aumenta,di norma, il carico di rottura dell'ancorante.

  • è consigliata una maggior profondità di ancoraggio in presenza di strutture la cui parte superficiale non risulti compatta, perché sgretolata, fessurata o umida, oppure qualora si presumano fenomeni di carbonatazione del calcestruzzo.

Il concetto che pertanto deve essere acquisito è quello di caricabilità del "punto di ancoraggio" inteso quale "zona di tensione". 

1.c Interasse tra singoli ancoranti

Da quanto sopra detto, è facile intuire come sia importante il rispetto dello interasse tra singoli ancoranti.
Poiché infatti ogni punto di ancoraggio insiste su una zona di tensione a superficie circolare e conformazione conica, che è essenziale ai fini della caricabilità massima ammissibile, una riduzione dell'interasse comporta una riduzione di detta caricabilità, per effetto del fenomeno di "intersezione dei coni", come descritto in fig. 2.

 Fig. 2

Fig. 2

Sulla riduzione dei carichi ammissibili in rapporto alla riduzione dell'interasse, così come in rapporto alle distanze da margine o in presenza di riduzione di entrambi i fattori, torneremo più avanti.

1.d Distanza dal margine

Anche per quanto concerne la distanza minima dal margine vale lo stesso discorso. 
Una riduzione della distanza dal margine non crea certamente un 'intersezione dei coni, ma riduce in ogni caso la zona di tensione, diminuendo la caricabilità massima ammissibile di detta zona e quindi del punto di fissaggio, come si può vedere in fig. 3.

 Fig. 3

Fig. 3

Nota: in caso di strutture con spigolo su angolo superiore a 90°, si potrebbe verificare che, pur essendo sufficiente la distanza dai margini, non lo sia quella dallo spigolo. 
Per la verifica di tale distanza, adottare la seguente formula:

Transient

dove "ds" è la distanza minima da spigolo e "ar" è la distanza minima dal margine.

1.e Staticità o dinamicità del carico

E' facile intuire come un carico dinamico solleciti maggiormente la zona di tensione. Tale sollecitazione può essere, per usare termini comprensibili, normale (come ad es. nel caso di binari di scorrimento di una linea metropolitana) o anormale (ad es. sollecitazioni di carattere sismico). 
Inoltre può investire il punto di fissaggio in senso assiale, in senso obliquo, in senso perpendicolare o in modo combinato. 
Riservandoci di tornare sull'argomento, con particolare nferimento alle interazioni delle forze di carico, per ora ci sembra opportuno sottolineare come la certezza o anche la pura probabilità di configurazione di un carico dinamico debba indurre ad applicare i dovuti coefficienti di sicurezza nella scelta del tipo o misura di ancorante e soprattutto in sede di calcolo del carico ammissibile.

2- Carico di rottura

Per carico di rottura si intende il carico che è stato applicato all 'ancorante (come descritto in 1.b) per ottenerne la rottura, o, in caso contrario, per ottenere il cedimento della zona di tensione, cioé della struttura. 
In ciò è implicito come il carico di rottura non possa e non debba confondersi con il carico ammissibile.

3- Carico ammissibile

Per carico ammissibile si intende il carico massimo applicabile al singolo ancorante, nel pieno rispetto dei criteri di installazione descritti e cioè:

  1. del sistema di foratura e di applicazione dell 'ancoraggio
  2. della profondità d'ancoraggio
  3. dell'interasse necessario tra ancoranti
  4. delle distanze necessarie da margine e spigolo.

E' evidente come il carico ammissibile sia la risultante di una riduzione del carico di rottura sulla base di particolari coefficienti di sicurezza, sostanzialmente dipendenti dalle condizioni e dalle caratteristiche del carico applicato. 

3.a Calcolo del carico ammissibile

Il calcolo del carico ammissibile deve tener conto di molteplici fattori, quali:

  • resistenza caratteristica della struttura
  • staticità o dinamicità del carico
  • entità e direzione del carico
  • sollecitazioni ortogonali e non ortogonali al carico

La complessità di tali fattori rende implicito come il calcolo del carico ammissibile sia assoluto dominio del Progettista. 
In via del tutto indicativa, forniamo il seguente prospetto:

Condizioni di carico
Fattori di sicurezza
Sollecitazioni dinamiche
statico
3-4
-
dinamico
5-6
non ortogonali al carico
dinamico
7-8
ortogonali al carico

In ogni caso deve essere verificata la seguente relazione:

carico applicato < carico ammissibile

dove per carico applicato si intende la sommatoria dell 'entità del carico e della entità di eventuali sollecitazioni ortogonali o no e per carico ammissibile si intende il risultato della riduzione del carico di rottura in funzione del fattore di sicurezza stabilito dai Progettista. 
Poiché il carico di rottura indicato per ogni singolo ancorante, ove non diversamente specificato, è il risultato di prove effettuate su calcestruzzo CLS R 350 e su ancoraggi a determinate profondità, ne consegue che ai finì di calcolo del carico ammissibile il Progettista debba tener conto anche e soprattutto delle caratteristiche del calcestruzzo e della profondità di ancoraggio attuabile.

3.b Carico ammissibile in presunte condizioni sismiche

In caso di installazioni da effettuarsi in zone definite a rischio sismico, è d'obbligo adottare particolari fattori di sicurezza, indipendentemente dal tipo di carico. 
Esistendo in ogni Stato precise normative in materia, sarà compito primario del Progettista I'accertamento delle stesse e la determinazione dei fattori di sicurezza prescritti nella formulazione dei carichi ammissibili.
Secondo la normativa ASME III - USA, riferita a costruzioni di centrali nucleari, le situazioni vibratorie sono definite come segue:

  • Faulted: situazioni molto poco probabili
  • Emergency: situazioni di emergenza
  • Normal and Upset: situazioni di normale sismicità

A seconda delle condizioni presunte ed in via del tutto indicativa, fermo restando quanto precisato al par. 2, forniamo la seguente tabella dei valori di sicurezza: 

Condizioni
Carico ammissibile
 
Estrazione
Taglio
Faulted
20 % FZ
24 % FQ
Emergency
17 % FZ
19 % FQ
Normal - Upset
14 % FZ
14 % FQ

FZ = carico di rottura all 'estrazione 
FQ = carico di rottura al taglio

La normativa italiana per le costruzioni in zone sismiche

Per le costruzioni in zone sismiche, la normativa in vigore prevede che, oltre alle normali verifiche di calcolo dei dimensionamenti, debbano essere valutate le sollecitazioni a carico delle sottostrutture, verificandone, quali elementi strutturali, la compatibilità delle deformazioni, nonché la validità dei collegamenti.
Per quanto concerne questa materia, squisitamente ingegneristica, si rimanda alla normativa in vigore, prevista dal D.M. 16 gennaio 1996, che stabilisce i criteri di verifica degli elementi strutturali di una costruzione in zona sismica.
Per altro, trattasi di materia normativa in evoluzione: infatti, un’ordinanza, approvata dal Consiglio dei ministri in data 26 marzo 2003, contiene la riclassificazione delle zone a rischio sismico. 
L'aggiornamento della mappa, che era stata completata nel 1984 per mezzo di decreti del Ministero dei L.L.P.P., è stato elaborato anche sulla base della classificazione stilata dal Consiglio Sismico Nazionale nel 1997.
La novità della nuova mappa sismica sta nel fatto che tutto il territorio nazionale viene considerato praticamente a rischio sismico includendo nell’ambito della zona 4 tutti quei territori che sono stati esclusi sino ad oggi da ogni classificazione sismica.
L’ordinanza rimane comunque il primo passo di una nuova disciplina, poiché è previsto che entro un anno (cioè entro marzo 2004) lo Stato fornisca la reale indicazione delle zone sismiche del territorio italiano elaborate a seguito dell’applicazione dei nuovi criteri. 
Allo stato attuale (settembre 2003) solo le Regioni Friuli, Emilia e Toscana hanno fornito una precisa classificazione sismica per i vari comuni insistenti nell'area di competenza.
L’ordinanza si occupa anche del recepimento dell’Eurocodice 8, ossia delle norme europee sulla progettazione antisismica di edifici, ponti e fondazioni e questo significa che i tecnici dovranno ben presto abbandonare il tradizionale sistema di calcolo basato sulle tensioni ammissibili per applicare quello degli stati limite.

3.c Carico distanziato e momento flettente

Qualora la tipologia di applicazione preveda il posizionamento di carichi a sbalzo, cioè distanziati dal filo della struttura, deve essere tenuto presente che il carico ammissibile dell 'ancoraggio, verificato in condizioni di interazione (vedere oltre), non deve assolutamente superare il momento flettente ammissibile della barra, del bullone o della staffa su cui insiste.
Per maggior sicurezza nel calcolo del momento flettente, si consiglia di aumentare opportunamente il braccio (distanza del carico dalla struttura), nonchè di considerare risultanze diverse che possano essere determinate dalla interposizione di eventuali supporti.

Qualora il fissaggio debba essere effettuato con ancoranti a gancio, ad occhiolo o con staffe, si tenga sempre presente che, al di là del carico ammissibile riferito all 'eventuale ancorante "femmina", ciò che conta è il momento flettente ammissibile del gancio, dell 'occhiolo o delle staffe su cui grava il carico applicato.

3.d Interazione di forze lineari

Parlando del calcolo del carico ammissibile, non si può prescindere dal considerare situazioni in cui il carico non sia disposto a senso unico.
Si tratta di situazioni applicative in cui si deve calcolare un'interazione simultanea di carichi diversi, situazione, cioè, in cui vi è una combinazione di fattori di carico disposti in senso ortogonale sia all'estrazione che al taglio.
Basti pensare per esempio ad un carico disposto in tensione obliqua.
In tal caso il calcolo del carico ammissibile deve tener conto sia della caricabilità all'estrazione Za che della caricabilità al taglio Qa.

Transient

A tal fine, assunto come Z il carico applicato all'estrazione e come Q il carico applicato al taglio deve essere verificata la seguente relazione:

Transient

ovvero:

Transient

Pur essendo restrittiva per valori al taglio può essere adottata anche la seguente formula:

Transient

dove: 

• F=carico ammissibile
• Z=carico applicato all 'estrazione
• Q=carico applicato al taglio

4- Calcolo di riduzione del carico ammissibile

Abbiamo precedentemente sottolineato l'importanza del rispetto delle distanze interassiali e delle distanze dal margine ai fini di integrità della 'zona di tensione'.
Qualora ciò non sia possibile e pertanto si verifichi, a seconda dei casi, una intersezione e/o una riduzione della singola zona, ne consegue un 'automatica riduzione del carico ammissibile.
In tal caso è necessario calcolare detta riduzione, come sotto specificato.

Legenda:

  • F    = carico ammissibile (Za o Qa)
  • rF   = riduzione del carico ammissibile
  • a    = interasse
  • ar   = distanza dal margine
  • Ka  = fattore di riduzione dell 'interasse
  • Kar = fattore di riduzione distanza dal margine

4.a Calcolo di riduzione del carico ammissibile per riduzione della distanza interassiale

Transient

4.b Calcolo di riduzione del carico ammissibile per riduzione della distanza dal margine

Transient

Ka = fattore di riduzione per ciascuna distanza dal margine

4.c Calcolo di riduzione del carico ammissibile per riduzione simultanea dell'interasse e della distanza dal margine

rF = F  Ka Kar

e qualora si riducano diverse distanze dal margine

rF = F Ka Kar1 Kar2 Kar3 ...

4.d Calcolo di riduzione del carico ammissibile per riduzione della resistenza caratteristica del calcestruzzo

Come specificato al capitolo 1.a, i carichi di rottura riportati sul nostro catalogo, ove non specificato diversamente, sono riferiti ad installazioni su calcestruzzo armato o pre­compresso della classe di resistenza R 350 Kgf/cmq.
Il grafico rappresenta in termini percentuali la riduzione del carico ammissibile (ovvero la 'performance'  dell 'ancorante) in relazione alla ridotta resistenza caratteristica del calcestruzzo.

Transient

5- Pre-carico e coppia di serraggio

Riteniamo opportuno, infine, un breve cenno sull'importanza del rispetto della coppia di serraggio. 
Per coppia di serraggio si intende la forza applicata con chiave dinamometrica nel serraggio dell'ancorante. 
Il rispetto della coppia di serraggio è I'unica assoluta garanzia di ottenere la massima espansione dell'ancorante in rapporto alla forza di opposizione della struttura ed alle caratteristiche meccaniche dello stesso.
Inoltre, specie nel caso di carichi sottoposti a vibrazioni, se l'ancoraggio è avvenuto con I'utilizzo di chiave dinamometrica ed alla giusta coppia di serraggio, può esserne venficata la tenuta nel tempo. 
L 'utilizzo di chiave dinamometrica, o meglio di avvitatori elettronici, è altresì raccomandato per una corretta applicazione del "pre-carico" sulla vite (inteso come pre-carico di sicurezza, cioé al di sotto del limite di elasticità). 
Anche in situazioni di cosiddetto carico statico sono sempre presenti sollecitazioni dinamiche, per assestamenti, vibrazioni, oscillazioni, et cetera..
Più che al numero dei cicli, le rotture sono dovute alla frequenza di tali sollecitazioni.
Quando i valori massimi di carico superano il pre-carico della vite, la stessa non potrà che rompersi.
Nel calcolo del carico dinamico, dovremo pertanto tener presente che la sua punta massima non dovrà superare il valore di pre-carico della vite.
Al fine di una più precisa verifica del pre-carico della vite, si consiglia l'utilizzo di avvitatori a regolazione elettronica, i quali rilevano, tramite trasduttori, tutti i dati relativi a tensione e allungamento della vite, misurando il progressivo incremento della coppia (forza di torsione).