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Nuove disposizioni di progettazione per i fissaggi dei binari di ancoraggio secondo il CEN

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Figura 3: Determinazione dei carichi agenti sul sistema

Hilti Corporation, Principato del Liechtenstein

Questo documento è stato presentato a Elevco N USA 2012, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 19, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori iaee (sito web: www.elevcon.com). Questo documento è una ristampa esatta e non è stato modificato da ELEVATOR WORLD.
Parole chiave: progetto del canale di ancoraggio, ETA, sistema di fissaggio, carico di rottura, fatica

Astratto

Gli architetti specificano i canali di ancoraggio gettati come metodo di ancoraggio alternativo. I principi di progettazione basati sull'approvazione nazionale tedesca (DIBt) risalgono ai primi anni settanta e si basano sulla rottura dell'acciaio. Il nuovo codice europeo CEN-TS 1992-4-3 copre in modo completo il design del canale di ancoraggio con fattori di sicurezza parziali e flessibilità di progettazione attraverso l'uso di vari parametri. Questo documento discute le differenze strutturali nei due concetti di design. Viene anche brevemente descritta la procedura di verifica per la progettazione del canale di ancoraggio. Infine, vengono spiegati i vantaggi in termini di sicurezza aggiuntiva ed efficienza dei costi nel fissaggio di binari e porte.

1. introduzione

Negli ultimi 10 anni o più si è affermato un concetto per la progettazione di ancoraggi post-installati che, in contrasto con il concetto molto semplificato precedentemente in uso, consente un approccio significativamente più dettagliato alla situazione di sollecitazione. Questo concetto permette di rappresentare in dettaglio non solo le forze esterne agenti sugli ancoranti ma anche la resistenza degli ancoranti alle sollecitazioni applicabili. I test completi tengono conto della probabilità di rottura dell'ancoraggio nel materiale di base per le seguenti tre possibili categorie di guasto:

  1. Cedimento dell'acciaio: il materiale di cui è fatto l'ancoraggio si rompe a causa dello stress applicato su di esso
  2. Guasto funzionale: il principio di ancoraggio dell'ancoraggio fallisce a causa della sollecitazione applicata all'ancoraggio
  3. Guasto del materiale di base: il materiale di base in cui è fissato l'ancoraggio si rompe a causa dello stress trasferito su di esso

Le incertezze nell'approccio alle sollecitazioni dettagliate e ai fattori di resistenza sono prese in considerazione da fattori di sicurezza parziali. Il concetto di design molto semplificato precedentemente in uso, basato sullo stato delle conoscenze di questo argomento negli anni settanta, è stato sostituito da una procedura più complessa che incorpora i progressi fatti nella teoria dell'ancoraggio e nella tecnologia dei test. La necessità di calcoli più impegnativi è compensata dall'uso del software per computer più recente. È quindi ora possibile per architetti e ingegneri edili progettare una disposizione di ancoraggio più efficiente in termini di costi e di sicurezza in un tempo relativamente breve. Questo moderno concetto di progettazione di ancoranti è stato sviluppato da EOTA, l'Organizzazione europea per le approvazioni tecniche, e la sua implementazione è supportata da tutti i produttori di ancoranti europei.

Allo stesso modo, anche il design del canale di ancoraggio segue un concetto di design notevolmente semplificato. Questo concetto di progettazione dettagliato basato su fattori di sicurezza parziali è disponibile anche per i binari di ancoraggio dal 2010. Utilizzato da diversi produttori di binari di ancoraggio, è già in fase di implementazione. Durante lo sviluppo della propria gamma di binari di ancoraggio, Hilti ha deciso che era logico che i principi di progettazione utilizzati dovessero essere in linea con il già noto concetto di progettazione dettagliata allo stato dell'arte che incorporava fattori di sicurezza parziali.

I paragrafi seguenti riassumono le differenze tra i due concetti di design in uso oggi e danno uno sguardo dettagliato al concetto aggiornato.

2. Progettazione del canale di ancoraggio basata sull'approvazione DIbt esistente per il canale di ancoraggio gettato in opera

L'approvazione DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) suggerisce l'uso di un ausilio alla selezione semplificato orientato ai carichi massimi di trazione e taglio che possono essere assunti dal canale di ancoraggio nel calcestruzzo.

Questa semplificazione si basa sul presupposto che le forze esterne agenti sul canale possano essere consolidate. Tutte le forze che agiscono sull'oggetto sono viste come forze singole o in coppie distanziate a una distanza ≥100 mm (per la dimensione del canale 28/15). Tutte le forze che agiscono sull'oggetto sono considerate forze di trazione purché agiscano con un angolo inferiore o superiore a 15°. Con un angolo di 15° si osserva un improvviso aumento del carico consentito. La scelta semplificata disponibile suddivide il canale in singole campate che sono ancorate da due tirafondi, ciascuno posizionato ad un minimo di 25-35 mm dall'estremità del canale. Per il design non fa differenza se la forza di trazione agisce sul canale al centro tra due tirafondi o direttamente su un bullone. Queste ipotesi semplificatrici fanno sì che le forze di sollecitazione massime vengano prese in considerazione sotto forma di classi di carico rigide (= rottura dell'acciaio). I valori di carico massimo sono forniti per uno o un massimo di due gradi di resistenza del calcestruzzo per dimensione del profilo del canale. Con riferimento al materiale in cui è ancorato il canale sono riportati anche i valori di distanza dal bordo, interasse e spessore del calcestruzzo. I valori inferiori a questi non devono essere utilizzati se devono essere applicati i carichi massimi indicati nell'omologazione.

La categorizzazione dei carichi in classi di carico e la progettazione simile dei vari tipi di binari di ancoraggio disponibili comportano che tutti i prodotti della stessa geometria abbiano gli stessi carichi massimi ammissibili. Il processo di progettazione è semplice e la procedura per verificare l'uguaglianza dei prodotti della concorrenza per le specifiche richieste può essere eseguita in modo efficiente. D'altra parte, questo processo di progettazione molto semplificato, basato su poche prove che non tengono adeguatamente conto del comportamento del materiale di base sotto carico, comporta in alcuni casi il rischio di produrre un sistema poco sicuro e poco progettato o, al contrario, con conseguente sovradimensionamento e quindi scarsa efficienza dei costi.

Oltre a ciò, nell'omologazione tedesca DIBt sono presentate in forma semplificata anche le istruzioni per tenere conto dei carichi alternati nella progettazione.

3. Progettazione del canale di ancoraggio basata sull'approvazione tecnica europea ETA

Il concetto di design introdotto dall'EOTA riflette lo stato attuale delle conoscenze su questo argomento e tiene conto della sicurezza attraverso l'uso di fattori di sicurezza parziali. In tal modo, le modalità di guasto attualmente a noi note vengono prese in considerazione e verificate singolarmente. Le forze esterne che agiscono sul sistema vengono prese in considerazione per ogni bullone con testa a T singolarmente come forze di trazione e taglio separate. Per il canale stesso la resistenza del sistema di fissaggio a vari tipi di rottura viene determinata anche sotto carico in prove elaborate. Vengono analizzati l'influenza della distanza dal bordo, la posizione del carico, lo spessore della struttura, la qualità del calcestruzzo, le dimensioni del canale e l'armatura aggiuntiva in acciaio e, inoltre, fattori di riduzione dettagliati consentono l'uso del processo di progettazione anche in casi che esulano dall'ambito delle rigide condizioni stabilite da l'approvazione del DIBt.

L'EOTA ha definito le linee guida per la progettazione dei canali di ancoraggio (CEN/TS) e, nelle relative Intese comuni delle procedure di valutazione (CUAP), ha descritto in dettaglio la procedura di valutazione che porta alle resistenze, ai coefficienti parziali di sicurezza e ai fattori di riduzione utilizzati nel processo di progettazione.

Il processo fornisce quindi una visione molto più dettagliata della situazione di carico e resistenza applicabile al fissaggio del canale di ancoraggio. Il numero di fattori da prendere in considerazione comporta un calcolo più complesso, ma grazie ai software per PC di oggi questo può essere eseguito in modo efficiente.

La procedura di progettazione dettagliata si traduce nella specifica di un fissaggio sicuro ed economico del canale di ancoraggio, inclusa la possibile riduzione dello spessore dei componenti strutturali e delle distanze dai bordi. Allo stesso tempo, questo metodo di progettazione basato sullo stato attuale delle conoscenze consente la massima sicurezza possibile per quanto riguarda la correttezza.

4. Valutazione dei carichi agenti in conformità con ETA

Innanzitutto le forze agenti sui vari bulloni con testa a T vengono suddivise nelle loro componenti di trazione e taglio. Le forze agenti sono suddivise in peso proprio, carichi sovrapposti, carichi alternati e ad ogni tipo di carico viene assegnato un proprio coefficiente di sicurezza (parziale).

Il canale è visto come un sistema nella sua interezza. Vengono quindi determinate le forze che agiscono sui bulloni con testa a T. L'idea di considerare separatamente le parti del canale di ancoraggio è sostituita da un approccio olistico. Utilizzando il metodo di distribuzione del carico triangolare e con l'ausilio del teorema delle linee intersecanti, la distribuzione del carico sull'intero canale di ancoraggio viene valutata sotto forma di una curva di inviluppo. Allo stesso tempo, vengono prese in considerazione anche le posizioni sul canale in cui agiscono le forze (direttamente sopra o tra due ancoraggi).

Con più bulloni con testa a T più diverse forze di trazione e taglio coinvolte, il processo di valutazione diventa complesso, soprattutto quando sugli ancoraggi agisce un sistema di carichi statici composto da peso proprio e carichi sovrapposti. Questo, tuttavia, viene compensato mediante l'uso di software per PC avanzati. La curva di inviluppo per il carico totale sul canale costituisce la base per la determinazione dettagliata delle varie forze che agiscono sulle parti.

Valutazione della modalità di guasto del canale di ancoraggio in base all'ETA

In una seconda fase, la resistenza del canale di ancoraggio a vari tipi di rottura viene determinata individualmente in base alla sollecitazione di trazione o di taglio. La verifica è fornita per tre principali tipi di guasto:

  1. Cedimento dell'acciaio: il materiale dei bulloni a T, del canale di ancoraggio o dei bulloni di ancoraggio fissati al canale cede a causa della sollecitazione applicata su di esso
  2. Guasto del materiale di base: varie modalità di rottura in reazione alle sollecitazioni che agiscono sul materiale di base
  3. Rinforzo aggiuntivo: rottura dell'armatura supplementare in acciaio o del collegamento all'armatura supplementare che sostiene il carico

Vengono utilizzate procedure di prova adeguate per indagare in dettaglio le tre principali categorie di guasto, come definito nel CUAP. La tabella seguente fornisce una panoramica dettagliata dei tipi di guasto valutati in conformità con EOTA CUAP.

La resistenza ad un certo tipo di cedimento è espressa nella percentuale di utilizzo del sistema di binari di ancoraggio per quanto riguarda questo specifico tipo di cedimento.

I gradi di utilizzo determinati possono essere combinati per ogni tipo di rottura in una curva limite e aggiunti a un diagramma che mostra la resistenza ai carichi di trazione e taglio. Le tre curve mostrano quindi chiaramente quale tipo di rottura si verificherà quando viene raggiunto un certo valore limite per una combinazione definita di carico di trazione e taglio. Poiché queste curve sono derivate direttamente dai risultati dei test, saranno diverse per i vari prodotti di vari produttori concorrenti. Le differenze nella qualità dei vari prodotti concorrenti saranno così più evidenti e, d'altra parte, questa conoscenza dettagliata consentirà una maggiore flessibilità nell'ottimizzazione dei fissaggi dei canali di ancoraggio per una maggiore resistenza a determinati tipi di cedimento.

5. Valutazione della resistenza dell'ancoraggio

Il processo di progettazione verifica che la resistenza determinata del canale di ancoraggio al tipo specifico di rottura sia maggiore delle sollecitazioni calcolate. Verifica che il grado di utilizzazione del sistema di binari di ancoraggio per il tipo di guasto calcolato sia inferiore al 100%.

Questa verifica ci è già familiare dalla progettazione degli ancoranti ei gradi di utilizzo sono, ad esempio, forniti come risultati nel software di progettazione Hilti PROFIS Anchor Channel.

Il processo di progettazione per i carichi statici viene eseguito sulla base di informazioni dettagliate su sollecitazione e resistenza. Il sistema di binari di ancoraggio può quindi essere progettato in modo economico con grande certezza e, allo stesso tempo, con un elevato livello di sicurezza, ovvero resistenza al cedimento.

6. Tenendo conto del carico di fatica in conformità con le linee guida EOTA

Per quanto riguarda il design per il carico ciclico, il nuovo concetto di design offre una serie di nuove caratteristiche che si traducono in un design conservativo e quindi sicuro. Le differenze tra il nuovo concetto adottato dall'EOTA e il concetto secondo DIBt sono qui brevemente descritte.

Una delle principali differenze è che i test secondo il concetto DIBt sono applicati al canale di ancoraggio attaccato ai tirafondi, in cui i carichi alternati agiscono direttamente sui tirafondi. Al contrario, con il futuro metodo EOTA CUAP, le prove vengono eseguite su canali di ancoraggio incastonati nel calcestruzzo. Inoltre, il carico di rottura è determinato per carichi ciclici agenti direttamente sui tirafondi e per carichi ciclici agenti nel mezzo di una campata tra due tirafondi, consentendo così la flessione del canale di ancoraggio come possibile causa di rottura. Per la progettazione viene utilizzato il valore di guasto più basso.

Un'ulteriore differenza significativa tra le procedure di prova attuali e future per i carichi ciclici è che, con il concetto attuale, la definizione di rottura è la rottura del fissaggio, mentre con il futuro concetto EOTA CUAP il fallimento per carico ciclico è definito come il primo segni di danneggiamento del sistema di canali di ancoraggio. Questo approccio è notevolmente più conservativo e porterà ad una forte riduzione del valore di resistenza al carico ciclico.

La terza sezione discute il tema della modifica del modo in cui viene presa in considerazione la combinazione di carichi ciclici e statici. L'attuale concetto di progettazione per i carichi ciclici definisce un intervallo di sollecitazione del carico ciclico massimo per ciascun profilo del canale di ancoraggio, corrispondente alla sua resistenza a fatica. L'intervallo di sollecitazione viene sottratto dal carico di trazione massimo definito nelle classi di carico e il valore rimanente indica quindi la resistenza al carico di trazione statico aggiuntivo. Il concetto discusso nell'EOTA prevede la definizione della resistenza al carico ciclico mediante un diagramma di Goodman in funzione del numero previsto di cicli e tenendo conto della resistenza al carico ciclico per un periodo di tempo.

Questo approccio si traduce in un migliore utilizzo del sistema di canali di ancoraggio mantenendo un livello di sicurezza adeguato per tutte le combinazioni di carico. Si ottiene così un dimensionamento più economico e una maggiore sicurezza perché il progetto si basa, secondo lo stato dell'arte, sulla situazione di carico reale mentre la sua resistenza alla rottura si basa sulla situazione con la maggiore probabilità di accadimento. Di conseguenza, le prove vengono eseguite su un canale gettato in opera (cioè già annegato nel calcestruzzo), compresa una prova con un carico posto al centro di una campata tra due tirafondi. Inoltre, se il sistema di canali di ancoraggio subisce danni che ne limitano l'ulteriore utilizzo, si ritiene che il test non sia stato superato.

7. conclusioni

Il nuovo concetto di design per i binari di ancoraggio gettati, favorito dall'EOTA e da Hilti, segue le orme del concetto di design dell'ancora con fattori di sicurezza parziali che è stato stabilito e in uso da più di 10 anni. Lo sviluppo del concetto è stato guidato da test completi e dalle più recenti conoscenze in materia. È quindi allo stato dell'arte in termini di teoria dell'ancoraggio e tecniche utilizzate per i test di guasto.

Come per il design dell'ancora, il nuovo concetto di design si traduce in un livello di sicurezza costante per tutte le combinazioni di parametri e un dimensionamento economico delle soluzioni di binari di ancoraggio. La procedura di calcolo più complessa richiesta viene compensata mediante l'utilizzo del più avanzato software per PC. La progettazione secondo il concetto del fattore di sicurezza parziale si basa su una conoscenza molto dettagliata della situazione di carico e della resistenza del sistema a vari tipi di guasto.

La progettazione per i carichi ciclici segue un modello significativamente più conservativo rispetto al modello attualmente in uso, poiché i primi segni di danneggiamento del sistema di canali di ancoraggio sono già classificati come cedimento.

Sulla base dell'esperienza acquisita con i moderni concetti di design nel campo della tecnologia di fissaggio degli ancoranti, era chiaro per Hilti che lo sviluppo e l'introduzione della sua nuova gamma di binari di ancoraggio sarebbero stati incentrati esclusivamente sullo stato più aggiornato e -concetto di progettazione all'avanguardia e che sarebbe fornito un supporto appropriato all'approccio che incorpora la progettazione per il carico ciclico.

L'uso del software per PC più recente e avanzato ridurrà la quantità di lavoro che gli utenti di questi prodotti devono investire con il passaggio al nuovo concetto di design. Hilti, naturalmente, supporterà anche i suoi clienti nel processo di passaggio fornendo la formazione adeguata attraverso i suoi team di tecnici specializzati e ingegneri.

RIFERIMENTI
(Hilti HAC 2011) M. Heudorfer; H. Basche; La nuova approvazione ETA per Anchor Channel
(Elevcon 2006 – Tecnologia degli ascensori 16) M. Merz (2006). Progettazione dinamica per ancoraggio di ascensori negli edifici
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