Vous êtes probablement ici parce que vous avez conçu un ancrage à l'aide d'un logiciel d'ingénierie, un ou plusieurs contrôles ont échoué, et tu ne savais pas quoi changer ensuite.
Ce tutoriel est destiné aux nouveaux ingénieurs et étudiants en ingénierie qui souhaitent comprendre modes de défaillance des ancrages sous ACI 318-19 et comment ajuster logiquement un design. Ceci ne remplace pas le code. Pour connaître toutes les dispositions et exigences, toujours se référer à ACI 318-19 Chapitre 17.
Le but ici est de vous aider à reconnaître qu'est-ce qui échoue, pourquoi ça échoue, et quels paramètres de conception augmentent réellement la capacité, au lieu de changer les entrées de manière aléatoire.
Si vous souhaitez voir comment ces contrôles sont appliqués étape par étape dans un workflow de conception, vous pouvez également vous référer au Logiciel de conception de plaque de base SkyCiv, qui rapporte toutes les vérifications d'ancrage ACI avec des calculs complets.
Qu'est-ce qu'une ancre?
Une ancre est généralement une tige d'acier encastrée dans le béton pour relier un autre élément structurel., le plus souvent une plaque de base en acier. Les ancres transfèrent la tension, de cisaillement, ou forces combinées de l'acier dans le support en béton.
Les ancrages sont généralement classés par méthode d'installation.
Ancrages coulés
Les ancrages coulés sont placés avant le coulage du béton et s'encastrent à mesure que le béton durcit..
Ancrages post-installés
Les ancrages post-installés sont installés dans le béton durci en perçant des trous et en fixant l'ancrage à l'aide de:
- Expansion mécanique
- Collage adhésif ou chimique
Lequel est le meilleur?
Aucun des deux types d’ancres n’est intrinsèquement meilleur. Le choix dépend de la constructibilité, contraintes du projet, et disponibilité. Par exemple, si une colonne en acier est ajoutée à une dalle ou une semelle existante, les ancrages coulés ne sont plus une option, et des ancrages post-installés sont généralement utilisés.
La disponibilité compte également, comme types d'ancres, Choisir la fondation la plus favorable, et les limites d'installation dépendent de l'approvisionnement du fabricant. Les fabricants d’ancrages courants incluent Hilti, DeWalt, et Fischer, chacun offrant différents systèmes d'ancrage mécaniques et adhésifs avec des données de conception et des exigences d'installation spécifiques au produit.
Ancres uniques ou groupes d'ancres
Lorsque les vérifications d’ancrage échouent, la rupture ne se produit pas toujours au niveau d'une seule ancre. Selon la disposition, une défaillance peut se produire au niveau d'une seule ancre ou d'un groupe d'ancres agissant ensemble. ACI 318 fait cette distinction parce que le mode de défaillance et la capacité qui gouvernent peuvent être très différents.
Si un échec est évalué comme un rupture d'un seul ancrage ou un échec du groupe d'ancrage dépend avant tout de chevauchement des surfaces de rupture projetées. Ce chevauchement est généralement contrôlé par l'espacement des ancrages, profondeur d'encastrement, et distance au bord.
Pour visualiser ce comportement lors de la conception, des outils tels que le Logiciel de conception de plaque de base SkyCiv afficher les zones de rupture projetées et déterminer automatiquement si les ancrages sont évalués individuellement ou en groupe en fonction de la géométrie.
Ancrages simples
Si les ancrages sont largement espacés ou ont une faible profondeur d'ancrage, leurs zones de défaillance projetées ne se chevauchent pas. Dans le cas présent, la défaillance est évaluée au niveau de l'ancrage individuel. Une ancre peut atteindre sa limite sans contribution significative des ancres adjacentes.
Groupes d'ancrage
Lorsque les ancrages sont placés plus près les uns des autres avec une profondeur d'ancrage suffisante, leurs surfaces de rupture projetées se chevauchent. Dans le cas présent, le béton limite la capacité de tout le groupe, et la défaillance se produit lorsque la zone de défaillance projetée combinée atteint sa limite. La capacité du groupe n’est pas égale à la somme des capacités individuelles d’ancrage.
Cette distinction est essentielle car plusieurs contrôles de traction et de cisaillement ACI changent explicitement selon que la rupture est régie par une seule ancre ou un groupe d'ancres.. Une mauvaise identification du type de défaillance gouvernante peut conduire à des conceptions peu ou trop conservatrices..
Exemples de conception
Exemples de conception illustrant défaillances d'une seule ancre et d'un groupe d'ancres peut être trouvé dans les ressources de conception de plaque de base SkyCiv. Voici un exemple d'ensemble de contrôles de conception effectués par le Logiciel de conception de plaque de base SkyCiv.
Vérifications de la tension des ancres selon l'ACI 318-19
Lorsque les ancrages sont soumis à des tensions, ACI 318-19 nécessite plusieurs vérifications. Chaque contrôle correspond à un mécanisme de défaillance physique différent. Une fois que vous avez compris le mécanisme, il devient beaucoup plus facile d'ajuster le design.
Résistance de l'acier en traction
Le contrôle de l'acier d'ancrage prend en compte l'élasticité et la rupture de l'acier d'ancrage.
Comment augmenter la capacité de traction de l'acier
Choisissez un diamètre d'ancrage plus grand
Des diamètres plus grands offrent une plus grande surface de traction. Pour la sélection du diamètre, de nombreux ingénieurs débutent dans le domaine de 1/2 pouce à 3/4 pouce. Si la demande est plus élevée que prévu, augmenter le diamètre. Ce jugement s'améliore avec l'expérience.
Augmenter la résistance du matériau d'ancrage
Des qualités de matériaux plus élevées augmentent la capacité mais augmentent également les coûts. Les matériaux d'ancrage courants comprennent ASTM F1554. Une approche de conception pratique consiste à commencer par des qualités inférieures telles que Grade 36, puis augmentez jusqu'au grade 55 ou Note 105 seulement si la demande l'exige.
Fournir plus d'ancres
Si le diamètre de l'ancrage et la qualité du matériau sont déjà maximisés et que le contrôle de la tension de l'acier prévaut toujours, l'ajout de plus d'ancres dans la même ligne peut être une option. Cela nécessite généralement d'ajuster l'espacement, distances aux bords, ou dimensions de la plaque de base. L'ajout de lignes supplémentaires est autorisé, mais cela change la répartition de la charge et devrait être évalué avec soin.
Équation de capacité:
\( N_{à} = A_{je connais,N} F_{uta} \)
Résistance à la rupture du béton en traction
L'éclatement du béton se produit lorsqu'une partie du béton en forme de cône se sépare du support.. Dans le cas présent, l'acier d'ancrage reste intact, mais le béton environnant échoue.
Ce mode de défaillance s'applique aux ancres à tête, chevilles à expansion, chevilles à vis, et ancrages en contre-dépouille.
Comment augmenter la capacité de rupture du béton
Augmenter la profondeur d'encastrement
Le cône de rupture est idéalisé comme s'étendant de l'extrémité encastrée de l'ancrage à la surface du béton.. L'augmentation de la profondeur d'encastrement agrandit le cône et augmente considérablement la capacité. La profondeur d'encastrement augmente également directement la résistance à l'arrachement de base définie par l'ACI..
Augmenter l'espacement des ancrages
Des ancrages rapprochés limitent la largeur de la zone de rupture projetée. L'augmentation de l'espacement permet une plus grande zone de rupture efficace, en particulier pour les groupes d'ancrage.
Augmenter la distance au bord
Les ancrages placés près des bords ne peuvent pas développer un cône de rupture complet. L'augmentation de la distance aux bords entraîne souvent une augmentation notable de la capacité.
Utiliser du béton à plus haute résistance
La mise à niveau d'un béton de qualité inférieure vers un béton de qualité supérieure augmente la résistance à l'arrachement de base et est souvent efficace lorsque la géométrie est contrainte..
Supposer du béton non fissuré le cas échéant
Le béton non fissuré offre une capacité légèrement supérieure. Cette hypothèse ne doit être utilisée que lorsqu'elle est justifiée, car cela change les hypothèses de conception.
Fournir un renfort conçu pour supporter la tension
Lorsque le renforcement est explicitement conçu et détaillé pour supporter la force de tension de l'ancrage, les contrôles de rupture du béton peuvent être annulés. Cela doit être une décision de conception intentionnelle, pas une hypothèse.
Équation de capacité pour les ancres simples:
\( N_{cb} = frac{UNE_{NC}}{UNE_{Rappelles toi}} \Psi_{ed,N} \Psi_{c,N} \Psi_{cp,N} N_b \)
Équation de capacité pour les groupes d'ancrage:
\( N_{cbg} = frac{UNE_{NC}}{UNE_{Rappelles toi}} \Psi_{ce,N} \Psi_{ed,N} \Psi_{c,N} \Psi_{cp,N} N_b \)
Force d'arrachement de l'ancre
La rupture par arrachement se produit lorsque l'ancre est retirée du béton sans former de cône d'arrachement complet.. Cette vérification s'applique aux ancrages coulés et à certains ancrages mécaniques post-installés et est évaluée pour ancrages individuels uniquement.
Pour les ancrages post-installés, la capacité est déterminée par des tests expérimentaux. Pour ancrages coulés, la capacité est généralement basée sur les dimensions de l'ancrage.
En goujons à tête coulée, la capacité est contrôlée par un roulement à l'extrémité intégrée, dans des ancres accrochées, il est contrôlé par la longueur effective du crochet.
Comment réparer l'échec du retrait
Utilisez des plaques encastrées plus larges ou plus épaisses ou des têtes de boulons plus grandes (Ancres à tête)
Pour ancrages avec extrémités encastrées, l'augmentation de la surface d'appui améliore la capacité. Lors de l'utilisation d'une plaque encastrée, augmenter les dimensions ou l'épaisseur de la plaque. Pour chevilles à tête ou écrou encastrés, la sélection d'une tête ou d'un écrou plus grand à l'extrémité intégrée augmente la surface d'appui.
Rallongez les crochets d'ancrage ou augmentez le diamètre de la tige (Ancres crochues)
Des crochets courts ou de petites tiges d'ancrage peuvent entraîner un retrait, même si le cône en béton ne tombe pas en panne. Des crochets plus longs ou des tiges plus grandes augmentent la capacité et réduisent le risque d'arrachement.
Utiliser du béton à plus haute résistance
La mise à niveau d'un béton de qualité inférieure vers un béton de qualité supérieure augmente la résistance à l'arrachement et est souvent efficace lorsque la géométrie est contrainte..
Utiliser du béton qui ne se fissure pas lorsque cela est approprié
Le béton non fissuré offre une meilleure résistance à l'arrachement. Cela ne doit être supposé que lorsque les conditions de conception le justifient..
Les défaillances par arrachement sont généralement résolues en améliorant les conditions des roulements plutôt qu'en modifiant l'espacement ou les distances aux bords..
Équation de capacité pour dirigé:
\( N_{pn} = Psi_{c,p} N_p \)
où,
\( N_p = 8A_{brg}f_c’ \)
Équation de capacité pour Hooked:
\( N_{pn} = Psi_{c,p} N_p \)
où,
\( N_p = 0,9f_c'e_h d_a \)
Résistance à l'éclatement des faces latérales du béton
L'éruption latérale se produit lorsqu'une ancre avec un encastrement relativement profond est placée trop près d'un bord libre.. Au lieu de former un cône de rupture vers le haut, le cône s'étend latéralement, provoquant la fracture et l'explosion de la face latérale du béton.
Ce mode de défaillance est régi par la relation entre la profondeur d'encastrement et la distance au bord.. Lorsque ces paramètres sont dimensionnés d'une certaine manière, ce mécanisme de défaillance peut ne pas s'appliquer.
Puisque les cônes en béton peuvent se chevaucher, les ancres simples et les groupes d'ancres doivent être vérifiés.
Comment réparer une éruption latérale
Augmenter la distance au bord
L'augmentation de la distance au bord améliore la résistance nominale. Aussi, a much larger edge distance i.e.\( ca_1 > \frac{h_{ef}}{2.5 }\) rend cet échec non applicable.
Ajuster l'espacement des ancres pour les groupes d'ancres
Dans les groupes d'ancrage, plusieurs ancrages peuvent provoquer une éruption simultanée sur la face latérale. Espacer les ancres plus loin, tout en permettant un certain chevauchement des cônes, augmente la taille et la capacité effectives du cône de béton.
Réduire la profondeur d’encastrement de la tige d’ancrage
De très longues tiges d'ancrage près des bords augmentent le risque d'éruption. L'utilisation de tiges plus courtes par rapport à la distance au bord peut rendre cette vérification inutile..
Utiliser du béton à plus haute résistance
La mise à niveau d'un béton de qualité inférieure vers un béton de qualité supérieure augmente la résistance à l'éclatement des faces latérales et est souvent efficace lorsque la géométrie est contrainte..
Équation de capacité pour les ancres simples:
\( N_{qn} = 160c_{a1}\sqrt{UNE_{brg}}\lambda_a\sqrt{f'_c} \)
Équation de capacité pour les groupes d'ancrage:
\( N_{comme} = gauche(1 + \frac{s}{6c_{a1}}\droite) N_{qn} \)
Force de liaison des chevilles adhésives
Pour chevilles adhésives post-installées, la force de liaison est vérifiée sous des forces de traction. La capacité est calculée en fonction de la zone d'influence de la cheville collée et de la contrainte de liaison caractéristique. Les valeurs caractéristiques des contraintes de liaison proviennent d'essais expérimentaux, et si les données de test ne sont pas disponibles, valeurs conservatrices de l'ACI 318-19 Le tableau 17.6.2.5 peut être utilisé.
Puisque les zones d’influence peuvent se chevaucher, les ancres simples et les groupes d'ancres doivent être évalués.
La capacité obligataire représente déjà:
-
La liaison entre l'ancre et l'adhésif
-
La liaison entre la colle et le béton
Comment augmenter la capacité des obligations
Augmenter le diamètre de l'ancrage
Un diamètre d'ancrage plus grand ajoute de la capacité à la force de liaison de base, ainsi que la zone d'influence. La géométrie de la zone d'influence est fortement influencée par le diamètre.
Augmenter la profondeur d'encastrement
Un encastrement plus profond augmente la force d'adhésion de base d'une cheville adhésive.
Augmenter l'espacement et les distances aux bords
Pour les groupes d'ancrages ou les ancrages simples proches d'un bord, l'ajustement de l'espacement et des distances aux bords supprime la limitation de la zone d'influence totale.
Utiliser un adhésif avec une contrainte de liaison caractéristique plus élevée
Le choix d'un adhésif avec une force d'adhérence plus élevée améliore la capacité. Une contrainte de liaison caractéristique plus importante signifie une zone d'influence plus grande, augmentant ainsi la capacité.
Équation de capacité pour les ancres simples:
\( N_a = frac{UNE_{Déjà}}{UNE_{Nao}} \Psi_{ed,Déjà} \Psi_{cp,Déjà} N_{ba} \)
Équation de capacité pour les groupes d'ancrage:
\( N_{AG} = frac{UNE_{Déjà}}{UNE_{Nao}} \Psi_{ce,Déjà} \Psi_{ed,Déjà} \Psi_{cp,Déjà} N_{ba} \)
Contrôles de cisaillement d'ancrage selon l'ACI 318-19
Cette rubrique sera publiée prochainement.
Contrôles de tension d'ancrage et d'interaction de cisaillement selon l'ACI 318-19
Cette rubrique sera publiée prochainement.
