Probabilmente sei qui perché hai progettato un ancoraggio utilizzando un software di ingegneria, uno o più controlli hanno avuto esito negativo, e non eri sicuro di cosa cambiare dopo.
Questo tutorial è scritto per i nuovi ingegneri e gli studenti di ingegneria che desiderano comprendere modalità di cedimento dell'ancoraggio in ACI 318-19 e come adattare logicamente un progetto. Questo non è un sostituto del codice. Per tutte le disposizioni e i requisiti, fare sempre riferimento ACI 318-19 Capitolo 17.
L'obiettivo qui è aiutarti a riconoscere cosa non va, perché sta fallendo, e quali parametri di progettazione aumentano effettivamente la capacità, invece di cambiare casualmente gli input.
Se vuoi vedere come questi controlli vengono applicati passo dopo passo in un flusso di lavoro di progettazione, potresti anche fare riferimento a Software di progettazione della piastra di base Skyciv, che riporta tutte le verifiche degli ancoraggi ACI con calcoli completi.
Cos'è un'ancora?
Un'ancora è tipicamente un'asta di acciaio annegata nel calcestruzzo per collegare un altro elemento strutturale, più comunemente una piastra di base in acciaio. Le ancore trasferiscono la tensione, cesoia, o forze combinate dall'acciaio al supporto di cemento.
Gli ancoraggi sono comunemente classificati in base al metodo di installazione.
Ancore gettate
Gli ancoraggi gettati in opera vengono posizionati prima che il calcestruzzo venga versato e vengono incorporati man mano che il calcestruzzo si indurisce.
Ancoraggi post-installati
Gli ancoraggi post-installati vengono installati nel cemento indurito praticando dei fori e fissando l'ancoraggio utilizzando:
- Espansione meccanica
- Legame adesivo o chimico
Quale è migliore?
Nessuno dei due tipi di ancoraggio è intrinsecamente migliore. La scelta dipende dalla costruibilità, vincoli di progetto, e disponibilità. Per esempio, se una colonna in acciaio viene aggiunta a una soletta o fondazione esistente, gli ancoraggi gettati non sono più un'opzione, e vengono generalmente utilizzati ancoraggi post-installati.
Anche la disponibilità conta, come tipi di ancoraggio, taglie, e i limiti di installazione dipendono dalla fornitura del produttore. I produttori di ancoraggi comuni includono Hilti, DeWalt, e Fisher, ciascuno offre diversi sistemi di ancoraggio meccanico e adesivo con dati di progettazione e requisiti di installazione specifici del prodotto.
Ancore singole e gruppi di ancoraggi
Quando i controlli di ancoraggio falliscono, il cedimento non si verifica sempre su un solo ancoraggio. A seconda della disposizione, il cedimento può verificarsi su un singolo ancoraggio o su un gruppo di ancoraggi che agiscono insieme. ACI 318 fa questa distinzione perché la modalità e la capacità di fallimento che governano possono essere molto diverse.
Se un errore viene valutato come a cedimento di un singolo ancoraggio o un fallimento del gruppo di ancoraggio dipende principalmente da sovrapposizione delle superfici di rottura previste. Questa sovrapposizione è generalmente controllata dalla spaziatura degli ancoraggi, profondità di inserimento, e la distanza dal bordo.
Per visualizzare questo comportamento durante la progettazione, strumenti come il Software di progettazione della piastra di base Skyciv visualizzare le aree di cedimento previste e determinare automaticamente se gli ancoraggi vengono valutati individualmente o come gruppo in base alla geometria.
Ancore singole
Se gli ancoraggi sono molto distanziati o hanno una profondità di ancoraggio ridotta, le aree di guasto previste non si sovrappongono. In questo caso, il cedimento viene valutato a livello del singolo ancoraggio. Un'ancora può raggiungere il suo limite senza un contributo significativo da parte delle ancore adiacenti.
Gruppi di ancoraggio
Quando gli ancoraggi vengono posizionati più vicini tra loro con una profondità di ancoraggio sufficiente, le loro superfici di cedimento previste si sovrappongono. In questo caso, il cemento limita la capacità dell'intero gruppo, e il guasto si verifica quando l'area di guasto prevista combinata raggiunge il suo limite. La capacità del gruppo non è uguale alla somma delle capacità delle singole ancore.
Questa distinzione è fondamentale perché diverse verifiche ACI di tensione e taglio cambiano esplicitamente a seconda che la rottura sia governata da un singolo ancorante o da un gruppo di ancoraggi.. L'errata identificazione del tipo di guasto determinante può portare a progetti non conservativi o eccessivamente conservativi.
Esempi di progettazione
Esempi di progettazione illustrativi Fallimenti di ancoraggi singoli e di gruppi di ancoraggi può essere trovato nelle risorse di progettazione della piastra di base SkyCiv. Di seguito è riportato un esempio di serie di controlli di progettazione eseguiti da Software di progettazione della piastra di base Skyciv.
Controlli della tensione dell'ancora secondo ACI 318-19
Quando gli ancoraggi sono sottoposti a tensione, ACI 318-19 richiede diversi controlli. Ogni controllo corrisponde a un diverso meccanismo di guasto fisico. Una volta compreso il meccanismo, diventa molto più semplice regolare il design.
Resistenza dell'acciaio in tensione
La verifica dell'acciaio dell'ancora considera lo snervamento e la rottura dell'acciaio dell'ancora.
Come aumentare la capacità di trazione dell'acciaio
Scegli un diametro di ancoraggio maggiore
I diametri maggiori forniscono un'area di trazione più ampia. Per la selezione del diametro, molti ingegneri iniziano nella gamma di 1/2 pollice a 3/4 pollice. Se la domanda è superiore al previsto, aumentare il diametro. Questo giudizio migliora con l'esperienza.
Aumenta la resistenza del materiale di ancoraggio
Qualità di materiale più elevate aumentano la capacità ma aumentano anche i costi. I materiali di ancoraggio comuni includono ASTM F1554. Un approccio progettuale pratico consiste nell'iniziare con gradi inferiori come Grado 36, quindi aumentare a Grado 55 o Grado 105 solo se richiesto dalla domanda.
Fornire più ancoraggi
Se il diametro dell'ancoraggio e la qualità del materiale sono già massimizzati e il controllo della tensione dell'acciaio è ancora determinante, aggiungere più ancoraggi nella stessa riga potrebbe essere un'opzione. Ciò in genere richiede la regolazione della spaziatura, distanze dal bordo, o dimensioni della piastra di base. È consentita l'aggiunta di ulteriori righe, ma cambia la distribuzione del carico e dovrebbe esserlo valutato attentamente.
Equazione della capacità:
\( N_{per} = A_{lo so,N} f_{uta} \)
Forza di rottura del calcestruzzo in tensione
La rottura del calcestruzzo avviene quando una porzione di calcestruzzo a forma di cono si separa dal supporto. In questo caso, l'acciaio dell'ancora rimane intatto, ma il cemento circostante cede.
Questa modalità di guasto si applica agli ancoraggi con testa, ancoraggi di espansione, tasselli a vite, e ancoraggi sottosquadro.
Come aumentare la capacità di scavo del calcestruzzo
Aumentare la profondità di inserimento
Il cono di rottura è idealizzato come se si estendesse dall'estremità incassata dell'ancoraggio alla superficie del calcestruzzo. L’aumento della profondità di inserimento allarga il cono e aumenta significativamente la capacità. La profondità di incorporamento inoltre aumenta direttamente la resistenza allo strappo di base definita dall'ACI.
Aumentare la spaziatura degli ancoraggi
Gli ancoraggi ravvicinati limitano la larghezza dell'area di rottura prevista. L'aumento della spaziatura consente un'area di breakout effettiva più ampia, in particolare per i gruppi di ancoraggio.
Aumenta la distanza dal bordo
Gli ancoraggi posizionati vicino ai bordi non possono sviluppare un cono di rottura completo. L'aumento della distanza dal bordo spesso comporta un notevole aumento della capacità.
Utilizzare calcestruzzo ad alta resistenza
Il passaggio da un calcestruzzo di qualità inferiore a uno di qualità superiore aumenta la resistenza allo strappo di base ed è spesso efficace quando la geometria è vincolata.
Se appropriato, assumere calcestruzzo non fessurato
Il calcestruzzo non fessurato fornisce una capacità leggermente superiore. Questa ipotesi dovrebbe essere utilizzata solo quando giustificata, poiché cambia le ipotesi di progettazione.
Fornire un rinforzo progettato per sopportare la tensione
Quando l'armatura è esplicitamente progettata e dettagliata per sostenere la forza di tensione dell'ancoraggio, è possibile rinunciare ai controlli di rottura del calcestruzzo. Questa deve essere una decisione di progettazione intenzionale, non un'ipotesi.
Equazione della capacità per ancore singole:
\( N_{cb} = frac{UN_{Nc}}{UN_{Ricorda}} \Psi_{ed,N} \Psi_{c,N} \Psi_{cp,N} N_b \)
Equazione della capacità per i gruppi di ancoraggio:
\( N_{cbg} = frac{UN_{Nc}}{UN_{Ricorda}} \Psi_{ec,N} \Psi_{ed,N} \Psi_{c,N} \Psi_{cp,N} N_b \)
Forza di estrazione dell'ancora
La rottura per estrazione si verifica quando l'ancoraggio viene estratto dal calcestruzzo senza formare un cono di rottura completo. Questo controllo si applica agli ancoraggi gettati in opera e ad alcuni ancoraggi meccanici post-installati e viene valutato solo ancoraggi individuali.
Per ancoraggi post-installati, la capacità viene determinata mediante prove sperimentali. Per ancoraggi gettati, la capacità è generalmente basata sulle dimensioni dell'ancora.
In borchie con testa in fusione, la capacità è controllata dal cuscinetto all'estremità incorporata, mentre nelle ancore agganciate, è controllato dalla lunghezza effettiva del gancio.
Come risolvere il fallimento dell'estrazione
Utilizzare piastre incassate più larghe o più spesse o teste dei bulloni più grandi (Ancore con testa)
Per ancoraggi con estremità incassate, l'aumento dell'area portante migliora la capacità. Quando si utilizza una piastra incorporata, aumentare le dimensioni o lo spessore della piastra. Per ancoraggi con testa o dado incassati, selezionando una testa o un dado più grande all'estremità incassata si aumenta l'area del cuscinetto.
Estendere i ganci di ancoraggio o aumentare il diametro dell'asta (Ancore ad uncino)
Ganci corti o piccole aste di ancoraggio possono causare l'estrazione, anche se il cono di cemento non cede. Ganci più lunghi o aste più grandi aumentano la capacità e riducono il rischio di estrazione.
Utilizzare calcestruzzo ad alta resistenza
Il passaggio da un calcestruzzo di qualità inferiore a uno di qualità superiore aumenta la resistenza allo strappo ed è spesso efficace quando la geometria è vincolata.
Utilizzare calcestruzzo non fessurabile quando appropriato
Il calcestruzzo non fessurato offre una migliore resistenza allo sfilamento. Ciò dovrebbe essere assunto solo quando giustificato dalle condizioni di progetto.
I guasti da estrazione vengono solitamente risolti migliorando le condizioni dei cuscinetti piuttosto che modificando la spaziatura o le distanze dai bordi.
Equazione della capacità per la testa:
\( N_{pn} = Psi_{c,p} N_p \)
dove,
\( N_p = 8A_{brg}f_c’ \)
Equazione della capacità per Hooked:
\( N_{pn} = Psi_{c,p} N_p \)
dove,
\( N_p = 0,9f_c’e_h d_a \)
Resistenza allo scoppio della faccia laterale del calcestruzzo
Lo scoppio della faccia laterale si verifica quando un ancoraggio con inserimento relativamente profondo viene posizionato troppo vicino a un bordo libero. Invece di formare un cono di rottura verso l'alto, il cono si estende lateralmente, provocando la frattura e l'esplosione della faccia laterale del calcestruzzo.
Questa modalità di cedimento è governata dalla relazione tra la profondità di ancoraggio e la distanza dal bordo. Quando questi parametri sono dimensionati in determinati modi, questo meccanismo di errore potrebbe non essere applicabile.
Poiché i coni di cemento possono sovrapporsi, devono essere verificati sia gli ancoraggi singoli che i gruppi di ancoraggi.
Come risolvere lo scoppio della faccia laterale
Aumenta la distanza dal bordo
Aumentando la distanza dal bordo si migliora la resistenza nominale. Anche, una distanza dal bordo molto maggiore, ovvero( ca_1 > \frac{h_{ef}}{2.5 }\) rende questo errore non applicabile.
Regola la spaziatura degli ancoraggi per i gruppi di ancoraggi
Nei gruppi di ancoraggio, più ancoraggi possono causare lo scoppio simultaneo della faccia laterale. Distanziare gli ancoraggi più distanti, consentendo comunque una certa sovrapposizione del cono, aumenta la dimensione e la capacità effettiva del cono di cemento.
Ridurre la profondità di ancoraggio della barra di ancoraggio
Aste di ancoraggio molto lunghe vicino ai bordi aumentano la probabilità di esplosione. L'utilizzo di aste più corte rispetto alla distanza dal bordo può rendere questo controllo non applicabile.
Utilizzare calcestruzzo ad alta resistenza
Il passaggio da un calcestruzzo di qualità inferiore a uno di qualità superiore aumenta la resistenza allo scoppio della faccia laterale ed è spesso efficace quando la geometria è vincolata.
Equazione della capacità per ancore singole:
\( N_{sb} = 160c_{a1}\sqrt{UN_{brg}}\lambda_a\sqrt{f'_c} \)
Equazione della capacità per i gruppi di ancoraggio:
\( N_{COME} = sinistra(1 + \frac{S}{6c_{a1}}\giusto) N_{sb} \)
Forza di adesione degli ancoraggi adesivi
Per ancoraggi adesivi post-installati, la forza di adesione viene controllata sotto forze di trazione. La capacità viene calcolata in base all'area di influenza dell'ancoraggio incollato e alla tensione di adesione caratteristica. I valori caratteristici delle tensioni di legame provengono da test sperimentali, e se i dati del test non sono disponibili, valori conservativi da ACI 318-19 tavolo 17.6.2.5 può essere utilizzata.
Poiché le aree di influenza possono sovrapporsi, devono essere valutati sia i singoli ancoraggi che i gruppi di ancoraggi.
La capacità obbligazionaria già rappresenta:
-
Il legame tra l'ancoraggio e l'adesivo
-
Il legame tra l'adesivo e il calcestruzzo
Come aumentare la capacità obbligazionaria
Aumentare il diametro dell'ancora
Un diametro di ancoraggio maggiore aggiunge capacità alla forza di adesione di base, così come l'area di influenza. La geometria dell'area di influenza è fortemente influenzata dal diametro.
Aumentare la profondità di inserimento
Un inclusione più profonda aumenta la forza di adesione di base di un ancoraggio adesivo.
Aumentare la spaziatura e le distanze dai bordi
Per gruppi di ancoraggi o ancoraggi singoli in prossimità di un bordo, la regolazione della spaziatura e delle distanze dai bordi rimuove la limitazione sull'area di influenza totale.
Utilizzare un adesivo con uno stress di adesione caratteristico più elevato
La scelta di un adesivo con una forza di adesione maggiore migliora la capacità. Una maggiore tensione di legame caratteristica significa un’area di influenza più ampia, aumentando così la capacità.
Equazione della capacità per ancore singole:
\( N_a = frac{UN_{Già}}{UN_{No}} \Psi_{ed,Già} \Psi_{cp,Già} N_{ba} \)
Equazione della capacità per i gruppi di ancoraggio:
\( N_{Ag} = frac{UN_{Già}}{UN_{No}} \Psi_{ec,Già} \Psi_{ed,Già} \Psi_{cp,Già} N_{ba} \)
Verifiche di taglio dell'ancora secondo ACI 318-19
Capacità di taglio della barra di ancoraggio
Similar to the tensile capacity of anchor rods, the anchor steel check considers yielding and rupture of the anchor steel due to the applied shear load. This failure mode occurs when the steel strength of the anchor rod is reached before the surrounding concrete fails.
The shear capacity of anchor rods primarily depends on the anchor diameter, the material strength of the steel, and the number of anchors resisting the applied load.
How to Increase Steel Shear Capacity
Choose Larger Anchor Diameter
Similar to anchor tensile strength, the shear strength of anchors relies on their physical dimensions. Increasing the anchor diameter increases the cross-sectional area of the steel, which results in a higher shear capacity.
Increase Anchor Material Strength
If increasing the diameter is not possible due to geometric constraints, selecting a stronger anchor material may be considered. Common anchor rod grades include Grade 36, Grado 55, and Grade 105. Higher strength grades provide greater resistance to shear forces.
Add More Anchors
Another approach is to increase the number of anchors resisting the load. Adding more anchors distributes the applied force across additional elements and reduces the shear demand on each individual anchor.
Capacity Equation for Cast-In Headed Stud Anchor:
\( V_{per} = A_{lo so,V } f_{uta} \)
Capacity Equation for Cast-In Headed Bolt and Hooked Bolt Anchor:
\( V_{per} = 0,6A_{lo so,V } f_{uta} \)
If built-up grout pads are present, the shear strength of anchor rods is reduced by 80 percent according to ACI provisions.
Concrete Breakout Due to Shear
Concrete breakout strength in shear occurs when a cone-shaped portion of the concrete separates from the support due to the applied shear forces. This failure can occur when shear acts parallel to the concrete edge or perpendicular to the edge.
ACI provisions indicate that the capacity for shear parallel to an edge is generally larger than the capacity for shear acting perpendicular to the edge. Tuttavia, it is still recommended to check both directions as implemented in the Software di progettazione della piastra di base Skyciv.
Come aumentare la capacità di scavo del calcestruzzo
Increase Edge Distance
Increasing the edge distance of anchors from the concrete edge allows a larger breakout cone to develop. The farther the anchors are placed from the edge, the larger the projected failure surface becomes. The basic concrete breakout strength in shear is also directly related to the edge distance.
Increase Anchor Spacing
Increasing the spacing between anchors allows the projected breakout area of the anchor group to expand. Closely spaced anchors restrict the development of the breakout cone, while larger spacing allows a larger failure surface to form.
Increase Thickness
The breakout cone may be limited by the thickness of the concrete support. If the anchor end is located too close to the bottom of the support, the breakout cone cannot fully develop. Increasing the thickness of the concrete support allows a more complete breakout projection.
Increase Anchor Length
The basic concrete breakout strength in shear is partly determined by the load-bearing length of the anchor. For anchors with constant stiffness, this length is generally equal to the anchor embedment depth. For torque-controlled expansion anchors, the load-bearing length is typically taken as twice the anchor diameter. In tutti i casi, this length should not exceed eight times the anchor diameter.
Increase Anchor Diameter
Increasing the anchor diameter also increases the basic concrete breakout strength.
Use Higher-Strength Concrete
Using higher-strength concrete increases the basic breakout strength. This approach is often effective when geometric parameters such as spacing or edge distance cannot be easily increased.
Assume Non-Cracked Concrete When Appropriate
Concrete breakout capacity is slightly higher when the concrete is assumed to be non-cracked. This assumption should only be used when justified by the design conditions.
Provide Reinforcement Designed to Carry Tension
If reinforcement is intentionally designed and detailed to carry the anchor forces, concrete breakout may be prevented from governing. When properly designed reinforcement is provided, ACI allows the breakout check to be waived.
Capacity equation for single anchors:
\( V_{cb} = frac{UN_{Vc}}{UN_{VCo}} \psi_{ed,V } \psi_{c,V } \psi_{h,V } V_b \)
Capacity equation for anchor groups:
\( V_{cbg} = frac{UN_{Vc}}{UN_{VCo}} \psi_{ec,V } \psi_{ed,V } \psi_{c,V } \psi_{h,V } V_b \)
Concrete Pryout Due to Shear
Concrete pryout is another failure mode associated with anchors subjected to shear. This failure occurs when the anchor pulls a wedge-shaped portion of concrete upward due to the applied shear force.
According to ACI provisions, the concrete pryout strength is related to the concrete breakout strength in tension. This failure mode applies to several anchor types including headed anchors, ancoraggi di espansione, tasselli a vite, e ancoraggi sottosquadro.
How to Increase Concrete Pryout Capacity
Increase Embedment Depth
Il cono di rottura è idealizzato come se si estendesse dall'estremità incassata dell'ancoraggio alla superficie del calcestruzzo. Increasing the embedment depth enlarges this cone and significantly increases the pryout capacity. Embedment depth also increases the basic breakout strength defined by ACI. Inoltre, a larger embedment depth results in a larger kcp factor used in the pryout strength calculation, which further increases the pryout capacity.
Increase Anchor Spacing
Closely spaced anchors restrict the projected breakout area. Increasing the spacing between anchors allows a larger effective breakout area to develop, especially for anchor groups.
Increase Edge Distance
Anchors located near edges cannot develop a full breakout cone. Increasing the edge distance allows the breakout surface to expand and improves the pryout capacity.
Use Higher-Strength Concrete
Using higher-strength concrete increases the basic breakout strength and can improve pryout capacity when geometric parameters cannot be modified.
Assume Non-Cracked Concrete When Appropriate
Non-cracked concrete provides slightly higher capacity. This assumption should only be used when justified by the design conditions.
Capacity equation for single anchors:
\( V_{cp} controllare la capacità degli ancoraggi{cp} N_{cp} \)
Capacity equation for anchor groups:
\( V_{cpp} controllare la capacità degli ancoraggi{cp} N_{cpp} \)
Verifiche della tensione dell'ancora e dell'interazione a taglio secondo ACI 318-19
Questa sezione sarà pubblicata a breve.
