Você provavelmente está aqui porque projetou uma ancoragem usando um software de engenharia, uma ou mais verificações falharam, e você não tinha certeza do que mudar em seguida.
Este tutorial foi escrito para novos engenheiros e estudantes de engenharia que desejam entender modos de falha de âncora sob ACI 318-19 e como ajustar um design logicamente. Este não é um substituto para o código. Para disposições e requisitos completos, sempre consulte ACI 318-19 Capítulo 17.
O objetivo aqui é ajudá-lo a reconhecer o que está falhando, por que está falhando, e quais parâmetros de projeto realmente aumentam a capacidade, em vez de alterar entradas aleatoriamente.
Se você quiser ver como essas verificações são aplicadas passo a passo em um fluxo de trabalho de design, você também pode consultar o Software de design de placa de base SkyCiv, que relata todas as verificações de âncora ACI com cálculos completos.
O que é uma âncora?
Uma âncora é normalmente uma haste de aço embutida no concreto para conectar outro elemento estrutural, mais comumente uma placa de base de aço. Tensão de transferência de âncoras, o cisalhamento, ou forças combinadas do aço no suporte de concreto.
As âncoras são comumente classificadas por método de instalação.
Âncoras fundidas
As âncoras fundidas são colocadas antes do concreto ser derramado e ficam embutidas à medida que o concreto endurece.
Âncoras Pós-Instaladas
As âncoras pós-instaladas são instaladas em concreto endurecido fazendo furos e fixando a âncora usando:
- Expansão mecânica
- Ligação adesiva ou química
Qual é melhor?
Nenhum tipo de âncora é inerentemente melhor. A escolha depende da construtibilidade, restrições do projeto, e disponibilidade. Por exemplo, se uma coluna de aço for adicionada a uma laje ou sapata existente, âncoras fundidas não são mais uma opção, e âncoras pós-instaladas são normalmente usadas.
Disponibilidade também importa, como tipos de âncora, Aplicação de vários tipos de fundação, e os limites de instalação dependem do fornecimento do fabricante. Os fabricantes de âncoras comuns incluem Hilti, DeWalt, e Fischer, cada um oferecendo diferentes sistemas de ancoragem mecânica e adesiva com dados de projeto e requisitos de instalação específicos do produto.
Âncoras Únicas vs Grupos de Âncoras
Quando as verificações de âncora falham, a falha nem sempre ocorre em apenas uma âncora. Dependendo do layout, a falha pode ocorrer em uma única âncora ou em um grupo de âncoras agindo juntas. ACI 318 faz essa distinção porque o modo de falha e a capacidade governantes podem ser muito diferentes.
Se uma falha é avaliada como um falha de âncora única ou um falha do grupo âncora depende principalmente do sobreposição de superfícies de falha projetadas. Esta sobreposição é normalmente controlada pelo espaçamento das âncoras, profundidade de incorporação, e distância da borda.
Para visualizar esse comportamento durante o design, ferramentas como o Software de design de placa de base SkyCiv exibir áreas de falha projetadas e determinar automaticamente se as âncoras são avaliadas individualmente ou como um grupo com base na geometria.
Âncoras Simples
Se as âncoras estiverem muito espaçadas ou tiverem profundidade de embutimento rasa, suas áreas de falha projetadas não se sobrepõem. Nesse caso, a falha é avaliada no nível da âncora individual. Uma âncora pode atingir o seu limite sem contribuição significativa das âncoras adjacentes.
Grupos de âncora
Quando as âncoras são colocadas mais próximas umas das outras com profundidade de embutimento suficiente, suas superfícies de falha projetadas se sobrepõem. Nesse caso, o concreto limita a capacidade de todo o grupo, e a falha ocorre quando a área de falha projetada combinada atinge seu limite. A capacidade do grupo não é igual à soma das capacidades âncoras individuais.
Esta distinção é crítica porque várias verificações de tensão e cisalhamento do ACI mudam explicitamente dependendo se a falha é governada por uma única âncora ou por um grupo de âncoras. A identificação incorreta do tipo de falha dominante pode levar a projetos não conservadores ou excessivamente conservadores.
Exemplos de design
Exemplos de design ilustrando falhas de âncora única e de grupo de âncoras pode ser encontrado nos recursos de design da placa de base SkyCiv. Aqui está um exemplo de conjunto de verificações de projeto realizadas pelo Software de design de placa de base SkyCiv.
Verificações de tensão da âncora por ACI 318-19
Quando as âncoras são submetidas a tensão, ACI 318-19 requer várias verificações. Cada verificação corresponde a um mecanismo de falha física diferente. Depois de entender o mecanismo, fica muito mais fácil ajustar o design.
Resistência do aço em tensão
A verificação do aço da âncora considera o escoamento e a ruptura do aço da âncora.
Como aumentar a capacidade de tração do aço
Escolha um diâmetro de âncora maior
Diâmetros maiores proporcionam maior área de tração. Para seleção de diâmetro, muitos engenheiros começam na área de 1/2 polegada para 3/4 polegada. Se a demanda for maior que o esperado, aumentar o diâmetro. Este julgamento melhora com a experiência.
Aumentar a resistência do material de ancoragem
Classes de material mais altas aumentam a capacidade, mas também aumentam o custo. Os materiais de ancoragem comuns incluem ASTM F1554. Uma abordagem prática de design é começar com classes mais baixas, como Grade 36, depois aumente para Grau 55 ou Grau 105 somente se exigido pela demanda.
Forneça mais âncoras
Se o diâmetro da âncora e o grau do material já estiverem maximizados e a verificação da tensão do aço ainda prevalecer, adicionar mais âncoras na mesma linha pode ser uma opção. Isso normalmente requer ajuste de espaçamento, distâncias de borda, ou dimensões da placa de base. Adicionar linhas adicionais é permitido, mas altera a distribuição de carga e deve ser avaliado cuidadosamente.
Equação de capacidade:
\( N_{para} = A_{eu sei,N} f_{uta} \)
Resistência à ruptura do concreto em tensão
A ruptura do concreto ocorre quando uma porção de concreto em forma de cone se separa do suporte. Nesse caso, o aço da âncora permanece intacto, mas o concreto circundante falha.
Este modo de falha se aplica a âncoras com cabeça, âncoras de expansão, âncoras de parafuso, e âncoras rebaixadas.
Como aumentar a capacidade de ruptura de concreto
Aumentar a profundidade de incorporação
O cone de ruptura é idealizado como se estendendo da extremidade embutida da âncora até a superfície do concreto. Aumentar a profundidade de incorporação amplia o cone e aumenta significativamente a capacidade. A profundidade de incorporação também aumenta diretamente a resistência básica à ruptura definida pela ACI.
Aumentar o espaçamento das âncoras
Âncoras pouco espaçadas restringem a largura da área de falha projetada. Aumentar o espaçamento permite uma área de fuga efetiva maior, particularmente para grupos âncora.
Aumentar a distância da borda
As âncoras colocadas perto das bordas não podem desenvolver um cone de ruptura completo. Aumentar a distância da borda geralmente resulta em um aumento notável de capacidade.
Use concreto de maior resistência
A atualização de um concreto de qualidade inferior para um concreto de qualidade superior aumenta a resistência básica à ruptura e geralmente é eficaz quando a geometria é restrita.
Assumir concreto não fissurado quando apropriado
O concreto não fissurado proporciona uma capacidade ligeiramente maior. Esta suposição só deve ser usada quando justificada, à medida que muda as suposições do projeto.
Fornece reforço projetado para suportar tensão
Quando o reforço é explicitamente projetado e detalhado para suportar a força de tensão da âncora, verificações de ruptura de concreto podem ser dispensadas. Esta deve ser uma decisão de design intencional, não é uma suposição.
Equação de capacidade para âncoras individuais:
\( N_{cb} = frac{UMA_{Nc}}{UMA_{Lembrar}} \Psi_{ed,N} \Psi_{c,N} \Psi_{cp,N} N_b \)
Equação de Capacidade para Grupos Âncora:
\( N_{cbg} = frac{UMA_{Nc}}{UMA_{Lembrar}} \Psi_{ec,N} \Psi_{ed,N} \Psi_{c,N} \Psi_{cp,N} N_b \)
Força de arrancamento da âncora
A falha no arrancamento ocorre quando a âncora é puxada para fora do concreto sem formar um cone de rompimento completo. Esta verificação se aplica a âncoras fundidas e certas âncoras mecânicas pós-instaladas e é avaliada para apenas âncoras individuais.
Para âncoras pós-instaladas, a capacidade é determinada através de testes experimentais. Para âncoras fundidas, a capacidade é geralmente baseada nas dimensões da âncora.
Em pregos com cabeça fundida, a capacidade é controlada pelo rolamento na extremidade embutida, enquanto em âncoras enganchadas, é controlado pelo comprimento efetivo do gancho.
Como corrigir falha de retirada
Use placas embutidas mais largas ou mais grossas ou cabeças de parafusos maiores (Âncoras com Cabeça)
Para âncoras com extremidades embutidas, aumentar a área de rolamento melhora a capacidade. Ao usar uma placa embutida, aumentar as dimensões ou espessura da placa. Para âncoras com cabeça ou porca embutida, selecionar uma cabeça ou porca maior na extremidade embutida aumenta a área do rolamento.
Estenda os ganchos de ancoragem ou aumente o diâmetro da haste (Âncoras em gancho)
Ganchos curtos ou pequenas hastes de ancoragem podem levar ao arrancamento, mesmo que o cone de concreto não falhe. Ganchos mais longos ou hastes maiores aumentam a capacidade e reduzem o risco de arrancamento.
Use concreto de maior resistência
A atualização de um concreto de qualidade inferior para um concreto de qualidade superior aumenta a resistência ao arrancamento e geralmente é eficaz quando a geometria é restrita.
Use concreto sem fissuras quando apropriado
O concreto não fissurado oferece melhor resistência ao arrancamento. Isto só deve ser assumido quando justificado pelas condições de projeto.
As falhas de arrancamento geralmente são resolvidas melhorando as condições do rolamento, em vez de alterar o espaçamento ou as distâncias das bordas..
Equação de capacidade para cabeça:
\( N_{pn} = Psi_{c,p} N_p \)
Onde,
\( N_p = 8A_{brg}f_c’ \)
Equação de Capacidade para Enganchado:
\( N_{pn} = Psi_{c,p} N_p \)
Onde,
\( N_p = 0,9f_c'e_h d_a \)
Resistência à explosão da face lateral do concreto
A ruptura da face lateral ocorre quando uma âncora com embutimento relativamente profundo é colocada muito perto de uma borda livre. Em vez de formar um cone de ruptura para cima, o cone se estende lateralmente, fazendo com que a face lateral do concreto frature e exploda.
Este modo de falha é governado pela relação entre a profundidade de embutimento e a distância da borda. Quando esses parâmetros são dimensionados de determinadas maneiras, este mecanismo de falha pode não se aplicar.
Como os cones de concreto podem se sobrepor, tanto as âncoras individuais quanto os grupos de âncoras devem ser verificados.
Como consertar explosão lateral
Aumentar a distância da borda
Aumentar a distância da borda melhora a resistência nominal. Além disso, a much larger edge distance i.e.\( ca_1 > \fratura{h_{ef}}{2.5 }\) torna esta falha não aplicável.
Ajustar o espaçamento das âncoras para grupos de âncoras
Em grupos âncora, múltiplas âncoras podem causar ruptura simultânea da face lateral. Espaçamento das âncoras mais distantes, enquanto ainda permite alguma sobreposição de cone, aumenta o tamanho e a capacidade efetivos do cone de concreto.
Reduzir a profundidade de incorporação da haste de ancoragem
Hastes de ancoragem muito longas perto das bordas aumentam a probabilidade de explosão. Usar hastes mais curtas em relação à distância da borda pode fazer com que esta verificação não seja aplicável.
Use concreto de maior resistência
A atualização de um concreto de qualidade inferior para um concreto de qualidade superior aumenta a resistência à explosão da face lateral e geralmente é eficaz quando a geometria é restrita.
Equação de capacidade para âncoras individuais:
\( N_{sb} = 160c_{a1}\sqrt{UMA_{brg}}\lambda_a\sqrt{f’_c} \)
Equação de Capacidade para Grupos Âncora:
\( N_{como} = left(1 + \fratura{s}{6c_{a1}}\direito) N_{sb} \)
Resistência de união de âncoras adesivas
Para âncoras adesivas pós-instaladas, a resistência da ligação é verificada sob forças de tração. A capacidade é calculada com base na área de influência da âncora colada e na tensão de ligação característica. Os valores característicos de tensão de ligação vêm de testes experimentais, e se os dados de teste não estiverem disponíveis, valores conservadores do ACI 318-19 Tabela 17.6.2.5 pode ser usado.
Como as áreas de influência podem se sobrepor, tanto âncoras individuais quanto grupos de âncoras devem ser avaliados.
A capacidade de títulos já representa:
-
A ligação entre a âncora e o adesivo
-
A ligação entre o adesivo e o concreto
Como aumentar a capacidade de títulos
Aumentar o diâmetro da âncora
Um diâmetro de âncora maior adiciona capacidade à resistência básica da ligação, bem como a área de influência. A geometria da área de influência é muito influenciada pelo diâmetro.
Aumentar a profundidade de incorporação
Um embutimento mais profundo aumenta a resistência básica da ligação de uma âncora adesiva.
Aumente o espaçamento e as distâncias das bordas
Para grupos de âncoras ou âncoras individuais perto de uma borda, ajustar o espaçamento e as distâncias das bordas remove a limitação na área de influência total.
Use um adesivo com tensão de ligação característica mais alta
Escolher um adesivo com maior resistência de união melhora a capacidade. Maior tensão de ligação característica significa maior área de influência, aumentando assim a capacidade.
Equação de capacidade para âncoras individuais:
\( N_a = frac{UMA_{Já}}{UMA_{Não}} \Psi_{ed,Já} \Psi_{cp,Já} N_{ba} \)
Equação de Capacidade para Grupos Âncora:
\( N_{AG} = frac{UMA_{Já}}{UMA_{Não}} \Psi_{ec,Já} \Psi_{ed,Já} \Psi_{cp,Já} N_{ba} \)
Verificações de cisalhamento da âncora por ACI 318-19
Esta seção será publicada em breve.
Verificações de tensão de âncora e interação de cisalhamento por ACI 318-19
Esta seção será publicada em breve.
