Progettazione di ancoraggi tra acciaio e calcestruzzo

What is it about?

Fastenings play a crucial role in the integrity and safety of structural and non-structural elements. That is why dedicated standards, such as EN1992-4, have been developed. They address the challenges of steel-to-concrete connections and provide a reliable design method, that ensures a safe load transmission between steel and concrete elements. EN1992-4 covers various types of fasteners (cast-in headed fasteners, post-installed mechanical and bonded fasteners), as well as different action categories. 

Design of fastenings for use in concrete

The design of fastenings in concrete according to EN1992-4 for static/quasi static loading involves multiple code checks: 

Fig. 1  Code checks for fasteners in tension

Fig. 2 Code checks for fasteners in shear

Fig. 3 Code checks to account for interaction of tension and shear loads

The design process, as outlined in the Standard (Fig.  1 - Fig.  3), requires a detailed approach to ensure that all relevant code checks are satisfied. Each fastener type requires specific considerations. For example, mechanical anchors rely on mechanical interlock, while bonded anchors depend on adhesive properties of the bonding material. The design process must account for these differences to ensure a reliable connection.

A closer look at one of these code checks, we will take the characteristic resistance of the fastener, or a group of fasteners in case of concrete cone failure (Fig.  4) as an example, shows how sophisticated the design model is:

Fig.  4 The characteristic resistance of the fastener, or a group of fasteners in case of concrete cone failure

There are 4 factors included in the equation to account for effects like shell spalling, disturbance of distribution of stresses, presence of supplementary reinforcement and others. This reveals that not only the properties of the construction materials (steel, concrete), but also other factors, like geometry of the concrete block, anchor grid, embedment depth, supplementary reinforcement etc., have an influence on the final resistance, i.e. the governing failure mode for given load combination. This demonstrates that the design of steel-to-concrete connections can be quite tedious and complex when done manually, as it involves numerous calculations and iterations to optimize the design.

IDEA StatiCa Connection allows the user to design steel-to-concrete connections using post installed mechanical fasteners or cast-in anchors with washer plates. Depending on anchor type there are many code checks to be calculated. Most of the code checks listed in Fig.  1 - Fig.  3 are calculated in IDEA StatiCa Connection based on user´s input and the parameters indicated in the standard. Some of them are not provided, as they require product specific factors, which are based on tests carried out using standardized setup and evaluated according to applicable harmonized technical specification. These factors can be found in technical approvals such as European Technical Assessment (ETA). Besides factors required for the calculation of design resistance, there are other important characteristics included in an approval, like minimum edge distance c_min, minimum anchor spacing s_min, minimum height of concrete block h_min, safety factors and others. The information about code checks that are not provided is described in results tab as shown in Fig.  5.

Fig.  5 List of code checks that require product specific characteristics

Stiffness of the base plate

Besides a list of required code checks, the standard specifies additional rules that shall be adhered to. Among them there are rules for derivation of forces acting on fasteners. When a bending moment and/or a tensile force is acting on a fixture, similar as in steel-to-steel connection, prying forces may arise. These forces shall be considered in the design, as this will lead to higher tensile forces in the anchors. This requirement is described in Clause 6.1 (4) and shown in Fig. 6.1 b of EN1992-4:

Fig.  6 Clause 6.1 (4) of EN1992-4

Fig.  7 Amplification of tension forces acting on a fastener due to prying forces C_pr

The code gives guidance on how to calculate the design tensile loads acting on a fastener, provided the fixture is sufficiently rigid, that means an assumption of linear strain distribution is valid (as in beam theory). However, if the requirements set out in Clause 6.2.1 are not met, the elastic deformation behavior of the fixture shall be taken into account. This effect is considered in IDEA StatiCa Connection, as the calculation using the CBFEM method allows capturing the flexural behavior of the base plate, including stiffness of the attached profile, welds, and foundation pad (modelled using Winkler subsoil model). In the next paragraph we will take a closer look at the influence of the plate thickness on the resulting tensile forces in the anchors, equivalent stresses in column and compressive stresses in concrete block.

Examples in IDEA StatiCa

Anchor layout (2 rows with 3 anchors), embedment depth, concrete block dimensions as well as material properties remain same for both investigated cases. What will be adjusted is the base plate thickness (10, 20 and 30 mm), and the applied load effects – for case no. 1 that is a tensile force N = 100 kN, and for case no. 2 that is a compression force N = -100 kN. These assumptions will allow us to easily verify the influence of the parameters on the outcomes, i.e. axial forces of the fasteners, equivalent stress in column and compression stress in concrete. The model is shown in Fig. 8 below.

Fig.  8 Model in IDEA StatiCa Connection

Let´s start with case no. 1, here are the results for the investigated examples:

Fig.  9 Case no. 1, base plate thickness = 10 mm, equivalent stresses

Fig.  10 Case no. 1, base plate thickness = 10 mm, tensile forces in anchors

Fig.  11 Case no. 1, base plate thickness = 20 mm, equivalent stresses

Fig.  12 Case no. 1, base plate thickness = 20 mm, tensile forces in anchors

Fig.  13 Case no. 1, base plate thickness = 30 mm, equivalent stresses

Fig.  14 Case no. 1, base plate thickness = 30 mm, tensile forces in anchors

Tab. 1 Summary of the results for case no. 1 (N = 100 kN)

As expected, with increasing plate thickness the prying forces are decreasing, with t_fix = 30 mm no prying forces are present, and the load is uniformly distributed among all anchors in the group. Comparing the forces for most stressed anchor in the group there is a 67% difference between a elastic base plate (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) and a rigid base plate (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). Consideration of the flexural behavior of the base plate does also affect the stress distribution in attached plates, as well as in the welds connecting the elements. This shows how important the verification of base plate stiffness is in the design process.

The results for case no. 2 show the influence of plate thickness on the distribution of the compression stress in concrete:

Case no. 2, base plate thickness = 10 mm, equivalent stresses, stress in concrete

Fig.  16 Case no. 2, base plate thickness = 20 mm, equivalent stresses, stress in concrete

Fig.  17 Case no. 2, base plate thickness = 30 mm, equivalent stresses, stress in concrete

Tab. 2 Summary of the results for case no. 2 (N = -100 kN)

It can be noticed that with increasing thickness, the stress is distributed more uniformly, which in turn lowers the maximum compression stress in concrete.

Summary

With IDEA StatiCa Connection the user can accurately model the flexural behavior of the base plate and verify its impact on the modelled connection. The software uses the CBFEM method to simulate the deformation of the base plate under given load effects. This allows engineers to visualize the distribution of forces and identify potential issues related to the elastic behavior of the base plate, or to confirm the correctness of the assumption of a linear strain distribution stated in EN1992-4. It is crucial part of the design process for steel-to-concrete connections, as even relatively thick base plates may not fulfill the requirements of rigid base plate and omitting this verification might lead to underestimation of tensile forces in the anchors as shown in the examples above.

…post scriptum

In the latest version of our software, Version 24.0, a beta version of the direct BIM Link between IDEA StatiCa Connection and Detail has been implemented. This allows the verification of reinforced concrete footings (ULS) using 3D Detail (based on CSFM method). In our support center, you can find a step-by-step tutorial on how to exchange the data between both programs, as well as how to run the calculation in Detail app.

Fig. 18 BIM Link between IDEA StatiCa Connection and Detail (beta version)

What more?

Read more about the topic here:

Code-check of anchors (EN)

Import of anchoring from Connection to Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Structural design of concrete 3D discontinuities | IDEA StatiCa

If you want to read more about the new version, see the release notes with all the details. 

Celebrate 10 years of IDEA StatiCa connection design 

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Di cosa si tratta?

I dispositivi di fissaggio svolgono un ruolo fondamentale per l'integrità e la sicurezza degli elementi strutturali e non strutturali. Per questo motivo sono state sviluppate norme dedicate, come la EN1992-4. Esse affrontano le sfide delle connessioni acciaio-calcestruzzo e forniscono un metodo di progettazione affidabile, che garantisce una trasmissione sicura del carico tra elementi in acciaio e calcestruzzo. La norma EN1992-4 copre diversi tipi di elementi di fissaggio (elementi di fissaggio con testa gettata in opera, elementi di fissaggio meccanici e incollati post-installati), nonché diverse categorie di azione.

Progettazione di elementi di fissaggio da utilizzare nel calcestruzzo

La progettazione di elementi di fissaggio nel calcestruzzo secondo la norma EN1992-4 per carichi statici/quasi statici comporta molteplici verifiche del codice:

Fig. 1 Controlli del codice per elementi di fissaggio in tensione

Fig. 2 Verifiche del codice per elementi di fissaggio a taglio

Fig. 3 Verifiche del codice per tenere conto dell'interazione dei carichi di trazione e di taglio

Il processo di progettazione, come delineato nella norma (Fig. 1 - Fig. 3), richiede un approccio dettagliato per garantire che tutte le verifiche del codice siano soddisfatte. Ogni tipo di fissaggio richiede considerazioni specifiche. Ad esempio, gli ancoraggi meccanici si basano sull'incastro meccanico, mentre gli ancoraggi incollati dipendono dalle proprietà adesive del materiale di incollaggio. Il processo di progettazione deve tenere conto di queste differenze per garantire una connessione affidabile.

Un'occhiata più da vicino a una di queste verifiche del codice, prenderemo come esempio la resistenza caratteristica dell'elemento di fissaggio o di un gruppo di elementi di fissaggio in caso di rottura del cono di calcestruzzo (Fig. 4), mostra quanto sia sofisticato il modello di progettazione:

Fig. 4 La resistenza caratteristica del dispositivo di fissaggio o di un gruppo di dispositivi di fissaggio in caso di cedimento del cono di calcestruzzo

Nell'equazione sono inclusi 4 fattori che tengono conto di effetti come la scagliatura del guscio, il disturbo della distribuzione delle sollecitazioni, la presenza di armature supplementari e altri. Questo rivela che non solo le proprietà dei materiali da costruzione (acciaio, calcestruzzo), ma anche altri fattori, come la geometria del blocco di calcestruzzo, la griglia di ancoraggio, la profondità dell'annegamento, l'armatura supplementare e così via, hanno un'influenza sulla resistenza finale, cioè sulla modalità di rottura che governa una determinata combinazione di carico. Ciò dimostra che la progettazione di connessioni acciaio-calcestruzzo può essere piuttosto noiosa e complessa se eseguita manualmente, in quanto comporta numerosi calcoli e iterazioni per ottimizzare il progetto. IDEA StatiCa Connection consente all'utente di progettare connessioni acciaio-calcestruzzo utilizzando elementi di fissaggio meccanici installati per posta o ancoraggi gettati in opera con piastre a rondella. A seconda del tipo di ancoraggio, è necessario calcolare molte verifiche del codice. La maggior parte delle verifiche di codice elencate nelle Fig. 1 - Fig. 3 sono calcolate in IDEA StatiCa Connection sulla base degli input dell'utente e dei parametri indicati nella norma. Alcuni di essi non sono forniti, in quanto richiedono fattori specifici per il prodotto, che si basano su prove eseguite con un'impostazione standardizzata e valutate in base alle specifiche tecniche armonizzate applicabili. Questi fattori si trovano nelle approvazioni tecniche come la Valutazione Tecnica Europea (ETA). Oltre ai fattori necessari per il calcolo della resistenza di progetto, vi sono altre caratteristiche importanti incluse in un'approvazione, come la distanza minima tra i bordi _cmin, la distanza minima tra gli ancoraggi _smin, l'altezza minima del blocco di calcestruzzo _hmin, i fattori di sicurezza e altri. Le informazioni sulle verifiche del codice non fornite sono descritte nella scheda dei risultati, come illustrato nella Fig. 5.

Fig. 5 Elenco dei controlli del codice che richiedono caratteristiche specifiche del prodotto

Rigidità della piastra di base

Oltre all'elenco dei controlli di codice richiesti, lo standard specifica ulteriori regole da rispettare. Tra queste vi sono le regole per la derivazione delle forze che agiscono sugli elementi di fissaggio. Quando un momento flettente e/o una forza di trazione agiscono su un elemento di fissaggio, come nel caso della connessione acciaio-acciaio, possono verificarsi forze di trazione. Queste forze devono essere considerate nella progettazione, in quanto porteranno a forze di trazione più elevate negli ancoraggi. Questo requisito è descritto nella Clausola 6.1 (4) e mostrato nella Fig. 6.1 b della norma EN1992-4:

Fig. 6 Clausola 6.1 (4) della EN1992-4

Fig. 7 Amplificazione delle forze di tensione che agiscono su un elemento di fissaggio a causa delle forze di trazione_Cpr

Il codice fornisce indicazioni su come calcolare i carichi di trazione di progetto che agiscono su un elemento di fissaggio, a condizione che il dispositivo sia sufficientemente rigido, il che significa che è valida l'ipotesi di una distribuzione lineare delle deformazioni (come nella teoria delle travi). Tuttavia, se i requisiti di cui all'articolo 6.2.1 non sono soddisfatti, si deve tenere conto del comportamento di deformazione elastica dell'elemento di fissaggio. Questo effetto è considerato in IDEA StatiCa Connection, in quanto il calcolo con il metodo CBFEM consente di catturare il comportamento flessionale della piastra di base, compresa la rigidità del profilo collegato, delle saldature e della platea di fondazione (modellata con il modello Winkler del sottosuolo). Nel prossimo paragrafo esamineremo più da vicino l'influenza dello spessore della piastra sulle forze di trazione risultanti negli ancoraggi, sulle sollecitazioni equivalenti nella colonna e sulle sollecitazioni di compressione nel blocco di calcestruzzo.

Esempi in IDEA StatiCa

La disposizione degli ancoraggi (2 file con 3 ancoraggi), la profondità d'incasso, le dimensioni del blocco in calcestruzzo e le proprietà del materiale rimangono invariate per entrambi i casi analizzati. Ciò che verrà regolato è lo spessore della piastra di base (10, 20 e 30 mm), e gli effetti del carico applicato - per il caso n. 1 si tratta di una forza di trazione N 1, ovvero una forza di trazione N = 100 kN, e per il caso n. 2 una forza di compressione N = -100 kN. Queste ipotesi ci permetteranno di verificare facilmente l'influenza dei parametri sui risultati, cioè le forze assiali dei dispositivi di fissaggio, la sollecitazione equivalente nella colonna e la sollecitazione di compressione nel calcestruzzo. Il modello è mostrato nella seguente Fig. 8.

Fig. 8 Modello in IDEA StatiCa Connection

Partiamo dal caso n. 1. 1, ecco i risultati degli esempi esaminati:

Fig. 9 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 10 mm, sollecitazioni equivalenti

Fig. 10 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 10 mm, forze di trazione negli ancoraggi

Fig. 11 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 20 mm, sollecitazioni equivalenti

Fig. 12 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 20 mm, forze di trazione negli ancoraggi

Fig. 13 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 30 mm, sollecitazioni equivalenti

Fig. 14 Caso n. 1, spessore della piastra di base = 30 mm, forze di trazione negli ancoraggi

Tab. 1 Riepilogo dei risultati per il caso n. 1 (N = 100 kN). 1 (N = 100 kN)

Come previsto, con l'aumento dello spessore della piastra le forze di trazione diminuiscono, con _tfix = 30 mm non sono presenti forze di trazione e il carico è uniformemente distribuito tra tutti gli ancoraggi del gruppo. Confrontando le forze per l'ancoraggio più sollecitato del gruppo, si nota una differenza del 67% tra una piastra di base elastica (_tfix = 10 mm,_NEd,1 = 27,9 kN) e una piastra di base rigida (_tfix = 30 mm,_NEd,1 = 16,7 kN). La considerazione del comportamento flessionale della piastra di base influisce anche sulla distribuzione delle sollecitazioni nelle piastre collegate e nelle saldature che collegano gli elementi. Questo dimostra quanto sia importante la verifica della rigidità della piastra di base nel processo di progettazione.

I risultati del caso n. 2 mostrano l'influenza dello spessore della piastra sulla distribuzione delle sollecitazioni di compressione nel calcestruzzo:

Caso n. 2, spessore della piastra di base = 10 mm, tensioni equivalenti, sollecitazione nel calcestruzzo

Fig. 16 Caso n. 2, spessore della piastra di base = 20 mm, sollecitazioni equivalenti, sollecitazione nel calcestruzzo

Fig. 17 Caso n. 2, spessore della piastra di base = 30 mm, sollecitazioni equivalenti, sollecitazione nel calcestruzzo

Tab. 2 Riepilogo dei risultati per il caso n. 2 (N = -100 kN)

Si può notare che con l'aumento dello spessore, le sollecitazioni si distribuiscono in modo più uniforme, riducendo così la sollecitazione massima di compressione nel calcestruzzo.

Riepilogo

Con IDEA StatiCa Connection l'utente può modellare accuratamente il comportamento a flessione della piastra di base e verificarne l'impatto sulla connessione modellata. Il software utilizza il metodo CBFEM per simulare la deformazione della piastra di base sotto determinati effetti di carico. Ciò consente agli ingegneri di visualizzare la distribuzione delle forze e di identificare potenziali problemi legati al comportamento elastico della piastra di base, o di confermare la correttezza dell'ipotesi di una distribuzione lineare delle deformazioni indicata nella norma EN1992-4. Si tratta di una parte fondamentale del processo di progettazione delle connessioni acciaio-calcestruzzo, in quanto anche piastre di base relativamente spesse possono non soddisfare i requisiti di piastra di base rigida e l'omissione di questa verifica potrebbe portare a una sottostima delle forze di trazione negli ancoraggi, come mostrato negli esempi precedenti.

...post scriptum

Nell'ultima versione del nostro software, la 24.0, è stata implementata una versione beta del collegamento BIM diretto tra IDEA StatiCa Connection e Detail. Ciò consente di verificare i piedritti in cemento armato (ULS) utilizzando il Dettaglio 3D (basato sul metodo CSFM). Nel nostro centro di assistenza è disponibile un tutorial passo-passo su come scambiare i dati tra i due programmi e su come eseguire il calcolo nell'applicazione Detail.

Fig. 18 Collegamento BIM tra IDEA StatiCa Connection e Detail (versione beta)

Cosa c'è di più?

Per saperne di più, leggete qui:

Verifica del codice degli ancoraggi (EN)

Importazione degli ancoraggi da Connessione a Dettaglio (BETA)

IDEA StatiCa Detail - Progettazione strutturale di discontinuità 3D in calcestruzzo | IDEA StatiCa

Se volete saperne di più sulla nuova versione, consultate le note di rilascio con tutti i dettagli.

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