Indagine sperimentale sulle proprietà di resistenza a fatica a trazione e a taglio di barre filettate ancorate nel calcestruzzo mediante resina epossidica

Recenti indagini sul comportamento delle barriere antirumore per le linee dell’alta velocità, hanno evidenziato come le sollecitazioni a fatica conseguenti al passaggio dei treni rappresentino il parametro “chiave” per il dimensionamento strutturale di tali opere.

Prof. Ing. Paolo Lazzarin, Dott. Ing. Francesco Mutignani, Dott. Ing. Roberto Rocchi,Dott. Ing. Angelo Vittozzi

SOMMARIO – Recenti indagini sul comportamento delle barriere antirumore per le linee dell’alta velocità, hanno evidenziato come le sollecitazioni a fatica conseguenti al passaggio dei treni rappresentino il parametro “chiave” per il dimensionamento strutturale di tali opere. Risulta pertanto necessario determinare le proprietà di resistenza a fatica delle membrature delle barriere, al fine di operare un confronto tra soluzioni costruttive fra loro alternative. Il lavoro riassume i risultati di una campagna di prove volte alla determinazione del comportamento a fatica a trazione e a taglio di barre filettate in acciaio ancorate al calcestruzzo mediante resina epossidica bicomponente. Le barre in questione vengono utilizzate in alcune soluzioni tecniche per ancorare le piastre di base dei montanti di acciaio alle fondazioni (ad esempio nelle applicazioni su opere esistenti). Le informazioni disponibili in letteratura risultavano molto carenti in relazione alle curve di riferimento per la progettazione a fatica. La rielaborazione statistica dei risultati ha consentito l’individuazione di due curve, una a trazione e una a taglio, corrispondenti a ben definite probabilità di sopravvivenza.

Introduzione

E’ oggetto di crescente interesse il comportamento a fatica di barre filettate di acciaio, ancorate al calcestruzzo mediante resina epossidica o adesivi di altro tipo [1, 2]. Un notevole impulso a tali applicazioni è legato alle problematiche conseguenti all’installazione di barriere antirumore lungo le linee ferroviarie dell’alta velocità della rete italiana (fig. 1). Nel percorrere la linea ferroviaria, il treno attraversa un fluido che aumenta la sua resistenza all’aumentare della velocità; il movimento provoca un campo di pressione ortogonale alla barriera antirumore. Tale campo, con legge sinusoidale, eccita la risposta dinamica della barriera mettendo alla prova la resistenza statica e a fatica di tutti i suoi componenti.

Le risultanze di una recente analisi teorico-sperimentale, coordinata da Italferr, per il dimensionamento di dette barriere, hanno portato a rianalizzare criticamente le regole di calcolo e a imporre, tra l’altro, la verifica a fatica come “key criterion” di tutti gli elementi strutturali (pannelli, montanti, ancoraggi etc.) [3].

Vista l’importanza della problematica tecnica, l’aspetto normativo è attualmente oggetto di studio anche a livello europeo (con il gruppo di lavoro CEN/TC226/WG6), anche in relazione alla definizione dei protocolli per le prove a fatica.

In relazione alle verifiche strutturali, un aspetto ancora non bene definito è la verifica a fatica dei tirafondi di collegamento delle strutture portanti delle barriere acustiche, nel caso in cui gli stessi siano ancorati alle fondazioni in calcestruzzo tramite resine o prodotti equivalenti. La difficoltà risiede nel fatto che non esistono al momento normative che forniscono curve di riferimento per le verifiche a fatica per tale tipo di connessione.

Questa tipologia di connessione trova applicazione in casi particolari, ad esempio, quando l’opera d’arte è stata realizzata senza prevedere le opportune predisposizioni ed è quindi necessario intervenire a posteriori nel modo meno invasivo possibile.

L’analisi statico-dinamica delle barriere antirumore soggette ad una azione di pressione-depressione dovuta al passaggio del treno, ha evidenziato come al piede dei montanti posti in prossimità della piastra di base sia presente una variazione di flessione e di taglio, variazione che a sua volta si ripercuote sui tirafondi di ancoraggio all’opera d’arte, in maniera differente a seconda dei dettagli di attacco. Nei casi più frequenti (vedi fig. 2), i tirafondi sono sollecitati sostanzialmente da una variazione di tensione normale; in casi più rari (vedi fig. 3), in cui la carpenteria metallica “abbraccia” l’opera d’arte (ad esempio la testa di un muro), le piastre verticali di attacco risultano sollecitate sia dallo sforzo normale generato dall’attrito sia da un’azione di taglio sul tirafondo.

Lo stato tensionale complessivo, ha reso necessarie opportune sperimentazioni, prima a trazione, poi a taglio, al fine di determinare le curve di progetto con ben definite probabilità di sopravvivenza.

Sintesi dei risultati dei test di fatica a trazione

I risultati delle prove di trazione sono stati già presentati in un recente contributo [4] al quale si rimanda per maggiori dettagli. E’ sufficiente qui precisare che la sperimentazione ha inizialmente preso in esame barre filettate (M16 e M30, classe 8.8), annegate in fori ottenuti mediante tubo corrugato di acciaio avente diametro interno costante di 40 mm e profondità di inghisaggio di 400 mm e 800 mm. In questi casi era stata impiegata una resina epossidica bicomponente FIS EM. La stessa resina è stata utilizzata anche nel caso di barre M20 e M30 di classe 8.8 con profondità di ancoraggio pari, rispettivamente, a 170 mm e 280 mm (vedi Tabella 1).

Caratteristiche dell’ancoraggio		M20	M30
Diametro del foro	do[mm]	24	35
Profondità di foratura	ho[mm]	175	285
Profondità min. di ancoraggio	hef[mm]	170	280
Resistenza del calcestruzzo		C20/25	C20/25

Tab. 1: Caratteristiche dell’ancoraggio per le barre filettate M20 e M30. (a trazione e a taglio)

Tali barre sono state installate secondo una procedura che prevedeva in successione: l’esecuzione del foro, le sequenze standard di pulizia del foro, l’iniezione della resina e, infine, inserimento della barra filettata (ved. Fig. 5). Prima dell’applicazione dei carichi di fatica sono stati rispettati i tempi minimi di attesa indicati nel manuale tecnico del produttore (Fischer) [5].

Sono stati utilizzati blocchi di calcestruzzo non armato aventi classe di resistenza certificata C20/25, in accordo, ad esempio, con il valore minimo di riferimento nelle linee guida europee ETAG [6] in materia di applicazioni strutturali con ancoranti chimici.

Tutti i campioni sono stati sottoposti a prove di fatica a trazione con rapporto nominale di ciclo prossimo a zero. Alle barre non è stata applicata alcuna coppia di serraggio. Tale scelta è dovuta alla necessità di evitare precarichi nelle barre stesse: essi, infatti, giocano un ruolo benefico nel comportamento a fatica del sistema consentendo, in varia misura, l’assorbimento dei carichi di esercizio grazie alla decompressione parziale della piastra. Fenomeni di ritiro nel tempo del calcestruzzo, possono portare a una sensibile riduzione delle coppie di serraggio dei tirafondi, e a un maggiore coinvolgimento delle barre filettate nell’assorbimento dei carichi esterni applicati.

Tutte le indagini sperimentali a fatica sono state effettuate presso i laboratori dello stabilimento Fischer di Denzlingen (Germania). La macchina di prova (ved. Fig. 6) era costituita da un telaio metallico provvisto di un attuatore idraulico Walter+Bai ag., in grado di fornire una forza statica max di 250 kN e una forza dinamica max di 200 kN, quest’ultima con frequenza limite di applicazione del carico pari a 15 Hz. Le prove sono state monitorate in continuo registrando la forza applicata alla barra, gli spostamenti assiali del sistema di fissaggio, la temperatura e il numero di cicli. Un particolare relativo alla zona di aggancio della barra è mostrato in Fig. 7.

E’ fondamentale precisare che il meccanismo di rottura è rimasto invariato in tutti i test effettuati: le rotture a fatica si sono verificate sistematicamente in corrispondenza del primo filetto in presa della barra, sotto il dado, per effetto d’intaglio. (ved. Fig. 8).

Il meccanismo di rottura è rimasto inalterato anche per i tre campioni M30 posizionati molto vicino al bordo del blocco in calcestruzzo (a 70 millimetri): non si è verificata alcuna riduzione delle proprietà di resistenza a fatica rispetto ai test condotti su campioni ancorati al centro del blocco.

I risultati della prova di fatica a trazione sulle barre M16, M20 and M30 sono illustrati nella Fig. 9 in termini di range di tensione nominale applicata Δσ e numero di cicli totali a rottura N. Un confronto con la curva di progetto proposta in EC3 per i bulloni e barre filettate (FAT50) mette in evidenza come tutti i dati sperimentali relativi alle barre M16, M20 ed M30 (queste ultime non zincate) si collochino molto al di sopra del riferimento suggerito dalla Norma EC3. Valori di maggiore sicurezza si presentano soprattutto ad alto numero di cicli.

Il comportamento delle barre filettate M30 con trattamento superficiale di zincatura elettrolitica si è mostrato non in linea con tutti gli altri risultati sperimentali, come evidenziato nel diagramma Δσ – N di Fig. 9. La loro resistenza a fatica è risultata inferiore ai campioni precedenti, seppure superiore alla curva di progetto dell’EC3. Il fattore di riduzione in termine di Δσ nominale risulta a 2×105 cicli leggermente inferiore a 2.0, e quindi superiore a quanto atteso esclusivamente per effetto scala.

In assenza di dati in letteratura tecnica relativi a questo tipo di applicazione che ha visto l’impiego di un ancorante chimico (FIS EM), è stato ritenuto comunque utile operare un confronto con altri dati sperimentali resi disponibili da altri ricercatori.

E’ importante comunque osservare come le modalità di rottura non variassero rispetto a quelle rilevate nella presente indagine, con innesco delle cricche e cedimento finale sempre in corrispondenza delle barre filettate.

Gli ulteriori dati di resistenza riguardavano:

– test di fatica relativa agli ancoraggi Fischer FHB dyn realizzati con l’ancorante chimico Fischer FIS HB; tali test erano stati stati effettuati a R=0 da Block e Dreier [2,8]);

– test su barre M16 in classe 8.8 con R=0 del carico (Block e Dreier [9]);

– test su viti TE M16 in classe 5.8 con R=0 (Majzoobi et al. [10]);

– altri test su unioni bullonate M20 classe 8.8 (Wells [11]);

– test sperimentali su barre filettate M10 42CrMo4, classe 8.8 (Fares et al. [12]).

E’ necessario precisare come in tutti i casi considerati, il cedimento per fatica riguardasse l’acciaio, senza mai interessare il calcestruzzo. I risultati del confronto sono presentati in Fig. 10.

L’analisi statistica dei nuovi risultati insieme a quelli tratti dalla letteratura, la consentito la determinazione di una nuova banda di dispersione per barre di diametro uguale o minore di 20 mm. (ved. Fig. 11). La rielaborazione ha preso in esame anche i dati a fatica relativi alle barre M30 non zincate, che avevano evidenziato una resistenza del tutto compatibile con quella delle serie di diametro inferiore.

Il valore del range di riferimento a due milioni di cicli è risultato essere pari a ΔσC=112 MPa, con una probabilità di sopravvivenza Ps=97.7 % (valori medi sperimentali meno due deviazioni standard). La pendenza inversa della banda è risultata leggermente superiore a 4.0, contro una pendenza 3.0 suggerita dall’EC3.

Nuovi risultati di prove di resistenza a fatica a taglio

Una nuova campagna di prove è in corso di effettuazione presso i laboratori della Fischer di Padova e di Denzlingen (Germania). Vengono qui presentati i risultati completi dei test di fatica a taglio già effettuati su barre filettate M20. La geometria dei campioni era in accordo con quella già illustrata in Tabella 1 per i test a trazione. E’ stata impiegata la stessa resina epossidica bicomponente, FIS EM 390 S, e sono stati utilizzati blocchi di calcestruzzo non armato aventi classe di resistenza certificata C20/25, in accordo con il valore minimo di riferimento nelle linee guida europee ETAG [6] in materia di applicazioni strutturali con ancoranti chimici.

Il dispositivo di prova utilizzato presso la Fischer di Padova è mostrato in Fig. 12. E’ evidente che la sollecitazione di taglio è applicata tramite un piatto d’acciaio che agisce sulla testa della barra tramite una boccola orientabile di diametro pari a 20 – 21 mm. La barra è stata precaricata applicando una coppia costante di valore TS=300 Nm. Al fine di ridurre drasticamente l’attrito presente tra barra e blocco di calcestruzzo, è stato inserito un foglio sottile di teflon (0,5 mm), ved. Fig. 13.

I risultati dei testi di fatica a taglio sono riportati in Tabella 2 in termini forza massima, forza minima applicata e relativo range. Nota la sezione netta resistente delle barre (Ares = 245 mm2), il range di forza è stato riconvertito in termini di Δτ nominale. Per ciascun range di tensione di taglio, la Tabella 2 dà il valore sperimentale del numero di cicli a rottura.

I dati sperimentali relativi alle rotture a fatica a N cicli, sono stati rielaborati statisticamente, utilizzando una distribuzione log-normale, secondo procedure consolidate [13,14]. I provini run-out a oltre 5 milioni di cicli sono stati esclusi dalla rianalisi statistica.

N° prov.	Fmax (kN)	Fmin (kN)	ΔF (kN)	Δτ (MPa)	Numero cicli a rottura
1	55,50	1,50	54	220,41	15.100
2	51,50	1,50	50	204,08	23.500
3	46,50	1,50	45	183,67	33.101
4	43,50	1,50	42	171,43	30.901
5	43,50	1,50	42	171,43	29.802
6	41,50	1,50	40	163,27	63.900
7	39,50	1,50	38	155,10	246.504
8	37,50	1,50	36	146,94	125.799
9	36,50	1,50	35	142,86	145.652
10	35,50	1,50	34	138,78	591.905
11	31,50	1,50	30	122,45	492.853
12	31,50	1,50	30	122,45	5.462.501 (nr)
13	29,50	1,50	28	114,29	5.145.000 (nr)
14	24,50	1,50	23	93,88	5.830.000 (nr)

Tabella 3. Risultati delle prove di fatica sulle barre M20 classe 8.8 (Ares= 245 mm2). Rapporto nominale di ciclo R ≈ 0. Coppia di serraggio Ts=300 Nm; classe del calcestruzzo C20/25; diametro boccola =20-21 mm). Il codice ‘nr’ indica provini non rotti al numero di cicli indicato.

I risultati sono illustrati in Fig. 14, laddove è tracciata anche la curva di riferimento suggerita dall’EC3 per il materiale base soggetto ad sollecitazioni di taglio, in assenza di effetto d’intaglio. Tale curva presenta, come ben noto, un valore di riferimento  Δτ (97.7%)=100 MPa e una pendenza inversa k=5,0.

La banda di dispersione relativa alle barre oggetto di sperimentazione è stata valutata con riferimento a un livello di probabilità di sopravvivenza del 10-90%, in accordo con la banda di Haibach, al fine di non penalizzare le code della distribuzione in presenza di un numero di dati utili pari a 11. I 3 run-out a oltre 5 milioni di cicli risultano comunque superiori al valore di riferimento indicato, Δτ=84 MPa (Ps=90%). E’ utile ricordare come nel caso delle unioni saldate, il passaggio da una probabilità di sopravvivenza dal 90% al 97.7% comporti una fattore di riduzione pari a 1.12. Alla luce di queste considerazioni, riteniamo, in termini ingegneristici, che il valore di riferimento per Ps=97.7 dovrebbe assestarsi intorno ai 75 MPa. Si osservi infine come la pendenza inversa sia risultata molto vicina a quella suggerita dall’EC3, 6,65 contro 5,0.

Un tipico diagramma di rigidezza relativo a un giunto non rotto a oltre 5 milioni ciclo è visualizzato in Fig. 15. In relazione alle modalità di rottura, queste sono risultate variabili in funzione dell’entità del carico applicato. In presenza di carichi elevati, la rottura ha sistematicamente interessato la barra d’acciaio, con evidente ovalizzazione della sede (Fig. 16). Ad alto numero di cicli, si manifestava invece il cedimento del calcestruzzo, ma in presenta di una contemporanea fessurazione della barra (Fig. 17).

Conclusioni

Sono stati riassunti i risultati di prove a fatica di trazione eseguite su barre filettate (M16, M20 and M30, classe 8.8) annegate nel calcestruzzo mediante resina epossidica FIS EM. Sono stati poi presentati e discussi i risultati di nuovi test di fatica a taglio effettuati su barre filettate M20, utilizzando la stessa resina e lo stesso tipo di calcestruzzo C20/C25.

Tutti i campioni testati a trazione hanno evidenziato la medesima modalità di rottura, indipendentemente dal diametro e dalla profondità di ancoraggio: il cedimento si è manifestato sistematicamente sulle barre di acciaio per effetto d’intaglio,

con inizio in corrispondenza del primo filetto impegnato sotto il dado. La resistenza a fatica delle barre M16 e M20 è risultata superiore a quella suggerita dall’EC3 (FAT50) per bulloni e barre filettate soggette a fatica. E’ stata determinata una nuova banda di dispersione analizzando i nuovi risultati insieme a molti altri tratti dalla letteratura tecnica. Il valore di riferimento a due milioni di cicli è risultato essere ΔσC=112 MPa (con riferimento ad una probabilità di sopravvivenza Ps=97.7 %) per barre di diametro uguale o minore di 20 mm. La pendenza inversa della banda è risultata leggermente superiore a 4.0, contro una pendenza 3.0 suggerita dall’EC3.

Tutte le barre filettate con diametro nominale pari a 30 mm e soggette a zincatura superficiale hanno mostrato una resistenza a fatica inferiore a quella dei campioni sopra citati, in relazione al regime di vita a fatica esplorato, N<2×105 cicli. Per le barre M30 la curva di progetto a trazione fornita dall’EC3 può essere quindi presa come riferimento.

In relazione ai nuovi risultati relativi alle prove di fatica a taglio, tutte effettuate con un rapporto nominale di ciclo R ≈0, il valore medio sperimentale è risultato pari a Δτ =100 MPa, che si riduce a Δτ =84 MPa considerando una probabilità di sopravvivenza del 90%. L’indice di dispersione è risultato pari a 1.43, leggermente inferiore a quello che caratterizza la banda di Haibach (1.50). Alla luce di queste considerazioni è lecito pensare che il valore di riferimento relativo a una probabilità di sopravvivenza del 97,7% si assesti intorno ai 75 MPa. La pendenza delle curva di resistenza a fatica è risultata pari a 6,5, non molto diversa da quella suggerita dall’EC3, k=5.0, per il materiale base non intagliato soggetto a taglio. In relazione alle modalità di rottura, queste sono risultate variabili in funzione dell’entità del carico esterno applicato. Le rotture si infatti manifestate sistematicamente sulle barre filettate ad alto carico (basso numero di cicli), sul calcestruzzo a basso carico (alto numero di cicli). In quest’ultima condizione, comunque, il cedimento del calcestruzzo si accompagnava a fessurazioni evidenti sulle barre.

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