Seismic Behaviour of Post-Installed Anchors: Non-Structural Components and Art Objects Fastening

The damage observation in recent seismic events (L’Aquila 2009, Chile 2010, Christchurch 2011, Tohoku 2011, Emilia 2012) helps in the identification of the critical aspects related to the response to earthquake of non-structural components (Miranda et al. 2012). Generally these elements are included in buildings and may belong to the architectural system, to the utility system or to the building content. The failure of the non-structural components can represent a significant danger for life safety and leads to relevant economic losses and this also contributes in amounting to a severe impact for the society (Miranda et al. 2012). This thesis contains the results of an experimental campaign which had the aim of evaluating different typologies of post-installed anchors under seismic actions. The mentioned topic is considered of importance for the central role of these devices in anchoring non-structural elements in order to avoid failures and damages which can cause danger for life safety, huge economic loss and lack of functionality in a building after an earthquake occurs. (Taghavi and Miranda 2003; ATC 69 2008). During an earthquake the non-structural components should withstand to relevant inertial forces, transferred through the connection to the structural elements (beams, slabs, columns, walls) or often to other non-structural elements, such as infill walls. In many cases those connections are realized by means of post-installed anchors which should be designed properly in order to ensure a good behaviour to the seismic actions (Makris and Black 2001; Naumoski et al. 2002; Solomos and Berra 2006; Hoehler et al. 2011). Among all the requirements the reliability in terms of failure modes and strength of post-installed anchors results to be fundamental to obtain a valid design in the dynamic field. For instance the design of fire protection systems in schools, medical equipment in hospitals, masterpieces displayed in museums need an in-depth knowledge on the performance of anchors to use. Such knowledge should cover both the resistance for life safety limit state and the admissible displacements that allow the element functionality for serviceability limit state. The purpose of the experimental campaign presented within this research is to study the seismic behaviour of various anchoring systems through shaking table tests. Two cross-shaped structures were built at full scale, one consisted of concrete walls and one of a RC framed structure with masonry infill panels. Two different conditions were investigated in the case of fasteners installed in concrete, namely non-cracked and cracked support. Poroton® hollow bricks were used to build the specimen with masonry infill walls. Tri-axial shaking table tests were designed on the basis of the standard AC156 (2010) which provides a test setup for the seismic certification of non-structural components by shaking table tests. The experiments were realized by subsequent signals scaled at a growing ZPA (Zero Period Acceleration) to study the effects induced on the specimens at increasing seismic intensity. The results allowed the overall seismic behaviour of each fastening element to be investigated, especially in terms of failure mode, maximum sustained acceleration and anchor slippage from support. The influence of cracks on these aspects was also deepened for the concrete structural unit. The test plan also allowed a complete comparison among different anchoring methodologies, such as mechanical, chemical and undercut anchors. Some recent studies (Rieder 2009; Watkins 2011; Mahrenholtz et al. 2012) focused on the seismic assessment of metal anchors in concrete by means of shake-table testing, whereas the use of fasteners in masonry and the behaviour of plastic anchors in general were not exhaustively investigated until now (Algin 2007; Sinica et al. 2010). Nevertheless these are two fields of interest because of their widespread presence in constructions. Therefore during the experimental study a particular attention has been paid to the issues of plastic anchors and installations in masonry.

L’osservazione del danno nei recenti eventi sismici (L’Aquila 2009, Chile 2010, Christchurch 2011, Tohoku 2011, Emilia 2012) aiuta nell’identificazione delle criticità legate alla risposta al terremoto degli elementi non strutturali (Miranda et al. 2012). Generalmente tali elementi sono parte dei fabbricati e possono appartenere al sistema architettonico, al sistema impiantistico o al contenuto. La rottura degli elementi non strutturali può rappresentare un pericolo rilevante per la salvaguardia della vita umana e porta perdite di grande valore, nonché contribuisce all’impatto gravoso del sisma per la società (Miranda et al. 2012). Questa tesi contiene i risultati di una campagna sperimentale di ricerca che si poneva lo scopo di valutare diverse tipologie di ancoranti post installati sotto azione sismica. L’argomento appena menzionato è considerato di grande importanza per il ruolo centrale di questi dispositivi nell’ancoraggio di elementi non strutturali per evitare rotture e danneggiamenti che possano causare pericolo per le persone, grosse perdite economiche e interruzione dell’operatività di un edificio nelle settimane o mesi nel seguito di un terremoto (Taghavi and Miranda 2003; ATC 69 2008). Durante un terremoto gli elementi non strutturali dovrebbero resistere ad elevate forze d’inerzia, trasferite attraverso la connessione agli elementi strutturali (travi, solai, pilastri, pareti) o spesso ad altri elementi non strutturali, come le pareti di tamponamento. In molti casi questi punti di connessione sono realizzati con l’uso di ancoranti post installati i quali dovrebbero essere adeguatamente progettati per assicurare un buon comportamento alle azioni sismiche (Makris and Black 2001; Naumoski et al. 2002; Solomos and Berra 2006; Hoehler et al. 2011). Tra tutti i requisiti, quello della affidabilità in termini di modalità di rottura e valore di resistenza risulta fondamentale per ottenere un progetto degli ancoranti post installati che sia valido in campo dinamico. Ad esempio, progetti di sistemi antincendio nelle scuole, di attrezzature mediche negli ospedali, di oggetti d’arte esposti nei musei necessitano di una buona conoscenza della prestazione dei sistemi di ancoraggio da impiegare. Tale conoscenza deve coprire sia la resistenza, per lo stato limite di salvaguardia della vita (SLV), che gli spostamenti in grado di permettere la funzionalità dell’elemento non strutturale, per lo stato limite di esercizio (SLE). Lo scopo della campagna sperimentale presentata all’interno di questo lavoro di ricerca è lo studio del comportamento sismico di diversi sistemi di ancoraggio attraverso prove su tavola vibrante. Due strutture con pianta a croce sono state costruite a scala reale, una consisteva di pareti in calcestruzzo e una di un telaio in calcestruzzo armato con pareti di tamponamento in muratura. Due condizioni differenti sono state studiate nel caso di ancoranti installati in calcestruzzo, ovvero supporto non fessurato e fessurato. Mattoni forati Poroton® sono stati utilizzati per costruire il campione con pareti di tamponamento in muratura. Le prove triassiali sono state progettate sulla base dello standard AC156 (2010) che fornisce delle impostazioni di prova per la certificazione sismica di elementi non strutturali da prove su tavola vibrante. Gli esperimenti sono stati realizzati con l’applicazione alla tavola di segnali scalati a ZPA (Zero Period Acceleration) crescenti per studiare gli effetti indotti sui campioni all’aumentare dell’intensità dell’azione sismica. I risultati hanno permesso di studiare il comportamento sismico generale di ciacun fissaggio, specialmente in termini di modalità di rottura, massimo carico dinamico sopportato e sfilamento del campione dal supporto. Anche l’influenza delle fessure per questi parametri è stata aprofondita per l’unità strutturale di calcestruzzo. Il programma di prova ha anche permesso un confronto completo tra diverse metodologie di ancoraggio, come gli ancoranti ad espansione, chimici o a sottosquadro. Recenti studi (Rieder 2009; Watkins 2011; Mahrenholtz et al. 2012) si sono concentrati sulla valutazione sismica di ancoranti metallici in calcestruzzo attraverso prove su tavola vibrante, invece il comportamento di sistemi di fissaggio impiegati in muratura e di ancoranti plastici in generale non sono stati investigati in modo esaustivo fino ad ora (Algin 2007; Sinica et al. 2010). Ciononostante queste applicazioni appena citate sono di elevato interesse per la loro presenza diffusa nelle costruzioni. Quindi durante lo studio sperimentale una particolare attenzione è stata data alle questioni riguardanti gli ancoranti plastici e le installazioni in muratura.