Analisi e modellazione numerica delle zone di ancoraggio di travi precompresse

The anchorage zone of post-tensioned concrete structures is a discontinuity region, where a redistribution of stresses occurs behind the anchor device, as the concentrated prestressing force spreads out over the full concrete section. This disturbed zone is subjected to a very complex three-dimensional state of stress. Due to the curvature of the flow of the prestressing force, there are transverse tensile stresses of considerable magnitude. Without reinforcement, these stresses induce large cracks in the beam and may thus be detrimental to the performance of the beam. The main object of this study was the investigation of the behaviour of the anchorage zones of post-tensioned concrete beams after concrete cracking. To date, most of the nonlinear finite element analyses have consisted of two-dimensional models of the anchorage zones, although it is a three-dimensional one even in a rectangular beam. In this study, three-dimensional non-linear finite element analyses have been carried out to simulate the behaviour of end zones of rectangular section post-tensioned girders, with the presence of the support reaction. The validity of the finite element model has been verified through comparisons with tests reported in literature and it was found good agreement between the experimental and numerical results. The validated model has been used to investigate the influence of the arrangement of bursting reinforcement on stirrups strains and crack development at serviceability and ultimate limit state. The results of the finite element model indicate that the bursting force is less than that of a linear analyses and strut-and-tie models which neglect the concrete tensile strength and assume a linear elastic stress distribution in the anchorage zone even after concrete cracking.

La zona di ancoraggio delle travi precompresse è la regione in cui la forza concentrata di precompressione si diffonde nella struttura fino a quando si raggiunge una distribuzione lineare di tensione sulla sezione trasversale. Tale zona di discontinuità è soggetta ad uno stato tridimensionale di tensione molto complesso. In particolare, a causa della curvatura del flusso delle tensioni di compressione, nascono forze trasversali di trazione che causano la formazione di fessure longitudinali che caratterizzano il comportamento a rottura della trave. Per assorbire le sollecitazioni di trazione ed evitare una fessurazione eccessiva, il calcestruzzo deve essere adeguatamente rinforzato con un’opportuna armatura. Nel presente lavoro è stato analizzato il comportamento delle zone di ancoraggio di travi post-tese nella fase successiva alla fessurazione. A tal fine è stato sviluppato un modello non lineare tridimensionale agli elementi finiti che tiene conto dell’effettiva distribuzione dell’armatura e del comportamento non lineare dei materiali. La maggior parte delle precedenti analisi non lineari agli elementi finiti, infatti, si sono basate su modelli bidimensionali, sebbene il problema della diffusione del carico sia un problema tridimensionale, anche nel semplice caso di trave rettangolare. L’efficacia del modello proposto è stata verificata confrontando i risultati ottenuti con indagini sperimentali riportati in letteratura e si è dimostrato che con un’opportuna scelta dei parametri del modello costitutivo è possibile riprodurre, con sufficiente accuratezza, il comportamento sperimentale della zona di ancoraggio. Il modello è stato utilizzato per analizzare le zone terminali di travi post-tese con sezione rettangolare al fine di valutare l’influenza di vari parametri quali la geometria del dispositivo di ancoraggio, la distribuzione dell’armatura di fenditura e l’intensità della reazione di appoggio sulle deformazioni nelle staffe e sull’evoluzione del quadro fessurativo. E’ stato evidenziato che la forza di fenditura calcolata in fase fessurata può risultare inferiore al valore fornito da analisi lineari agli elementi finiti e modelli strut-and-tie dedotti da flussi di forze basati sulla teoria dell’elasticità.