Click to edit Master title style

www.wje.com

Bonded (Adhesive) Anchors

NCSEA Seminar – January 13, 2015

• Three part presentation• Part 1 Cast‐in‐place and mechanical expansion anchors

• Part 2 Bonded (adhesive) anchors 

• Part 3 Example problem showing application of design provisions

Overall Webinar Outline

• Briefly review ACI history of anchoring to concrete

• Review failure modes for post‐installed adhesive anchors

• Review basic design models • Review relationship between ACI 318 and anchor qualification requirements

3

Learning Objectives

• Anchor types• Fundamentals of “structural” anchors• Code provisions in ACI 318• Anchor qualification procedures • Questions

Part 2 Outline

5

Definitions

Embedment

Attachment Anchor

6

Types  of  Anchors

Undercut Expansion

Cast ‐ in 

Grouted

Post – InstalledMechanical

Post – InstalledBonded

Adhesive Grouted

Not included In ACI 318

• Chemical bond Resin mixed with 

activator• Rods are typically deformed 

reinforcing bars or continuously threaded bars Qualification procedure 

does not cover development length

Adhesive Anchors

Photograph courtesy of Hilti AG

8

Anchor Systems 

BOSTON I‐90 TUNNEL Central Artery/Tunnel (CA/T)July 10, 2006Ceiling Panel Collapse

9

10

Map of Downtown Boston

11

Boston “Big Dig” Tunnel

12

Failure Sequence

13

Boston Big Dig Tunnel

14

Boston Big Dig Tunnel

15

Photos from NTSB Files

16

FHWA Laboratory Testing

Fast Set

Standard Set

Fast set

Regular set

• NTSB –Cause: poor creep resistance of fast‐set adhesive anchors subjected to sustained tension load

• NTSB –Conclusion: insufficient understanding by designers and lack of standards on adhesive anchors in sustained tension

• NTSB – Recommendation: prohibit use of adhesive anchors in sustained loading

17

NTSB Report

• FHWA – prohibit use• AASHTO – develop 

standards for testing• DOTs – prohibit use• ICC – revise building 

codes • Powers – revise 

packaging to state for short‐term loading 

• Sika – revise product literature

• ACI – use codes, forums, educational materials to inform

• ASCE – inform members of creep characteristics

• AGC – inform members of creep characteristics

18

NTSB Comments to Organizations

19

Cause – Poor Installation in combination with other factors 

Loadings and behavior models

20

Photograph courtesy of Hilti AG

• Tension load Sustained load – tension (creep)

• Compression load• Shear load

21

General Loads on Adhesive Anchors

22

Adhesive Anchors – Failure Modes in Tension

Concrete cone

failureBond failures

Adhesive/substrate Adhesive/threaded Mixed Anchor steel

failure

Bond Models

hef

NN

Threaded Rod Mortar Concrete

hef

NN

Threaded Rod Mortar Concrete

24

Uniform Bond Failure Model

Nbond

hef

da

Nbond =  da hef

da = diameter of anchor rodhef = embedment depth = average bond stress

25

Uniform Bond Model and Tests

0

100

200

300

400

500

600

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Load

(KN

)

measured loadsmean - uniform bond model5% fractile - uniform bond model

Bond Area (A b ) (mm2)

Only 17 of 891 data points below 5% fractile (1.9%)

26

Uncracked Bond Stress at Ultimate –Adhesive Anchors

• Hole cleanliness• Temperature• Sustained load• Moisture in hole• Cracking

27

Key Variables Affecting Tension Strength

Adhesive anchors are affected by many factors, these are a few key factors and are product dependent – Prequalification of anchor necessary

ACI 318 Code 

28

• Adhesive anchors must meet the assessment criteria in ACI 355.4 This is an ACI standard  Similar to ACI 355.2 (qualification standard for mechanical [expansion] anchors)

• Can be used in seismic applications• Can be installed horizontally or upwardly inclined Installer certification required for these positions

29

Adhesive Anchor Scope

Anchor QualificationACI 355.4

30

• Variable load‐displacement behavior,  particularly in cracked concrete

• Behavior sensitive to installation• Must verify basic behavior and reliability using  

standard tests • Based on reliability, assign anchor performance 

category and corresponding  strength reduction factor phi ()

31

What is ACI 355.4 for Post‐installed Adhesive Anchors

• Check conformance to product description Generic or trade name Anchor element  Adhesive components Quality‐control requirements

32

ACI 355.4  Identification Tests

• Establish baseline performance of anchors for  comparison with Reliability and Service‐Condition  tests

• Test in Uncracked Concrete Tension tests in low‐strength and high‐strength concrete

• Test in Cracked Concrete: Tension tests in low‐strength concrete and high‐strength concrete with crack width 0.012 in. (0.3 mm)

33

ACI 355.4 Reference Tests

• Sensitivity to hole cleaning Dry installation Water‐saturated installation Water‐filled installation Submerged installation

• Sensitivity to mixing effort

34

ACI 355.4  Reliability Tests

• Sensitivity to cracking Installation in cracked concrete Crack width cycling with sustained load

• Sensitivity to freeze and thaw cycling• Sensitivity to sustained load• Sensitivity to installation direction

35

ACI 355.4  Reliability Tests (continued)

• Classify anchor based on ratio between  performance in reliability and reference tests

% of Reference Capacity

• Category  1 80  or  above • Category  2 70 ‐ 79• Category  3 60 ‐ 69

36

ACI 355.4  Classification

• Verify anchor behavior under Elevated temperature installation Curing time at low temperatures  Resistance to alkalinity Resistance to sulfur Seismic tension Establish minimum spacing and edge distances to  preclude splitting during installation (torqueing) and tension loading Establish shear capacity of anchor steel (may be  calculated)

37

ACI 355.4  Service‐Condition Tests

38

Qualification Standard Report

Scope of ACI 318 –Adhesive Anchor Provisions

39

• Post‐installed adhesive anchors do not have a generically predictable pullout capacities

• Post‐installed  adhesive anchors  must  be  qualified  by  testing  according  to  ACI 355.4

• High‐cycle fatigue and impact  (blast) are excluded

40

Scope

• Seismic load effects covered  Applicable to Seismic Design Categories (SDC)  C, D, E, and F

• Anchors in plastic hinge zones excluded Post‐Installed Anchors shall be qualified for earthquake loading per ACI 355.2 or ACI 355.4 Simulated Seismic Tests

41

Seismic Design Requirements

• Adhesive anchors installed horizontally or upwardly inclined Must be qualified by ACI 355.4 Must be installed by certified installer when subjected to sustained load

42

General Requirements

• Lightweight concrete modification factor, a• Modification factor Cast‐in and undercut concrete failure: a = 1.0  Expansion and adhesive anchors concrete breakout 

failure:   a = 0.8  Adhesive anchor bond failure: a = 0.6 

o 1.0 excluded• determined by Section 8.6.1

o = 1.0 normal weighto = 0.85 sand‐lightweighto = 0.75 all‐lightweight

43

Lightweight Concrete

• Code equations are valid for : fc 10,000 psi for cast‐in anchors fc 8,000 psi for post‐installed anchors

• Post‐installed anchors in concrete with fc > 8,000 psi must be tested according to ACI 355.4

44

Concrete Strength

• Limits of embedment depth for adhesive anchors4 da ≤ hef ≤ 20 da Design using bond model is satisfactory

45

Embedment Depth Limitationsfor Adhesive Anchors

ACI 318 Code Design 

Design for Tension, Shear, or Combinations of Tension and Shear

46

Photograph courtesy of Ambex

• Designer must consider the following tension failure modes for adhesive anchors:  Steel failure Concrete breakout failure Bond pullout failure

47

Tension Design

• Steel rupture

48

Steel Failure Mode ‐Tension

Nsa = Ase futa (D – 2)futa < 1.9 fyfuta < 125,000 psi

Concrete Failure Mode –Tension Cone Breakout 

Courtesy of University of Stuttgart

• Single  anchor  in  tension  in  cracked  concrete

Nb = kc a  fc’ (hef )3/2 (D – 6) kc =  24  for  cast ‐ in  anchorskc =  17  for  post ‐ installed  anchorsa =  Lightweight concrete modification factor

Note: an adhesive anchor should be considered like a post‐installed anchor even though there are no wedging forces developed at embedded end for concrete breakout

50

Single Anchor Concrete Breakout 

51

User Friendly CCD Design Model for Concrete Breakout – Projected Area ANco

hef

1.5hef

1.5hef

1.5hef

Plan ViewElevation

ANco = 9hef

1.5hef

Nn1.5hef 1.5hef

2

350

52

Concrete Breakout (Tension)

Nn Nn

Single anchor not near an edge

Single anchor Near an edge

53

Concrete Breakout (Tension)

Anchor group with over lapping breakout cones

54

Concrete Breakout with Groups and Edges ‐ Projected Area ANc

ca1 s1 1.5hef

1.5hef

Ca2

s2

ef1 h0.3s

efa2 h5.1c ef2 h0.3s

efa1 h5.1c

Limit

Corner

ANc ≤ nANco

55

Concrete Breakout Strength of Anchor Group (Tension)

Accounts for post - installed anchor (splitting)

Accounts for cracking

Accounts for edge effectsAccounts for eccentricity

Accounts for projected area of failure surface Basic single anchor strength

Applies to only anchors in tension

Ncbg = (ANc /ANco ) ec,N ed,N c,N cp,N Nb (D-4)

• Tension design Sustained loading

►0.55 Nba > Nua,sustained

56

Bond ‐General Requirements

• Single anchor in cracked concrete

Nba = a cr da hef

cr   = 5% fractile result in cracked concrete from ACI 355.4

a   = Lightweight concrete modification factor for            adhesive anchors  a,lightweight    = 0.6 normal  

[0.6 factor not applicable for normal‐weight concrete]

57

Bond Pullout Strength

58

User Friendly CCD Adhesive Anchor Design Model

hef

cNa

cNa

cNa

Plan ViewElevation

ANao = (2cNa)2

cNa

NncNa cNa

Bond failure/concrete breakout transition CCD model for edges and spacing

• Cast‐in‐place and post‐installed mechanical anchors ACI 318

scritical = 2ccritical = 3.0 hef

• Bonded anchors ACI 318

scritical = 2ccrticalwhere: ccritical = cNa = 10 da (uncr / 1100)1/2    

59

Critical Spacing and Edge Distance for Bond Failure

60

Bond Failure of Adhesive Anchor GroupsProjected Area ANa

ca1 s1 cNa

cNa

Ca2

s2

1 2 s

a2 cNac

2 2 cNas

a1 cNac

Limit

cNa

ANa < n ANao

Corner

Nag = (ANa /ANao) ec,Naed,Nacp,Na Nba

< (ANc /ANco) ec,Ned,Nc,N cp,N Nb

Tension failure = Bond failure < Concrete failure

61

CCD Adhesive Anchor Design Model –Groups

• Steel failures Ductile steel = 0.75 Brittle steel = 0.65

• Concrete breakout and adhesive  bond failures

62

Phi Factors ‐Tension

Condition A Condition BCategory 1 0.75 0.65Category 2 0.65 0.55Category 3 0.55 0.45

Condition A – Supplemental steel     Condition B – Plain concrete

Environment Concrete moisture

Peak service temperature

cr uncr

Outdoor Dry to fully saturated

175o F 200 psi 650 psi

Indoor Dry 110o F 300 psi 1000 psi

63

Code Guidance for Bond Stress Design

For sustained tension load, multiply table cr and uncr values by 0.4

For seismic design in SDC C, D, E, and F, multiply table cr value by 0.8 and uncr value by 0.4

• No changes because anchor is adhesively bonded 

• Choice of two equations; use smaller value for design

Vb = 7 a (e /da )0.2√da√fc’ (ca1 )1.5or

Vb = 9  fc’ (ca1)1.5

64

Shear Design

65

Tension ‐ Shear Interaction

Nu

Nn

0.2Nn

0.2Vn VnVu

VV 3

0N

u 31N

5

n

u

5

n

.

2.1VV

NN

n

u

n

u

Simplification

Installer Certification

66Courtesy of Hilti AG

• Anchors to be installed by qualified personnel• Installation in accordance with Manufacturer’s Printed Installation Instructions (MPII)

• Extensive installation, inspection, and proof load requirements

67

Anchor Installation and Inspection

• Training for installers Provided by manufacturers

• Written test – test baseline knowledge Environmental conditions Equipment / materials OSHA issues

• Performance test Downhand vertical into concrete Vertical overhead into a tube or pipe

68

AAI Certification

• Hole depth• Hole cleaning technique• Adhesive dispensing• Rod / bar installation

69

Downhand Vertical

70

Hole Drilling

• Hole normal to surface

• Correct depth• Removal of concrete dust spoil

71

Express Initial Material

• Initial material is typically not well mixed

• Need to discard• Did the installer do this?

72

Installation –All Thread

73

Blind Overhead Vertical

• Install adhesive in a upside‐down hole 

• Use insertion tube to feel depth of hole

74

Overhead Vertical

Poor filling Close up

• Written test• Performance exam• Program is live ! Administered by ACI 

75

Adhesive Anchor Installer Certification (AAI)

• Three part presentation• Part 1 Cast‐in‐place and mechanical expansion anchors

• Part 2 Bonded (adhesive) anchors 

• Part 3 Example problem showing application of design provisions

Overall Webinar Outline

Questions and Answers

77