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Calcoli sismici per scaffalature in Europa

28/07/2017

I valori più alti di pericolosità sismica e la probabilità che si verifichino terremoti, in genere, confluiscono nelle regioni vicine ai confini delle placche tettoniche della Terra. In Europa, i paesi con un maggiore rischio sismico sono Italia, Grecia, Turchia, Cipro e Islanda. Inoltre, in ogni paese vi sono zone con maggiore rischio rispetto ad altre. La prevenzione e il rispetto delle norme europee di progettazione e costruzione dei sistemi di stoccaggio sono fondamentali affinché le scaffalature resistano ai movimenti sismici.

A differenza delle normali strutture di ingegneria civile, le scaffalature sono progettate specificatamente per sostenere grandi carichi. La stabilità della merce stoccata è garantita dalle unioni tra montanti e correnti, nonché dagli elementi di tralicciatura della spalla.

I componenti delle scaffalature sono formati da profilati in acciaio ad alta resistenza con uno spessore tra 1,8 e 3,0 mm. Sono soggetti a situazioni di deformazione globale, locale e, soprattutto nei montanti, anche distorsionale. Prevedere il comportamento strutturale delle scaffalature è molto complicato: per questo motivo, la loro progettazione richiede dei collaudi, per conoscere le caratteristiche meccaniche dei componenti e delle loro connessioni.

 

Progettazione sismo-resistente delle scaffalature

La progettazione delle scaffalature situate in aree a elevato rischio sismico è molto più complicata rispetto a quelle ubicate in altre zone. Il motivo è che non devono essere solo in grado di sostenere le forze dinamiche (sia orizzontali sia verticali) e i meccanismi di crollo globale o locale, ma devono anche evitare la caduta dei pallet in caso di sisma.

La caduta dei pallet può provocare seri danni a beni, persone e alla struttura stessa delle scaffalature, senza trascurare la perdita economica che comporta per il proprietario del magazzino, superiore al costo delle scaffalature e del rinforzo per sopportare i sismi.

In Europa, fino a pochi anni fa non esisteva una documentazione ufficiale sulla progettazione sismica delle scaffalature e i progettisti prendevano come riferimento le indicazioni fornite dal Rack Manufacturers Institute (RMI). Si tratta di un'associazione commerciale nordamericana che raggruppa aziende appartenenti al settore della movimentazione di materiali e tra i suoi obiettivi di buona condotta per il settore sono comprese informazioni su come calcolare le azioni sismiche.

Oltre a tali indicazioni, i progettisti si basavano anche sull'Eurocodice 8 del CEN (Comité Europeo di Normalización), relativo alla progettazione antisismica delle strutture (in particolare per l'edilizia).

Tuttavia le scaffalature sono strutture di acciaio particolari, il cui comportamento dista da quelle edili. Di conseguenza, molte delle configurazioni strutturali utilizzate per le scaffalature non erano completamente regolamentate da queste norme.

Per risolvere tale problema, la European Racking Federation (ERF), un'associazione composta dai principali fabbricanti d'Europa, compresa Mecalux, ha redatto le raccomandazioni per la progettazione di scaffalature a prova di sisma che, nel 2016, hanno ispirato la norma EN 16681, approvata dalla Commissione Europea.

Questa normativa di progettazione a livello europeo consente di unificare i criteri che devono osservare i fabbricanti europei per costruire le scaffalature, dando così luogo a strutture molto più sicure. Ovviamente, anche i fabbricanti americani e asiatici devono progettare i loro prodotti in conformità con tale norma per accedere al mercato europeo.

 

Programmi di ricerca

Le ricerche sul comportamento delle scaffalature metalliche rispetto ai movimenti sismici sono molto recenti. Di fatto, i primi studi sono stati realizzati negli Stati Uniti dopo il terremoto nella località di Northbridge (Los Angeles), all'alba del 17 gennaio 1994.

Dopo gli ultimi terremoti avvenuti in Europa, come quello in Turchia nel 1999 con conseguenze devastanti e un elevato impatto economico, e per supplire alla mancanza di studi sul comportamento dinamico delle scaffalature metalliche durante i movimenti sismici, la Commissione Europea ha promosso tre programmi di ricerca:

  1. Programma Free Access To Large Scale Testing Facilities, nel 2002, con la collaborazione dell'Unione europea e del Ministero dell'Istruzione italiano.
     
  2. Programma Storage Racks in Seismic Areas (SEISRACKS), attraverso il Fondo di Ricerca del Carbone e dell'Acciaio, avviato nel dicembre del 2004 e concluso nel giugno del 2007. Gli obiettivi principali di questo programma erano conoscere il comportamento delle scaffalature e progettare norme specifiche per sopportare i movimenti sismici.

    In entrambi i programmi è stato valutato il comportamento delle giunzioni che formano le scaffalature. A tale scopo, sono state svolte prove su larga scala (mediante spinta orizzontale o tavola vibrante) per verificare l'interazione tra pallet e scaffalature, tra i vari effetti.

    La tavola vibrante è in grado di imprimere vibrazioni agli elementi testati per provare la resistenza sismica delle strutture, riproducendo lo stesso movimento del suolo che si produce in caso di terremoto.

    Come risultato di questi studi e delle conoscenze ottenute durante le ricerche, è stato formulato un codice applicabile per le scaffalature metalliche per pallet, la pre-norma FEM 10.2.08, emessa nel 2008.
     
  3. Programma Seismic Behaviour of Steel Storage Pallet Racking Systems (SEISRACKS 2), nel 2011. Il proposito di questo studio era di conoscere il comportamento fuori dal piano dei correnti, delle unioni corrente-montante e di tutta la struttura.

    Nei calcoli in 2D delle scaffalature si svolgevano calcoli in direzione longitudinale (parallela alle corsie) e in direzione trasversale (perpendicolare alle corsie). Di conseguenza, il corrente interveniva solo in direzione longitudinale.

    Grazie a questo programma, si è evidenziata l'esigenza di studiare il movimento del corrente in orizzontale, quando l'unità di carico si sposta in avanti e indietro durante il sisma.

 

Normativa europea

Nel 2016 è stata approvata la norma EN 16681 (Stoccaggio su scaffalature metalliche. Scaffalatura portapallet regolabile. Principi per la progettazione sismica), la cui definizione finale si è basata sulla FEM 10.2.08, sui commenti ricevuti dopo la sua applicazione, oltre ai risultati ottenuti dai programmi di ricerca.

In base a questa norma, le scaffalature in regioni sismiche devono essere progettate e costruite per soddisfare i seguenti requisiti con un adeguato grado di affidabilità:

1. Prevenzione del collasso

  • La struttura deve essere progettata e realizzata per resistere all'azione sismica senza presentare collassi locali o globali, mantenendo la sua integrità strutturale e una capacità resistente residua anche dopo l’evento sismico.
  • Pertanto si deve verificare che la struttura possieda la resistenza e la duttilità specificate.

2. Limitazione del danno

  • La valutazione del livello di danno degli elementi strutturali è obbligatoria prima di riutilizzare la scaffalatura dopo un sisma.

3. Movimento delle unità di carico
Le accelerazioni sismiche possono causare lo spostamento dei pallet sui correnti quando si supera il coefficiente di attrito statico tra pallet e corrente. Le conseguenze di questi fenomeni sono:

  • La riduzione dell'azione sismica nella scaffalatura, data la dissipazione di energia e la limitazione dell'azione orizzontale che può essere trasferita dal pallet alla scaffalatura.
  • La caduta delle unità di carico può provocare il crollo locale o globale delle scaffalature, lesioni a persone e danni alle attrezzature vicine.

 

Inoltre, la norma EN 16681 prevede che il metodo di calcolo preso come riferimento sia l'analisi modale a spettro di risposta, MRSA (Modal Response Spectrum Analysis).

La progettazione delle strutture sismo-resistenti richiede, innanzitutto, la conoscenza del movimento prodotto sul pavimento durante un terremoto; tale movimento consiste in traslazioni in qualsiasi direzione, combinate con rotazioni intorno a qualsiasi asse.

In ingegneria, il carico sismico si definisce generalmente mediante un accelerogramma. Si tratta di un grafico di tempo-accelerazione del terreno che rappresenta le componenti dell'accelerazione in direzione orizzontale e verticale prodotte da un terremoto in una determinata ubicazione.

 

Analisi modale spettrale

La MRSA è lo studio che mira a ottenere l'insieme di forze orizzontali che agiscono sui livelli delle scaffalature e che devono essere assorbite da spalle, correnti, controventature, dalle loro unioni ecc.

Consiste nel valutare la risposta della struttura nel dominio della frequenza invece di quello del tempo. Per tale motivo, è fondamentale conoscere la rigidità e il comportamento naturale della struttura, oltre allo spettro di progettazione di ogni ubicazione. Lo spettro di progettazione è la rappresentazione dell'accelerazione del terreno (accelerogramma) nel dominio della frequenza. I parametri variano in base al tipo di sisma, all'ubicazione esatta dell'impianto rispetto all'epicentro e alla composizione del terreno.

Lo spettro rappresenta la risposta di un sistema idealizzato rispetto a un'accelerazione nel dominio della frequenza. Consente quindi di conoscere la risposta della struttura rispetto a una frequenza di eccitazione. Ad esempio, se una scaffalatura ha una frequenza naturale (T1), si possono ottenere gli sforzi per tale frequenza attraverso lo spettro.

Quando si valuta il comportamento della scaffalatura, è necessario eseguire prima un calcolo modale (ottenendo i modi naturali di vibrazione e la loro frequenza) in cui si tenga conto dei seguenti elementi:

  • Il comportamento delle unioni (la rigidità).
  • La massa del prodotto (le scaffalature con carico).
  • Il fattore di occupazione della scaffalatura (come sono distribuiti i pallet, presenza di eventuali livelli vuoti, ubicazione dei pallet più pesanti e così via).
  • La riduzione della rigidità del sistema in base al carico.

Con tutti questi dati, la norma comprende e standardizza come influisce sulle scaffalature la maggior parte dei parametri più rilevanti e influenti (tipo di carico, grado di occupazione delle scaffalature, tipo di unità di carico, oltre ad altri fattori). Inoltre, trattandosi di una scaffalatura, si devono considerare altri parametri che possono modificare lo spettro di progettazione, tra cui:

  • Intensità del sisma.
  • Numero di livelli.
  • Massa totale.
  • Flessibilità della struttura.
  • Forza orizzontale massima che può essere trasmessa tra il carico e le scaffalature.
  • Riduzione dell'azione sismica basata sulle prove con tavole vibranti.

A partire da questo calcolo modale, si conoscono le azioni sismiche individuali per ogni direzione. Successivamente, si devono combinare gli effetti in entrambe le direzioni, per ottenere i valori di progettazione delle azioni sismiche.

Dopo aver ottenuto i valori di progettazione delle azioni sismiche, si devono applicare le regole di combinazione, che consistono nel combinare i valori relativi al sisma orizzontale e quello verticale, oltre al peso della scaffalatura e delle unità di carico. Da qui si ottengono gli sforzi (le forze che devono sopportare i componenti delle scaffalature) e si verifica che siano in grado di resistere a tali sforzi. Si verifica quindi che le unità di carico non si ribaltino o scivolino.

La MRSA è il metodo di analisi di riferimento dell’azione sismica, poiché gli spettri sismici sono facilmente generalizzabili e standardizzabili. Gli spettri rappresentano la sismografia di un determinato luogo, evitando di dover realizzare più combinazioni partendo da calcoli evolutivi su diversi accelerogrammi, riducendo così il tempo di calcolo e fornendo risultati sicuri. Con i sismi di minore intensità può essere utilizzato la LFMA, che consiste nel simulare il sisma mediante un insieme di forze orizzontali equivalenti.
 

Mecalux rispetto ai sism

Mecalux vanta un solido know-how e una pluriennale esperienza in aree geografiche caratterizzate da un'elevata sismicità. In tal senso, ricordiamo gli impianti sismo-resistenti in Turchia, Italia e Cile. Quest'ultimo è il paese più soggetto a terremoti, poiché localizzato nella Cintura del Fuoco del Pacifico, e viene considerato come un laboratorio naturale per la ricerca scientifica su questo fenomeno.

All’interno della divisione di ingegneria, l'azienda dispone di un team specializzato nella progettazione di scaffalature in grado di sopportare le azioni sismiche. A tale scopo l’azienda utilizza i migliori materiali a livello qualitativo, è all'avanguardia rispetto alle ultime innovazioni tecnologiche e vengono applicati programmi di calcolo strutturali basati sulla simulazione.

La metodologia di Mecalux consiste nel generare un modello tridimensionale della struttura, utilizzando programmi basati sul metodo degli elementi finiti. In tali programmi vengono inseriti dati quali il tipo di materiali, le dimensioni dei profili, lo spettro di progettazione, le caratteristiche delle unità di carico ecc.

La simulazione strutturale, inoltre, è di fondamentale importanza per verificare la resistenza delle scaffalature al sisma.

Mecalux è il produttore di soluzioni di stoccaggio leader a livello internazionale che spicca per i suoi standard di qualità e sicurezza. Si occupa di sviluppare scaffalature sismo-resistenti per garantire l'integrità delle strutture, dei prodotti stoccati e, soprattutto, della vita delle persone.