La progettazione delle scaffalature in zona sismica: criteri, prestazioni, scelte tecniche, collaudo

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1 La progettazione delle scaffalature in zona sismica: criteri, prestazioni, scelte tecniche, collaudo SAIE, Bologna, 17 ottobre 2013 Ing. Stefano Sesana

2 Le scaffalature resistono al sisma?

3 Le scaffalature resistono al sisma? Medolla

4 Le scaffalature resistono al sisma? Correggio

5 Le scaffalature resistono al sisma? Poggio Rusco

6 Le scaffalature resistono al sisma?

7 Le scaffalature resistono al sisma?

8 Si studiano le scaffalature in zona sismica da anni Blume & al RMI dal 1964

9 Si studiano le scaffalature in zona sismica da anni

10 La normativa tecnica in Italia e Europa ACAI-Cisi Associazione Italiana Costruttori Acciaio Sez. Scaffalature Industriali FEM Section X / ERF European Racking Federation CEN TC 344 FEM Section X / ERF European Racking Federation UNI/TS 11379:2010 Scaffalature metalliche Progettazione sotto carichi sismici delle scaffalature per lo stoccaggio statico di pallet FEM v.1.04 May 2011 Recommendations for the design of Static Steel Pallet Racking in seismic conditions pren (2015) Steel static storage systems Adjustable pallet racking systems Principles for seismic design

11 La normativa tecnica in Italia e Europa Attività di ricerca Europea ACAI / Ecoleader FEM Section X ERF (ACAI) Ricerca Europea Seisracks 1 prfem Ottobre 2008 FEM v Maggio 2010 UNI/TS 11379:2010 Ricerca Europea Seisracks 2 pren16681 (2015) UNI/TS revisione

12 La normativa tecnica in Italia e Europa La UNI/TS La UNI/TS è la traduzione della prfem draft Oct , adattata alla Normativa Italiana NTC-2008 nelle parti riguardanti la definizione dell azione sismica e i coefficienti di sicurezza. Le Norme tecniche esistenti trattano solo scaffali tipo APR (portapallet)

13 Le peculiarità delle scaffalature Cosa sono le scaffalature Le scaffalature sono un prodotto industriale, in uso da anni nei diversi ambiti della logistica. I metodi di progettazione sono stati sviluppati dai costruttori sulla base di studi e esperienze decennali, che negli ultimi 15 anni hanno trovato una formalizzazione nell ambito delle Norme FEM (sviluppate dall Industria con il supporto delle Università e Istituti di ricerca), e recentemente una ufficializzazione in ambito CEN (Norme EN).

14 Le peculiarità delle scaffalature Le caratteristiche dei carichi Il peso proprio della struttura e il carico permanente sono in genere trascurabili rispetto al carico variabile (merce stoccata), salvo casi molto particolari Il carico variabile è costituito dalla merce stoccata sui suoi supporti; concettualmente l unità di carico va vista come una struttura indipendente semplicemente appoggiata sullo scaffale

15 Le peculiarità delle scaffalature Il sistema costruttivo e strutturale Le scaffalature sono realizzate in genere con profili sottili formati a freddo, mettendo in atto disposizioni che ne ottimizzano la prefabbricazione, il montaggio, la flessibilità nell uso I bulloni utilizzati nelle scaffalature sono generalmente di piccolo diametro (M6-M10) Il sistema costruttivo tradizionale sviluppato e industrializzato è concepito principalmente per elevati carichi verticali; su questa base è necessario un evoluzione del prodotto per fare fronte alle azioni prodotte dal sisma

16 Le peculiarità delle scaffalature Il sistema costruttivo e strutturale Strutturalmente gli scaffali sono telai a nodi semirigidi, con nodi di modesta rigidezza rispetto a quelli delle strutture tradizionali in carpenteria. Nel piano trasversale, la rigidezza laterale delle spalle tralicciate è in genere minore di quella valutabile per via teorica considerando le proprietà delle sezioni, per via dell elevata flessibilità a taglio derivante dai sistemi costruttivi di collegamento delle diagonali, che può essere determinata solamente mediante prove. Ove richiesto, in direzione longitudinale, gli scaffali possono essere controventati per resistere alle azioni orizzontali o limitare le deformazioni.

17 Le peculiarità delle scaffalature L interazione tra struttura e carico Il grado di vincolo del carico variabile sulla struttura di supporto (scaffale) è di semplice appoggio verticale monolatero; ne consegue che le unità di carico sono trattenute orizzontalmente solo dall attrito, e possono traslare rispetto alla loro posizione iniziale per effetto di azioni inerziali La risposta strutturale dello scaffale è quindi condizionata in campo dinamico anche dall interazione con le unità di carico; il grado di confinamento della merce sui supporti influenza tale risposta

18 Le peculiarità delle scaffalature Comportamento dinamico Data l elevata deformabilità laterale, la risposta dinamica delle scaffalature è caratterizzata da periodo di oscillazione elevati (1 s nella direzione delle spalle tralicciate, 3-4 s nella direzione longitudinale non controventata, 2 s in presenza di controventi longitudinale). Dato l elevato carico verticale, gli effetti del 2 ordine influenzano in modo significativo la risposta in campo statico e dinamico

19 Requisiti fondamentali 1) Prevenzione del collasso Prestazioni e sicurezza La scaffalatura deve essere progettata e realizzata per resistere all azione sismica senza presentare collassi locali o globali, mantenendo la sua integrità strutturale ed una capacità resistente residua anche dopo l evento sismico. Gli stati limite ultimi sono quelli associati al collasso o ad altre forme di crisi strutturale che può creare pericolo per la sicurezza delle persone.

20 Prestazioni e sicurezza 2) Limitazione del danno La Normativa non fornisce prescrizioni rispetto allo stato limite di danno Dopo un evento sismico di entità superiore a 0.5 a g S, prima di continuare ad utilizzare l attrezzatura lo scaffale dovrà essere ispezionato integralmente per verificare: l integrità del 100% della struttura; il grado di danneggiamento eventualmente subito dagli elementi strutturali. Questa regola si applica per scaffali progettati secondo la Norma L eventuale spostamento delle unità di carico stivate non deve essere considerato un danno.

21 Prestazioni e sicurezza 3) Rischio di caduta dei pallet Lo scorrimento dei pallet sui correnti è considerato nel calcolo di dimensionamento sismico dello scaffale Gli effetti sulla sicurezza delle persone che operano in adiacenza dello scaffale, delle merci e della struttura stessa dello scaffale devono essere adeguatamente considerati La caduta del pallet è un evento che NON può essere previsto in sede di progetto, in quanto l entità degli spostamenti NON possono essere valutati a priori e in modo deterministico con i metodi e le conoscenze a disposizione.

22 Prestazioni e sicurezza Definizione dell azione sismica

23 Prestazioni e sicurezza Livello di sicurezza definito da UNI/TS 11379

24 Prestazioni e sicurezza Livello di sicurezza definito da UNI/TS 11379

25 Prestazioni e sicurezza Livello di sicurezza definiti da FEM e pren16681

26 Modellazione dell azione sismica Metodo di analisi Il metodo di analisi di riferimento è l analisi modale a spettro di risposta (MRSA) Lo spettro di risposta definito nell EC8 viene recepito attraverso i Documenti di Applicazione Nazionale In Italia: la zonazione e l azione sono quelle definite dallo spettro di risposta della NTC-2008 l accelerazione di progetto è definita dalla Classe d uso (rif. UNI/TS 11379)

27 Modellazione dell azione sismica Normativa tecnica cogente S d (T,q) FEM, UNI/TS S d,mod (T) = E D1 *E D3 *S d (T;q) + E D2 CEN-EN S d,mod (T) = K D S d (T;E D2 ;q) + E D2 K D = 1-P E,prod /P E *(1-E D1 *E D3 ) E D1 *E D3 0.4

28 La UNI/TS da sola non basta UNI/TS 11379:2010 prfem Nov FEM v.1.04 May 2010 pren (2015) E D3 =0.67 Verifica dei correnti Metodi di analisi Stabilità delle merci sui correnti Interazione utilizzatore - fornitore (Specifiche) Modellazione delle masse Regolarità strutturale Rischio di caduta dei pallet Piastre di base e ancoraggi Disposizioni costruttive degli elementi di tralicciatura delle spalle Prove di scivolamento pallet-correnti Condizioni di progetto per la spalla Scaffali su impalcati Regole complementari per le altre normative (EN e EN 15629)

29 Modellazione dell azione sismica Il coefficiente E D1 Il coefficiente E D1 tiene conto dell effetto della traslazione delle unità di carico sui correnti. Influenza la risposta sismica in termini riduzione dell ordinata dello spettro di risposta Dipende da: Intensità dell azione sismica [S e (T)] Massa e flessibilità dello scaffale [T] Attrito tra unità di carico e correnti [µ S ] E D1 = max [ 0.4 ; S /S e (T 1 ) +0.2 ] 1.0

30 Modellazione dell azione sismica Il coefficiente E D2 Il coefficiente di modificazione del peso dell untià di carico E D2 rappresenta l effetto dell interazione tra le unità di carico e la struttura dello scaffale. Questo coefficiente influenza la risposta sismica in termini di massa partecipante e modificazione del periodo di vibrazione. Dipende dalla natura dell unità di carico

31 Modellazione dell azione sismica Il coefficiente E D3 Il coefficiente E D3 raggruppa l effetto fenomeni e comportamenti evidenziatisi in varie ricerche che contribuiscono a dissipare energia e ridurre la sollecitazione sullo scaffale, come evidenziato da ricerche condotte negli USA sin dagli anni 70 (John A Blume and Associates, 1973; Chen, Scholl, and Blume, 1980) e più recentemente in Europa (ricerche Seisracks ed Ecoleader); E D3 è un valore forfetario. Il valore numerico del coefficiente E D3 è stato fissato nella FEM sulla base di considerazioni ingegneristiche e confronti empirici con altre normative internazionali.

32 Modellazione dell azione sismica Il coefficiente E D3 Alcuni fenomeni macroscopici osservabili sono: - La flessione nel piano orizzontale dei correnti sotto le unità di carico, che si manifesta localmente in una rotazione relativa con dissipazione di energia per effetto dell attrito, senza produrre quegli spostamenti macroscopici considerati dal coefficiente E D1. - L attrito che si manifesta per effetto dei giochi tra ganci e fori nei connettori corrente-montante, che tende ad aumentare al progressivo danneggiamento degli stessi - La rotazione attorno all asse verticale delle unità di carico, che non produce traslazioni ma dissipazione di energia per effetto dell attrito - La flessione della piastra di base nel piano della spalla, che normalmente non viene considerata nel calcolo, ed è fonte di sovraresistenza strutturale.

33 Principi di progettazione La progettazione delle scaffalature industriali tradizionali realizzate con profili formati a freddo viene eseguita con i criteri definiti dall EC8 per strutture poco dissipative. I meccanismi di dissipazione non risiedono nella plasticizzazione delle membrature realizzate con profili formati a freddo, ma: nei collegamenti dove si sviluppano giochi, attriti, rifollamenti che sono fonte della modesta dissipazione di energia considerata attraverso il coefficiente di struttura q=1.5 nell interazione tra la massa e la struttura, considerata attraverso i coefficienti di modificazione dello spettro

34 Principi di progettazione Regole di progettazione per scaffalature poco dissipative 1) Materiali: non vi sono requisiti addizionali rispetto alla Norma EN15512 (+ EC3 Parte 1-3) 2) La resistenza delle membrature e dei collegamenti è valutata in accordo con le regole della Norma EN (+ EC3 Parte 1-3) 3) I bulloni dovranno essere serrati con serraggio stretto (snug tight) e dovranno incorporare un sistema antisvitamento (es. dadi flangiati zigrinati, inserti antisvitamento) 4) Il coefficiente di struttura q può essere assunto maggiore di 1.5 (ma minore o uguale a 2) se gli elementi che resistono in compressione all azione del sisma sono di classe segue

35 Principi di progettazione Regole di progettazione per scaffalature poco dissipative 5) E possibile utilizzare controventi a K, D, Z e X senza traverso (tipici delle configurazioni delle spalle) se i. si assume il coefficiente di struttura q=1.5 ii. le diagonali e i loro collegamenti sono dimensionati per 1.5 volte l azione di calcolo 6) Nei collegamenti bullonati la resistenza a taglio del bullone F v,rd deve risultare maggiore o uguale a 1.20 volte la resistenza a rifollamento F b,rd F v,rd / F b,rd 1.20

36 Analisi e calcolo strutturale Limitazione del carico critico Nei casi in cui I a gr S 0.1g il carico critico euleriano dello scaffale P cr,e deve risultare almeno doppio rispetto al carico portato nella condizione di progetto sismico P E P E / P cr,e 0.5

37 Analisi e calcolo strutturale Effetti del 2 ordine Il controllo degli effetti del 2 ordine si basa sulla definizione del parametro di sensitività, che può essere valutato in due modi: Metodo dei tagli al piano i = (P E,i d r,i ) / (V E,i h i ) = max[ i ] Valutazione del carico critico = q d x P E / P cr,e

38 Analisi e calcolo strutturale Effetti del 2 ordine per strutture poco dissipative

39 Analisi e calcolo strutturale Metodo di analisi LFMA 0.1 > ordine MRSA [K I ] 2 ordine (geometricamente non lineare) oppure 1 ordine + (1/1- ) [K I ]+[K G ] oppure [K I ] + (1/1- ) L amplificazione 1/(1- ) per strutture poco dissipative porta a risultati conservativi e e molto conservativi per > 0.3; è raccomandabile utilizzare metodi di amplificazione diretta, quali analisi statica geometricamente nonlineare o analisi modale con effetti del 2 ordine

40 Progettazione degli elementi Progettazione della spalla La spalla può essere analizzata singolarmente come sottostruttura staticamente indipendente, quando non è parte del sistema di controvento verticale La verifica della spalla è una verifica locale Nel piano della spalla l eccentricità verticale della massa deve essere considerata. Condizioni di carico da considerare: Scaffale carico al 100% Solo livello superiore caricato Scaffale carico con peso delle unità di carico pari a 2/3 del peso di progetto

41 Progettazione degli elementi Progettazione della spalla La disposizione degli elementi della tralicciatura della spalla può produrre torsione nel montante. Nel caso di sistemi in cui le linee d asse degli elementi strutturali non giacciono nel piano della spalla, l effetto della torsione indotta nel montante dovrà essere considerata esplicitamente è necessario determinare rigidezza e resistenza sperimentalmente

42 Progettazione degli elementi Comportamento del connettore Il comportamento ciclico è caratterizzato dal danneggiamento: ad ogni ciclo il connettore acquista looseness Il singolo ciclo di carico inviluppa i cicli di carico

43 Progettazione degli elementi Controventamento longitudinale

44 Progettazione degli elementi Sistema di collegamento al controvento Il sistema deve essere efficace a trasferire l azione senza indurre effetti secondari non controllati di sollecitazione e deformabilità

45 Progettazione degli elementi Progettazione dei correnti portapallet La verifica del corrente è una verifica locale L azione di progetto è derivata dall analisi globale in termini di accelerazione o di azione interna negli elementi fittizi del modello H Q P,max L azione orizzontale di progetto è limitata dalla resistenza allo scorrimento prodotta dall attrito L attrito produce un effetto diaframma che può ridurre la flessione dei correnti nel piano orizzontale e V E necessario considerare le possibili distribuzioni delle unità di carico sui correnti b

46 Il produttore Scelte tecniche e collaudo La flessibilità dello scaffale è una risorsa che va sfruttata in modo oculato senza abusarne La conoscenza del comportamento strutturale e delle prestazioni degli elementi è indispensabile per poter garantire i livelli di sicurezza attesi; per questo è necessaria una sperimentazione rigorosa e completa E necessario far evolvere il prodotto scaffale superando alcune soluzioni storicamente implementate ma non sicure in presenza di azioni orizzontali rilevanti (es. tralicciatura delle spalle, diametro dei bulloni )

47 Il produttore Scelte tecniche e collaudo Gli schemi strutturali e i particolari costruttivi devono essere studiati per ridurre per quanto possibile le eccentricità e consentire il corretto trasferimento delle sollecitazioni tra sistemi strutturali diversi in modo chiaro e senza azioni parassite che non vengono considerate nella verifica; ad esempio: il collegamento ai controventi verticali la torsione nel montante il collegamento dei controventi orizzontali e il relativo percorso delle azioni

48 Le condizioni al contorno Scelte tecniche e collaudo La pavimentazione è il sistema fondale dello scaffale: le condizioni di ancoraggio alla pavimentazione giocano un ruolo decisivo sulla sicurezza. La pavimentazione deve essere staticamente adeguata e il sistema di ancoraggio deve garantire in ogni posizione il trasferimento delle azioni. I progettisti dello scaffale e della pavimentazione dovrebbero interagire in fase di progetto Le caratteristiche dell edificio ospitante devono essere note e tenute in conto per controllare le interazioni con gli scaffali

49 Il progettista generale Scelte tecniche e collaudo La progettazione logistica e funzionale del magazzino deve tenere conto dei requisiti antisimici: Identificazione del peso di progetto sismico e del peso massimo delle unità di carico Identificazione del grado di riempimento medio attraverso l analisi dei flussi Adeguata distanza tra gli scaffali e tra scaffale e strutture dell edificio ospitante (conoscenza dell edificio) Il sistema di giunti della pavimentazione deve essere studiato insieme al layout degli scaffali

50 Punti critici per il collaudatore Scelte tecniche e collaudo Esistenza di adeguata sperimentazione per la progettazione strutturale dei componenti e dei sistemi Considerate correttamente tutte le condizioni di carico Valutare la corrispondenza tra schemi di calcolo e sistemi costruttivi Valutare che il sistema di trasferimento delle azioni avvenga in modo staticamente corretto e non vi siano effetti secondari parassiti necessari per garantire l equilibrio; ove presenti, questi dovranno essere adeguatamente considerati

51 Punti critici per il collaudatore Scelte tecniche e collaudo Scelta di idonei sistemi di ancoraggio Corretta messa in opera degli scaffali Controllare gli interspazi tra le strutture e i giunti sismici Verificare puntualmente le condizioni di ancoraggio alla pavimentazione Profondità di infissione dei tasselli Distanza dei tasselli dai giunti e dai tagli a pavimento Accertarsi dell idoneità della pavimentazione

52 La Specifica La FEM e la pren forniscono una checklist dei dati che utilizzatore e fornitore devono scambiarsi

53 La Specifica

54 La Specifica