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Progettazione per azioni sismiche delle scaffalature

Gennaio 10, 2023 - 09:29 da Ing. Lucio Fattori
Progettazione per azioni sismiche delle scaffalature


A cura di ing. Lucio Fattori, Associato Individuale di ISI


Le scaffalature metalliche sono strutture portanti per lo stoccaggio e il recupero delle merci nei magazzini in cui le merci sono generalmente imballate su pallet o in casse.

Le scaffalature sono realizzate da componenti di acciaio con geometrie e caratteristiche in genere differenti a seconda del fabbricante.

I componenti strutturali della scaffalatura si differenziano dai componenti di acciaio tradizionali (come i profili commerciali) soprattutto perché i montanti appaiono spesso come perforati in continuo, i collegamenti sono quasi sempre ad aggancio incorporato e i componenti strutturali della scaffalatura sono generalmente formati da membrature in lamiera sottile formata a freddo.

Nella progettazione sismica di un edificio tradizionale la percentuale di peso proprio e permanente è decisamente maggiore rispetto al contributo dato dalle azioni accidentali (dette anche carichi variabili).

Molto diverso è il caso delle scaffalature, dove il peso proprio è spesso invece trascurabile rispetto al peso complessivo delle unità di carico portate.

Inoltre, la natura e la distribuzione delle merci stoccate sulle scaffalature influenzano fortemente la risposta e la sicurezza della struttura sotto azioni sismiche, ed è quasi sempre un’informazione non nota o non gestibile (spesso la disposizione è a scacchiera con presenza di vuoti/pieni del tutto casuale o comunque molto difficilmente gestibile).

Le unità di carico in generale sono semplicemente appoggiate alla struttura della scaffalatura e, se sottoposte ad azioni orizzontali (come nel caso del sisma), sono mantenute nella loro posizione solo dall’attrito tra la base del pallet (o della cassa) e il metallo di cui è costituito il corrente.

Le unità di carico sono a loro volta delle sottostrutture con caratteristiche dinamiche distinte in termini di frequenza e smorzamento, e il loro comportamento è in grado di influenzare la risposta dell’intero sistema, come evidenziato da prove sperimentali.

Si pensi per esempio ad unità di carico fortemente monolitiche e indeformabili, come potrebbero essere monoblocchi per stampi, confrontate con unità di carico in grado di deformarsi e quindi dissipare energia, come delle confezioni di cartone di piccole dimensioni contenenti oggetti e avvolte in cellophane termoretrattile. Il movimento traslatorio e l’eventuale caduta dei pallet richiedono altresì una valutazione appropriata, anche in funzione della quota di posizionamento del pallet stesso.

È ben noto come calcolare la risposta sismica di una struttura, ma la presenza della norma UNI EN 16681:2016 diventa fondamentale nel momento in cui le formule tradizionali per le verifiche degli elementi strutturali in acciaio devono essere adattate alla peculiarità costruttiva delle scaffalature e al fatto che, non essendo le scaffalature porta-pallet considerate strutture, non ci si trovi nel campo di applicazione delle norme tecniche applicabili agli edifici.

La progettazione sismica delle scaffalature avverrà in seguito alla generale progettazione per azioni statiche (o pseudostatiche) previste dalla UNI EN 15512 “Sistemi di stoccaggio statici di acciaio Scaffalature porta-pallet Principi per la progettazione strutturale”.

Il requisito base che la scaffalatura dovrà soddisfare a seguito del sisma è quello del “non collasso”.

La struttura della scaffalatura deve essere progettata e costruita per resistere all’azione sismica di progetto senza collasso locale o globale, mantenendo la sua integrità strutturale e una capacità portante di carico residuo dopo un evento sismico.

Gli stati limite ultimi sono quelli associati al collasso o ad altre forme di cedimento strutturale che possono mettere in pericolo la sicurezza delle persone, e nel caso sismico le NTC2018 in §3.2.1 riportano la seguente definizione:

Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV): a seguito del terremoto la costruzione subisce rotture e crolli dei componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni dei componenti strutturali cui si associa una perdita significativa di rigidezza nei confronti delle azioni orizzontali; la costruzione conserva invece una parte della resistenza e rigidezza per azioni verticali e un margine di sicurezza nei confronti del collasso per azioni sismiche orizzontali.

La definizione di SLV prevede, per esempio, che a seguito del sisma sia ancora possibile per il personale evacuare in sicurezza l’area del magazzino in cui sono collocate le scaffalature danneggiate.

A differenza di quanto accade per gli edifici ordinari, non è esplicitamente previsto nessun requisito di progettazione specifico per la limitazione del danno (SLD[1]). Nulla toglie che il committente/utilizzatore possa richiedere anche il rispetto di questo stato limite al momento della redazione delle specifiche.

Quindi nella progettazione secondo UNI EN 16681 il movimento delle unità di carico stoccate non costituisce un danno, sebbene possa essere richiesto dal committente che sia garantita anche questa prestazione. Ciò diventa rilevante soprattutto per eventi sismici di medio/bassa intensità, per una salvaguardia delle unità di carico e di conseguenza del valore economico dei beni stoccati nel magazzino[2].

Ovviamente a seguito di un evento sismico dovranno essere svolti controlli di integrità e il datore di lavoro, insieme al PRSES[3], dovrà valutare i rischi correlati allo slittamento delle unità di carico e la possibilità della loro caduta dallo scaffale per eventi sismici successivi alla scossa principale.

 

1 Peso sismico di progetto dell’unità di carico

Il peso di progetto dell’unità di carico WE,UL da considerare nella valutazione dell’azione sismica orizzontale deve essere determinato come segue :

WE,UL = RF x ED2 x QP;rated

Dove:

RF         è il fattore di riduzione del riempimento scaffale, relativo all’occupazione delle merci stoccate nello scaffale che può essere assunto durante l’evento sismico, da definirsi da parte dell’utilizzatore sulla base di valutazioni statistiche: per l’analisi in direzione trasversale deve essere assunto RF = 1,0; per l’analisi in direzione longitudinale deve essere assunto RF ≥ 0,8;

  ED2            è il fattore di modificazione del peso dell’unità di carico (come specificato in UNI EN 16681 § 7.5.5);

QP;rated  è il valore specificato del peso delle unità di carico per la progettazione del compartimento, della spalla o l’intera direzione longitudinale (vedere UNI EN 15512), come specificato dall’ utilizzatore (vedere anche il punto 6.7.1 della UNI EN 15629).

Si dovrà tenere conto dell’eccentricità verticale delle unità di carico nell’analisi della scaffalatura, in particolare nel dimensionamento della spalla. L’eccentricità potrà essere ignorata nell’analisi in direzione longitudinale, eccetto per gli scaffali a singola campata di carico, perché le forze di ribaltamento delle unità di carico adiacenti sono in direzione opposta e il loro effetto è nullo, a parte nei montanti laterali in cui il loro effetto può essere ignorato.

Figura 1 - Effetto dell’eccentricità verticale del centro di gravità sull’unità di carico nel modello (direzione longitudinale)

 

2 Dati che devono scambiarsi l’utilizzatore finale e il fornitore dello scaffale

Nell’Appendice I della UNI EN 16681 sono riportate le informazioni che devono scambiarsi lo specificatore/utilizzatore finale e il fornitore dello scaffale. Come indicato dalla nota presente nell’Appendice I, queste informazioni sono di completamento rispetto a quanto già previsto dalla norma UNI EN 15629 in aree sismiche. Si ricorda a tal proposito che tutto il territorio italiano è classificato come sismico; pertanto, si può ritenere l’Appendice I applicabile per l’installazione in qualsiasi zona del nostro Paese.

Le informazioni principali che l’utilizzatore finale (o il redattore delle specifiche) dovrà fornire al fornitore dello scaffale per una corretta progettazione per azioni sismiche sono:

  • - zona sismica o accelerazione di picco del suolo relativamente al sito di installazione (con riferimento alle zonazioni regionali o al reticolo sismico nazionale) e tipo dello spettro di risposta (in Italia basandosi sulle NTC2018, eventualmente considerando le amplificazioni derivanti dallo spettro di piano[4]) e del tipo di suolo (si veda 3.2.2 Categorie di sottosuolo e condizioni topografiche);
  • - classe di importanza[5];
  • - vita di progetto (facendo riferimento al Prospetto 1 della UNI EN 16681 e al § 2.4.1 delle NTC2018);
  • - specifiche di peso dell’unità di carico:

QP;max   peso specificato dell’unità di carico (vedere il punto 6.7.1 della UNI EN 15629);

QP;rated  valore specificato del peso delle unità di carico per la progettazione del compartimento, della spalla o l’intera direzione longitudinale (vedere EN 15512) come specificato dall’utilizzatore (vedere anche il punto 6.7.1 della EN 15629);

  • - RF, fattore di riduzione del riempimento scaffale (solo per direzione longitudinale - fare riferimento al punto 7.5.4 della UNI EN 16681).

Le informazioni che il fornitore dello scaffale dovrà fornire all’utilizzatore finale (o al redattore delle specifiche) sono:

  1. rischio correlato allo scivolamento delle unità di carico (fare riferimento all’Appendice J della UNI EN 16681);
  2. rischio correlato all’oscillazione delle unità di carico (fare riferimento all’Appendice H della UNI EN 16681);
  3. valore minimo di accelerazione del suolo definito nel punto, per il quale è richiesto il controllo dell’integrità degli scaffali dopo un evento sismico (fare riferimento anche all’Appendice J della UNI EN 16681).

 

3 Valutazione del danno dopo un terremoto

L’Appendice J della UNI EN 16681 riporta delle regole complementari alla UNI EN 15635 per la verifica delle scaffalature a seguito di un sisma.

Come si è già detto a seguito di un evento sismico gli effetti subiti dalla scaffalatura potrebbero essere (semplificando le casistiche):

  1. collasso totale o parziale della scaffalatura;
  2. caduta delle unità di carico ma senza apparenti danni alla scaffalatura;
  3. mantenimento delle proprie posizioni da parte delle unità di carico e apparente assenza di danni alla scaffalatura.

L’Appendice J riporta una soglia di attenzione per l’esecuzione delle verifiche che richiede al PRSES di conoscere l’accelerazione sismica al suolo del sito di installazione delle scaffalature[6]. L’informazione è tutt’altro che facile da reperire e l’esperienza degli autori porta a consigliare di eseguire una verifica di integrità a seguito di qualsiasi evento sismico avvertito nel luogo di installazione.

Le motivazioni potrebbero essere parecchie, ma ne citiamo alcune:

  • - l’accelerazione al suolo si attenua rapidamente all’aumentare della distanza dall’epicentro[7];
  • - la tipologia di terreno e il coefficiente topografico posso avere effetti amplificativi di tipo locale;
  • - la struttura della scaffalatura potrebbe essere stata parzialmente danneggiata da eventi sismici pregressi o da urti/impatti con mezzi meccanici riducendo di fatto la sua capacità portante già prima dell’evento sismico;
  • - la disposizione delle unità di carico influenza moltissimo la distribuzione degli sforzi, per cui anche con eventi sismici di bassa intensità una disposizione assimilabile ad un “pendolo inverso” (dove la maggior parte dei carichi sia posizionata in sommità con campiture vuote ai piani più bassi) potrebbe mettere in crisi la struttura.

Vista quindi l’opportunità di verificare le scaffalature a seguito di qualunque evento sismico, il PRSES potrà dare istruzioni di effettuare un controllo completo dell’integrità della struttura della scaffalatura indipendentemente dall’intensità dell’evento. La valutazione del livello di danno degli elementi strutturali è comunque obbligatoria prima di rimettere in servizio lo scaffale.

Se dopo l’evento sismico le unità di carico fossero scivolate (pur non essendo crollate al suolo) è opportuno che vengano riposizionate con i parametri di accettazione previsti dalla UNI EN 15620.

Il fornitore informerà l’utilizzatore della possibilità che si verifichi un movimento delle unità di carico che possa provocare una caduta di merci dalla scaffalatura.

Queste informazioni diventano fondamentali per identificare i percorsi più sicuri in caso di sisma, riducendo il rischio di caduta delle merci sul personale durante l’evacuazione.

In seguito all’evento sismico il ruolo del PRSES diventa fondamentale per garantire la sicurezza di tutti gli spazi di lavoro in prossimità delle scaffalature, oltre che delle scaffalature stesse.



[1] Sempre in NTC2018 § 3.2.1 si legge:

Stato Limite di Danno (SLD): a seguito del terremoto la costruzione nel suo complesso, includendo gli elementi strutturali, quelli non strutturali e le apparecchiature rilevanti alla sua funzione, subisce danni tali da non mettere a rischio gli utenti e da non compromettere significativamente la capacità di resistenza e di rigidezza nei confronti delle azioni verticali ed orizzontali, mantenendosi immediatamente utilizzabile pur nell’interruzione d’uso di parte delle apparecchiature.

[2] La norma UNI EN 16681 riferisce che mediante prove in scala reale è stato dimostrato che lo slittamento delle unità di carico sui correnti si verifica per piccoli valori di accelerazione al suolo (terremoti di bassa intensità) soprattutto con pallet di legno o plastica posizionati su correnti di acciaio verniciato o zincato, specialmente a causa dell’amplificazione strutturale delle forze sismiche ai livelli di stoccaggio più alti.

[3] Persona responsabile della sicurezza della scaffalatura da magazzino (PRSES): Persona nominata dalla direzione con la responsabilità di mantenere in sicurezza il funzionamento del sistema di stoccaggio del magazzino. Il PRSES deve avere competenze adeguate per svolgere tale compito.

[4] Le NTC2018 richiamano all’adozione degli spettri di risposta di piano, la cui formulazione matematica è contenuta nella Circolare C.S.LL.PP. n. 7 del 21/01/2019. Gli spettri di piano rappresentano un modello per la valutazione dell’azione sismica in un predeterminato punto della struttura. Si dovrà tenere infatti conto anche della quota di installazione della scaffalatura qualora non sia collocata alla quota del piano campagna.

[5] La norma specifica che è possibile utilizzare anche fattori di importanza maggiori rispetto a quelli indicati nel Prospetto 1 (tenendo conto delle indicazioni dell’Appendice L Deviazioni A che fanno riferimento alle NTC2018). Se non diversamente richiesto, non è necessario che il fattore di importanza dello scaffale sia maggiore del fattore di importanza specificato per la parte di edificio in cui sono ubicati gli scaffali.

[6] Il punto J.1 indica come soglia di attenzione un evento sismico con accelerazione al suolo maggiore di 0,50 (gamma)1agRS oppure 0,50 agRS, a seconda di quale dei due valori sia minore.

[7] Si veda a tal proposito l’articolo È possibile evitare il superamento delle azioni di progetto nell’area epicentrale di terremoti forti?, Iunio Iervolino, Massimiliano Giorgio, pubblicato su Progettazione Sismica n° 3/2017 Edizioni Eucentre.