La vulnerabilità sismica delle scaffalature industriali

Da molti anni le scaffalature metalliche sono largamente impiegate in vari ambiti della logistica e dell’industria e oggi trovano posto anche nei centri commerciali in aree aperte al pubblico.
Nonostante siano strutture relativamente poco robuste e ottimizzate per portare elevati carichi verticali con modeste azioni orizzontali concomitanti, la cui progettazione è orientata dall’industrializzazione dei componenti, dalla flessibilità d’uso e dalla facilità di montaggio, possono resistere alle azioni orizzontali prodotte dal sisma qualora vengano dimensionati correttamente e curando particolarmente alcuni componenti chiave.
In questo articolo si passano in rassegna alcuni aspetti significativi emersi dalle più recenti ricerche e i loro risvolti nella nuova normativa europea.

Specificità delle scaffalature
Da molti anni le scaffalature metalliche sono largamente impiegate in vari ambiti della logistica e dell’industria e oggi trovano posto anche nei centri commerciali in aree aperte al pubblico.
Esse rappresentano la parte strutturale di sistemi di stoccaggio delle merci, la cui concezione è influenzata e spesso determinata dai sistemi di movimentazione, con i quali sono spesso integrate, specie negli impianti più avanzati.
I componenti principali e gli accessori sono altamente industrializzati e ottimizzati in base all’utilizzo, e sono spesso influenzati dell’idea di sviluppo del prodotto del costruttore; per questa ragione vi sono forti analogie nelle concezione dei sistemi e delle tipologie di componenti, ma allo stesso tempo gli stessi risultano fortemente caratterizzati per ciascun produttore.
Tra le caratteristiche più ricercate nella progettazione dei componenti vi sono la flessibilità nell’utilizzo, per realizzare sistemi diversi, e la semplicità di montaggio, dato che questo è caratterizzato da un’elevata ripetitività; questo porta a realizzare sistemi e connessioni con schemi tutt’altro che canonici, caratterizzati da eccentricità più o meno marcate, trasferimenti di azioni per effetto di forze di contatto o di ingranamento e altre peculiarità poco usuali nella tradizionale ingegneria delle strutture metalliche.
Le scaffalature storicamente sono state concepite, progettate, prodotte e ottimizzate per portare carichi verticali rilevanti in rapporto al loro peso, costituiti dal peso delle merci, nonostante siano realizzate con elementi estremamente snelli, per lo più profili sottili formati a freddo.
Le azioni orizzontali per cui sono concepite in origine sono estremamente modeste, in quanto prodotte dalla movimentazione delle merci contenute nelle così dette “unità di carico”, che avviene con modalità assolutamente controllate.
Le stesse imperfezioni di montaggio, in particolare i fuori piombo degli elementi verticali portanti (i montanti) ne influenzano in modo non trascurabile il dimensionamento statico.
I danni prodotti da mezzi esterni o da eventi accidentali, quali ad esempio la rottura di una unità di carico con conseguente caduta incontrollata della merce sulla struttura sottostante, oppure l’urto accidentale di un mezzo di movimentazione comportano la riduzione della capacità portante dei singoli elementi e del complesso strutturale, compromettendone talvolta la stabilità.
Questo vale sicuramente per gli scaffali da magazzino, installati all’interno di edifici; i magazzini autoportanti, che supportano anche l’involucro esterno, sono invece necessariamente dimensionati anche per azioni orizzontali rilevanti, quali quella del vento e, essendo in genere equiparati dalle legislazioni nazionali ad edifici, anche del sisma.
Anche per queste ragioni i magazzini autoportanti sono caratterizzati dalla presenza di sistemi di controventamento e da elementi strutturali di caratteristiche statiche notevolmente superiori a quelle degli scaffali da magazzino, necessari sia per ragioni statiche che per mantenere le deformazioni entro limiti che ne consentano l’operatività.
Negli scaffali da magazzino si cerca invece di evitare l’uso di sistemi di controventamento, dato che questi mal si inseriscono nel sistema costruttivo tradizionale, a meno di situazioni particolari in cui è richiesto di limitare le deformazioni o quando si ricerca un’ottimizzazione particolarmente spinta dei componenti.

Quanto sono vulnerabili al sisma le scaffalature?
Quando si vuole affrontare il tema della vulnerabilità sismica delle scaffalature industriali, il quadro di partenza appare quindi scoraggiante.

Infatti, da quanto sopra osservato deriva che si tratta di strutture ottimizzate per portare elevate masse e allo stesso tempo resistere a modeste azioni orizzontali, altamente industrializzate e quindi poco idonee ad essere modificate nella loro concezione, sostanzialmente poco robuste in quanto facilmente danneggiabili per effetto di eventi esterni e molto sensibili ai danneggiamenti che, se non controllati, ne compromettono la stabilità e la sicurezza.
A questo si aggiunge che la competizione commerciale ha portato per anni a sottovalutare il problema sismico, anche facendo leva su una non esplicita definizione legislativa dell’oggetto “scaffalatura industriale” e dei requisiti necessari per garantirne la sicurezza.
Tuttavia scaffali ben progettati hanno dimostrato di poter resistere a sismi anche di forte intensità.

Abbiamo tutti ben presente le immagini drammatiche del terremoto che nel 2012 ha colpito l’Emilia Romagna e la Lombardia, in particolare quelle del magazzino autoportante delle Ceramiche S. Agostino parzialmente collassato e quelle delle “scalere” a terra con le forme di parmigiano disperse. Queste immagini hanno fatto il giro del mondo, ma vi sono anche numerosi esempi di magazzini autoportanti o di scaffalature industriali, che dopo il sisma hanno mantenuto una significativa resistenza residua o addirittura non hanno subito danni.

Fortunata coincidenza, dovuta all’entità e distribuzione dei carchi al momento del sisma, oppure alla favorevole direzione dell’azione sismica che ha sollecitato in modo non troppo severo le strutture? In effetti, eseguendo le verifiche di alcune di queste strutture con i metodi tradizionali risulta difficile dimostrare come esse abbiano potuto resistere o anche solo non subire danni severi. E’ segno che anche gli scaffali qualche risorsa per resistere ai terremoti ce l’hanno, almeno se questi sono progettati in modo da limitare gli effetti di alcuni difetti intrinseci della loro concezione costruttiva.
I primi studi sistematici di rilievo sul comportamento sismico degli scaffali risalgono agli anni ’80, e sono stati svolti negli Stati Uniti dall’RMI (Rack Manufacturers Institute – l’associazione americana dei produttori di scaffalature).
In Europa analoghi studi sono iniziati in modo sistematico alla fine degli anni ’90 nell’ambito della FEM – Section X, sotto il forte impulso e la leadesrship dell’associazione dei produttori italiani, particolarmente sensibili al problema anche per ragioni di sismicità del territorio.
Tali studi hanno avuto come riferimento, oltre al lavoro svolto oltre oceano, l’applicazione della normativa europea ed in particolare degli Eurocodici, specializzata al caso peculiare delle scaffalature.
Parallelamente, sono stati sviluppati diversi programmi di ricerca attraverso i quali sono stati inizialmente studiati i comportamenti degli scaffali in campo dinamico e successivamente sono state raffinate le regole e definiti i parametri via via messi a punto nelle varie linee guida prodotte.
Tra questi citiamo Seisracks1 e Seisracks2, finanziati dalla Commissione Europea e coordinati dal Politecnico di Milano; Seisracks2 si è conclusa nel luglio 2014 ed è imminente la pubblicazione dei risultati.
Si può dire che proprio queste ultime ricerche hanno permesso di mettere in luce aspetti caratteristici del comportamento degli scaffali, che aiutano a interpretare il loro comportamento in presenza del sisma e quindi gli aspetti significativi attinenti alla loro vulnerabilità; tali evidenze hanno trovato riscontro nella norma FEM 10.2.08 (2009) e nella nuova norma EN16681, attualmente in stato di pre-norma, che della FEM 10.2.08 rappresenta l’evoluzione e l’ufficializzazione in ambito europeo.
La ricerca Seisracks2 si è sviluppata in ambito sperimentale e numerico, ed ha prodotto alcune linee guida per la progettazione. A differenza della precedente Seisracks1, in questo caso la sperimentazione non ha incluso simulazioni su tavola vibrante, ma numerose prove monotone e cicliche su componenti e sottostrutture e prove full scale, che hanno consentito di evidenziare e interpretare comportamenti e fenomeni significativi, oltre che mettere a punto dei protocolli per la valutazione di alcuni importanti parametri di progetto. Le prove su componenti e sottostrutture hanno consentito di calibrare i modelli per la simulazione numerica delle prove full scale e per studi di vulnerabilità svolti con metodi avanzati.
L’ambito della ricerca è quello degli scaffali porta pallet, che tra le varie tipologie sono quelli più diffusi e costituiscono la base costruttiva per molte altre tipologie. Anche la normativa europea al momento tratta solo lo scaffale portapallet, mentre le linee guida FEM (in gran parte recepite in Italia da norme UNI) trattano anche altri sistemi di scaffalature, quali cantilever, drive-in e scaffali leggeri di varie categorie, ma per ora solo in condizioni non simiche.
Tra le prove full scale più significative vi sono quelle di “pushover”, svolte nel laboratorio di Grafffignana del Politecnico di Milano, e le prove monotone e cicliche sulle spalle, svolte dall’Università di Liegi.
Le scaffalature realizzate con profili sottili restano comunque strutture intrinsecamente poco duttili, e conseguentemente la progettazione antisismica fa riferimento ai principi dell’Eurocodice 8 per strutture in acciaio in bassa duttilità. Tale approccio rappresenta tuttavia un limite, per ora accettato, essendo la bassa duttilità ammessa dalla stessa norma per sole zone a bassa sismicità. La ricerca effettuata, l’evidenza fattuale e lo stesso confronto con altre normative portano tuttavia ad essere confidenti nella validità di questo approccio.

ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO L'ANALISI DELLE SCAFFALATURE CONTROVENTATE DI QUELLE NON CONTROVENTATE, DELLE SPALLE