Valutazione della sicurezza statica e sismica e progetto di rinforzo di un silo per polveri in tessuto

Il silo flessibile in oggetto è un sistema strutturale complesso costituito da un sacco, di capacità 50 m3, in tessuto Trevira ad alta resistenza per lo stoccaggio di farina o zucchero, sostenuto da una struttura metallica in profili laminati a sezione scatolare. L’intelaiatura, realizzata in acciaio S 235 JR e assemblata mediante collegamenti di tipo cuff connection, è alta 8.2 m e misura 3.3 m x 3.3 m in pianta. Al silo sono richieste caratteristiche idonee per l’installazione in zona con PGA pari al valore agS = 0.2g per TR = 475 anni.

La presenza di forti non linearità a partire dal form finding della membrana, la cui configurazione dipende dall’entità del riempimento e dalle caratteristiche geotecniche delle polveri, porta ad uno studio per passi della geometria e dei conseguenti profili di pressione agenti. È stato poi realizzato un modello numerico con il quale viene simulata la fase di riempimento con interazione diretta fra contenuto e sacco.

In condizioni statiche la capacità della struttura risulta adeguata. La risposta sismica, ottenuta mediante analisi pushover, è tuttavia governata dalla notevole massa del contenuto, che determina l’instabilità del tratto di base delle colonne. Si è proposta pertanto la sostituzione di queste con profili scatolari di egual ingombro, ma spessore maggiore. L’analisi del silo rinforzato non evidenzia alcun fenomeno di instabilità e la curva di capacità termina con il raggiungimento del limite di resistenza del materiale in corrispondenza di un tagliante adeguato al sito di installazione della struttura.


I vantaggi di utilizzo di un silo flessibile

La diffusione di sili flessibili (Fig.1) per lo stoccaggio di polveri per l’industria alimentare, chimica, farmaceutica e cosmetica è giustificata da costi di produzione contenuti e dalla natura modulare della struttura di sostegno, dove i collegamenti di tipo cuff connection fra le aste garantiscono assemblaggi e smontaggi estremamente rapidi. I sili flessibili quindi si adattano facilmente alle esigenze di trasporto e ad eventuali ridefinizioni dei layout industriali.

Anche il comportamento strutturale avvantaggia i sili in tessuto rispetto a quelli in lamiera metallica: il sacco di contenimento delle polveri è una membrana soggetta unicamente a sforzi di trazione (JRC 2016) e pertanto non risente dei fenomeni di instabilità che invece contraddistinguono le lamiere sottili (Lodi et al. 2017). È ben noto come per questi ultimi possa risultare particolarmente critica la fase di scarico, a causa degli sforzi di compressione trasmessi per attrito dalla polvere alla lamiera, soprattutto nella parte inferiore del mantello e nella tramoggia (Fig. 2).

Tuttora la definizione delle azioni trasmesse dal contenuto presentano aspetti relativamente poco chiari e spesso le distribuzioni di pressioni statiche equivalenti proposte dalle norme (CEN 2006a) conducono a sollecitazioni di progetto eccessivamente cautelative. Per i sili in tessuto, in particolare, le problematiche legate alla definizione di un corretto profilo di pressioni si amplificano data l’entità degli spostamenti in gioco. Le azioni raccomandate dalla norma derivano infatti dall’ipotesi di pareti rigide, dalla quale il caso in esame si discosta significativamente.

Per la valutazione delle sollecitazioni indotte dal sisma si fa tipicamente riferimento alle condizioni di massimo riempimento, con massa del contenuto ridotta del 20% come suggerito dall’Eurocodice 8 (CEN 2006b); tuttavia, come per le spinte statiche, al momento non sono disponibili studi o ricerche che facciano riferimento alla risposta sismica di sili flessibili.

La presente nota riporta gli esiti delle analisi svolte su un sistema strutturale complesso costituito da un sacco in tessuto per lo stoccaggio di polveri alimentari, sostenuto da una struttura metallica. I profili costituenti l’intelaiatura sono stati modellati in campo elasto-plastico.

Le azioni di filling e discharge (CEN 2006a) sono state riprodotte tramite una procedura di carico incrementale-iterativa in cui, tenendo conto delle non linearità geometriche, ad ogni passo di carico sono stati definiti i profili di pressione coerenti con l’assetto geometrico assunto dal sacco in quell’istante. Le azioni e la configurazione del contenitore sono quindi state aggiornate passo- passo fino al raggiungimento della combinazione di carico allo Stato Limite Ultimo (SLU) prestabilita. Allo scopo di riprodurre più accuratamente l’interazione fra polvere e sacco durante la fase di riempimento, è stato poi realizzato un secondo modello numerico in campo non lineare, nel quale il contenuto è stato modellato con elementi solidi dotati di specifiche proprietà geotecniche.

La valutazione del comportamento sismico è stata condotta mediante un’analisi pushover con profilo di forze proporzionale alle masse. La nota si conclude con la proposta di un intervento di rinforzo delle colonne che migliora significativamente la risposta strutturale.

 

Descrizione della struttura

Geometria e dettagli costruttivi

La struttura metallica (Fig. 3) è alta 8.2 m e misura 3.3 m  3.3 m in pianta. È realizzata in profili laminati a sezione scatolare che compongono traversi, colonne ed elementi di controvento. I collegamenti fra le aste sono di tipo cuff connection (Fig. 4). Nei punti di innesto sono quindi presenti profili di sezione inferiore che vanno ad incapsularsi all’interno degli scatolari adiacenti. Si tratta di connessioni che realizzano vincoli di tipo monolatero: allo scopo di garantire un’elevata rapidità di montaggio, le bullonature sono infatti del tutto assenti.

I profili costituenti la struttura hanno generalmente sezione 150 mm X 150 mm con spessori variabili da 3 a 4 mm. I tratti di collegamento che vengono incapsulati misurano 140 mm X 140 mm per 3 mm di spessore.

 

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IMMAGINE 1: Esempio di silo flessibile con sacco in tessuto e struttura di supporto in acciaio (immagine tratta dal sito http://agriflex.it).

Il sacco di contenimento (Fig. 5) è ancorato ai traversi dell’intelaiatura circostante mediante asole, anch’esse in tessuto, cucite lungo il mantello. Questo misura in pianta 3.0 m  3.0 m ed è alto 4.9 m. La tramoggia, di forma troncopiramidale, si estende verticalmente per 1.6 m e culmina con un foro di diametro 280 mm, dal quale avviene lo scarico del materiale per mezzo di un cono vibrante. Il riempimento del silo avviene invece dall’alto mediante un sistema pneumatico.

L’altezza totale del sacco misura 6.5 m per un volume immagazzinabile di circa 50 m3.

 

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IMMAGINE 2: Instabilità del mantello inferiore in un silo in lamiera causata dalla compressione verticale indotta per attrito dal contenuto (immagine tratta dal sito http://silopressuremeasurements.weebly.com).

 

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IMMAGINE 3: Struttura metallica di supporto: (a) vista frontale quotata (misure in mm) e (b) esploso; legenda: 1.traversi; 2. colonne; 3. montanti; 4 Saetta A; 5. Saetta B; 6. rinforzo; 7 piedi;

 

Materiali

Per realizzare il telaio è stato impiegato un acciaio standard S 235 JR il cui legame costitutivo σ-ε è illustrato in Fig. 6. L’andamento è elastico-perfettamente plastico-incrudente e le deformazioni corrispondenti alla fine del plateau ed alla rottura sono state assunte nei calcoli rispettivamente pari a 0.04 e 0.11. Le proprietà nominali di rigidezza e resistenza sono riportate in Tabella 1.

Il sacco è realizzato con un tessuto Trevira in poliestere ad alta resistenza. Sono stati forniti dal produttore i risultati delle prove di trazione eseguite sia lungo l’ordito che lungo la trama. Si evidenziano nette differenze di comportamento nelle due direzioni come tipicamente avviene per i tessuti, con l’ordito meno rigido ma più resistente e deformabile a rottura. I legami costitutivi σ-ε desunti dalle prove di laboratorio e le rispettive approssimazioni lineari adottate nella modellazione numerica sono illustrati in Fig. 7. Le deformazioni a rottura in direzione di ordito e trama sono rispettivamente pari a 0.28 e 0.13. Le proprietà nominali di rigidezza e resistenza dedotte dalle prove sono riportate in Tabella 2. Allo scopo di uniformare il comportamento nelle due direzioni, sul sacco sono state cucite strisce di irrigidimento che lo rendono sostanzialmente isotropo.

Per le proprietà geotecniche della farina e dello zucchero, in assenza di prove di laboratorio si è fatto riferimento ai valori riportati dall’Eurocodice 1 (CEN 2006a), qui elencati in Tabella 3. Nella modellazione numerica del contenuto con elementi solidi si è fatto uso di un criterio di rottura alla Mohr-Coulomb, nel quale sia il coefficiente di Poisson ν sia il modulo elastico E, variabile con l’entità del carico, sono stati dedotti da uno studio sulle proprietà geotecniche di polveri alimentari (Ramírez et al. 2009).

 

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019


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