Scaffalature industriali: rigidezza e tolleranze della pavimentazione per il progetto strutturale

Le norme che trattano i sistemi logistici, in particolare le scaffalature industriali, individuano nella rotazione della fondazione, per effetto dei carichi trasmessi, il parametro di riferimento per misurare gli effetti di interazione, che ne condizionano la sicurezza strutturale e il corretto funzionamento.

Tale parametro è tuttavia richiamato in termini generali e richiede di essere opportunamente contestualizzato in funzione dei diversi sistemi strutturali e delle specifiche conseguenze che la rotazione produce sul comportamento dell’impianto.

Parallelamente, la realizzazione di una pavimentazione industriale richiede il rispetto di precise tolleranze superficiali, finalizzate a garantire le prestazioni geometriche richieste in esercizio dai sistemi di stoccaggio e movimentazione.

Il presente articolo si propone di mettere in relazione questi due requisiti progettuali, evidenziandone le differenze, le reciproche interazioni e il ruolo che essi assumono nel dimensionamento e nella verifica delle pavimentazioni industriali.

Fondazione delle scaffalature industriali: il ruolo del sistema pavimentazione-sottofondo

Le scaffalature industriali richiedono un sistema di fondazione in grado di garantire i necessari requisiti di stabilità e funzionalità. Nei magazzini serviti da carrelli di movimentazione, tale funzione è generalmente assolta da una pavimentazione industriale progettata con adeguate caratteristiche di resistenza e rigidezza, capace di trasferire i carichi provenienti dalla struttura al terreno di supporto. Quest’ultimo deve a sua volta possedere caratteristiche meccaniche e deformative adeguate, affinché l’intero sistema pavimentazione-sottofondo sia in grado di sostenere le azioni trasmesse dalle scaffalature senza compromettere le prestazioni richieste.

Fondazione o sistema fondale di una scaffalatura: alcune precisazioni

Una precisazione utile ai fini della lettura del presente articolo riguarda il significato attribuito ai termini fondazione o sistema fondale di una scaffalatura. Con tali espressioni si intende, in generale, la pavimentazione industriale che, a seconda delle specifiche condizioni progettuali, può assumere il ruolo di vera e propria struttura di fondazione.

Essa può essere realizzata in appoggio diretto sul terreno, purché quest’ultimo sia caratterizzato da adeguate proprietà geotecniche e deformative, oppure essere sostenuta da pali o da altri sistemi di fondazione profonda nel caso di terreni superficiali particolarmente cedevoli o privi delle necessarie caratteristiche meccaniche.

In altri contesti, la pavimentazione può essere realizzata in configurazione cosiddetta “dormiente” sopra un solaio strutturale. In tale situazione, il solaio costituisce la reale struttura di fondazione della scaffalatura, mentre la pavimentazione svolge principalmente una funzione di ripartizione e trasferimento delle azioni. Ne consegue che la resistenza e la deformabilità flessionale del solaio devono risultare compatibili con le prestazioni richieste dalla scaffalatura industriale che su di esso insiste.

Planarità, orizzontalità, deformabilità: quali requisiti devono avere le pavimentazioni?

I sistemi di scaffalature e le attrezzature per la movimentazione dei carichi vengono progettati assumendo che la pavimentazione soddisfi specifici requisiti di planarità superficiale di esercizio (flatness) e di livellamento, o orizzontalità, di esercizio (levelness). Qualsiasi deviazione rispetto a tali condizioni deve essere opportunamente considerata in fase di definizione del layout, mediante la definizione preventiva di interspazi compatibili con le tolleranze ammissibili oppure, nel caso delle scaffalature, mediante l’adozione di idonei accorgimenti correttivi in fase di installazione.

Allo stesso modo, si assume che la pavimentazione, con il relativo supporto geotecnico, possieda caratteristiche deformative compatibili con le prestazioni richieste dall’opera in elevazione.

È opportuno precisare che la planarità e l’orizzontalità costituiscono proprietà geometriche della superficie della pavimentazione e non devono essere confuse con la deformabilità del sistema fondazione-sottofondazione (pavimentazione-sottofondo). Pur influenzando entrambe il corretto funzionamento della scaffalatura e dei mezzi di movimentazione, esse descrivono aspetti differenti: le prime riguardano la geometria della superficie di esercizio e dipendono principalmente dalla qualità di esecuzione della pavimentazione, mentre la seconda attiene alla risposta meccanica del sistema sotto l’azione dei carichi ed è funzione delle scelte progettuali adottate per la fondazione e il relativo supporto geotecnico.

Generalmente, la deformabilità del sistema fondazione-sottofondazione non viene considerata, poiché si assume che tale risposta deformativa ai carichi trasferiti dalla struttura in elevazione sia sufficientemente rigida (spessore, armature e prestazioni del sottofondo adeguati) da rendere trascurabili gli effetti dei cedimenti conseguenti sulla statica e sulla funzionalità del sistema di stoccaggio. Tuttavia, le norme europee sulle scaffalature emesse dal CEN (EN) e dalla FEM (European Material Handling Federation) affrontano esplicitamente l’interazione tra scaffale e sistema fondazione-sottofondazione, quando quest’ultimo si deforma oltre determinati limiti sotto l’azione dei carichi applicati.

Oltre agli aspetti strutturali riguardanti gli scaffali, la deformabilità del sistema fondazione-sottofondazione influisce anche sull’interazione con i sistemi di movimentazione dei materiali (MHE – Material Handling Equipment).

Un sistema fondazione-sottofondazione si definisce, dunque, come “quasi rigido” quando risulta sufficientemente rigido da non richiedere la valutazione di tali interazioni.

Effetti della rigidezza del sistema fondazione-sottofondazione sulle scaffalature e i sistemi di movimentazione

Rotazione della pavimentazione: il parametro per valutare la rigidezza

Il parametro utilizzato per valutare la rigidezza di un sistema fondazione-sottofondazione – e quindi per stabilire se possa essere considerata “quasi rigida” rispetto alle scaffalature e ai sistemi di movimentazione – è la rotazione della superficie, che quantifica il gradiente del profilo di deformazione verticale. Questo indicatore risulta particolarmente significativo perché sintetizza in modo diretto gli effetti dei cedimenti differenziali.

Per comprenderne l’importanza basta un esempio: se due montanti di una spalla, distanti 1 metro, subiscono un cedimento differenziale di 1 mm, alla quota di 10 metri la struttura si sposterà orizzontalmente di circa 10 mm (a meno dell’effetto riduttivo prodotto dai giochi foro-bullone presenti nei collegamenti). Si tratta di un valore rilevante, ulteriormente amplificato dagli effetti P-Δ.

Le norme che affrontano il tema non sono univoche: trattano aspetti diversi e spesso citano la rotazione in modo generico, senza fornire indicazioni precise su come misurarla o calcolarla.

Una delle poche eccezioni è la norma FEM 9.832:2001, dedicata ai sistemi "mini-load".

Pur non parlando esplicitamente di rotazione, la norma definisce un limite al cedimento differenziale locale pari a L/2500, applicabile in tutte le direzioni del piano. Il parametro L corrisponde alla profondità della spalla o alla larghezza della campata di una scaffalatura, fino a un massimo di 3 metri.

Questa prescrizione può essere espressa in termini di rotazione: il rapporto tra lo spostamento verticale relativo di due punti e la loro distanza reciproca fornisce infatti la tangente dell'angolo che la congiungente tra i due punti forma con l'orizzontale. Per piccoli angoli, tale valore coincide in buona approssimazione con l'angolo stesso, espresso in radianti.

In altri termini, la FEM 9.832, pur non introducendo esplicitamente il concetto di rotazione, adotta un criterio ad esso equivalente, pienamente coerente con i fenomeni deformativi del sistema fondazione-sottofondazione che influenzano la risposta statica delle scaffalature.

Nota, dunque, la griglia dei montanti di una scaffalatura, è possibile determinare, a partire dall’analisi della risposta del sistema fondazione-sottofondazione in termini di cedimenti sotto i carichi trasmessi, il parametro deformativo φfloor, secondo lo schema semplificato illustrato in Figura 3.

Una volta determinato e mappato, tale parametro può essere confrontato con i limiti riportati in Tabella 1, in accordo alla FEM 10.2.14-1:2018 (nota anche come FEM 4.103-1) e coerentemente richiamati nella EN 15512:2020.

Il rispetto di tali valori limite di rotazione classifica la "pavimentazione" (più correttamente il sistema fondazione-sottofondazione) come "quasi rigida", consentendo di escludere l'interazione tra sovra e sotto-struttura e, quindi, di trascurare effetti aggiuntivi sulla scaffalatura, quali coazioni in elementi collegati (Figura 5) e incrementi degli effetti P-Δ (Figura 6).

In tale condizione, la sovrastruttura può essere progettata assumendo i vincoli a terra come fissi, principalmente rispetto alla traslazione verticale. Diversamente, si rende necessaria la valutazione della risposta "accoppiata", dal momento che i cedimenti indotti dai carichi trasmessi dalla sovrastruttura modificano in modo significativo la risposta della sovra-struttura stessa.

Ciò non implica, tuttavia, che in ogni situazione progettuale tali effetti debbano necessariamente essere esclusi. In altri termini, la condizione di pavimentazione “quasi rigida” non è sempre conseguibile; in tali circostanze, diventa quindi necessario affrontare il progetto del magazzino mediante un approccio integrato, fondato sul
coordinamento preventivo tra le diverse discipline coinvolte: progettazione della scaffalatura, progettazione del sistema fondazione-sottofondazione e progettazione del sistema di movimentazione.

Sempre dall’analisi dei valori riportati in Tabella 1, emergono altre due considerazioni:

• i valori limite φfloor risultano pari alla metà del fuori-piombo ammissibile φ0 richiesto al
  sistema di stoccaggio, margine ritenuto sufficiente per escludere l’interazione tra la sovrastruttura
  e la pavimentazione;
• all’aumentare del grado di automazione e controllo del sistema di movimentazione, i limiti
  ammissibili di φfloor e φ0 si riducono progressivamente.

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Nel prosieguo dell'articolo gli autori approfondiscono il significato ingegneristico della rotazione della pavimentazione, confrontando il metodo semplificato adottato dalle norme con un approccio basato sulla deformata reale. Vengono inoltre analizzati gli effetti delle tolleranze di orizzontalità e planarità sulle scaffalature e sui sistemi di movimentazione, con un confronto tra i principali riferimenti normativi europei e le implicazioni progettuali.

Normativa tecnica di riferimento

L'articolo analizza il rapporto tra rotazione della fondazione, rigidezza del sistema pavimentazione-sottofondo e tolleranze superficiali, richiamando alcuni dei principali riferimenti tecnici europei per la progettazione di scaffalature, pavimentazioni industriali e sistemi di movimentazione.

Scaffalature industriali e interazione con la fondazione

• EN 15512:2020 – Progettazione strutturale delle scaffalature portapallet in acciaio.
• FEM 10.2.14-1:2018 (FEM 4.103-1) – Classificazione della rigidezza del sistema fondazione-pavimentazione ("quasi rigida") e limiti di rotazione.
• FEM 9.832:2001 – Criteri per i sistemi mini-load e limiti al cedimento differenziale locale.

Tolleranze geometriche delle pavimentazioni industriali

• UNI 11146:2005 – Criteri di controllo delle tolleranze geometriche delle pavimentazioni in calcestruzzo.
• DIN 18202:2019 – Tolleranze dimensionali nelle costruzioni, comprese planarità e orizzontalità delle pavimentazioni.
• TR34 (4th Edition) – Linee guida internazionali per progettazione, realizzazione e controllo delle pavimentazioni industriali.

Sistemi di stoccaggio e movimentazione

• EN 15620:2021 – Tolleranze, deformazioni e interspazi delle scaffalature portapallet; demanda alle norme specialistiche la verifica delle tolleranze della pavimentazione.
• DIN 15185-1:1991 – Requisiti delle pavimentazioni per magazzini con carrelli VNA (Very Narrow Aisle).
• VDMA Guideline for VNA Trucks – Raccomandazioni per le pavimentazioni destinate ai carrelli a corsie strette.
• FEM 9.831:2012 – Tolleranze della pavimentazione per impianti serviti da trasloelevatori (classi 100 e 200).