Steel storage pallet racking systems : full scale pushover testing and numerical analyses

The present thesis has been developed within the project SEISRACKS2 (RFSR-CT-2011-00031). The project focuses on steel selective pallet storage racks located in seismic areas within retail warehouse stores and other facilities, eventually accessible to the general public. The objective of the SEISRACKS2 project is the investigation of the seismic performance of these systems that mainly consist of cold-formed, thin-walled members in order to: • increase the knowledge on actual structural behavior and ductility • assess design rules for earthquake conditions by full-scale testing and numerical simulation. To evaluate the structural response of the racks system under horizontal loads several tasks have been carried out in the context of this thesis. During laboratory activities, full scale pushover tests have been performed on braced and unbraced pallet racks provided by different industrial partners. By elaborations of experimental results, capacity curves have been plotted and q-factor value has been defined for every structure, in order to estimate the global and local ductility resources. Furthermore the failure mechanisms of the different rack typologies have been observed and discussed. The racks have been also modeled by mean of commercial software in order to obtain numerical capacity curves to compare with the experimental ones. By this comparison it was possible to calibrate numerical models to improve their reliability. Thus, the models obtained have been used for further dynamic analysis (Incremental Dynamic Analysis).

L’oggetto del presente elaborato di tesi è lo studio del comportamento strutturale delle scaffalature industriali. Tale tipologia di struttura si distingue dalle usuali costruzioni civili per utilizzo, carichi agenti, dimensioni geometriche ed elementi costruttivi adottati. Le scaffalature metalliche sono costituite da profili sottili formati a freddo; ciò nonostante sono capaci di raggiungere elevate altezze e di portare elevati valori di carichi accidentali. Infatti il peso proprio della struttura rappresenta circa solo il 5% del carico verticale totale. Per questa ragione è necessario capire come tener in conto queste peculiarità durante la progettazione, in quanto esse influenzano significativamente la risposta del sistema e non permettono al progettista di seguire lo stesso approccio adottato per le strutture in acciaio ordinarie. In particolar modo si pone il problema della loro progettazione in zona sismica. Il comportamento dei sistemi di scaffalature soggetti a azioni orizzontali è un problema di grande interesse pratico a causa del suo significativo impatto economico. Il recente terremoto in Emilia ha attirato l’attenzione mediatica sul problema, in quanto la caduta delle merci durante un sisma può provocare ingenti perdite economiche, molto più elevate del costo dell’intero scaffale sul quale i beni erano stoccati. Gli scaffali sono inoltre adottati di frequente nei supermercati e nei centri commerciali, cioè aree aperte al pubblico. In questo caso la caduta dei pallet potrebbe mettere a rischio l’incolumità dei clienti così come degli operatori, implicando responsabilità Civili e Penali per il proprietario dell’attività e considerazioni economiche in merito alla copertura assicurativa. In Europa non è disponibile nessun documento ufficiale per la progettazione sismica di sistemi di scaffalature e i progettisti sono costretti ad operare con una totale mancanza di riferimenti e di regole di progettazione comunemente accettate. Molto spesso fanno riferimento alle raccomandazioni redatte dai principali produttori europei (FEM10.2.08). Questo documento è stato prodotto sulla base dei risultati ottenuti dal progetto di ricerca SEISRACKS (RFS-PR-03114). Per aumentare ulteriormente il livello di conoscenza in materia di sicurezza sismica e per indirizzare lo sviluppo di una normativa di stampo europeo in merito, l’Unione Europea ha finanziato un progetto di ricerca aggiuntivo denominato SEISRACKS2 . Tale progetto, nell’ambito del quale si è sviluppato questo lavoro di tesi, si prefigge di accrescere la conoscenza riguardo al comportamento strutturale in termini di duttilità mediante l’esecuzione di prove sperimentali in scala reale e lo sviluppo di una simulazione numerica. Per simulare le sollecitazioni dovute al sisma, sono state eseguite delle prove pushover in scala reale sia su scaffalature dotate di controventatura verticale che su altre sprovviste di tale sistema. I campioni di strutture sono stati forniti da quattro dei più importanti produttori Europei, partner del progetto SEISRACKS2. Le prove consistono nell’applicazione di un carico laterale con distribuzione triangolare che viene fatto crescere monotonamente in modo da cogliere il comportamento della struttura a partire dalla sua risposta elastica fino ad arrivare allo sviluppo di tutte le risorse plastiche. Tali prove ci permettono di cogliere la risposta globale dei sistemi di scaffalatura analizzando la curva pushover, ottenuta correlando il taglio alla base al corrispondente spostamento in sommità e osservando lo sviluppo della deformata nel corso della prova fino a cogliere l’eventuale meccanismo di collasso. A partire dai suddetti risultati, si è valutato il livello di duttilità caratteristico delle scaffalature tramite la stima del fattore di struttura secondo vari criteri. Il comportamento dei differenti sistemi di scaffali è stato simulato tramite la modellazione a elementi finiti con un software commerciale, comunemente utilizzato nella pratica progettuale corrente. La simulazione numerica vuole appurare se è possibile cogliere gli stessi risultati ottenuti dalle prove sperimentali senza l’adozione di software specifici, sviluppati espressamente per la progettazione di profili in parete sottile formati a freddo. Inoltre su alcuni modelli è stata sviluppata un’analisi più avanzata di tipo dinamico non lineare (IDA). Questo tipo di analisi mira ad indagare il comportamento dinamico di una struttura a diversi livelli di intensità sismica. Per raggiungere questo obiettivo sono state eseguite numerose analisi dinamiche con una forzante sismica (accelerogramma) di volta in volta scalata fino al completo esaurimento delle risorse plastiche della struttura. Sulla base di tali risultati sono stati determinati i valori del fattore di struttura che si dimostrano essere analoghi a quelli ottenuti dalle prove sperimentali, validando così i modelli numerici sviluppati. Come previsto, dalle prove svolte si è riscontrato che la presenza dei controventi verticali influenza significativamente la capacità portante della struttura. I risultati più significativi derivano dal confronto delle strutture della stessa tipologia. Si sono, infatti, verificati due comportamenti strutturali caratteristici. Da un lato è stato costatato un effettivo comportamento duttile delle scaffalature, legato a uno sviluppo diffuso delle risorse plastiche e da un meccanismo di collasso di tipo globale. Dall'altro lato si è verificato un comportamento di natura fragile che viene ravvisato da un valore di fattore di struttura molto ridotto. È stato, infatti, osservato in alcune strutture non controventate un meccanismo di collasso locale che sfrutta le risorse post elastiche solo di alcuni nodi, mentre in alcune strutture controventate si è verificato una rottura fragile della connessione delle diagonali. Queste evidenze sperimentali mettono in luce la mancanza di un’idonea procedura di progettazione, che si fondi sul principio delle gerarchie delle resistenze (capacity design) e che conduca la struttura a collassare per via di un meccanismo a plasticità diffusa, dove sono sfruttate tutte le risorse duttili presenti. I limiti inferiori del fattore di struttura raccomandati dalla FEM10.2.08 dovranno essere rivisti alla luce di questi risultati.