Apparecchi di sollevamento e gru: criteri di progettazione secondo la UNI EN 13001 | Ingegneri.info

Apparecchi di sollevamento e gru: criteri di progettazione secondo la UNI EN 13001

Uno sguardo d'insieme dettagliato alle caratteristiche e alle prescrizioni della UNI EN 13001 dedicata agli apparecchi di sollevamento, tra progettazione e sicurezza

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di Gianluca Celli, Esperto UNI – CEN TC 147 Working Group 2 (Crane design) e Working Group 18 (Loader cranes) – Structural Engineer presso PM GROUP S.p.A, e Angelo Cristian Bertocchi Esperto UNI – CEN TC 147 Working Group 2 (Crane design) e Working Group 18 (Loader cranes) – Safety Engineer presso FASSI GRU S.p.A.

In passato, il calcolo strutturale degli apparecchi di sollevamento e dei loro componenti e accessori era regolamentato da norme tecniche nazionali: in Italia, ad esempio, vi era la CNR UNI 10021, in Germania la DIN 15018, nel Regno Unito la BS 2573. Queste norme hanno costituito per decenni il riferimento di progettisti e organismi di controllo per quanto riguarda il corretto dimensionamento delle gru e dei loro accessori.

Con l’entrata in vigore della Direttiva Macchine 2006/42/CE nei Paesi dell’Unione Europea si è assistito allo sviluppo delle norme armonizzate: esse sono norme, richiamate nella Gazzetta Ufficiale dell’Unione Europea, che forniscono soluzioni tecniche dettagliate per soddisfare i requisiti essenziali di sicurezza e di tutela della salute richiesti dalla Direttiva Europea e il cui rispetto conferisce la presunzione di conformità a tali requisiti.

Il CEN (European Committee for Standardization), attraverso il Comitato Tecnico TC147 “Cranes Safety”, che si occupa della sicurezza delle gru, ha sviluppato una serie di norme armonizzate che coprono sia aspetti generali riguardanti il calcolo strutturale degli apparecchi di sollevamento sia, nel Gruppo di Lavoro WG2 “Design General”, aspetti specifici dei vari elementi costitutivi, quali, ad esempio, il calcolo delle funi, dei cilindri idraulici, il contatto ruota-rotaia, ecc. Le norme tecniche armonizzate sul calcolo strutturale degli apparecchi di sollevamento e dei loro componenti sono raggruppate nella serie di norme EN 13001, recepite a livello nazionale come UNI EN, che è composta dalle seguenti parti:
• UNI EN 13001-1:2015 – Principi e requisiti generali;
• UNI EN 13001-2:2015 – Azioni dei carichi;
• UNI EN 13001-3-1:2013 – Stati limite e verifica della sicurezza delle strutture di acciaio;
• UNI EN 13001-3-2:2015 – Stati limite e verifica di idoneità delle funi nei sistemi di avvolgimento e deviazione;
• UNI EN 13001-3-3:2015 – Stati limite e verifica di idoneità dei contatti ruota/rotaia;
• UNI EN 13001-3-5:2016 – Stati limite e verifica dell’idoneità di ganci di sollevamento fucinati.

Le prime tre norme UNI EN 13001-1, UNI EN 13001-2 e UNI EN 13001-3-1 costituiscono la base per il calcolo degli apparecchi di sollevamento e sono il fondamento delle parti successive. Seguendo gli sviluppi più avanzati dell’ingegneria strutturale tutte queste norme affrontano i calcoli privilegiando il metodo degli stati limite. Il metodo delle tensioni ammissibili, pur contemplato, viene relegato ad essere un caso particolare del più generale metodo suddetto. Come riportato nello scopo di queste norme, esse coprono i rischi associati ai pericoli derivanti dal superamento dei limiti di resistenza e di deformazione, dall’instabilità della gru e delle sue parti (ribaltamento), dall’instabilità elastica della gru e delle sue parti (buckling) e dal superamento dei limiti di temperatura dei materiali e dei componenti.

La prima parte delle UNI EN 13001 (UNI EN 13001-1) descrive in modo generale i metodi di verifica (stati limite e tensioni ammissibili) e i modelli di calcolo per la valutazione degli stati limite ultimi e di esercizio degli apparecchi di sollevamento e dei loro componenti; gli stati limite costituiscono le condizioni della gru che, se superate, possono portare ad una perdita delle caratteristiche operative della gru (rottura, ribaltamento, instabilità elastica, deformazioni eccessive, ecc.). In aggiunta, la norma tratta la classificazione delle gru in base all’utilizzo, indipendentemente dal tipo di gru; a questo scopo vengono introdotte quattro tipologie di classi: la classe U, basata sul numero di cicli di lavoro, la classe D, basata sugli spostamenti (lineari e angolari), la classe Q, basata sullo spettro di carico, e la classe P, legata al numero di accelerazioni.

Inoltre, la norma fornisce una metodologia per ricavare lo spettro delle sollecitazioni partendo da una generica storia di sollecitazione e per ricavare la classe S. La classe S è legata alla storia delle sollecitazioni ed è il parametro chiave per il calcolo a fatica della gru in quanto è strettamente collegata alla “sollecitazione caratteristica limite a fatica”. La parte seconda delle UNI EN 13001 (UNI EN 13001-2) analizza i carichi che devono essere applicati al modello della gru e questi carichi vengono suddivisi in carichi regolari, occasionali ed eccezionali: tra questi vi sono, per esempio, gli effetti legati al sollevamento e al rilascio di un carico, i carichi dovuti al vento, al movimento della gru su superfici irregolari, all’intervento del limitatore di carico, ecc. La norma, inoltre, fornisce le tre combinazioni di carico da impiegare nella verifica della resistenza della gru e nella verifica al ribaltamento: la combinazione di carico A (carichi regolari in normali condizioni operative), la combinazione di carico B (carichi regolari combinati con carichi occasionali) e la combinazione di carico C (carichi regolari combinati con carichi occasionali ed eccezionali).

La combinazione di carico C comprende tutte le situazioni “eccezionali” che possono verificarsi durante la vita della gru: ad esempio, il caso della gru sottoposta a prova (statica o dinamica), il caso della perdita non intenzionale del carico e la condizione di montaggio, smaltimento e trasporto.
La scelta delle opportune combinazioni di carico dipende dall’utilizzo previsto della gru, dal suo sistema di comando e da ogni altra condizione che può influenzare la verifica della gru. La parte 3-1 delle UNI EN 13001 (UNI EN 13001-3-1) tratta le verifiche di resistenza e di instabilità elastica da utilizzare nella verifica delle gru e dei suoi componenti applicando il metodo agli stati limite.

Nel calcolo di una gru non è sufficiente conoscere l’entità delle sollecitazioni agenti ma è necessario conoscere anche il servizio a cui la gru sarà soggetta. Questo vuol dire che non è possibile calcolare un apparecchio di sollevamento solo verificando che lo sforzo di snervamento non venga superato in presenza del carico massimo, ma bisogna tener conto anche dei differenti valori degli sforzi che si possono riscontrare nella vita della macchina, unitamente alla loro frequenza.
La norma prevede:
• la verifica statica;
• la verifica a fatica;
• la verifica a stabilità elastica.

Le verifiche riguardano sia il materiale base che le saldature: gli apparecchi di sollevamento sono strutture saldate e particolare attenzione viene, per questo, rivolta al calcolo dei giunti di saldatura. La norma include una serie di allegati che forniscono i limiti a fatica del materiale base in funzione del limite di snervamento e della qualità di fornitura delle lamiere e i limiti a fatica dei giunti di saldatura, in funzione della geometria e della qualità della saldatura. Il grado di conoscenza della struttura in esame da parte dei tecnici deve quindi essere ampio ed approfondito.

La necessità di scegliere i vari coefficienti di utilizzo e di sicurezza in base ad approfondite valutazioni di merito implica una ottima conoscenza dell’utilizzo previsto, delle metodologie costruttive e dell’utilizzo prevedibile da parte dell’operatore della gru. La quantità di dati da considerare e il numero di combinazioni di carichi da considerare nel calcolo rendono spesso necessario l’utilizzo di software specificamente progettati. La parte 3-2 (UNI EN 13001-3-2) si occupa del calcolo e della verifica delle funi metalliche. L’approccio di questa norma è molto diverso rispetto all’approccio “classico” utilizzato nel calcolo delle funi, che prevede un singolo coefficiente di sicurezza in base alla classe della gru o del meccanismo. Questa norma si basa sul calcolo agli stati limite previsto dalle altre parti della UNI EN 13001, con una verifica statica e una verifica a fatica. La norma prende in considerazione molti aspetti che possono influenzare la resistenza della fune e, per ciascuno di essi, si utilizza un coefficiente moltiplicativo. Particolare attenzione viene posta al numero di piegamenti a cui è soggetta la fune durante la vita utile, essendo un fattore determinante per il calcolo della resistenza a fatica della fune.

La norma UNI EN 13001-3-3 si occupa delle problematiche legate al contatto ruota-rotaia ed è di particolare interesse per tutte quelle tipologie di gru che si muovono su rotaie come, per esempio, gru a ponte, gru a cavalletto, gru a torre, ecc. Essa va utilizzata insieme alle UNI EN 13001-1 e 2 e fornisce i metodi di progettazione per la prevenzione dei rischi meccanici dovuti alla traslazione della gru e allo scorrimento dei suoi elementi mediante ruote o rulli di guida o di supporto in ghisa o acciaio. Ai fini normativi la “ruota” è, infatti, definita come componente rotante in un contatto di rotolamento che consente un moto relativo tra due parti della gru.

Anche per questa norma l’approccio di verifica è analogo a tutte le norme UNI EN 13001; sono, infatti, previste sia la verifica statica che la verifica a fatica. Entrambe le verifiche confrontano una forza di contatto di progetto, risultante dall’analisi agli stati limite della gru, con una forza di contatto limite. La parte 3-5 (UNI EN 13001-3-5) si occupa del calcolo e della verifica dei ganci fucinati. Anche questa norma contiene importanti novità rispetto al passato, legate sia ai requisiti sul materiale sia ai metodi di calcolo, basati sulle parti 1, 2 e 3-1. La norma si applica al corpo del gancio e al gambo filettato e prevede sia una verifica statica che una verifica a fatica. Una serie di allegati alla norma forniscono le dimensioni consigliate che soddisfano i requisiti della norma. Un paragrafo specifico della norma riguarda la marcatura dei ganci e le istruzioni da inserire nelle istruzioni d’uso.

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Le norme UNI EN 13001 sono in continua evoluzione data la novità dell’approccio che utilizza il metodo degli stati limite e a seguito della richiesta del CEN di “modernizzare” il calcolo di ogni parte degli apparecchi di sollevamento. Il comitato tecnico TC147/WG2 sta, quindi, elaborando ulteriori norme che tratteranno parti specifiche degli apparecchi di sollevamento: la norma sui cuscinetti e le ralle (prEN 13001-3-4), la norma sui cilindri idraulici (prEN 13001-3-6), la norma sugli alberi rotanti, “shaft” (prEN 13001-3-xxx), la norma sugli ingranaggi, “gear” (prEN 13001-3-xxx). Di queste norme esistono già progetti messi allo studio che attualmente vengono discusse all’interno del gruppo di lavoro TC147/WG2: è auspicabile il contributo di tecnici italiani esperti dei singoli prodotti per migliorarle e renderle sempre più aderenti alla realtà produttiva. L’insieme di queste norme, nello spazio di qualche tempo, andrà infatti a formare un “corpus normativo” che, richiamato nelle norme di prodotto di ciascuna tipologia di gru, sarà alla base dei progetti degli apparecchi di sollevamento negli anni a venire.

“Estratto dal Dossier UNI pubblicato su U&C n. 4 – Aprile 2017”.

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