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La capacità portante di puntelli metallici
in accordo alla norma UNI-EN 1065N



N.Panzeri, C.Poggi

Dipartimento di Ingegneria Strutturale Politecnico di Milano

Sunto dell'articolo "Analisi numeriche e sperimentali per la determinazione della capacità portante di puntelli metallici in accordo alla norma UNI-EN 1065"
pubblicato su Costruzioni Metalliche, No.5, 2002, pp. 29-39.

1. I sistemi di puntellazione

La sicurezza sul lavoro nei cantieri è un gravoso problema. Nell'Unione Europea il settore edile è tuttora quello a maggior rischio di infortuni. Gli aspetti da affrontare sono molteplici e tra i principali è da considerare sicuramente la realizzazione delle opere provvisionali. Tra queste meritano particolare attenzione i sistemi di puntellazione. La progettazione di questi sistemi è spesso grossolana, se non del tutto assente, e la realizzazione dell'opera provvisionale risulta a volte approssimativa. Si sono verificati numerosi casi di puntelli realizzati con materiali di scarsa o non provata qualità per contenerne il prezzo. Inoltre spesso non esiste alcuna indicazione riguardo la portata del puntello e la vita utile del prodotto in relazione alle condizioni di utilizzo. I puntelli fino ad oggi in commercio non sono classificati ed è quindi spesso impossibile identificarne il produttore o le caratteristiche meccaniche.
La norma UNI EN1065 risponde a questa esigenza, imponendo una classificazione dei puntelli in relazione alla loro portata e ponendo precise prescrizioni geometriche e meccaniche alle varie parti che compongono l'elemento. La stessa norma [1] introduce una serie di prescrizioni atte a certificare la qualità dei puntelli telescopici regolabili in acciaio con filettatura coperta o scoperta e destinati all'uso in cantiere. A tale scopo vengono specificati materiali, requisiti di progetto, alternative di protezione contro la corrosione e metodi di verifica usando sia calcoli che prove sperimentali. Vengono definite cinque classi di resistenza caratteristica, ciascuna comprendente una serie di sottoclassi sulla base della massima  estensione  del puntello.

1.1 Classificazione dei puntelli

La normativa fissa i criteri per la classificazione dei puntelli in base alla categoria del puntello (A,B,C,D,E) ed  alla massima lunghezza di estensione. In Tab. 1 sono riportate le caratteristiche delle classi estreme per ogni categoria.
La portata nominale caratteristica del puntello (Ry,k con y = A,...E) è definita per ogni classe in funzione della lunghezza del puntello. Essa è determinabile da opportune espressioni riportate in [1]. I valori della resistenza caratteristica nominale corrispondente alla massima estensione sono riportati in  Tab. 1 mentre la loro variazione in funzione della lunghezza di estensione è diagrammata in Fig.1.

Tab. 1: resistenza caratteristica nominale per alcune classi di puntelli e loro lunghezza massima.

Si noti che per i puntelli appartenenti alle categorie A, B e C, la capacità portante nominale può essere aumentata per configurazioni aventi lunghezza inferiore a quella di massima estensione, mentre per le classi D ed E non è prevista questa possibilità. La portata massima delle classi A, B e C è comunque limitata superiormente dai valori 44.0 kN, 51.0 kN e 59.5 kN.

1.2 La resistenza del puntello e delle sue parti

La norma EN1065 prevede che siano verificate sia la resistenza caratteristica globale del puntello che la resistenza dei dispositivi di regolazione quali la resistenza a taglio delle spine e dei supporti. Nel seguito verrà esaminato il problema della sola resistenza del puntello. 
La resistenza caratteristica reale di un puntello, Ry,act, può essere verificata, a discrezione del produttore, o mediante calcolo o mediante prove sperimentali. Non è specificatamente esclusa la possibilità di fare riferimento ad entrambe le metodologie come dimostrato nell'esempio applicativo e suggerito dagli autori nell'articolo originale pubblicato sulla rivista Costruzioni Metalliche [1].

Determinazione della resistenza caratteristica del puntello mediante prove sperimentali

La procedura di classificazione del puntello in termini di resistenza richiede due attività sperimentali parallele (Fig. 2). La prima per la determinazione della resistenza a compressione del puntello la seconda per la verifica delle caratteristiche meccaniche del materiale. In una fase successiva è possibile ridurre i risultati ottenuti mediante opportuni coefficienti e ricavare la resistenza caratteristica reale su basi statistiche. Il successivo confronto con i valori nominali delle varie classi di puntelli ne permetterà la classificazione.
La resistenza a compressione dei puntelli viene determinata mediante l'esecuzione di prove sperimentali adeguatamente preparate in modo da riprodurre alcune condizioni di lavoro ritenute ricorrenti e particolarmente penalizzanti: eccentricità di carico e appoggio imperfetto (Fig.3, 4). La successiva rielaborazione statistica dei risultati ottenuti permette di ottenere il valore caratteristico della resistenza (Ru,5) calcolato come il frattile 5% con livello di confidenza 75% assumendo, in alternativa, o una distribuzione statistica logaritmica, o una normale. Per le classi D ed E è sufficiente effettuare 8 prove a compressione su altrettanti puntelli mentre per le classi  A, B e C è necessario effettuare anche 8 prove per la configurazione completamente chiusa ed  8 prove con il puntello regolato per una lunghezza intermedia considerata come la più sfavorevole. Tale lunghezza deve essere individuata mediante 7 prove preliminari da effettuarsi a diverse lunghezze (in totale 31 prove di compressione).
- Le caratteristiche meccaniche dei tubi utilizzati per la costruzione dei puntelli devono essere determinate in conformità alle prove EN10002-1: sono richieste la tensione di snervamento fy, la tensione di rottura fu ed il relativo allungamento eu. Le prove devono esser effettuate su almeno 6 spezzoni di materiale prelevato da altrettanti puntelli. Se la varianza dei risultati ottenuti è inferiore al 10% si assume come valore reale per il calcolo la media dei risultati della tensione di snervamento. In caso contrario la procedura per la determinazione del coefficiente di riduzione y dovrà essere ripetuta per ogni singolo puntello.
Le resistenze ultime a compressione ottenute dalle prove sperimentali devono essere opportunamente ridotte e trattate statisticamente al fine di ottenere la resistenza caratteristica del puntello. La procedura si basa sulla definizione di un  coefficiente di riduzione da applicarsi ai risultati sperimentali ottenuti:

                                                                            (1)  

                                                                        
Il coefficiente di riduzione y è maggiore per i puntelli meno snelli e per quelli il cui materiale ha evidenziato una resistenza caratteristica reale sensibilmente superiore a quella nominale. E' a questo punto possibile determinare la resistenza caratteristica del puntello Ru,5 mediante gli opportuni metodi statistici.

Determinazione della resistenza caratteristica del puntello mediante analisi numerica

In alternativa all'approccio sperimentale, la determinazione della resistenza caratteristica dei puntelli può essere definita mediante un approccio numerico. La norma fornisce le caratteristiche principali del modello numerico che deve includere gli effetti del secondo ordine in quanto il puntello, oltre ad essere compresso, presenta delle imperfezioni iniziali non trascurabili.
Lo schema statico da utilizzare prevede un'eccentricità di carico di 10 mm (uguale a quella introdotta nelle prove sperimentali) ed un'imperfezione iniziale di forma sinusoidale avente ampiezza massima pari ad 1/500 della lunghezza estesa considerata. Deve essere anche considerato il gioco fra i tubi che è responsabile della configurazione iniziale non rettilinea. Il vincolo fornito dalla base di appoggio è schematizzato mediante una molla rotazionale con comportamento non lineare. La modellazione del comportamento della base d'appoggio risulta essere l'aspetto più complesso dell'approccio analitico.

2 UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE DELLA NORMA

La valutazione della resistenza caratteristica dei puntelli mediante l'approccio sperimentale richiede un numero molto elevato di prove con costi non trascurabili. Per contro l'utilizzo del solo approccio numerico può generare risultati non affidabili se non validati da riscontri sperimentali. Per questo motivo gli autori hanno preferito una soluzione mista basata sull'integrazione ed il confronto di prove sperimentali con risultati numerici in quanto la norma non esclude esplicitamente questa possibilità.
Presso il Laboratorio Prove Materiali del Politecnico di Milano sono state predisposte le attrezzature per le prove meccaniche ed è stato implementato un codice di calcolo idoneo ad elaborare i modelli proposti dalla norma [2]. Per verificare l'applicabilità della procedura proposta, è stata presa in considerazione una serie di puntelli reperibili sul mercato ed è stata effettuata la loro classificazione.
Sono stati esaminati 12 puntelli della stessa tipologia, ma con due differenti estensioni massime. I puntelli presentavano una geometria tradizionale ovvero erano costituiti da due tubi coassiali e dotati di basette terminali di dimensioni 12x12 cm. Di tutti i puntelli a disposizione, sei erano caratterizzati da una lunghezza di massima estensione di 3.00 m, mentre i rimanenti potevano raggiungere una lunghezza di 3.60 m.
Le caratteristiche meccaniche del materiale dei tubi sono state determinate mediante l'esecuzione di 12 prove sperimentali di trazione su altrettanti provini estratti da 6 puntelli (6 provini estratti dai tubi interni e 6 dai tubi esterni). Le resistenze di snervamento e rottura sono risultati sensibilmente differenti tra i tubi interni ed esterni. Questo aspetto non è particolarmente sorprendente e può essere imputato sia all'uso di differenti materiali che alle deformazioni indotte durante il processo di lavorazione.

2.1 Risultati delle prove sperimentali di compressione e rielaborazione statistica

Le prove di compressione sono state eseguite presso il Laboratorio Prove Materiali del Politecnico di Milano utilizzando una macchina appositamente attrezzata con capacità massima di 300 kN. La prova è stata effettuata misurando lo spostamento laterale in mezzeria mediante un trasduttore a filo ed applicando il carico di compressione ad una velocità tale per cui il carico massimo non venisse raggiunto in meno di cinque minuti. Un tipico andamento carico-spostamento relativo ad un puntello di lunghezza alla massima estensione Lmax = 3.00 m,  è riportato in [2] Durante le prove si è riscontrato uno spostamento trasversale considerevole in corrispondenza della mezzeria dei puntelli dovuto agli effetti indotti dalla eccentricità di carico ed alla inclinazione della basetta di estremità. Durante le prove sperimentali non sono stati riscontrati fenomeni di localizzazione delle deformazioni e gli spostamenti trasversali del puntello dovuti agli effetti instabilizzanti delle imperfezioni hanno coinvolto tutta la lunghezza dell'elemento.
Al fine di ottenere la resistenza caratteristica i risultati sperimentali sono stati ridotti applicando la procedura descritta dalla normativa I valori ridotti delle resistenze sperimentali R'u devono essere poi elaborati in forma statistica per stabilire i valori corrispondenti ad un frattile del 5% con un livello di confidenza del 75%. I risultati della valutazione statistica sono riportati in Tab. 2.


Tab. 2: risultato valutazione statistica

Dalle prove sperimentali si è osservata una notevole dispersione dei risultati per quanto riguarda le resistenze reali dei puntelli corti: ciò ha influenzato notevolmente il valore di resistenza caratteristica da usare per la classificazione. Risulta evidente l'importanza di un adeguato controllo di qualità di tali prodotti sia per i materiali che per il processo produttivo.

2.2 Risultati delle analisi numeriche

Le analisi numeriche sono state eseguite utilizzando un codice di calcolo ad elementi finiti in grado di considerare sia le non linearità di tipo geometrico che le non linearità di tipo meccanico. L'elemento strutturale è stato modellato mediante elementi di trave a 2 nodi. Si è assunto un legame costitutivo del materiale elastico - perfettamente plastico con fy = 275 MPa e modulo elastico E = 210 GPa.
Particolarmente complessa dal punto di vista numerico può risultare la modellazione della molla di base come previsto dalla normativa.  Il problema è stato risolto mediante un modello appositamente inserito nel programma di calcolo. I carichi massimi ottenuti attraverso le analisi numeriche sono riportati in Tab. 3. Il carico di collasso (da considerare per il calcolo della resistenza caratteristica) è stato assunto pari al massimo carico raggiunto durante l'analisi numerica.


Tab. 3: carichi massimi ottenuti dalle analisi numeriche

2.3 Classificazione dei puntelli - confronti e commenti

Dall'esame dei risultati ottenuti mediante le analisi numeriche e le resistenze a compressione fornite dalle prove sperimentali si può concludere che:
-  i valori singoli ottenuti sperimentalmente sono, nella quasi totalità dei casi,
   maggiori di quelli ottenuti numericamente;
-  i valori caratteristici ottenuti dalle prove sperimentali sono inferiori ai
   corrispondenti valori numerici (Tab.5);
-  il maggior divario delle resistenze caratteristiche ottenute con i due approcci è
   relativo ai puntelli corti ed è dovuto essenzialmente alla maggior dispersione dei
   dati sperimentali.


Tab. 5: confronti fra i valori caratteristici ottenuti per via sperimentale e numerica

La classificazione dei puntelli risulta essere la seguente :
-  il puntello lungo rientra nella classe A35 sia considerando i risultati numerici che
   quelli sperimentali
-  il puntello corto rientra nella classe A30 se si considerano i risultati sperimentali.
   L'appartenenza alla classe B30, ottenibile considerando i risultati numerici, non è
   possibile  a causa delle dimensioni dei tubi  che presentano uno spessore inferiore
   rispetto a quello richiesto dalla normativa (2.6 mm).

Essendo i puntelli di classe A occorrerebbe verificare sperimentalmente la resistenza dei puntelli anche alla estensione minore e nella configurazione intermedia più sfavorevole mediante un procedimento del tutto analogo a quello appena illustrato.

3 BIBLIOGRAFIA

[1] Norma UNIEN 1065: Puntelli telescopici regolabili - Specifiche di prodotto, progetto e verifica attraverso calcoli e prove.
[2]  N.Panzeri, C.Poggi "Analisi numeriche e sperimentali per la determinazione determinazione della capacità portante di puntelli metallici in accordo alla norma UNI-EN 1065" Costruzioni Metalliche , No.5, 2002, pp. 29-39


Fig. 1: resistenza caratteristica nominale delle varie sottoclassi dei puntelli in funzione della loro estensione. (I punti indicano la minima capacità portante per ogni classe in corrispondenza della lunghezza massima come deducibile anche dalla Tab. 1)


Fig. 2: procedura per la classificazione di un puntello sulla base di prove sperimentali. 
          

Fig. 3: descrizione dell'apparato di prova per le prove sperimentali. Figura tratta da [1]

Fig. 4 - Attrezzatura sperimentale per la prova dei puntelli




 
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