Informativa

10 Agosto 2017

Ancoraggio

In sintesi

L’ancoraggio è un sistema di fissaggio che prevede il trattenimento del carico a mezzo di elementi quali cinghie, conformi alla norma EN 12195-2, catene, conformi alla norma EN 12195-3, funi, conformi alla norma EN 12195-4.

In tutti i casi, il numero minimo di ancoraggi da utilizzare può essere calcolato secondo la norma EN 12195-1. La norma prevede di considerare il fissaggio contro il rischio di scivolamento ed il rischio di ribaltamento.

Le due tipologie di ancoraggio utilizzate, descritte di seguito, sono l’ancoraggio per attrito e l’ancoraggio diretto.

Ancoraggio per attrito

Questa tipologia di fissaggio sfrutta gli elementi di ancoraggio per aumentare la forza di attrito che si genera tra il carico e l’unità di trasporto, in modo da evitare scivolamento e ribaltamento.

Forza di attrito

Si consideri il semplice schema illustrato in figura:

Forza di attrito dovuta al peso proprio del carico

Forza di attrito Fa che si genera nel contatto tra pallet e pavimento dovuta al peso proprio del carico

L’attrito presente nel contatto tra il carico, ad esempio il pallet, ed il pavimento dell’unità di trasporto genera una forza di attrito statico Fa che vale al massimo:

Fa = μmg

dove:

μ: coefficiente di attrito, dipendente dalla tipologia dei materiali a contatto

m: massa del carico

g: accelerazione di gravità pari a 9,81 m/s2

La forza Fa si oppone al moto del corpo. Tuttavia da sola potrebbe non essere sufficiente per tenere il carico in posizione in caso di una manovra di emergenza, ad esempio una brusca frenata o lo scartamento di un ostacolo. E’ quindi necessario introdurre elementi esterni di fissaggio del carico, come ad esempio le cinghie.

Il ruolo degli elementi di ancoraggio

Il compito degli elementi di ancoraggio, ad esempio le cinghie, è quello di aumentare la forza di attrito rispetto al valore Fa = μmg dovuto al peso proprio del carico.

Si consideri lo schema seguente:

Azione della forza di attrito dovuta al peso proprio e all'azione della cinghia

Azione della forza di attrito dovuta al peso proprio e all’azione della cinghia

Grazie all’azione del dispositivo di tensionamento, la cinghia sviluppa una forza con una componente verticale verso il basso che contribuisce ad aumentare la forza di attrito. Secondo quanto previsto dalla norma EN 12195-1, come valore della forza di tensionamento della cinghia si deve utilizzare il valore STF, che è il carico di trazione normalizzato così come definito dalla norma EN 12195-2.

La componente verticale della forza STF, che spinge il carico contro il pavimento, è pari a 2STFsenα (il 2 è dovuto al fatto che si hanno due rami della cinghia che agiscono sul carico sviluppando una forza con componente verticale). La forza di attrito statico che si sviluppa è pari a:

Fc = 2STFμsenα

Pertanto, l’azione combinata del peso proprio e della cinghia produce una forza complessiva di fissaggio del carico Ft pari a:

Ft = Fa + Fc = μmg + 2STFμsenα

Il semplice modello fisico che ha condotto a questo risultato, è alla base delle formule riportate per l’ancoraggio per attrito nella norma EN 12195-1.

La forza d’inerzia che si sviluppa durante la marcia, in accelerazione, in frenata, in curva, parametrizzata con i coefficienti di accelerazione previsti dalla norma EN 12195-1, non deve superare il valore Ft. Se il valore della forza di inerzia che si sviluppa è superiore al valore Ft, il carico inizia a scivolare.

Nota: la formula completa relativa al caso di ancoraggio per attrito presente nella norma EN 12195-1 non viene qui riportata per motivi di copyright.

Modello per il calcolo dell’ancoraggio per attrito: alcune osservazioni

Riguardo al modello fisico proposto, è opportuno riportare alcune puntualizzazioni:

Tensione lungo i rami della cinghia

Il calcolo sopra è basato sull’ipotesi che la tensione lungo i 3 rami della cinghia sia costante e pari a STF. Nella realtà questo non è del tutto vero, in quanto nelle zone angolari di contatto tra cinghia e carico si sviluppano delle interazioni che riducono progressivamente la tensione della cinghia. In pratica, il ramo della cinghia più vicino al tensionatore è quello più teso, mentre via via che ci si allontana la tensione diminuisce. Questo fenomeno può essere attenuato utilizzando dispositivi di protezione degli angoli che, riducendo la forza di attrito nelle zone angolari, consentono di mantenere un livello di tensione più uniforme lungo i rami della cinghia. Tuttavia, per tener conto di questa perdita di tensione che, seppur attenuata non può essere del tutto eliminata, la norma EN 12195-1 introduce cautelativamente il fattore di sicurezza fS.

Angolo α della cinghia con il piano orizzontale

L’azione della cinghia è tanto maggiore quanto più l’angolo α è prossimo a 90°. Si raccomanda di non scendere a valori dell’angolo α inferiori a 75° per garantire una buona prestazione della cinghia. Se non è possibile rispettare tale parametro, è necessario ricorrere ad un metodo di fissaggio alternativo, ad esempio all’ancoraggio diretto.

E’ assolutamente da evitare il caso di angoli α negativi, come rappresentato in figura in caso di punti di ancoraggio posizionati più internamente rispetto al carico.

Perdita di tensione nella cinghia a causa dell'effetto di bordo

Perdita di tensione nella cinghia a causa dell’effetto di bordo

In tal caso, l’effetto di bordo riduce notevolvente la componente verticale della forza sviluppata dalla cinghia che spinge il carico contro il pianale.

Il ruolo del coefficiente di attrito

Si nota come nell’ancoraggio per attrito la cinghia non svolge un trattenimento diretto del carico, bensì contribuisce soltanto ad aumentare la spinta verso il basso aumentando la forza di attrito che si genera di conseguenza. A parità di altri parametri, la forza di fissaggio Ft sviluppata dipende direttamente dal coefficiente di attrito μ. Pertanto qualsiasi sistema per aumentare il coefficiente di attrito, ad esempio l’impiego di tappetini antiscivolamento, porta significativi benefici alla capacità di ancoraggio. In definitiva, sarà sufficiente un minor numero di cinghie per effettuare il fissaggio del carico.

Le prestazioni degli elementi di ancoraggio

A parità di altri parametri, il fissaggio è tanto più efficace quanto più è elevato il valore del carico di trazione normalizzato STF della cinghia secondo la norma EN 12195-2. Dunque utilizzare cinghie con valori più elevati di STF consente di ridurre il numero di ancoraggi utilizzato.

Rigidezza del carico da fissare

Il modello utilizzato prevede che il carico su cui agisce la cinghia sia perfettamente rigido. Nella realtà c’è un certo grado di deformazione, che potrebbe giocare a favore o a sfavore della forza di ancoraggio risultante. Poiché questo aspetto non viene utilizzato nel modello di calcolo, i risultati devono considerare un certo margine di sicurezza in senso cautelativo.

Azione dell’ancoraggio per attrito

Con questo tipo di ancoraggio l’azione della cinghia crea una forza di fissaggio che agisce in tutte le direzioni orizzontali, e in tutti i versi. Pertanto nello schema mostrato nella figura seguente si osserva come la cinghia svolga un’azione per il caso di frenata, di accelerazione, di percorrenza di curve.

Azione della cinghia per il trattenimento del carico

Nell’ancoraggio per attrito la cinghia offre un trattenimento del carico in frenata, in accelerazione, in curva

Questo è uno dei vantaggi principali dell’ancoraggio per attrito.

Limiti dell’ancoraggio per attrito

L’ancoraggio per attrito esercita una forza elevata sul carico, pertanto non è utilizzabile in caso di colli fragili o deformabili. La deformazione del carico potrebbe inoltre diminuire la tensione delle cinghie durante il trasporto, con conseguente perdita di efficacia del sistema di fissaggio.

Inoltre, effettuando i calcoli secondo la norma EN 12195-1 per casi specifici, si vede come all’aumentare della massa del carico aumenti considerevolmente il numero di ancoraggi richiesto per un corretto fissaggio. In questi casi è opportuno prendere in considerazione altri sistemi di fissaggio, come il bloccaggio o l’ancoraggio diretto di seguito descritto.

Ancoraggio diretto

L’ancoraggio diretto prevede il collegamento del carico con l’unità di trasporto a mezzo  cinghie, conformi alla norma EN 12195-2, catene, conformi alla norma EN 12195-3, funi, conformi alla norma EN 12195-4.

Azione delle cinghie nell'ancoraggio diretto

Esempio di ancoraggio diretto. La coppia di cinghie su ciascun lato è efficace in un’unica direzione e in un unico verso

Considerando la figura, si osserva come la coppia di cinghie su ciascun lato del carico, agisca in un’unica direzione e in un unico verso. Ad esempio, considerando la direzione di marcia, la coppia di cinghie che trattiene il carico in frenata non svolge alcuna azione nella fase di accelerazione, ed è pertanto necessaria una coppia di cinghie antagoniste. La stessa considerazione vale per la direzione trasversale, ovvero una coppia di cinghie trattiene il carico nelle curve a destra, mentre l’altra nelle curve a sinistra. Questo aspetto differisce rispetto all’ancoraggio per attrito, in cui il compito della cinghia è quello di premere il carico contro il pavimento, generando una forza di attrito orizzontale che agisce in tutte le direzioni e in tutti i versi.

Tipologie di ancoraggio diretto

Le immagini mostrano alcune soluzioni di ancoraggio diretto.

Esempi di ancoraggio diretto: inclinato e diagonale

Esempi di ancoraggio diretto: inclinato e diagonale

 

Esempio di ancoraggio diretto, ad anello e antirimbalzo

Esempio di ancoraggio diretto, ad anello e antirimbalzo

Esempio di ancoraggio diretto per il fissaggio del carico in frenata

La figura seguente mostra il caso di un carico trattenuto con ancoraggio diretto nel caso di frenata.

Le forze che intervengono, in senso orizzontale, sono costituite da:

Forze agenti sul carico in frenata in caso di ancoraggio diretto

Forze agenti sul carico in frenata in caso di ancoraggio diretto

Fi: è la forza d’inerzia, calcolata considerando il coefficiente di accelerazione previsto dalla norma EN 12195-1, che per il trasporto stradale nel caso della frenata vale cx = 0,8. Pertanto la forza di inerzia, che tende a far scivolare il carico in avanti, vale Fi = mgcx. Il sistema di fissaggio, unitamente all’azione della forza di attrito, deve equilibrare la forza Fi per evitare lo scivolamento del carico.

Fa: è la forza di attrito che si sviluppa grazie al peso proprio del corpo, e che vale Fa = mgμ.

FR: questa è la forza che sviluppa la cinghia sul carico quando questo tende a scivolare in avanti spinto dalla forza d’inerzia Fi. La direzione della forza coincide con quella della cinghia, tuttavia per calcolare correttamente l’azione di trattenimento del carico dobbiamo scomporre la forza FR nella sua componente orizzontale e in quella verticale:

Componenti della forza della cinghia F<sub>R</sub>

Componenti della forza della cinghia FR

Dunque la forza FR, che ha la stessa direzione della cinghia, presenta in realtà due componenti:

  • la componente verticale, pari a FRsenα, che spinge il carico verso il pavimento e contribuisce ad aumentare la forza di attrito. Si genera dunque una forza orizzontale pari a FRμsenα che si somma alla forza d’attrito Fa = μmg dovuta al peso proprio del carico;
  • la componente orizzontale, pari a FRcosα, che costituisce la componente di trattenimento diretta della cinghia.

Si osserva che, anche nel caso dell’ancoraggio, diretto la forza di attrito gioca comunque un certo ruolo.

Equilibrio delle forze nell’ancoraggio diretto

La figura seguente mostra le forze che agiscono in senso orizzontale sul carico nella fase di frenata.

Equilibrio delle forze in direzione orizzontale per il caso di frenata

Equilibrio delle forze in direzione orizzontale per il caso di frenata

Per evitare lo spostamento del carico occorre che sia verificata la seguente relazione:

FRμsenα + mgμ + FRcosα = mgcx

Da qui si può ricavare la forza FR richiesta dalla cinghia per garantire il corretto ancoraggio del carico.

Il semplice modello fisico che ha condotto a questo risultato, è alla base delle formule riportate per l’ancoraggio diretto nella norma EN 12195-1.

Nella formula riportata nella norma si ha un coefficiente 2 in quanto si considera che agiscano 2 cinghie, pertanto la loro azione è raddoppiata.

Nota: la formula completa relativa al caso di ancoraggio diretto presente nella norma EN 12195-1 non viene qui riportata per motivi di copyright.

Una volta ottenuto il valore FR, lo si deve confrontare con il valore della portata LC della cinghia, riportato nell’etichetta prevista dalla norma EN 12195-2.

Ovviamente perché l’ancoraggio sia verificato è necessario che il valore LC sia maggiore del valore FR calcolato.

Modello per il calcolo dell’ancoraggio diretto: alcune osservazioni

Sono necessarie alcune considerazioni riguardo al coefficiente di attrito, indicato nei passaggi sopra con il simbolo μ. Al contrario di quello che avviene nel caso dell’ancoraggio per attrito, dove si considera il coefficiente di attrito statico, nel caso dell’ancoraggio diretto si deve considerare il coefficiente di attrito dinamico.

Infatti le cinghie, nel caso dell’ancoraggio diretto, svolgono la propria azione quando il carico inizia a muoversi, dunque quando viene superato il cosiddetto attrito di primo distacco.

In generale il coefficiente di attrito dinamico è inferiore rispetto al coefficiente di attrito statico. Tuttavia nell’edizione 2010 della norma EN 12195-1 è previsto in tutti i casi l’utilizzo del coefficiente di attrito statico, e per il calcolo dell’ancoraggio diretto è prescritto il fattore correttivo fμ = 0.75, in modo considerare il minor valore del coefficiente di attrito dinamico.