Come funziona una gru a torre?

Le gru a torre (spesso abbreviate semplicemente con la parola gru) sono macchine di importanza fondamentale per lo svolgimento dei lavori all'interno di un cantiere edilizio. Vengono utilizzate per spostare, movimentare e/o sollevare oggetti pesanti in vari punti del cantiere e sono necessarie quando i lavori si svolgono su importanti estensioni plano-altimetriche. Una gru è costruita partendo da una serie di concetti fisici e utilizzando alcuni elementi fondamentali che ne garantiscono resistenza e stabilità durante le fasi di esercizio e di riposo.

Cos'è una gru a torre e com'è fatta

Sebbene con il termine gru si possano indicare differenti tipologie di organi meccanici con diverso funzionamento, in questo articolo ci concentreremo sul funzionamento delle gru a torre: strutture che si sviluppano prevalentemente in altezza, dotate di un braccio utilizzato per la movimentazione di oggetti o materiale. Questo braccio, che è un elemento a sviluppo orizzontale, ha facoltà di muoversi intorno al corpo della gru, consentendo spostamenti in pianta con angoli di 360°: in questo caso si parla di gru a rotazione. Per garantire sufficiente resistenza e stabilità delle parti, ogni gru è dotata, oltre che della propria struttura metallica di sostegno, di:

• Un sistema di contrappeso che bilancia il carico in quota;
• Un adeguato sistema di fondazione.

Il sistema di fondazione

Il sistema di fondazione di una gru è intimamente connesso con il meccanismo di funzionamento che si instaura. Partiamo dal fatto che strutture alte soggette a carichi eccentrici richiederebbero, in linea di principio, la realizzazione di fondazioni profonde (anche chiamati pali di fondazione) che siano in grado di garantire resistenza nei confronti dei meccanismi di ribaltamento. Realizzare un palo non è però sempre possibile e, in linea di principio, nella applicazioni specifiche risulterebbe antieconomico: il palo infatti, una volta realizzato, dovrebbe rimanere infisso nel terreno per sempre, senza alcuna funzione tecnica futura.

Per evitare i costi e le complicazioni delle fondazioni profonde, si ricorre a soluzioni più pratiche: grandi platee superficiali in calcestruzzo, spesso alte anche un metro, capaci di fornire il peso necessario alla stabilità contro il fenomeno di ribaltamento. Questo però non basta: alla piastra di fondazione si affianca una zavorra, ovvero un peso morto da posizionare al di sopra della platea. In questo modo, si amplificano notevolmente i carichi centrati alla base e, conseguentemente, si riducono le eccentricità prodotte dai carichi in quota.

Il contrappeso in quota

Nella parte alta, si nota subito che la gru ha due bracci asimmetrici e, in uno dei due (il più corto) si trova sempre posizionato un elemento "pesante" (solitamente lastre prefabbricate di calcestruzzo). Questo contrappeso riduce ulteriormente le eccentricità di carico ed inoltre bilancia i carichi che agiscono sul braccio, limitando le flessioni della gru. Tuttavia, in tutte quelle fasi in cui la gru non è in funzione (cioè non ha carico applicato), il contrappeso è antagonista e produce in parte un incremento delle stesse eccentricità che vorrebbe ridurre.

La struttura metallica

Tutta la struttura della gru è realizzata mediante tralicci metallici, solitamente formati da conci assemblati tra loro mediante giunzioni bullonate. Il traliccio rappresenta l'ossatura portante della gru ed è l'elemento a cui è imputato il compito di trasferire i carichi dal punto in quota fino alla fondazione. Per fare ciò, il sistema subisce internamente sforzi di trazione e compressione, che devono essere limitati ai massimi ammissibili secondo le resistenze degli acciai in gioco.

La fisica dietro la gru

Analizzati gli elementi di cui si compone una gru a torre, cerchiamo ora di capirne il suo funzionamento. Per stare letteralmente in piedi, una gru deve essere progettata in modo tale da far si che la risultante di tutti i carichi agenti ricada all'interno della base di appoggio della piastra di fondazione. Se questo non accade, allora la gru non può stare in equilibrio: si verificherebbe in questo caso un fenomeno di ribaltamento dal lato in cui questa è sbilanciata. Come si fa a far stare dentro questa risultante dei carichi? Con la zavorra!

Ogni peso che agisce è una forza rivolta verso il basso: la risultante di questo sistema di forze – cioè la somma di tutte le forze agenti – si troverà sempre in una posizione intermedia tra queste e si avvicinerà verso la forza con maggiore intensità. Per questo motivo, la zavorra è progettata di modo da essere un peso di gran lunga maggiore di tutti gli altri pesi che agiscono. Questo è possibile in quanto:

• La struttura tralicciata in acciaio è sufficientemente leggera;
• I carichi in gioco mobilitati dalla gru sono limitati e comunque minori rispetto ai pesi del corpo della gru.

Sulla parte alta, invece, il compito di bilanciare le forze in gioco viene dato principalmente al contrappeso. Questo equilibra il carico da movimentare mediante il principio fisico delle leve: in questo caso, il fulcro della leva è sul corpo della gru, mentre le due forze che agiscono sulla leva hanno diversa intensità e braccio (distanza dal fulcro). Quindi, è possibile calcolare quanto contrappeso serve a bilanciare il carico in movimento. Così facendo, però, si avrebbe una importante flessione della gru quando questa è scarica. Perciò, di solito la strategia di progetto del contrappeso è tale da avere una flessione del corpo della gru uguale in tutte le condizioni di funzionamento. Sarà poi la zavorra alla base a garantire equilibrio e resistenza a tutto il sistema.

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