Presión específica de la cuerda

La evaluación de un consultor

Una reciente revisión del diseño de tracción de ascensores centró mi atención en el diseño del sistema y la relación entre el cálculo basado en la fatiga EN 81-20 del factor de seguridad de la cuerda de suspensión y una consideración de la presión específica de la cuerda desarrollada originalmente hace casi 100 años por Hymans y Heilborn.

Esta es la segunda ocasión en la que me encuentro con la dudosa afirmación de que “como la norma EN 81 ya no prescribe una medida de la presión de la cuerda, no es necesario tenerla en cuenta”. En ambos casos, se superó la presión máxima admisible por un margen significativo. 

La expresión de este malentendido o falsedad surge a menudo para disfrazar un diseño de tracción deficiente y, por supuesto, una decisión de ignorar el supuesto subyacente de EN 81-20 0.4.3.a) de que:  

“Se han considerado los riesgos relevantes para cada componente que pueda incorporarse en una instalación completa de ascensor y se han elaborado normas en consecuencia:

Los componentes son:

a) diseñados de acuerdo con las prácticas de ingeniería habituales (véase FprCEN/TR 81-12) y los códigos de cálculo, teniendo en cuenta todos los modos de fallo;”

Si bien la presión de las cuerdas fue un principio fundamental subyacente al Código de Ascensores ASME A17, su prescripción en la Norma EN 1977-81 de 1, que reemplazó la confianza anterior en lo que a menudo eran factores de seguridad de cuerdas arbitrarios, estableció la presión de las cuerdas como una medida de seguridad en Europa, que continuó hasta 1999, con un requisito de que, en el caso de la cabina cargada con su carga nominal en el piso más bajo, en ningún caso la presión específica de las cuerdas debe exceder: 

Donde p es la presión específica en N/mm² y vc es la velocidad de la cuerda correspondiente a la velocidad del automóvil.

Las normas EN 1977-1985 de 81 y 1 también establecían que era responsabilidad del fabricante del ascensor, teniendo en cuenta las características individuales y las condiciones de uso del ascensor, considerar la elección de la presión del cable.

Según mi experiencia, los diseñadores responsables y competentes tienen en cuenta el cálculo basado en la fatiga según la norma EN 81-20 junto con la presión específica del cable para lograr un diseño seguro y resistente en términos de las características de un ascensor en particular. Esto implica la consideración de una serie de factores, entre ellos el entorno de instalación, los diámetros del cable y de la polea, los diámetros de la polea desviadora, las curvas y las curvas inversas, la construcción del cable, la cantidad de cables, el uso del ascensor, los factores de seguridad, el perfil de la ranura y la presión en la ranura. Todos estos factores se equilibran para producir un diseño de sistema seguro, eficiente y resistente. 

El supuesto 81 de la norma EN 20-0.4.12 se cita a veces como excusa o en defensa de un diseño de tracción cuestionable y establece lo siguiente:

“Con excepción de los elementos enumerados a continuación, a los que se les ha dado una consideración especial, un dispositivo mecánico construido de acuerdo con las buenas prácticas y los requisitos de la norma, incluido el deslizamiento incontrolado de los cables en la polea de tracción, no se deteriorará hasta el punto de crear un peligro sin posibilidad de detección, siempre que se hayan aplicado debidamente todas las instrucciones dadas por el fabricante:”

El propósito de la Suposición 0.4.12 es que los diseñadores se aseguren de que los componentes y las disposiciones de seguridad clave, incluida la ranura de la polea de tracción, que están sujetos a desgaste, estén diseñados de manera que su estado sea fácilmente evaluable y que se proporcionen instrucciones asociadas con dicha evaluación. No se trata, y nunca se trató, de proporcionar un resquicio legal para justificar un diseño de tracción imprudente o inepto.    

En este sentido, se plantea la cuestión de los principios éticos que subyacen al diseño de ingeniería en cuanto a la transferencia de los riesgos de diseño de los equipos, que es mejor minimizar y/o mitigar en la etapa de diseño, al mantenimiento futuro. Este enfoque no representa más que una reducción del coste de capital a expensas de un futuro usuario y/o encargado del mantenimiento que desconoce la situación y al que se transfiere la obligación y el coste de gestionar el riesgo, que debería haberse eliminado en el diseño. 

Las presiones excesivamente altas en los cables que surgen debido a reducciones en el diámetro de las poleas y los cables, que deberían haberse eliminado fácilmente en el diseño original del equipo, junto con los riesgos asociados (tanto en términos de seguridad como de costos), se transfieren del costo de capital al usuario final, quien, con mayor frecuencia, no es consciente de lo que ha ocurrido. En efecto, esto representa una transferencia del riesgo de diseño de un diseñador inescrupuloso y/o inepto a un cliente inconsciente.

Las incertidumbres relacionadas con la evaluación de la profundidad y la consistencia del endurecimiento de la superficie de las ranuras de las poleas de perfil en V son bien conocidas, ya que los diseños que implican una presión de cable indebidamente alta introducen riesgos de seguridad adicionales que deben eliminarse en la etapa de diseño y que posteriormente pueden resultar difíciles de gestionar.

Aunque se me ha sugerido que el método de Hymans y Heilborn puede estar obsoleto, yo diría que su continua longevidad (casi 100 años desde su creación) habla por sí sola. Y también observo que era necesario actualizar la definición de los diferentes perfiles de ranura, junto con los datos en los que se basa el cálculo basado en la fatiga según la norma EN 81-1: 1998, en la norma EN 81-20 para que el cálculo fuera más sólido y para corregir errores evidentes en la norma original de 1998. Sin embargo, para ser justos, recuerdo que las normas EN 81-1/2: 1998 se prepararon y publicaron con cierta prisa para que estuvieran disponibles para la implementación en 1999 de la Directiva de ascensores de 1995.  

El cálculo de fatiga introducido en EN 81-1: 1998 coincidió con la aparición del ascensor sin sala de máquinas (MRL) y, cuando se considera junto con otros factores relevantes, incluida la presión del cable, proporciona un enfoque razonable para el mayor número de poleas y ciclos de flexión inherentes a la mayoría de los diseños de MRL.  

Recuerdo que Otis Elevator Co. desarrolló el trabajo de Hymans y Heilborn y tradicionalmente aplicó no menos de cinco clases de servicio en relación con el diseño de tracción y la evaluación de la presión del cable, que incluían: 

• Servicio máximo: de 8 a 10 horas al día. Ascensores funcionando según lo previsto. Normalmente, oficinas y grandes almacenes.
• Servicio promedio de pasajeros: Uno o más ascensores en el edificio no funcionan según lo programado, pero responden a las llamadas según sea necesario.
• Servicio de pasajeros intermitente: similar al servicio de pasajeros promedio, pero donde los automóviles se detienen y el kilometraje es bajo y donde la carga nominal completa se transporta con poca frecuencia. Por lo general, ciertos hospitales o edificios de apartamentos.
• Servicio de carga promedio: similar al servicio de pasajeros promedio, pero con períodos de descanso más prolongados que corresponden a la manipulación promedio de carga. Por lo general, ciertos ascensores de hospital pueden entrar en esta categoría.
• Servicio de transporte de mercancías intermitente: largos períodos de descanso. Normalmente, en garajes, pequeños almacenes y edificios de distritos menos congestionados.

Los factores de ingeniería considerados en relación con el servicio fueron los que prevalecen hoy en día, incluyendo la carga, el diámetro y la velocidad del cable, el diámetro de la polea y el perfil de la ranura.

Se podría aplicar tolerablemente una presión de cable más alta en una aplicación que estuviera sujeta a un número reducido de arranques sin comprometer la seguridad del equipo o la vida útil de la polea de tracción y los cables de suspensión. De hecho, Otis produjo una serie de curvas relacionadas con su gama de máquinas, diámetros de polea, diferentes perfiles de ranura y su aplicación en diferentes tareas. El enfoque de Otis se refleja en el adoptado algo más tarde por el Profesor Janovsky en su adaptación del enfoque de Hymans y Heilborn, que relaciona el número de arranques de elevación con una presión de cable aceptable, aunque debe notarse que incluso para un cálculo tan bajo como 60 arranques por hora, el cálculo del Profesor Janovsky nunca invade el máximo tradicional de Hymans y Heilborn. 

Donde k es el coeficiente relativo al uso del ascensor expresado como número de viajes por hora (L de Janovsky):

Donde z es el número de viajes por hora (Janovsky L).

La presión del cable es parte integral del mecanismo de tracción en sí, y un nivel adecuado de presión del cable es fundamental para mantener el contacto necesario para accionar el elevador de manera segura (o evitar que se active en el caso de un contrapeso bloqueado) y, en este sentido, la propuesta de que la presión del cable puede ignorarse en el diseño de la tracción no tiene sentido.

Una deficiencia en el diseño de un sistema de ingeniería puede no manifestarse hasta que el equipo haya estado en uso durante un tiempo (después de que el diseñador haya dejado de trabajar). Esto puede servir, consciente o inconscientemente, en las mentes de quienes participaron en la deficiencia del diseño, para justificar un diseño deficiente. Sin embargo, la realidad subyacente, respaldada por la experiencia, es que dichas deficiencias incorporadas muestran una tendencia a surgir junto con otras deficiencias del sistema, a veces no relacionadas, en forma de fallas y accidentes y/o como consecuencias no deseadas o imprevistas de la decisión original. El concepto se ilustra en el modelo de queso suizo de James Reason sobre fallas de sistemas (Figura 1), en el que una serie de defensas (en nuestro caso, las disposiciones de nuestra práctica de ingeniería industrial, Normas y Orientaciones) se modelan como rebanadas de queso suizo, que operan simultáneamente para formar una serie de defensas contra fallas. El efecto de que un diseñador ignore, contravenga o tome atajos en elementos de una Norma, ya sean implícitos o explícitos, es equivalente a omitir una o más de las defensas de Reason en forma de rebanadas de queso suizo e introducir deficiencias a nivel del sistema que se manifiestan en fallas durante la vida útil del equipo (al alinear los orificios en las rebanadas de queso suizo). En nuestra industria, el efecto de introducir deficiencias o atajos en relación con la intención subyacente inherente a los requisitos de nuestras Normas y Reglamentos es reducir la resiliencia general del sistema y aumentar el nivel general de riesgo inherente a un diseño particular. 

Mi experiencia como experto en numerosos accidentes mortales me ha enseñado que rara vez, o nunca, una única causa de fallo es la causa, sino que son los efectos acumulativos de las deficiencias de diseño, a menudo agravadas por deficiencias en la aplicación del mantenimiento, las que provocan un accidente. Las deficiencias de diseño (contrarias a los requisitos de las normas EN 81 y/o las buenas prácticas de ingeniería) pueden haber parecido inocuas para el diseñador original, pero cuando se combinan con otros problemas en algún momento en el futuro, conducen a resultados catastróficos. Y el enfoque adoptado por una autoridad de cumplimiento, con la claridad que da la retrospectiva, se centra inevitablemente en el diseño deficiente original en un escenario en el que “de no ser por el defecto de diseño”, el accidente no habría ocurrido.   

Una segunda preocupación se relaciona con la comercialización de conjuntos de ascensores MRL que incorporan máquinas de ascensor de tamaño reducido y una relación de diámetro de polea a cable de suspensión (Dt/dr) inferior a la de 40:1 prescrita en la norma EN 81 20, que es la relación mínima prescrita en la mayoría de las jurisdicciones. Un ejemplo que encontré estaba justificado por medio de una aprobación de un organismo notificado, aunque el resultado fue una reducción del servicio de servicio del ascensor (número de viajes) y de la vida útil del cable de suspensión, de lo que el usuario final/comprador no se daría cuenta hasta que fuera demasiado tarde. Yo pensaba que la relación mínima de diámetro de polea a cable de 40:1 se consideraba sacrosanta en términos de diseño seguro y eficaz de ascensores. De hecho, estoy seguro de que los redactores originales de la Directiva de ascensores y las normas EN 81 asociadas nunca concibieron que esta disposición de seguridad de larga data en el futuro estaría sujeta a interpretación y elusión por parte de un organismo notificado, o por cualquier otra persona. El efecto de este enfoque mal concebido es socavar el propósito de la Directiva de ascensores de establecer un alto nivel de protección de la salud y la seguridad junto con un nivel de transparencia, como para garantizar el funcionamiento del mercado interior de la UE. En efecto, el enfoque reduce los niveles de seguridad y confianza del consumidor. Un enfoque conservador para el diseño de la seguridad es fundamental y, en mi experiencia de más de 50 años en la industria, es tal que soy partidario de la Ley de Murphy: "Si puede salir mal, saldrá mal". La responsabilidad recae sobre nosotros como diseñadores éticos y profesionales para diseñar sin peligros, riesgos y modos de fallo potenciales en the source, como por ejemplo producir productos seguros, eficientes y sostenibles, que sean adecuados para su propósito, y no intentar desplazar los riesgos que deberían mitigarse mediante un diseño eficaz transfiriéndolos a los usuarios finales y/o encargados del mantenimiento. 

Uno de estos diseños se instaló con una vida útil de la cuerda de suspensión medible en semanas y con fallas regulares en los cojinetes de la máquina. Ante la perspectiva de un litigio, el contratista corrigió la instalación. 

El diseñador responsable es consciente de la diferencia entre cumplimiento y calidad y de que nuestros estándares industriales representan los niveles mínimos de seguridad que se deben alcanzar. Con demasiada frecuencia, me encuentro con diseños que se dice que cumplen con las normas (lo que a menudo es cuestionable) pero que no pueden, bajo ningún concepto, considerarse diseños de calidad. Creo que esta situación ha surgido debido a la falta de conocimientos profundos y de experiencia en ingeniería por parte de los diseñadores que han entrado en la industria en los últimos 20 años aproximadamente, junto con un enfoque laxo por parte de unos pocos diseñadores que deberían saber más. ¡Cumplimiento no es calidad!