Connessioni regolabili agli alberi dell'ascensore in calcestruzzo

Halfen GmbH, Germania

ABSTRACT

Il posizionamento accurato dei componenti dell'ascensore all'interno del vano può essere fondamentale per la qualità e la sicurezza della guida. La regolazione offerta dalle connessioni del canale di ancoraggio a getto e regolabili può consentire il posizionamento accurato di binari di guida per ascensori, travi divisorie e porte per ascensori su strutture in calcestruzzo. Nella scelta del prodotto appropriato, il progettista potrebbe dover rivedere le capacità di carico statico, dinamico e sismico richieste dalle connessioni, oltre ai problemi di installazione.

1. introduzione

Non c'è dubbio che gran parte dell'attenzione delle notizie nel settore degli ascensori ruota meritatamente sui progressi high-tech nelle apparecchiature, nei sistemi di controllo e nei metodi di valutazione e progettazione per massimizzare l'efficienza delle prestazioni. Gli sviluppi in queste aree hanno rivoluzionato le prestazioni dell'industria del trasporto verticale, per soddisfare i severi requisiti di progettazione delle strutture a più piani, il consumo energetico e l'esperienza ottimale dei passeggeri.

Uno degli argomenti di ingegneria meno discussi pubblicamente è il metodo utilizzato per l'ancoraggio di componenti essenziali dell'attrezzatura nel vano ascensore. Questo è un argomento più banale che deve essere affrontato per ogni installazione di ascensore. Banale può essere, ma è estremamente importante se si considera la sicurezza dell'installatore e dei passeggeri; qualità di guida; aspettativa di vita della connessione; e l'affidabilità a lungo termine del sistema di trasporto verticale. Nel valutare le opzioni di ancoraggio, il progettista del sistema ha fondamentalmente la scelta di tre metodi principali di connessione ai vani degli ascensori in calcestruzzo: connessioni saldate a piastre incassate; bulloni forati; e connessioni bullonate ai canali regolabili gettati. È quest'ultimo metodo che è l'argomento principale di questo articolo.

2. Storia e concetto del prodotto

L'uso di canaline gettate per i collegamenti nel vano ascensore è iniziato decenni fa e si è diffuso a livello globale come uno dei metodi preferiti di ancoraggio alle nuove strutture in calcestruzzo. Halfen, leader di mercato nei sistemi di canali laminati a caldo ea freddo, ha iniziato la propria attività nel 1929 in Germania e nel tempo ha gradualmente ampliato il proprio mercato alla maggior parte del mondo. I sistemi di canali laminati a caldo e a freddo prodotti dall'azienda sono stati sviluppati in un'ampia varietà di dimensioni del profilo per soddisfare i requisiti di carico da leggero a pesante. Nel frattempo, in Nord America, i profili dei montanti per impieghi più leggeri originariamente sviluppati come sistemi di intelaiatura metallica laminati a freddo alla fine degli anni '1920 venivano adattati anche per creare incorporamenti fusi. I sistemi di puntoni laminati a freddo sono ora ampiamente prodotti da molti produttori in tutto il mondo in gran parte basati su una larghezza del profilo di 1-5/8” (41 mm) secondo standard di qualità variabili. I canali in stile puntone vengono in genere convertiti per l'uso nel calcestruzzo perforando la parte posteriore del canale e piegando il materiale per formare un'ancora a forma di "L".

Il metodo di base per utilizzare un sistema di connessione del canale di ancoraggio al calcestruzzo è relativamente semplice. Prima di gettare il calcestruzzo, i canali con ancoraggi sono inchiodati alla cassaforma in legno che viene utilizzata per formare la struttura in calcestruzzo. I canali sono stati riempiti in fabbrica con riempitivo rimovibile per evitare che il calcestruzzo entri nei canali durante il processo di getto. I canali vengono posizionati sulla cassaforma nella zona in cui sono richiesti i collegamenti e il calcestruzzo viene gettato.

Dopo che il calcestruzzo si è indurito, la cassaforma viene rimossa lasciando l'apertura al canale esposta sulla superficie del calcestruzzo. Il canale è ora pronto per ricevere le connessioni necessarie per ancorare i componenti alla superficie del calcestruzzo. Lo stile Halfen dei canali gettati in opera è normalmente ancorato all'utilizzo di bulloni con testa a T, che vengono inseriti frontalmente nel canale dopo aver rimosso il riempitivo. I bulloni a T sono ruotati di novanta gradi per bloccarsi in posizione e sono contrassegnati con una linea di orientamento della testa sul gambo del bullone per dare un semplice controllo visivo della corretta installazione. I sistemi a puntone tendono a utilizzare dadi di canale che sono più difficili da controllare visivamente per l'orientamento e l'impegno della filettatura con i bulloni di montaggio perché di solito sono nascosti dietro le staffe di connessione.

3. Applicazione del prodotto all'interno del vano ascensore

Gli usi principali delle connessioni dei canali gettati nel vano ascensore sono per le connessioni relative ai binari di guida e alle apparecchiature delle porte. Nella maggior parte delle applicazioni, la regolazione fornita dal canale integrato è completata dall'utilizzo di staffe scanalate per fornire un'ulteriore regolazione del posizionamento su altri piani. Di conseguenza, questa combinazione di canali incorporati e staffe scanalate offre all'installatore e al progettista un metodo semplice e sicuro per garantire il posizionamento accurato della cabina dell'ascensore e delle guide del contrappeso all'interno del vano. La precisione fornita offre l'opportunità di massimizzare la qualità di marcia e ridurre al minimo il carico eccentrico sui componenti della rotaia di guida.

Allo stesso modo, l'ingranaggio della porta è regolarmente collegato a canali incassati per posizionare con precisione i punti di ancoraggio in testa e sulla soglia. I componenti strutturali in acciaio come travi divisorie e servizi sono fissati con precisione nel vano ascensore utilizzando questo metodo.

L'accessibilità a lungo termine del canale una volta gettato nella parete del pozzo consente la rapida sostituzione dei componenti usurati e un facile aggiornamento dell'apparato per aggiornare l'installazione. I bulloni a T utilizzati per le connessioni vengono semplicemente rimossi per la sostituzione o ricollocati in nuove posizioni nei canali gettati. È disponibile un'ampia selezione di diametri, lunghezze, gradi di acciaio e finiture dei bulloni a T per adattarsi a ciascun tipo di profilo del canale, in modo che condizioni di connessione multiple o modifiche successive alla distanza di connessione o ai requisiti meccanici possano essere normalmente facilmente soddisfatte.

Rispetto ad altri metodi di ancoraggio, il concetto di canale gettato in opera può fornire una serie di vantaggi in termini di sicurezza e affidabilità nel vano ascensore rispetto ad altri metodi di connessione che potrebbero essere presi in considerazione. In primo luogo non è necessaria alcuna perforazione del calcestruzzo per installare i collegamenti, il che significa rumore minimo, assenza di polvere di silice e strumenti elettrici vibranti per l'installatore. Limitare l'esposizione dei lavoratori a rumore eccessivo, polvere di silice e vibrazioni mano-braccio sta giustamente attirando l'attenzione di vari enti e progettisti di salute e sicurezza in tutto il mondo, a causa dell'evidenza di possibili gravi problemi di salute associati all'esposizione a lungo termine. All'interno dello spazio ristretto di un vano ascensore i pericoli di rumore e polvere per l'installatore possono essere ulteriormente amplificati. L'uso di canali gettati può anche sostituire il processo di saldatura su piastre di acciaio annegate nel calcestruzzo e quindi ridurre i rischi di incendio, ustioni/elettrocuzione e fumi pericolosi all'interno del vano ascensore.

I canali integrati vengono installati con strumenti semplici e sono intrinsecamente affidabili perché sono di concezione semplice e facili da controllare visivamente per i supervisori. Ovviamente possono essere fuori posto, ma normalmente, se utilizzati in lunghezze sufficientemente lunghe per adattarsi alle tolleranze di installazione, sono un metodo di installazione molto affidabile. Il loro utilizzo può evitare preoccupazioni per danni da trapano alla struttura, o la competenza degli installatori a praticare la profondità e il diametro corretti dei fori per i bulloni, o effettuare saldature su piastre incorporate di qualità sufficiente per un'affidabilità a lungo termine. Il processo di supervisione è quindi molto più semplice.

4. Considerazioni sulla progettazione

4.1 Panoramica

I canali gettati in stile Halfen sono disponibili in profili laminati a freddo ea caldo ed entrambi questi stili possono fornire eccellenti capacità di carico di trazione e taglio per l'ancoraggio al calcestruzzo. Il primo compito nella selezione del prodotto è selezionare il tipo di canale appropriato in base ai carichi di trazione e taglio convenzionali da supportare. I cataloghi tecnici e il software sono disponibili presso il produttore per farlo. Il secondo compito è determinare se le connessioni saranno soggette a qualsiasi carico speciale come il carico ciclico dinamico, il carico sismico o il carico da impatto.

4.2 Carico dinamico

All'interno del vano ascensore il movimento ciclico degli ascensori sulle loro guide e le azioni dell'ingranaggio della porta fanno sì che la maggior parte delle connessioni associate a questi componenti siano soggette a carico dinamico. Sebbene alcuni installatori utilizzino canali laminati a freddo nel vano ascensore, in generale i canali laminati a caldo sono considerati più applicabili per questi tipi di carichi. I canali laminati a caldo in genere hanno meno sollecitazioni all'interno del profilo e hanno prestazioni testate più complete in condizioni dinamiche, che sono anche migliorate da una lunga storia di utilizzo sul campo. Il grafico sottostante (figura 9.) mostra l'ampiezza dinamica ammissibile dei carichi per un numero di profili laminati a caldo a 2 x 10⁶ cicli. Il grafico mostra anche le curve complete dell'ampiezza del carico ammissibile per < 2 x 10⁶ cicli per due profili laminati a caldo comunemente utilizzati per i collegamenti delle guide degli ascensori. Questi valori di carico si basano su prove empiriche perché in passato è stato molto difficile creare un modello di calcolo in grado di prevedere con precisione le prestazioni a fatica in situazioni di carico dinamico. Un modello che fornisce ragionevoli predittori di prestazioni > 2 x 10⁶ i cicli sui canali laminati a caldo sono ora disponibili. Le prestazioni dinamiche della connessione sono ovviamente importanti per determinare problemi di manutenzione e sicurezza durante la vita di un'installazione, che vedrà milioni di viaggi di passeggeri.

4.3 Carico longitudinale

Un vantaggio dei canali laminati a caldo è il loro design del labbro più spesso (vedere la figura 8), che consente di applicare valori di coppia elevati ai bulloni a T senza schiacciare i bordi del canale. Coppie più elevate possono consentire di supportare carichi longitudinali più elevati nella direzione del canale. Questo può essere importante per installazioni su binari di guida che possono richiedere il supporto di carichi laterali più elevati. Per questo scopo sono disponibili bulloni a T ad alta resistenza e in aggiunta è possibile selezionare bulloni a T con punte per mordere fisicamente il bordo del canale, quando viene applicata una coppia elevata. L'azione mordente del pennino fornisce resistenza meccanica ai carichi longitudinali applicati al canale.

Sono inoltre disponibili canali laminati a caldo con labbri dentellati e bulloni a T dentellati abbinati. Questi consentono carichi longitudinali più significativi fino alla capacità di trazione e taglio trasversale del canale da supportare. Il loro carico dinamico è simile o leggermente migliore rispetto alla gamma standard di canali laminati a caldo. L'interazione meccanica tra i denti del bullone e il labbro del canale consente di sopportare carichi laterali molto elevati sulla rotaia (sono possibili resistenze di progetto di oltre 30 kN [6,750 lbs.] per connessione con bullone a T). Questa caratteristica rende il canale seghettato adatto anche per connessioni in cui sono richiesti tolleranza verticale e un carico verticale significativo, perché questo può essere ottenuto orientando la lunghezza del canale seghettato sul piano verticale anziché sull'orizzontale. Le connessioni secondarie in acciaio possono essere un esempio di questo tipo di esigenza di connessione.

4.4 Carico sismico e ad alto impatto

Sono stati recentemente completati test speciali che simulano gli effetti di esplosioni o terremoti interni ed esterni sulle prestazioni di connessione dei canali laminati a caldo durante il getto in strutture in calcestruzzo ad alta sicurezza. Il test è stato orientato ai requisiti di connessione dell'industria nucleare, ma i dati ottenuti trovano applicazione anche al di fuori di questo settore quando il progettista deve considerare considerazioni di carico estremo. Le prove sono state eseguite su calcestruzzo con fessure che sono state oscillate in larghezze da 1.0 mm a 1.5 mm su 10 cicli a 0.2 Hz mentre il canale veniva costantemente caricato. Dopo il ciclo del carico, al canale è stato applicato un carico progressivamente aumentato con le larghezze delle fessure mantenute a 1.5 mm fino al raggiungimento dei carichi ultimi. La gamma HZA-PS di canali laminati a caldo dentati, che è stata sviluppata da questo test, è costituita da profili di canale con labbra seghettate combinati con speciali ancoranti ad alte prestazioni per far fronte al calcestruzzo ampiamente fessurato che risulta da un evento estremo. Questa gamma può fornire resistenze di progetto di oltre 30 kN [6,750 libbre] per bullone a T in qualsiasi direzione.

4.5 Connessioni a solette per solai in metallo sottile e strutture in acciaio

Nelle strutture in acciaio il progettista può trovarsi di fronte a situazioni in cui l'ingranaggio della porta e le rotaie di guida dovranno essere ancorati al bordo di solette relativamente sottili piuttosto che a pareti continue del pozzo in cemento. I canali laminati a caldo convenzionali funzionano molto bene in calcestruzzo sottile ottenendo buoni carichi con piccole distanze dal bordo del calcestruzzo e possono essere forniti pre-collegati al bordo metallico permanente della lastra. La posizione della lamiera profilata nella soletta può causare una riduzione del calcestruzzo disponibile per distribuire i carichi applicati al canale. In situazioni in cui la capacità di carico è stata ridotta eccessivamente, o quando sono richiesti carichi particolarmente elevati dal collegamento della soletta, si modificano i normali ancoranti per canale o si aggiungono armature aggiuntive al calcestruzzo disponibile attorno all'ancoraggio. In alcune occasioni i profili dei canali laminati a caldo vengono saldati all'acciaio strutturale invece di essere gettati nel calcestruzzo. Questo metodo di connessione è normalmente un'opzione per gli impianti di ristrutturazione; o se il calcestruzzo non viene utilizzato nelle vicinanze del vano ascensore; o dove il programma di costruzione preclude l'uso di canali gettati nel calcestruzzo.

5. Esempio di progetto

Il Tower 1 World Trade Center di New York City sarà un edificio iconico con una storia emozionante. Attualmente è in costruzione ed è una delle nuove strutture situate sul sito del precedente World Trade Center, distrutto dai terroristi negli attacchi dell'9 settembre 11. Una volta completato l'edificio sarà di 2001 piani e con la sua guglia sarà è alto 104 piedi, un riferimento simbolico all'anno in cui gli Stati Uniti ottennero l'indipendenza. Diventerà l'edificio più alto degli Stati Uniti e la struttura sarà servita da 1776 ascensori forniti da ThyssenKrupp Elevator Americas. Cinque di questi ascensori funzionano ad altissima velocità a 71 metri al secondo (9 piedi/minuto).

Nel 2005 sono iniziate le discussioni con l'architetto SOM, l'ingegnere strutturale WSP Cantor Seinuk e l'Autorità Portuale di New York New Jersey, in merito alla progettazione dei collegamenti all'interno del vano ascensore. Anche ThyssenKrupp Elevator Americas è stata coinvolta nella discussione sulla progettazione in una fase successiva. Oltre al requisito di un'installazione accurata per le rotaie di guida per garantire la qualità del viaggio dei passeggeri, un'importante considerazione progettuale è la preferenza per evitare di perforare la struttura. Ciò era dovuto alla resistenza estremamente elevata del calcestruzzo utilizzato e all'elevata concentrazione di armature in acciaio situate nella struttura. C'era la preoccupazione che la perforazione di cemento così duro sarebbe stata molto difficile e c'era il rischio che il processo di perforazione potesse danneggiare l'armatura in acciaio molto compatta. Dopo aver considerato la progettazione dei carichi statici e di impatto che le connessioni sarebbero necessarie per supportare, sono stati selezionati i canali laminati a caldo gettati come metodo di ancoraggio da utilizzare nel vano ascensore. Il progetto per tutte le aree del pozzo è stato concluso nel 2008, anno in cui sono stati selezionati anche i canali in acciaio inossidabile per supportare i pannelli in acciaio inossidabile nelle aree della hall. La consegna dei canali gettati in opera è iniziata in alcune aree della costruzione nella seconda parte del 2007.

Nel progetto sono stati utilizzati in tutto 7,000 canali gettati laminati a caldo con consegna completata nella prima metà del 2010. Sono stati utilizzati bulloni con testa a T in due diametri per collegare le guide del vano ascensore ai canali gettati. L'installazione delle rotaie di guida è iniziata nelle aree inferiori della struttura nel 2008 e la maggior parte delle rotaie di guida rimanenti è stata installata nel 2010.

6. conclusioni

Come per altri aspetti relativi alla tecnologia degli ascensori, anche la scienza dei collegamenti concreti è progredita nel corso dei decenni. I prodotti e l'ingegneria si sono sviluppati fornendo livelli crescenti di affidabilità e prestazioni per stare al passo con i requisiti di progettazione delle strutture moderne. La nostra comprensione della tecnologia di connessione continua ad evolversi e nuovi metodi di calcolo forniscono predittori sempre più accurati delle prestazioni in condizioni variabili. Nel frattempo, la continua semplicità del concetto di canale di ancoraggio laminato a caldo fuso consente di applicare coerentemente sul campo la precisione delle prestazioni di progettazione calcolate, e questo può essere un fattore importante nella loro selezione per i collegamenti critici nel vano ascensore.

7. Ringraziamenti

L'autore ringrazia con gratitudine la gentile collaborazione di ThyssenKrupp Elevator Americas per quanto riguarda l'esempio del progetto Tower 1 World Trade Center presentato in questo documento.