Tecnologia delle porte per applicazioni a molti piani

Questo documento è stato presentato a  Parigi 2014, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 20, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori  (sito web: www.elevcon.com). Il presente documento è una ristampa esatta e non è stato modificato da ELEVATOR WORLD.

Parole chiave: porta automatica, altezza elevata, prestazioni della porta, esperienza di guida, affidabilità dei componenti, approccio specialistico

Progettare, costruire, installare e manutenere ascensori per edifici alti non è un compito facile, poiché le elevate prestazioni si abbinano a vincoli rigorosi. La progettazione deve tenere conto di problematiche ed effetti che normalmente non sono significativi negli edifici ordinari. Dal punto di vista di un fornitore di componenti per ascensori, in tali situazioni è molto importante prestare attenzione alle porte dell'ascensore, poiché rappresentano il dispositivo più critico in termini di sicurezza delle persone e influiscono anche sulle prestazioni complessive dell'impianto; pertanto, una delle principali preoccupazioni è garantire che i sistemi di porte funzionino nelle migliori condizioni. In questo articolo definiremo le variabili che, negli ambienti alti, hanno un impatto sui sistemi di porte e sulle loro caratteristiche operative in termini di prestazioni, qualità, affidabilità ed estetica.

1. Tendenze di urbanizzazione e grattacieli

L'attuale continua crescita demografica e urbanistica (vedi Tabella 1), insieme allo sviluppo di nuovi materiali, stanno spingendo architetti e costruttori a progettare edifici sempre più grandi e alti. Ovunque nel mondo, le grandi città si stanno sviluppando sempre più verticalmente e i moderni edifici multifunzionali sono vere e proprie città a sé stanti, ognuna con i suoi specifici servizi e le sue esigenze di trasporto.

L'inarrestabile crescita dell'urbanizzazione è confermata da recenti ricerche e dati internazionali (UNICEF 2012) che mostrano come la configurazione delle città del futuro, l'ottimizzazione degli spazi urbani e la progettazione di sistemi di trasporto orizzontali e verticali efficienti costituiranno una sfida urgente e strategica per i prossimi 50 anni, soprattutto nei paesi asiatici in rapido sviluppo.

• Oggi, il 50% della popolazione mondiale vive in aree urbane. Entro la metà di questo secolo, questa percentuale supererà i 2/3.
• La popolazione urbana è in costante crescita: ogni anno aumenta di circa 60 milioni di persone, soprattutto nei paesi a medio reddito.
• L'Asia ospita metà della popolazione urbana mondiale e 66 delle 100 aree urbane in più rapida crescita, 33 delle quali solo in Cina. La popolazione urbana cinese ammonta a 630 milioni di abitanti.
• Quasi il 10% della popolazione urbana vive in megalopoli (città con più di 10 milioni di abitanti). 19 megalopoli si sono aggiunte a New York e Tokyo, presenti in questa lista dagli anni Cinquanta. Tutte tranne 3 si trovano in Asia, America Latina e Africa.

Il numero di edifici alti è cresciuto di pari passo con la crescita della popolazione e l'urbanizzazione. Negli ultimi 10 anni, il numero di edifici alti più di 200 metri è aumentato esponenzialmente (vedi figura 1). A causa della riduzione dello spazio disponibile nelle aree urbane, la costruzione di strutture più alte sta diventando una necessità e, dal punto di vista del settore degli ascensori, ciò richiederà la padronanza di una serie di competenze specifiche necessarie per spostare correttamente persone e merci all'interno di questo tipo di edifici.

2. Sistemi di trasporto verticale negli edifici alti

Nel settore edile, i grattacieli sono definiti come edifici con altezza compresa tra 23 e 150 metri. Gli edifici con altezza superiore a 150 metri sono classificati come grattacieli. L'altezza media di un piano è di circa 4 metri, quindi un edificio alto 24 metri comprenderebbe 6 piani (Daniel 2012).

Possiamo affermare che l'altezza è la caratteristica peculiare di questa tipologia edilizia e quindi è facile comprendere perché gli ascensori siano, e continueranno ad essere, un fattore cruciale per il loro buon funzionamento e perché l'aumento dell'efficienza dei loro sistemi di trasporto verticale possa apportare un'ampia serie di benefici, come ad esempio soddisfare meglio le esigenze degli inquilini, gestire lo spazio in modo più intelligente e sostenibile o aumentare il valore commerciale dell'edificio.

Quando si parla di ascensori, il concetto di "grattacielo" suona un po' diverso ed è comunemente correlato alla velocità dell'ascensore. Fino a pochi anni fa, il confine tra ascensori standard e ascensori per grandi edifici era la velocità di 2,5 m/s. Oggigiorno abbiamo una segmentazione più strutturata (che comunque è in continua evoluzione): 2,5 m/s è una velocità standard, 4 m/s è considerata un grattacielo standard, 6 m/s è un grattacielo standard, 10 m/s è un'alta velocità e oltre i 10 m/s sono ascensori molto speciali. 6 m/s si è quindi rivelata una velocità normale per i grattacieli e, considerando il rapido sviluppo tecnologico dei componenti e dei materiali degli ascensori, questa diventerà ancora più elevata nei prossimi anni.

Cosa ci si aspetta quindi da un ascensore installato in un grattacielo? Innanzitutto, deve arrivare a destinazione rapidamente, evitando lo sforzo fisico di salire milioni di gradini. In secondo luogo, deve arrivarci comodamente, senza che le persone si accalchino in un angolo o sentano rumori fastidiosi durante il viaggio. Infine, ma non meno importante, non deve rompersi come qualsiasi altro mezzo di trasporto. Facile a dirsi, difficile da realizzare in un contesto come questo, dove le sollecitazioni fisiche e meccaniche sono più elevate che mai.

Tenendo conto delle caratteristiche sopra menzionate, l'ascensore per edifici alti deve garantire: elevate prestazioni in termini di velocità ma anche di gestione del traffico e affidabilità; efficienza energetica e sostenibilità, sia in termini di materiali che di funzionamento; massima sicurezza in ogni condizione, anche in caso di incendi ed emergenze; ​​eccellente qualità progettuale ed estetica attraverso lo sviluppo di soluzioni tecniche ed estetiche che garantiscano la piena integrazione dell'ascensore con l'edificio nel suo complesso.

3. Porte per ascensori per grattacieli

Gli edifici alti presentano caratteristiche esterne, interne e normative distintive che richiedono competenze specifiche per la progettazione e la costruzione dei loro sistemi di trasporto verticale e di tutti i loro componenti. Oltre alla necessità di vani di corsa più lunghi e di velocità di trasporto più elevate, durante la progettazione degli ascensori per edifici alti è necessario tenere sotto controllo una serie di fattori specifici, normalmente non significativi negli edifici ordinari a causa delle basse velocità e dei flussi d'aria, considerando che le elevate prestazioni devono essere accompagnate da vincoli rigorosi.

Nella progettazione di ascensori di grandi dimensioni, le porte svolgono un ruolo fondamentale poiché rappresentano il dispositivo più critico in termini di sicurezza delle persone e influiscono anche sulle prestazioni complessive del sistema; pertanto, una delle principali preoccupazioni è consentire ai sistemi di porte di funzionare nelle migliori condizioni.

Il punto di partenza per raggiungere questo obiettivo è definire chiaramente tutte le variabili che hanno impatto sui sistemi delle porte (vedere tabella 2).

Il primo gruppo di variabili identifica lo stato dell'edificio in termini di configurazione strutturale, popolazione, gestione dei flussi, ecc. Ognuna di queste variabili è responsabile di effetti specifici che devono essere attentamente considerati. Ad esempio, l'altezza dell'edificio (ad esempio, del pozzo di scolo) determina la pressione dell'aria, che genera effetti camino e pistone. In pozzi di scolo così alti, infatti, la pressione può essere così elevata che le porte possono incontrare difficoltà nell'ultima parte della fase di chiusura, con conseguenti problemi di affidabilità se non gestita correttamente.

Anche l'influenza di fattori esterni non deve essere sottovalutata, in quanto influenza la progettazione e quindi la costruzione delle porte. Queste variabili sono normalmente codificate in standard, norme, raccomandazioni, specifiche e influenzano fortemente i sistemi di porte. Le normative antincendio e antifumo sono probabilmente uno degli argomenti più critici, ma anche l'introduzione di nuove norme, come ad esempio la EN 81-20 e la EN 81-50, può avere un impatto considerevole sulla progettazione e la produzione delle porte per ascensori.

L'ultimo gruppo di variabili è relativo ai soli sistemi porta e comprende: prestazioni richieste in termini di cicli di apertura/chiusura (che incidono in modo significativo sui tempi di percorrenza), qualità percepita (rumore, vibrazioni, profili lisci), affidabilità sia in termini di tasso di richiamo che di mantenimento delle prestazioni e della qualità nel tempo, risparmio energetico, sicurezza ed estetica (design e flessibilità per adattarsi a diversi rivestimenti ed esecuzioni, insieme alla capacità di gestire ad esempio il vetro).

Se ogni specifica installazione richiede porte per ascensori con caratteristiche e caratteristiche tecniche distintive e ben definite, quali sono quelle delle porte per ascensori di grandi dimensioni? (vedi Tabella 3). Dai dati della Tabella 3 possiamo definire le loro caratteristiche principali come segue:

• Prestazioni (velocità in termini di tempo di apertura e chiusura: 1,4 s + 1,9 s per porte di ascensori alti contro 1,9 s + 2,6 s per porte di ascensori standard)
• Affidabilità (cicli di vita)
• Robustezza (maggiore massa dei pannelli)

Le porte automatiche per ascensori ad alta velocità sono progettate per movimentare in modo affidabile pannelli pesanti in tempi rapidi e con basse emissioni acustiche. Per soddisfare tutti questi requisiti, i produttori di porte hanno sviluppato una gamma completa di soluzioni, che include funzionalità speciali per i controller delle porte (profili di velocità di apertura e chiusura regolabili; algoritmo di calcolo della massa in movimento in tempo reale; downgrade automatico del profilo di velocità; modalità stand-by; batteria di backup) o dispositivi meccanici specifici per garantire, ad esempio, la tenuta stagna delle porte di cabina e di piano durante la corsa dell'ascensore (aumentando il comfort).

4. Variabili specifiche della porta

4.1 Prestazioni

Negli edifici alti, i flussi di traffico possono essere massicci e queste condizioni estremamente difficili non possono essere gestite aumentando il numero di ascensori installati negli edifici, ma possono essere semplificate con lo sviluppo di sistemi intelligenti di gestione del traffico che si basano sull'analisi dei comportamenti di viaggio dei passeggeri e garantiscono una migliore gestione dello spazio (riducendo il numero di ascensori necessari per servire adeguatamente l'edificio), una drastica riduzione dei tempi di attesa e la massimizzazione delle prestazioni degli ascensori.

Questi risultati sono ottenuti grazie allo sviluppo tecnologico e alle prestazioni di ogni singolo componente degli ascensori, nonché alla loro corretta progettazione e integrazione. Pensando alle porte, i tempi di percorrenza e la velocità di apertura e chiusura delle porte, regolati da controller di cabina con diversi profili di velocità regolabili, sono, ad esempio, una variabile chiave, che nelle corse brevi può avere un impatto significativo sul tempo di percorrenza complessivo dell'ascensore.

Per dimostrare questa ipotesi, dovremmo iniziare a definire il tempo di percorrenza di un sistema di porte. Questo può essere calcolato, attraverso modelli semplificati di tempo di volo, come segue (vedi Figura 2):

• Orario di chiusura della porta
• Tempo di accelerazione: il tempo impiegato dall'ascensore per raggiungere la sua velocità massima. Il raggiungimento o meno della velocità massima dipende dalla lunghezza del percorso tra le due fermate.
• Tempo di percorrenza alla massima velocità: tempo trascorso alla massima velocità (tipicamente 5-6 m/s come in condizioni standard)
• Tempo di decelerazione: tempo impiegato dall'ascensore per fermarsi
• Orario di apertura della porta

Per comprendere l'impatto delle porte sul tempo di percorrenza complessivo di un ascensore per grattacieli, abbiamo effettuato cinque simulazioni (vedi figura 3) considerando un edificio di 40 piani con una distanza tra i piani di 4 m, servito da un ascensore standard per grattacieli (6 m/s) con porte standard per grattacieli (tempo di apertura + tempo di chiusura porte = 2.3 s). Il numero di piani tra la partenza e l'arresto dell'ascensore è mostrato sull'asse X.

Questo modello è solo una semplificazione, non considera ad esempio il tempo impiegato per riempire/svuotare l'ascensore, ma può comunque dare un'idea della complessità del problema e dei fattori che incidono sulle prestazioni delle porte dell'ascensore.

Nella prima simulazione abbiamo considerato una fermata a un solo piano; in questa condizione, non c'è tempo per raggiungere la velocità massima, ovvero ci sono solo fasi di accelerazione e decelerazione; il contributo della velocità massima dell'ascensore diventa significativo almeno per una corsa di 10 piani. Una prima conclusione è che per distanze brevi/medie (fino a 10 piani) la velocità delle porte può contribuire fino al 50% al tempo di percorrenza, il che è un dato importante sulle prestazioni complessive. Naturalmente, percorrendo distanze più lunghe, l'impatto del tempo di percorrenza alla velocità massima diventa più importante. Pertanto, è importante ottimizzare le prestazioni sia dell'ascensore che delle porte per ottenere i migliori risultati, e non concentrarsi solo sulla velocità dell'ascensore.

Tutte queste considerazioni sono state prese in considerazione per una singola corsa, ma pensate a cosa succede quando si considerano corse multiple. Ad esempio, una persona che aspetta al 16° piano un ascensore che parte da terra e si ferma ogni quattro piani, percepirà le prestazioni dell'ascensore quattro volte di più. Pensate a quante fermate, a quante persone attraversano un grattacielo al giorno, per quanti giorni.

4.2 Qualità percepita

4.2.1 Comfort e rumore

Il comfort di marcia è fondamentale negli ascensori per edifici alti, poiché vibrazioni e rumori aumentano con l'aumentare della velocità e a causa delle differenze di pressione nei vani più lunghi. La selezione, la regolazione e l'installazione dei componenti sono fondamentali per ridurre il livello di rumore dell'impianto ascensore in uso, mantenendolo entro parametri accettabili (con picchi massimi di 50 decibel).

Per far fronte a questo problema, l'industria degli ascensori ha sviluppato specifici dispositivi meccanici che, ad esempio, garantiscono la perfetta tenuta delle porte e il completo isolamento della cabina durante la marcia.

4.2.2 Funzionamento regolare

La velocità di apertura delle porte può essere regolata in base alle prestazioni e ottimizzata per garantire la fluidità del movimento (parametro comfort). Ciò si traduce in un'ottima sensazione di movimento delle ante, con controllo e precisione in ogni istante del ciclo di apertura e chiusura.

4.3 affidabilità

L'affidabilità è sempre più un requisito essenziale negli edifici alti, dove sistemi e componenti sono sottoposti a forti sollecitazioni, a causa della maggiore pressione (positiva e negativa) nel vano corsa, delle turbolenze e delle vibrazioni, nonché delle tolleranze negli spazi degli elementi meccanici e delle maggiori tolleranze costruttive, e talvolta devono funzionare in condizioni non ideali. Considerando che, negli edifici alti, l'uso degli ascensori è più intenso rispetto a quelli bassi, a causa dell'elevata popolazione e del traffico, i loro componenti sono più soggetti a usura o addirittura a rottura, con il rischio di danni ad altre parti dell'impianto o addirittura di conseguenze peggiori. Per garantire l'elevato livello di servizio richiesto agli ascensori in questo campo applicativo, i componenti devono essere scelti con cura, attraverso una rete di fornitori qualificati, e le parti più sensibili devono essere testate in laboratorio anche per milioni di cicli.

4.4 Estetica e design

Gli edifici alti sono tra le migliori architetture contemporanee al mondo. Il design dell'edificio e dei suoi elementi compositivi è uno dei parametri chiave per definirne il successo. Gli ascensori possono essere un punto focale distintivo di questa tipologia di edifici, offrendo una combinazione di finiture eleganti e visibilità a 360°, ideali per sfruttare al meglio, ad esempio, l'atrio di un hotel o di un complesso di uffici. I sistemi di trasporto verticale per edifici alti devono essere progettati, in tutti i loro componenti, per integrarsi perfettamente con gli edifici, rispettandone le qualità estetiche e adattandosi a particolari requisiti architettonici o concept progettuali.

Forme, materiali, illuminazione e colori sono solo la parte visibile di un'ampia gamma di soluzioni che coniugano tecnologia ed estetica. Per le porte automatiche per ascensori, questi requisiti sono soddisfatti attraverso la selezione dei materiali (pannelli in vetro pieno o con telaio), la forma dei pannelli (porte rotonde) e le esecuzioni speciali come porte con guide inferiori nascoste o porte con azionamenti sotto il pavimento, che offrono esclusivi vantaggi progettuali come, ad esempio, la riduzione dell'ingombro a vista dell'azionamento della porta di cabina dal pavimento, nascondendo i meccanismi delle porte dell'ascensore sotto il livello del pavimento.

4.5 Sostenibilità ed efficienza energetica

Un altro tema importante legato ai grattacieli e ai loro servizi, compresi gli ascensori, è la sostenibilità e l'efficienza energetica. Gli edifici consumano energia, e più grande è l'edificio, maggiore è la quantità di energia che consuma (anche se alcuni grattacieli moderni sono stati progettati proprio per smentire questa affermazione!).

Le misurazioni del consorzio E4 (Energy Efficient Elevators & Escalators), sponsorizzato e supportato dalla Commissione Europea, mostrano che i sistemi di trasporto verticale rappresentano tra il 3 e l'8% (E4 2010) dell'energia totale consumata dai servizi di un edificio.

Ascensori e scale mobili non sono certamente i maggiori consumatori di energia negli edifici, ma la sostenibilità e l'efficienza devono essere garantite in ogni fase del loro ciclo di vita: dalla progettazione (analisi del flusso dei passeggeri, scelta dei componenti, scelta dei materiali) alla produzione (processi ISO 14001, riduzione del peso dei componenti, gestione dei rifiuti), dall'utilizzo (sistema di recupero energetico, risparmio energetico in modalità standby, utilizzo di componenti di classe A) alla manutenzione (preventiva ed efficiente) e all'ammodernamento (sostituzione di impianti completi o di componenti).

4.5.1 Efficienza della porta dell'ascensore in modalità standby

La maggior parte dell'energia spesa da un ascensore viene consumata in modalità standby (tra il 50 e il 70%). Soluzioni specifiche consentono di ridurre questa quota per le porte dell'ascensore, ovvero lo sviluppo di funzioni di parcheggio gestite dai controllori elettronici di azionamento delle porte di cabina che lasciano i pattini in posizione aperta quando la cabina è ferma al piano, riducendo significativamente l'energia consumata dall'intero sistema.

4.5.2 Massima sicurezza

Negli edifici alti, alcuni rischi, come la propagazione di incendi e fumi, sono amplificati dalla struttura stessa dell'edificio (lunghezza dei vani e conseguente effetto camino); sistemi di protezione inadeguati di qualsiasi impianto dell'edificio possono avere conseguenze disastrose. Pertanto, soddisfare i più elevati requisiti di sicurezza è un obbligo non solo per architetti e progettisti, ma anche per i produttori di tutti gli impianti di servizio dell'edificio, compresi i produttori di ascensori e componenti per ascensori.

Un impianto di ascensori per grandi edifici deve essere in grado di gestire in sicurezza qualsiasi emergenza e deve essere progettato con componenti speciali (resistenti al fuoco, antivandalismo, ecc.) e materiali (ad esempio non combustibili) che, ad esempio, in caso di incendio non consentano la propagazione di fiamme e fumo.

Standard, norme, raccomandazioni e specifiche internazionali e locali forniscono linee guida e suggerimenti per progettare componenti sicuri negli impianti ascensoristici e migliorarne la resistenza al fuoco. Gli ascensori antincendio e i componenti resistenti al fuoco sono tra le soluzioni che il settore ascensoristico offre per aumentare la sicurezza negli edifici alti.

5. Conclusioni: un approccio integrato alla progettazione dei componenti degli ascensori per grattacieli

Molte variabili diverse devono essere prese in considerazione nella progettazione e produzione di sistemi e componenti per ascensori destinati a grattacieli. Le problematiche che un sistema di ascensori deve affrontare in un simile contesto applicativo non sono paragonabili a quelle di nessun altro sistema del settore.

Le variabili esterne e interne devono essere attentamente identificate e considerate; soluzioni per ciascuna di esse devono essere sviluppate e integrate nella progettazione complessiva dell'ascensore. Problemi e soluzioni devono riguardare non solo i singoli componenti del sistema, ma anche l'interazione tra tutti, come ad esempio l'integrazione di cabina e porte.

Per le porte degli ascensori l'approccio corretto è quello di combinare tutti gli aspetti tecnici rilevanti per affrontare i problemi del contesto applicativo (velocità, affidabilità, qualità percepita e comfort) insieme ai requisiti non tecnici posti da architetti, studi di ingegneria e di costruzione (estetica) fin dalle prime fasi di un progetto, a partire dalla progettazione dell'ascensore fino allo sviluppo del prodotto, alla sua fabbricazione e installazione.

Referenze
Fondo delle Nazioni Unite per l'infanzia (2012). La situazione dei bambini nel mondo 2012 - I bambini in un mondo urbano, pp. 1-11.
CTBUH (2011). Alti e urbani - Un'analisi della popolazione mondiale e degli edifici alti, pp. 1-3.
Jihad S. Daniel (2012). Cicli di costruzione di edifici alti, p. 4.
E4 – Ascensori e scale mobili a basso consumo energetico (2010). Opzioni per migliorare l'efficienza energetica degli ascensori, pp. 1-16.