Comportamento elastico delle funi degli ascensori

Le richieste sono in aumento a causa di una serie di fattori.

dal Dott.-Ing. Andreas Franz e Dipl.-Ing. Konrad Stahr

L'aumento dell'altezza dell'edificio/di viaggio, livelli di utilizzo elevati e design di sistemi moderni sono tra i fattori che aumentano le esigenze sulle proprietà fisiche delle funi di sospensione degli ascensori. La tendenza al risparmio di costi ed energia riducendo le dimensioni e il peso delle masse in movimento rispetto ai carichi dinamici (ad es. azionamenti e parti rotanti) e ai carichi statici (ad es. cabine o autoveicoli) sposta ulteriormente il punto di lavoro delle moderne funi di sospensione in intervalli di carico della fune inferiori. Una considerazione importante, oltre alla forza di rottura minima della fune e alla durata della fune (o prestazione a fatica a flessione) è il comportamento elastico di una fune sotto carico.

L'elasticità della fune è direttamente correlata alla flessione per compressione della cabina sotto carico e quindi ha un impatto significativo sul comportamento e sulle prestazioni dell'impianto dell'ascensore (ad es. usura dei componenti della trasmissione). Pertanto, è direttamente correlato al costo totale di proprietà, nonché alla percezione soggettiva del passeggero sul comfort del sistema (ad esempio, movimento dell'auto durante il carico e lo scarico, rilivellamento della cabina, offset del pianerottolo del vano di corsa e davanzali della cabina).

L'elasticità della fune è direttamente correlata alla flessione per compressione della cabina sotto carico e, quindi, ha un impatto significativo sul comportamento e sulle prestazioni dell'impianto dell'ascensore.

Nella progettazione complessiva di un sistema di ascensori, è necessario considerare il comportamento elastico delle funi di sospensione facendo alcune ipotesi ragionevoli. Questo articolo riassumerà le possibilità per determinare il modulo di elasticità della fune secondo gli standard attuali, descrivendo i fenomeni caratteristici relativi alla rigidità della fune ed esaminando le opzioni di prodotto ottimizzate per la rigidità dal portafoglio di prodotti Gustav Wolf GmbH.

Modulo di elasticità assiale

Le procedure e le istruzioni per determinare il modulo di elasticità di una fune in direzione longitudinale (assiale) per funi metalliche si trovano nella norma internazionale ISO 12076,[1] e nella linea guida tecnica tedesca VDI 2358,[2] che è stata rivisto al riguardo. I parametri di prova di entrambe le fonti variano già ampiamente, quindi le linee guida non sono ancora completamente penetrate nella produzione, nel mercato e nell'applicazione. Esistono anche, a seconda della regione, numerosi approcci specifici dell'utente per determinare l'elasticità/rigidità assiale, che tiene conto del carico prevalente della fune metallica nell'applicazione su base di prova.

Gli approcci al pre-carico del campione di fune, oltre a ridurre al minimo il comportamento di regolazione intrinseco della fune (i componenti della fune si comprimono sotto carico, che normalmente è un fenomeno a breve termine e si arresta subito dopo l'installazione), già differiscono notevolmente tra requisiti applicativi, così come le condizioni di serraggio e di prova. Questo comportamento di impostazione può essere notevolmente diverso a seconda del design della fune. La Figura 1 illustra i diversi approcci per quanto riguarda l'area di carico considerata. In tutti gli approcci, il modulo di elasticità longitudinale della fune deve essere inteso come il gradiente del diagramma forza-allungamento, che è per lo più calcolato come modulo secante tra due singoli punti di carico applicato assialmente (vedi punti dello stesso colore per il rispettivo approccio di calcolo).

Il comportamento forza-allungamento di ogni fune è sempre non lineare e differisce per carico e scarico (vedi linee verdi in Figura 1). Pertanto, un modulo secante o tangente sarà sempre un'assunzione/semplificazione lineare di questo comportamento, che sarà adeguato per determinati intervalli di carico assiale. Nella figura 1, confrontando le diverse pendenze/passi delle rispettive linee tra due punti di carico (stesso colore significa stesso approccio di calcolo), è chiaramente evidente che per la stessa fune si possono ricavare moduli fortemente variabili. Inoltre, come regola empirica, il modulo della fune può essere inteso come crescente con la quantità di forza della fune correlata alla forza di rottura della fune.

Le differenze nel modulo della fune possono essere illustrate confrontando i passi della curva direttamente dopo la traslazione parallela (vedere l'angolo in alto a sinistra della Figura 1). Va notato che i tre moduli di elasticità della fune calcolati menzionati nella Figura 1 possono variare da 60,000 N/mm2 a 110,000 N/mm2. Tenendo presente che esattamente la stessa fune valutata è rappresentata da questa figura, diventa evidente che solo un'affermazione sulla rigidità della fune rispetto al modulo non riflette necessariamente il comportamento della cabina dell'ascensore sotto carico.

Gustav Wolf è in grado di fornire ai propri clienti le necessarie caratteristiche di allungamento ed elasticità in base ai parametri applicativi forniti dal cliente.

Spesso utilizzata come misura delle prestazioni della fune, la Figura 1 intende mostrare l'incomparabilità dei diversi approcci di calcolo e l'importanza di affermare come viene determinato il modulo di elasticità per il prodotto di fune effettivo dal produttore della fune, dall'utente o da terzi. Per determinare il comportamento di allungamento/rigidità nell'applicazione stessa, è utile valutare il comportamento dipendente dal carico e dal tempo della rispettiva fune in diverse condizioni relative all'applicazione. Per le funi degli ascensori è utile uno stretto coordinamento tra utilizzatori di funi e produttori. Gustav Wolf è in grado di fornire ai propri clienti le necessarie caratteristiche di allungamento ed elasticità in base ai parametri applicativi forniti dal cliente.

Comportamento dipendente dal tempo del modulo di elasticità assiale

Il modulo della fune non è un valore quantitativo costantemente disponibile subito dopo l'installazione della fune. La struttura a fune è invece soggetta ad un comportamento di presa. Dopo l'impostazione, la rigidità specifica della fune è costantemente presente in un determinato intervallo di carico. Il fatto che venga utilizzata una corda etichettata come "prestirata" non ha alcuna influenza significativa su questo comportamento.

La conoscenza della dipendenza dal tempo e l'espressione di questo fenomeno per diversi tipi e modelli di funi è fondamentale per la progettazione e la valutazione del comportamento dell'ascensore per il produttore di ascensori. La Figura 2 illustra il modulo elastico della fune compreso tra il 2% e il 10% del carico di rottura minimo della fune (intervallo di condizioni di carico tipiche per funi per ascensori conformi alla Figura 1) in funzione del numero di cicli di carico assiale. Tutti i moduli elastici sono stati correlati al valore di regolazione finale del rispettivo tipo di fune in modo che le differenze quantitative relative al modulo di elasticità della fune dei tipi di fune valutati (Figura 4) a questo punto non vengano volutamente considerate.

Chiaramente visibile è la dipendenza del modulo di elasticità di regolazione in funzione dei cicli di carico assiale per i diversi modelli di fune. Mentre le funi di sospensione con anima in fibra naturale e sintetica mostrano inizialmente una rigidità della fune e, quindi, un modulo significativamente ridotti (circa il 50-60% del modulo finale) e si avvicinano relativamente lentamente alla loro rigidità finale, dopo pochi cicli di carico, il pieno- le funi d'acciaio raggiungono la loro rigidezza finale.

La tendenza mondiale verso la costruzione di edifici più alti richiede funi per ascensori più lunghe.

Anche le funi metalliche interamente in acciaio mostrano già una rigidità della fune di circa l'80-90% della rigidità finale nel primo ciclo di carico. Le differenze possono essere viste sia nel tipo di anima in fibra (naturale contro sintetica), sia nel tipo di struttura della fune (compattazione contro posa parallela). Per le funi di sospensione con anima in fibra naturale, non è stata rilevata alcuna influenza significativa della compattazione dei trefoli esterni in termini di comportamento dinamico per quanto riguarda il modulo di elasticità della fune. Nelle corde con anime in fibra sintetica ad alta resistenza, il comportamento di presa può essere più pronunciato, quindi potrebbe essere necessario un periodo di presa più lungo. Naturalmente, i risultati mostrati nella Figura 2 dipendono dal carico ciclico effettivo applicato durante il test o l'applicazione.

Design della corda con rigidità ottimizzata

La tendenza mondiale verso la costruzione di edifici più alti richiede funi per ascensori più lunghe. Con esso, l'allungamento, rispettivamente, del modulo di elasticità assiale nello specifico campo di lavoro delle funi utilizzate assume un impatto maggiore. Nelle applicazioni per ascensori, vengono comunemente utilizzate funi in acciaio con strutture con anima in fibra di 8 X 19 Seale o 8 X 19 Warrington. All'aumentare della richiesta di funi, vi è una contemporanea disponibilità di funi sempre più speciali con otto o nove trefoli e anime interamente in acciaio.

Più comunemente, le funi con anima in fibra naturale presentano un modulo di elasticità assiale e, quindi, rigidità inferiori rispetto alle funi con anima interamente in acciaio. Tuttavia, per le funi con anima in fibra, questa caratteristica può essere aumentata. Da un lato, ciò può essere ottenuto mediante un appiattimento dei fili/trefoli esterni come effettuato per Gustav Wolf CompactTracTM[3] con la sostituzione delle anime in fibra naturale con un'anima in fibra sintetica ad alto modulo e alta resistenza come con Gustav Wolf HyTrac.TM[4] La Figura 3 riassume le prestazioni dei tipi di fune Gustav Wolf in termini di rigidità assiale delle funi, forza di rottura minima e durata a fatica a flessione per fornire meglio l'uso specifico dell'applicazione.

Il risultato della ricerca e dello sviluppo orientata all'applicazione in risposta alle crescenti esigenze dei sistemi di ascensori può essere trovato nella serie Trac di Gustav Wolf, composta da CompactTrac, HyTrac, PowerTrac™ e TopTrac™ (Figure 3 e 4).

Tutte le funi della serie Trac si distinguono per i miglioramenti nelle seguenti aree:

• Allungamento della fune ridotto al minimo e modulo di elasticità della fune rispettivamente più elevato
• Maggiore durata della fune grazie a più cicli di flessione
• Migliore resistenza all'usura grazie all'area di contatto allargata dei trefoli esterni
• Diametri della fune ridotti in base a forze di rottura più elevate

Con la serie Trac, Gustav Wolf ha sviluppato una nuova generazione di funi per ascensori che si distinguono per un migliore comportamento di rigidità, una maggiore durata, migliori prestazioni del sistema e, soprattutto, un livello più elevato di soddisfazione del cliente. Dovrebbero essere considerati come una soluzione per le esigenze sempre crescenti dei sistemi di ascensori e, in particolare, per le installazioni a molti piani.

Referenze
[1] ISO: ISO 12076:2002, “Funi in acciaio - Determinazione del modulo di elasticità effettivo”, 2002.
[2] VDI: Verein Deutscher Ingenieure (VDI): Richtlinie VDI 2358 - Drahtseile für Fördermittel, Beuth Verlag GmbH, 1984.
[3] Wolf E. Franz, A., "Sviluppo di funi per ascensori",
ELEVATOR WORLD, marzo 2006.
[4] Franz, A., "Sviluppo di funi ibride per ascensori",
EW, luglio 2012.