Modernizzazione degli ascensori: l'arte perduta dell'ingegneria

Come affrontare i limiti e le caratteristiche progettuali delle apparecchiature di sollevamento obsolete

di Roger Howkins e Kate Hibner

Questo documento è stato presentato per la prima volta al quarto simposio sulle tecnologie degli ascensori e delle scale mobili, www.liftsymposium.org.

Questo articolo esamina le tecniche e gli strumenti a disposizione dell'ingegnere addetto alla modernizzazione degli ascensori e si avvale di casi di studio di ingegneria forense per ascensori, codici utilizzati per ascensori importati, test di impatto sull'affidabilità dei sistemi di porte e qualità di guida. L'ingegnere esperto in modernizzazione degli ascensori deve comprendere i limiti e le caratteristiche progettuali delle apparecchiature ascensoristiche obsolete in esame e come queste possano essere integrate con nuovi componenti e sistemi ingegneristici, nonché i requisiti delle normative originali e attuali. Inoltre, è necessario considerare i limiti strutturali dell'edificio per la rimozione delle apparecchiature ascensoristiche, i percorsi (possibilmente attraverso le solette) e l'idoneità delle pareti del vano ascensore per i nuovi mezzi di fissaggio.

Nella sua Guida alla progettazione della modernizzazione degli ascensori, Roger E. Howkins spiega:

“Il progettista di un impianto di ascensori si chiede: 'Quando un impianto di ascensori è vecchio?', 'Quando necessita di un trapianto, di un intervento chirurgico al cervello o di un lifting?', in altre parole, 'una modernizzazione'. Le aziende di ascensori, gli architetti e i consulenti usano vari termini per descrivere la modernizzazione di un ascensore, ovvero conversione, ammodernamento, ristrutturazione, sostituzione o aggiornamento.”[1]

La situazione

Nei recenti convegni e simposi sugli ascensori, un'elevata percentuale di articoli e poster (circa il 30%) è stata dedicata all'approccio sistemico alle prestazioni degli ascensori, così come definito dalla ricerca sull'analisi del traffico ascensoristico. Il numero successivo più alto di articoli è stato dedicato alla progettazione meccanica ed elettrica, con una particolare attenzione al controllo del traffico e alle questioni ambientali. È preoccupante che tutti questi articoli si concentrino generalmente sui sistemi di "nuova costruzione", piuttosto che sul parco ascensoristico esistente.

Secondo i dati pubblicati a marzo 2010, in Europa erano installate circa 4.5 milioni di unità, di cui circa 207,000 nel Regno Unito[2]. Nel Regno Unito, si stima che siano state installate 114,000 unità di ascensori prima del 1986.[3] A seconda della progettazione dell'attrezzatura originale e di come è stata mantenuta, queste unità potrebbero essere giunte alla fine della loro vita utile teorica. La maggior parte di queste unità esistenti si trova in piccoli edifici, dove i vincoli di una modernizzazione dell'ascensore sono il vano ascensore esistente, le dimensioni delle sale macchine e qualsiasi attrezzatura che potrebbe essere riutilizzata, ristrutturata o modernizzata.

In Europa, si stima che il 64% degli ascensori attualmente sottoposti a manutenzione sia stato installato in edifici residenziali e solo il 14% in uffici. Pertanto, sembra che vengano impiegati notevoli sforzi e tempo per effettuare analisi di impianti su una piccola parte del parco ascensori europeo.                                              

Quando si confronta con un ascensore esistente, la maggior parte dei produttori di ascensori non considera la modernizzazione come un'opzione di miglioramento. Preferiscono installare unità "standard" da catalogo, piuttosto che accettare la sfida di mantenere la vecchia attrezzatura e riportarla allo standard di progettazione originale.

In Polonia, il parco ascensori esistente è stimato in 81,683 unità e si stima che oltre 25,000 unità abbiano almeno 60 anni.[4] Queste unità non hanno subito alcun ammodernamento e presentano un livello di progettazione e lavorazione originale difficile da raggiungere oggi. Se la Polonia decidesse di sostituire questi ascensori storici con nuovi ascensori EN 81, ciò verrebbe giustamente considerato un atto di vandalismo storico.

Ciò non si riflette necessariamente sulle competenze e sull'esperienza degli ingegneri progettisti e dei tecnici sul campo specializzati nelle nuove installazioni di ascensori, ma resta il timore che le competenze e l'esperienza nella modernizzazione degli ascensori non vengano trasferite ai giovani ingegneri e tecnici impiegati dalle aziende, siano essi consulenti, meccanici o tecnici commerciali.

Limiti

La modernizzazione di un ascensore richiede le competenze di un ingegnere con la finezza di un artista. Si potrebbe anche descrivere come un "ricettario tecnico" in cui sono presenti tutti gli ingredienti, ma se non vengono miscelati correttamente nelle giuste proporzioni, il risultato finale della modernizzazione potrebbe rivelarsi peggiore rispetto alle condizioni dell'impianto prima dell'esecuzione dei lavori.

Oggigiorno, la transazione di vendita di un “nuovo impianto di sollevamento” è regolata dalla gamma di prodotti standard dell’azienda, che non ammette modifiche o compromessi, per il modo in cui vengono impostate e svolte le procedure di fabbricazione e di collaudo.

Gli ingegneri specializzati nella modernizzazione degli ascensori non sono vincolati dalle limitazioni che accompagnano l'installazione di un nuovo ascensore. Hanno un approccio molto più "da campo bianco" per quanto riguarda componenti o materiali che possono essere utilizzati e integrati in un progetto. Un buon progetto di modernizzazione presenta un vantaggio importante: l'ascensore non perde il suo carattere, ma mantiene o migliora importanti aspetti tecnici e di sicurezza rispetto al momento della sua installazione originale.

Un esperto ingegnere di modernizzazione può ripristinare un ascensore alle sue specifiche originali e fornire comunque un'installazione sicura e affidabile che potrebbe durare più a lungo di un moderno ascensore di una gamma generica standard. Le vecchie apparecchiature per ascensori hanno un processo di progettazione e produzione collaudato, componenti altamente affidabili e robusti e un'alta probabilità di sopravvivenza. Le nuove installazioni di ascensori tendono a essere molto più complesse e sono costituite da componenti e sottosistemi complessi progettati per garantire competitività, piuttosto che longevità.

Missione critica

Il fatto che un ascensore sia "vecchio" non significa che debba essere pericoloso o inaffidabile. Bisogna invece valutare se questo ascensore può svolgere la sua funzione di trasporto di passeggeri e merci in modo sicuro e affidabile. Pertanto, dobbiamo considerare i sistemi mission-critical che potrebbero richiedere un ammodernamento. Questi sistemi includono componenti e sottosistemi nella sala macchine e nel vano corsa dell'ascensore, sistemi informativi e sistemi di sicurezza primari. I componenti mission-critical includono, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, macchine gearless, riduttori a vite senza fine, controller, selettori, pulegge, azionamenti per porte, limitatori di velocità e paracadute.

Il fatto che un singolo sottosistema o componente di un ascensore si usuri non significa necessariamente che l'intero sistema debba essere sostituito. Esistono aziende produttrici specializzate che forniscono componenti per ascensori obsoleti con le stesse caratteristiche di design e sicurezza dei componenti originali.

Ingegneria forense

L'ingegnere addetto alla modernizzazione deve conoscere le raccomandazioni normative o standard per ridurre il consumo energetico, ma non deve essere limitato dalle tecnologie moderne, dalla gestione del traffico o dall'estetica. Le cabine degli ascensori in legno con rivestimenti in ferro battuto e decorazioni in vetro colorato, e gli ascensori con macchinari e apparecchiature meccaniche originali non devono essere necessariamente critici se si intraprende un processo di modernizzazione e restauro delicato. Poiché un ascensore moderno standard in genere non può essere integrato in modo sensibile in un ambiente storico, un ingegnere addetto alla modernizzazione dovrebbe utilizzare lo strumento dell'ingegneria forense.

L'ingegneria forense è considerata "l'indagine su materiali, prodotti, strutture o componenti che non funzionano o non funzionano come previsto, causando lesioni o danni personali".^[8] Di conseguenza, l'indagine forense mira a individuare le cause del guasto al fine di migliorare le prestazioni o prolungare la durata di un componente.

Nella sala motori dell'ascensore, i componenti considerati critici per la missione sono il gruppo motore-riduttore e il controller. Potrebbe essere presente anche un limitatore di velocità, che potrebbe essere "vecchio" e non conforme ai requisiti normativi vigenti. Tuttavia, purché funzioni in conformità con la normativa vigente al momento dell'installazione, dovrebbe essere compatibile con il paracadute installato.

Considerando le macchine con o senza ingranaggi, alcune anche più vecchie di 50 anni, l'opzione più semplice sarebbe quella di rimuoverle, insieme a tutti i problemi associati, e di integrare la nuova attrezzatura con la piastra di base in acciaio strutturale esistente. Ciò richiederebbe un'analisi strutturale del progetto originale della piastra di base, poiché i percorsi di carico della nuova attrezzatura potrebbero variare notevolmente rispetto alla struttura esistente. La nuova disposizione, tuttavia, molto probabilmente si piegherà, causando un guasto prematuro della nuova attrezzatura. D'altra parte, se si considerasse la modernizzazione, i percorsi di carico dell'attrezzatura rimarrebbero gli stessi, richiedendo uno sviluppo progettuale ridotto e minori costi di capitale. Questa sarebbe una soluzione molto più conveniente.

È molto difficile o quasi impossibile ispezionare visivamente i componenti interni di una macchina di trazione a vite senza fine e fornire una valutazione della durata di vita residua prevista per l'unità.[5] In tal caso, si raccomanda di eseguire un'indagine di ingegneria forense sull'unità/sulle unità.

Una notevole quantità di informazioni può essere ottenuta dall'analisi dell'olio e del grasso prelevati dal serbatoio del cambio e dagli alloggiamenti dei cuscinetti. Inoltre, potrebbero essere intraprese tecniche di test non distruttivi, come la termografia sui cuscinetti. Un metodo alternativo per estrarre tali informazioni richiederebbe test distruttivi o la restituzione dell'unità al produttore originale, supponendo che sia ancora in attività.[5]

Un esempio di tale analisi (Tabella 1) mostra che l'olio campionato è stato sostituito in un momento specifico o contaminato con una qualità non idonea, oppure il lubrificante si è deteriorato nel tempo. L'indagine forense ha mostrato la presenza di livelli piuttosto significativi di detriti ferrosi. Ulteriori indagini hanno dimostrato che il cuscinetto "A" era guasto (Figura 1). Informazioni così dettagliate non avrebbero potuto essere ottenute tramite un'ispezione visiva o senza smontare il macchinario.

L'analisi forense ha inoltre evidenziato elevati livelli di elementi metallici soggetti a usura (rame [Cu] e stagno [Sn]) in entrambi i campioni. Questi metalli derivavano dall'attrito radente tra la ruota elicoidale in bronzo fosforoso e l'albero della vite senza fine, nonché dalla rotazione dell'albero nei cuscinetti a strisciamento. Queste caratteristiche sono tipiche delle tradizionali unità di avvolgimento per ascensori a trazione con ruota elicoidale.

L'analizzatore di vibrazioni per ascensori è uno strumento che può essere classificato anche come strumento forense, in grado di determinare le condizioni di un componente. È noto che gli analizzatori di rumore e vibrazioni per ascensori vengono utilizzati per determinare i limiti di rumore e vibrazioni all'interno di una cabina in movimento, ma possono anche essere utilizzati per determinare l'origine di rumore e vibrazioni. The source Possono essere i macchinari, le funi, le pulegge, le guide o persino i pattini di guida. Le vibrazioni laterali sono, ad esempio, l'oscillazione orizzontale della cabina e possono essere causate da piegature nelle guide e/o da un funzionamento inadeguato dei rulli o dei pattini di guida scorrevoli. Le vibrazioni verticali provengono principalmente dal sollevatore o dalle pulegge. Vengono trasmesse attraverso le funi e possono verificarsi a causa del bilanciamento dinamico del motore di azionamento. L'accelerazione, la decelerazione e lo strappo, a loro volta, danno ai passeggeri la sensazione che il loro peso aumenti o diminuisca e possono essere causati dall'aderenza dell'ascensore alle guide a causa di elevata pressione e/o elevato attrito.

Manutenzione

Il primo utilizzo veramente moderno dell'elettronica nei quadri di comando degli ascensori risale agli anni '1970. Prima di questa data, il quadro di comando era denominato "logica a relè" ed era generalmente semplice e affidabile. Per gli edifici adibiti a uffici, tuttavia, questo tipo di quadro di comando non garantiva i tempi di risposta rapidi richiesti dai tecnici degli impianti ascensoristici per i modelli di traffico tipici dei nuovi edifici adibiti a uffici. Inoltre, questo sistema di controllo soffriva (e soffre ancora) quando installato in un ambiente "polveroso", peggiorato dalle aziende di manutenzione degli ascensori che riducono il tempo dedicato alla manutenzione ordinaria e alla regolazione dei relè.

Questi interruttori logici a relè sono ancora molto comuni e sono facili da manutenere e riparare. Inoltre, se non sono richiesti tempi di risposta elettronici rapidi, non c'è motivo per cui non possano essere integrati in un ammodernamento di un ascensore storico prima di un nuovo controller basato su microprocessore. Sfortunatamente, un tecnico di modernizzazione di ascensori meno esperto opterà probabilmente per l'opzione "sostituzione semplice".

L'approccio delle aziende di manutenzione all'allocazione di tempo e risorse per la manutenzione ordinaria si è recentemente concentrato principalmente sulle nuove e complesse tecnologie degli ascensori. Di conseguenza, il tempo concesso per ogni intervento di manutenzione è stato ridotto al minimo, risultando ora insufficiente per una corretta manutenzione dell'ascensore, preparando i clienti alla vendita di nuovi ascensori, a causa dei problemi di affidabilità esistenti.

Un approccio diverso

La continua manutenzione e riparazione dei 25,000 ascensori storici in Polonia suggerisce che è possibile preservare una base di competenze più elevata, che incoraggia la rifabbricazione dei componenti in modo che corrispondano al design e alle specifiche originali. Ciò suggerisce anche che ingegneri e architetti comprendano l'esigenza sociale di modernizzazione.

L'ampia base di competenze della Polonia impegnata attivamente nella modernizzazione dei suoi numerosi ascensori vecchi e storici non è una dimostrazione delle competenze dei più giovani ingegneri degli ascensori, ma la prova vivente che nel nostro settore c'è spazio sia per gli ingegneri del restauro sia per gli ingegneri standard degli ascensori di nuova installazione.

Codici, standard e buone pratiche

Solo in tempi relativamente recenti sono stati pubblicati codici e linee guida di buone pratiche per gli ascensori. Nel Regno Unito, la norma BS 2655: Parte 3 (1971)[6] (sostituita nel 1989 e sostituita dalla norma EN 81-3:2000+A1 2008[7]) stabilisce le disposizioni raccomandate per gli ascensori elettrici standard in unità metriche. Prima di questa data, le unità di misura per la produzione, l'installazione e gli edifici erano espresse nelle misure imperiali di piedi e pollici. Questa data è importante per la comprensione originale dei limiti di progettazione degli ascensori installati nel Regno Unito. Gli ascensori potevano essere stati prodotti da un produttore britannico; da un fornitore europeo; o, come nel caso di edifici prestigiosi e relativamente alti dell'epoca, dagli Stati Uniti, che (sebbene utilizzassero unità di misura imperiali) avrebbero utilizzato filettature per viti secondo lo standard nazionale americano, che non sarebbero state compatibili con le filettature o le chiavi inglesi.

Prima dell'entrata in vigore della Direttiva Europea Ascensori, esistevano impianti di ascensori interamente importati da altri paesi, come il Giappone. In questi casi, il codice di fabbricazione e la progettazione dei componenti seguivano gli standard industriali giapponesi (JIS). Questi ascensori richiederanno un ammodernamento nel prossimo futuro. Di conseguenza, si deve presumere che i componenti di questi impianti avranno caratteristiche progettuali diverse da quelle dei componenti moderni, richiedendo quindi un'indagine approfondita in loco e un'ispezione di tutti i componenti per verificarne l'usura, i danni e la corretta installazione.

Un altro esempio di conflitto di codici è una situazione in cui una guida di un ascensore presenta una piega che probabilmente è presente fin dall'installazione e deve essere sostituita. Il progettista di modernizzazione si trova di fronte alla decisione se rimuovere la guida danneggiata e abbassare le sezioni soprastanti in modo che le sedi per chiavetta si incastrino in posizione (poiché hanno le stesse caratteristiche progettuali). A quale specifica dovrebbe essere conforme la nuova guida? Dovrebbe essere conforme alla norma ISO 7465:2007? Si trattava di una guida britannica con dimensioni imperiali, di una guida americana conforme alla norma A17.1 o di una guida giapponese conforme alla norma JIS?

È ancora possibile trovare ascensori con guide di cabina o di contrappeso in legno o rotonde che, sebbene non conformi alle normative moderne, hanno probabilmente garantito oltre 60 anni di servizio affidabile, se correttamente abbinati a un paracadute compatibile. La rimozione e la sostituzione di questo tipo di guida con moderne guide a T richiederebbe una valutazione strutturale completa delle pareti del vano, nonché l'eventuale sostituzione di una nuova arcata e di una nuova cabina.

Nella maggior parte dei casi, il ripristino o il riposizionamento delle guide dell'ascensore in un vecchio vano ascensore, costruito principalmente in muratura, può rappresentare una vera sfida progettuale, non solo per le staffe delle guide, ma anche per i telai delle porte, poiché la costruzione esistente non può sempre essere identificata e valutata correttamente.

Il progettista di un ascensore moderno, quando si trova a dover affrontare pareti del vano di corsa di costruzione sconosciuta, ha a disposizione diverse opzioni progettuali, a seconda dei fissaggi considerati. In ogni caso, è opportuno effettuare prove di carico in loco, utilizzando un dispositivo di applicazione del carico per testare la muratura e verificarne il distacco dal collegamento.

Considerazioni finali

Il fatto che un ascensore venga modernizzato non significa che non possa soddisfare i requisiti di accesso universale. Sebbene le dimensioni fisiche dell'ascensore possano influire sulla sua piena conformità e il riposizionamento delle cabine di comando possa rovinare le caratteristiche architettoniche delle cabine decorative in legno, l'introduzione di moderni indicatori LCD sarebbe totalmente incompatibile con il vecchio ascensore. Pertanto, l'ingegnere addetto alla modernizzazione degli ascensori non deve solo essere un tecnico qualificato che comprenda i limiti dell'ascensore da modernizzare, ma anche una persona consapevole delle opzioni disponibili e in grado di comprendere quali componenti possono essere revisionati o rifatti. Probabilmente la virtù più importante che deve possedere è quella di essere un attento conservatore degli ascensori, affinché i lavori di modernizzazione specificati non si trasformino in nient'altro che vandalismo storico.

Riconoscimento

Gli autori desiderano ringraziare tutti i colleghi di Arup per i loro consigli, l'assistenza e, cosa più importante, il loro entusiasmo nel promuovere la modernizzazione degli ascensori.

Referenze
[1] Roger E. Howkins. Guida alla progettazione della modernizzazione degli ascensori, Elevator World, Inc., 1998.
[2] Norma britannica 5655-11, 2005.
[3] E4 — Ascensori e scale mobili ad alta efficienza energetica. “Energia intelligente — Europa”, marzo 2010.
[4] John Gale. “EURO-LIFT 2012 a Kielce, Polonia,” ELEVATOR WORLD, febbraio 2013.
[5] “Linee guida sui test supplementari degli ascensori in servizio”, SAfed LGI — Safety Assessment Federation, febbraio 2006.
[6] Norma britannica 2655, Parte 3: 1971.
[7] Norma Europea 81-3:2000+A1 2008.
[8] Wikipedia. “Ingegneria forense” (en.wikipedia.org/wiki/Forensic_engineering).