Riflessioni su 25 anni di nastri in acciaio rivestito

Un nuovo standard per le sospensioni degli ascensori.

di Bruce Horne

Sintesi

Da oltre 170 anni, la fune che sospende un ascensore rappresenta uno dei componenti di sicurezza più critici, eppure meno visibili, dei sistemi di trasporto verticale. Questo articolo ripercorre l'evoluzione della tecnologia di sospensione degli ascensori, dalle funi di canapa intrecciata alle funi in acciaio e, infine, alla tecnologia delle cinghie in acciaio rivestite, oggi standard globale del settore.

Ogni evoluzione nella tecnologia dei sistemi di sospensione ha portato a progressi paralleli nei codici di sicurezza degli ascensori e nella progettazione degli edifici. In particolare, il rapporto D/d, la regola ingegneristica che impone che la puleggia motrice abbia un diametro almeno 40 volte superiore a quello della fune d'acciaio per prevenire la fatica da flessione prematura, è stato codificato nei primi standard di sicurezza per gli ascensori. Funi più grandi significavano macchine più grandi, il che a sua volta implicava la necessità di locali macchine dedicati che occupavano spazio prezioso nell'edificio.

Alla fine degli anni '1990, gli ingegneri di Otis hanno completamente ripensato il sistema di sospensione degli ascensori. Srotolando le tradizionali funi d'acciaio nei loro singoli fili e rivestendole una accanto all'altra con un rivestimento in poliuretano, hanno creato una cinghia piatta in acciaio rivestito. Ciò ha ridotto di quasi l'80% le dimensioni necessarie per il motore dell'ascensore, eliminando la necessità di una tradizionale e ampia sala macchine. L'ascensore Gen2® di Otis, lanciato nel 2000, ha introdotto vantaggi che andavano oltre il risparmio di spazio: nessuna necessità di lubrificazione, usura ridotta, funzionamento più silenzioso e maggiore efficienza energetica. A gennaio 2026, erano state installate oltre 1.2 milioni di unità in tutto il mondo e sono stati sviluppati standard di sicurezza internazionali per riconoscere la tecnologia delle cinghie in acciaio rivestite come nuovo standard del settore.

Le cinghie in acciaio rivestito sono diventate di fatto lo standard di sospensione per gli ascensori di bassa e media altezza in tutto il mondo, spingendo i limiti sempre più in alto: un risultato ingegneristico silenzioso ma rivoluzionario, frutto di oltre 25 anni di prestazioni sul campo e continua innovazione.

1. Introduzione: L'evoluzione degli ascensori

La storia della tecnologia degli ascensori comprende una lunga serie di invenzioni, reinvenzioni ed evoluzioni tecnologiche che hanno portato agli ascensori sicuri, affidabili, connessi e sostenibili di oggi.

Sebbene i progressi nella tecnologia di propulsione degli ascensori e nell'esperienza dei passeggeri spesso conquistino i titoli dei giornali, è la tecnologia invisibile che a volte offre i progressi più significativi.

I miglioramenti apportati ai sistemi di sospensione degli ascensori – la semplice fune – sono stati un elemento chiave nella continua evoluzione di VT fin dagli esordi. Insieme ai miglioramenti delle normative di sicurezza, l'evoluzione dalla fune di canapa alla fune in acciaio e, ora, alla cinghia in acciaio rivestito, ha spinto in avanti il ​​settore degli ascensori. Ora che la cinghia in acciaio rivestito di Otis – un'innovazione fondamentale che ha caratterizzato le piattaforme di ascensori Gen2 e ora Gen3™ e Gen360™ – celebra 25 anni di attività, è il momento opportuno per ripercorrere ciò che rende unica questa innovazione e come si è evoluta dalla sua introduzione.

2. Storia antica: ascensori e cavi d'acciaio

Gli ascensori fanno parte della storia umana fin dai tempi delle piramidi dell'antico Egitto.^[1] Sebbene la storia non riveli chi per primo lanciò una corda di canapa sopra un ramo d'albero per sollevare materiali a altezze superiori a quelle che gli esseri umani potrebbero raggiungere senza l'ausilio di mezzi meccanici, sappiamo che Egizi, Romani, Babilonesi e altri popoli idearono sistemi di corde e carrucole, argani e altri paranchi sempre più sofisticati per scopi edilizi. Esistono persino prove dell'esistenza di un vano ascensore nel Colosseo romano, completato nell'anno 80.^[2]

L'uso di leve, funi, pulegge e altri sistemi di sollevamento persistette senza significativi miglioramenti in termini di sicurezza fino all'invenzione, nel 1852, del freno di sicurezza per ascensori da parte di Elisha Graves Otis (1811-1861). Egli ne dimostrò l'efficacia – salendo sulla piattaforma e tagliando la fune di sollevamento con un'ascia, provando così che il meccanismo di sicurezza impediva la caduta libera – all'Esposizione dell'Industria di tutte le Nazioni di New York nel 1854. Il brevetto fu rilasciato nel 61.^[3]

Il freno di sicurezza trasformò rapidamente quello che era uno strumento industriale inaffidabile in un mezzo valido per trasportare non solo merci ma anche persone. Il primo ascensore commerciale sicuro per passeggeri fu un ascensore Otis dei primi tempi, installato nel 1857 in un grande magazzino di Manhattan di proprietà di EV Haughwout and Co.

I primi ascensori utilizzavano funi fatte di fili intrecciati o ritorti di canapa o altro materiale vegetale. La relativa fragilità e la resistenza imprevedibile della fune furono un fattore chiave nella necessità di un freno di sicurezza e nella fiducia che esso infondeva.

Con l'avanzare della tecnologia degli ascensori alla fine del XIX secolo, si è verificata un'evoluzione parallela nella tecnologia delle funi, con i produttori che hanno iniziato a sperimentare con funi metalliche e funi in acciaio.^[4] I cavi d'acciaio (noti anche come funi metalliche o funi d'acciaio) furono inventati nel 1834 dal funzionario minerario tedesco Wilhelm August Julius Albert,^[5] Fu anche uno dei primi a registrare osservazioni sulla fatica dei metalli. Dopo aver osservato i paranchi sovraccarichi nelle miniere d'argento, Albert si rese conto che avvolgendo dei piccoli fili metallici attorno alla tradizionale corda di canapa, quest'ultima sarebbe diventata più resistente. Con un'anima di canapa e un numero crescente di fili d'acciaio attorno a questo cordone centrale, vennero create le prime funi d'acciaio.^[6] Queste corde fatte a mano erano relativamente grandi di diametro e rigide, il che le rendeva poco adatte ad altri usi e preannunciava le sfide per l'innovazione futura.

Con l'introduzione dei cavi d'acciaio nelle miniere e la loro successiva diffusione in altre applicazioni di sollevamento, come il sollevamento di carichi, funivie e altri sistemi di movimentazione, gli ingegneri scoprirono la relazione tra il diametro della fune e il diametro della puleggia: all'aumentare del diametro della fune, era necessaria una puleggia più grande; al contrario, al diminuire del diametro della puleggia, la fune d'acciaio tendeva a sfilacciarsi, a meno che il diametro della fune non fosse ulteriormente ridotto.

Con l'avanzare della tecnologia degli ascensori, l'attenzione si è concentrata sulla sicurezza delle funi in tutte le applicazioni.

3. Gli sviluppi in materia di sicurezza portano all'adozione di normative per gli ascensori.

Nel XIX secolo, la tecnologia degli ascensori e lo sviluppo dei cavi d'acciaio fecero notevoli progressi, grazie anche al crescente utilizzo di funi metalliche, che permisero la costruzione di edifici più alti e la velocità degli ascensori. I progressi tecnologici e il successo commerciale degli ascensori fecero sì che sempre più persone li utilizzassero. Gli stati americani iniziarono a regolamentare il settore nascente, imponendo ispezioni e altre misure di sicurezza, prima la Pennsylvania nel 1865 e poi il Massachusetts nel 1877.^[7]

Nonostante l'innovazione del freno di sicurezza di Elisha Otis, persistevano altre problematiche. In assenza di robusti sistemi di sospensione, la rottura delle funi degli ascensori continuò a rappresentare un problema per tutta la seconda metà del XIX secolo.

La Otis Elevator Co. istituì un Ufficio di Ispezione nel 1883 per occuparsi dell'ispezione e della manutenzione periodica di tutti i componenti degli ascensori. In particolare, nel caso delle funi, l'ispezione regolare del numero e della frequenza di sfilacciamenti nei fili più sottili forniva informazioni utili per prevedere quando le funi dovessero essere sostituite prima di un potenziale guasto.

Nei due decenni successivi, le esigenze dell'industria degli ascensori, delle compagnie assicurative e degli utenti sono state utilizzate per sviluppare i primi codici di sicurezza per ascensori negli Stati Uniti, che regolamentavano la produzione e l'installazione degli ascensori al fine di garantire la sicurezza pubblica.

San Francisco ha approvato il suo primo codice di sicurezza nel 1913; Boston ha seguito l'esempio nel 1914; e il codice di New York è stato pubblicato nel 1918.^[8] Alla fine, vennero proposti codici statali e ampie linee guida giurisdizionali. Con l'emergere di questo mosaico di norme e regolamenti diversi, i produttori di ascensori cercarono un codice di sicurezza uniforme per gli ascensori. L'Associazione dei produttori di ascensori degli Stati Uniti (EMAUS) propose il primo modello di codice di sicurezza per gli ascensori. Dopo diversi anni di sviluppo, l'American Society of Mechanical Engineers (ASME)^®) pubblicò il primo “Codice di norme di sicurezza per la costruzione e la manutenzione di ascensori, montacarichi e scale mobili” nel 1921.^[9]

In tutti questi codici, le funi rappresentavano un requisito fondamentale. Nello specifico, il rapporto tra il diametro della puleggia (D) e il diametro della fune (d) era cruciale. All'epoca, la fatica dei metalli e i meccanismi di rottura legati a questo rapporto non erano ancora del tutto compresi. Tuttavia, sulla base della pratica, delle osservazioni e dell'esperienza, l'industria si è orientata verso un rapporto D/d di 40 a 1, in cui il diametro della puleggia deve essere 40 volte il diametro della fune.

Con l'aumentare dell'altezza degli edifici, che richiedeva ascensori più veloci con funi di diametro maggiore, anche il diametro delle pulegge di azionamento dei motori degli ascensori è aumentato. Per diversi decenni, ciò ha comportato l'utilizzo di motori per ascensori di grandi dimensioni, solitamente alloggiati in una sala macchine separata: uno spazio sul tetto dell'edificio o all'interno dell'edificio stesso, che consentiva l'accesso alle apparecchiature per la manutenzione.

Nel corso del XX secolo, gli ascensori sono diventati più veloci e interconnessi, supportando edifici sempre più alti, ma senza grandi modifiche al sistema di propulsione a fune o all'uso delle sale macchine.

4. L'ascensore Otis Gen2 e la sua cinghia in acciaio rivestito

Questi locali macchine sottraevano spazio utilizzabile al proprietario dell'edificio o richiedevano una sporgenza sul tetto che ne comprometteva l'estetica. L'innovazione che ha permesso di eliminare il locale macchine ha rappresentato un significativo vantaggio competitivo per i produttori di ascensori.

Otis si ispirò al rapporto D/d imposto dalla normativa: per ridurre le dimensioni della macchina dell'ascensore in modo che entrasse nel vano ascensore, Otis dovette trovare un modo per ridurre il diametro della fune.

Le funi tradizionali in acciaio sono spesso costituite da molti piccoli trefoli avvolti insieme a formare cordoni più grandi, che a loro volta vengono ulteriormente avvolti l'uno sull'altro per formare la fune. L'innovazione di Otis è stata quella di "srotolare" la fune in acciaio nei suoi cordoni costituenti e di disporli in linea con un diametro di curvatura effettivo molto più piccolo (vedi Figura 1). Successivamente, ispirandosi alla tecnologia dei nastri trasportatori utilizzati nelle fabbriche e nell'industria mineraria a cielo aperto, i singoli cordoni sono stati incorporati in un rivestimento di poliuretano a formare un nastro, rendendo la nuova configurazione più facile da installare.

La soluzione è stata una "cinghia in acciaio rivestita": 12 cavi d'acciaio di 1.65 mm di diametro incapsulati in un rivestimento di poliuretano. Insieme alla tecnologia dei motori a magneti permanenti, la cinghia in acciaio rivestita ha permesso di ridurre il diametro della puleggia di azionamento dell'ascensore di quasi l'80% mantenendo il rapporto di diametro esistente di 40 a 1.[10] L'intera macchina dell'ascensore (motore, puleggia, cuscinetti e telaio) era abbastanza piccola da poter essere posizionata nella parte superiore del vano ascensore, creando l'ascensore senza locale macchine (MRL). Con una forma più lunga e stretta, la "salsiccia lunga" della macchina, come l'ha chiamata il team di progettazione, differiva dai progetti MRL concorrenti che avevano una forma più simile a una frittella e venivano posizionati dietro la guida della cabina. (vedi Figura 2)

La cinghia piatta è stata una delle chiavi del progetto dell'ascensore MRL, ma ben presto sono emersi altri vantaggi in termini di costruzione, impatto ambientale e prestazioni:

• Riduzione dei costi di costruzione grazie all'eliminazione del locale macchine o del locale tecnico sopra l'ultimo piano occupato, destinato unicamente ad ospitare le apparecchiature dell'ascensore.
• Carichi strutturali più semplici sull'edificio, soprattutto con una configurazione macchina su rotaie, in cui la macchina è montata sopra le rotaie dell'ascensore.
• La piccola macchina a magneti permanenti è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai sistemi convenzionali a fune o idraulici, e ancor di più se si aggiunge un sistema di recupero dell'energia.
• La lubrificazione è necessaria per le funi in acciaio che scorrono su pulegge e carrucole in acciaio, ma non è necessaria con la guaina in poliuretano.
• L'assenza di contatto diretto tra acciaio e acciaio con la puleggia elimina l'usura abrasiva tipica delle funi in acciaio, prolungando la durata utile della cinghia.
• Il rivestimento in poliuretano consente inoltre un migliore controllo dell'attrito e della trazione rispetto alle funi in acciaio.

Tuttavia, l'introduzione del nastro in acciaio rivestito ha comportato una sfida: monitorare e misurare gli effetti dell'usura.

Con le funi in acciaio, i trefoli rotti potevano essere osservati e contati direttamente dal personale di assistenza in sala macchine. Con le cinghie in acciaio rivestito, i trefoli sono nascosti alla vista e la caratterizzazione dell'usura non era possibile utilizzando i metodi tradizionali di ispezione delle funi metalliche.

Questa sfida ha portato a un'altra innovazione, l'Otis Pulse.^® Sistema di monitoraggio continuo. Facendo passare una corrente a bassa tensione attraverso il cavo d'acciaio e monitorando costantemente la resistenza, questo metodo di ispezione continua non invasivo offre una maggiore consapevolezza in termini di manutenzione rispetto alle ispezioni visive.

Otis ha condotto test approfonditi e completi per qualificare e certificare il nastro in acciaio rivestito da utilizzare nel suo sistema di ascensori Gen2.^[11]

Adattando le pratiche di collaudo perfezionate per oltre un secolo sulle funi in acciaio, Otis ha sviluppato una rigorosa campagna di qualificazione per esaminare la fatica da flessione, la resistenza alla trazione e la deformazione elastica, la trazione e lo slittamento, la durata della trazione, lo scorrimento viscoso, l'abrasione, la stabilità, nonché gli effetti ambientali (temperatura, raggi UV, ozono, nebbia salina, fuoco), i contaminanti (oli, detergenti, prodotti per la pulizia) e altri fattori sui nastri in acciaio rivestiti.

Grazie alla continua innovazione, sono state introdotte cinghie con un numero inferiore di cavi, cavi più robusti e miglioramenti al rivestimento in poliuretano. Le prime versioni delle cinghie in acciaio rivestito e tutte le cinghie introdotte successivamente sono state sottoposte a milioni e milioni di cicli di fatica e protocolli di prova. In definitiva, la cinghia si è dimostrata una soluzione affidabile e durevole in una varietà di condizioni.

I primi ascensori Gen2 con nastri in acciaio rivestito erano progettati per carichi fino a 1000 kg, velocità fino a 1.6 m/s e un dislivello massimo di 75 m.

Grazie ad anni di test ed esperienza sul campo, nonché a un'ampia documentazione di manutenzione a livello globale, i nastri trasportatori in acciaio rivestito vengono ora impiegati per carichi fino a 5000 kg, velocità di 3.5 m/s e dislivelli superiori a 150 m, con limiti in applicazioni specifiche che vengono ulteriormente ampliati per soddisfare le esigenze dei clienti man mano che si presentano. I nastri hanno davvero raggiunto nuove vette.

5. Piattaforme Gen3, Gen360 e il futuro del codice per ascensori

L'ascensore Gen2 e le versioni iniziali del nastro in acciaio rivestito hanno avuto un successo incredibile. Nei più di 25 anni trascorsi dal marzo 2000, quando le prime unità furono vendute a edifici di edilizia cooperativa a Linz, in Austria,^[11] Sono stati venduti e installati oltre 1.2 milioni di ascensori Gen2 e sono stati prodotti più di 82,500 miglia di nastro in acciaio rivestito solo per gli ascensori Otis, una distanza pari a quasi cinque volte la circonferenza della Terra. Gli ascensori a nastro sono stati installati in quasi tutti i 200 paesi e territori in cui Otis opera.

Le cinghie in acciaio rivestito si sono dimostrate un sistema collaudato, consentendo alla famiglia di ascensori a cinghia di prosperare e diventando la base per una continua reinvenzione e innovazione.

Il nastro in acciaio rivestito viene utilizzato negli ultimi prodotti Otis per edifici di bassa e media altezza: l'ascensore Gen3 con la piattaforma di servizi Internet of Things Otis ONE™ e l'ascensore Gen360, ispirato alle modifiche normative introdotte dalle norme EN 81-1 e EN 81-20.

Con l'evoluzione dei sistemi di sospensione e degli impianti degli ascensori, anche le normative in materia si sono modificate. Inizialmente, le cinghie non erano menzionate nel Codice. La norma ASME 17.6 ha iniziato a essere sviluppata nel 2005 ed è stata pubblicata per la prima volta nel 2010 come primo "Standard per i sistemi di sospensione, compensazione e regolazione degli ascensori", descrivendo per la prima volta le cinghie e altri "elementi di sospensione in acciaio elastomerico non circolari per ascensori" nella Parte 3. Un linguaggio normativo simile è stato adottato in India, seguito da altri paesi e giurisdizioni. Prima del lancio in Europa, i requisiti essenziali in materia di salute e sicurezza della Direttiva Ascensori dell'Unione Europea sono stati considerati per dimostrare l'uso sicuro e l'applicazione delle cinghie rispetto alle funi in acciaio, come definito nella norma EN 81-1. Con la pubblicazione delle norme ISO 8100-1 e ISO 8100-2, prevista per marzo 2026, saranno disponibili standard comuni per l'utilizzo di elementi di sospensione rivestiti in elastomero. Questo linguaggio normativo, ormai ben consolidato, potrebbe diventare lo standard globale da adottare in tutte le giurisdizioni.

Molto è cambiato negli oltre 170 anni trascorsi da quando Elisha Otis inventò il suo freno di sicurezza, ma la sua filosofia di sicurezza e il suo spirito di innovazione continuano a vivere.

Passeggeri e clienti non dovranno più preoccuparsi dell'imprevedibilità delle corde di canapa, né della fatica da flessione e dell'usura abrasiva delle grosse e rigide funi in acciaio.

Rivestendo l'acciaio con una guaina, Otis ha eliminato l'usura abrasiva dovuta allo sfregamento tra le fibre. Inoltre, grazie ai cavi di diametro inferiore, i prodotti Otis presentano una flessione relativa molto minore, una minore usura da sfregamento e un minore movimento tra i fili, con conseguente maggiore durata e un prodotto complessivamente migliore.

La durabilità del rivestimento protettivo diventa un requisito sempre più critico per la durata utile. Il monitoraggio dei sistemi di sospensione ha dato i suoi frutti, ma i criteri di ispezione visiva rimangono essenziali, proprio come l'ispezione annuale delle funi in acciaio, e l'individuazione di eventuali rotture dei sistemi di sospensione è fondamentale. Persino il comitato del codice di progettazione meccanica ASME A17 ha aggiornato la valutazione iniziale del rischio del sistema di sospensione, il che consentirà di apportare future modifiche al codice più incentrate sui criteri di individuazione di una rottura degli elementi di sospensione, anziché sulla riduzione della resistenza dovuta alla fatica.

Gli ascensori con cinghie di trasmissione sono più silenziosi, più sostenibili nel loro ciclo di vita e sono diventati di fatto lo standard del settore.

Elisha Otis divenne famoso per aver tagliato una corda durante la sua dimostrazione al Crystal Palace e aver proclamato: "Tutto a posto, signore e signori. Tutto a posto". Grazie alla sua eredità, quello spirito è continuato nell'innovazione che sta alla base dei moderni nastri trasportatori in acciaio rivestito. A più di 25 anni dalla loro prima introduzione, l'utilizzo dei nastri in acciaio rivestito continua a crescere, supportato da standard progettati per garantirne la produzione, l'installazione e la manutenzione sicure e di alta qualità a beneficio dei passeggeri di tutto il mondo.

Referenze

[1] Gavois J. “Going Up: An Informal History of the Elevator from the Pyramids to the Present”, 1ª ed. 1983. Farmington CT: Otis Elevator Co. 

[2] Nichols S. “L’evoluzione degli ascensori: interfaccia fisico-umana, interazione digitale e grattacieli”. Winter Bridge on Frontiers of Engineering. 2017. Atti della National Academy of Engineering. 

[3] Goodwin J. “Otis: Dare vita alla città moderna”, 1a ed. 2001. Chicago: Ivan R. Dee. 

[4] Gray, I. “Una breve storia delle funi metalliche degli ascensori, parte prima” ELEVATOR WORLD. 2016. 

[5] Koetsier, T e Ceccarelli, M (2012). “Esplorazioni nella storia delle macchine e dei meccanismi”. Springer Publishing. p. 388. ISBN 9789400741324. 

[6] Sayenga, D. "Storia moderna della fune metallica" 

[7] Gray, I. “Una storia dell’ascensore per passeggeri nel XIX secolo: dalle stanze ascendenti agli ascensori espressi” EW Educational Division 2002. Ristampato nel 2014. 

[8] Ordinanze sulla sicurezza degli ascensori della California, 1915-1918 

[9] “Il codice A17.1: un secolo di progressi per la sicurezza (dal 1921 al 2021)” EW 2021. 

[10] O'Donnell, H. “Nuova tecnologia per funi di sollevamento – Cinghie in acciaio rivestite”. Atti di: Elevator Technology 11 e della conferenza dell'International Association of Elevator Engineers a Singapore. 2001. 

[11] “Otis introduce la tecnologia a nastro Gen2® senza una sala macchine separata” US Industry News, EW. Marzo 2000. “Otis installerà 28 sistemi di ascensori Gen2® in un complesso di appartamenti in Austria” Comunicato stampa di Otis Elevator Co., 27 marzo 2000.