L'impatto della EN 81-20 e della EN 81-50 nelle clip

Questo documento è stato presentato all'ELEVCON Madrid 2016, il Congresso internazionale sulle tecnologie di trasporto verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 21, a cura di A. Lustig. Si tratta di una ristampa con il permesso della International Association of Elevator Engineers IAEE (sito web: www.elevcon.com).

di Jesus Sanz e Jose Enrique Fernandez

In conformità con EN 81-20 e EN 81-50, le forze di attrito esercitate dalle clip sulle rotaie di guida devono essere incluse nel calcolo delle rotaie di guida. Il fatto di considerare le forze di attrito della clip può comportare la richiesta di dimensioni della rotaia di guida più grandi con un costo del materiale più elevato. L'uso di clip esistenti sul mercato con forze di attrito molto elevate, come quelle forgiate, sarà limitato a edifici corti, mentre quelli con un comportamento elastico possono influenzare la scelta della guida. Questo articolo contrasta le clip convenzionali e il nuovo concetto di clip regolabili con forze di attrito ultra basse e alta resistenza che sono adatte per il calcolo EN 81-20 e EN 81-50.

1. introduzione

Nonostante il deterioramento del percorso di marcia si manifesti nel tempo (l'instabilità delle rotaie di guida e la grande deformazione delle mensole non sono stati effetti sconosciuti dell'interazione tra l'edificio e il percorso di guida), le versioni precedenti della norma EN 81 omettevano considerazione di alcune forze verticali che si verificano nel percorso di guida.

A differenza della precedente EN 81, EN 81-20 e EN 81-50 aggiungere i seguenti fattori per determinare la forza verticale Fv sulle rotaie di guida:

• Carico di peso delle rotaie di guida
• Effetto dell'assestamento dell'edificio o del ritiro del calcestruzzo che provoca forze di spinta sui binari di guida a causa dell'attrito tra clip e binario di guida

Questo nuovo calcolo descritto nello standard invita l'industria dell'elevazione a rivedere e analizzare le clip disponibili sul mercato ea considerare lo sviluppo di nuove clip che offrono prestazioni migliorate.

2. Interazione tra clip e binario di guida

Ci sono due tipi di forze che agiscono sulla clip: forze laterali e verticali.

Lo spostamento dell'auto o del contrappeso, l'azionamento del paracadute o l'effetto di un terremoto provocano forze laterali sulle rotaie di guida che devono essere infine sopportate dalle clip.

Al contrario, gli spostamenti verticali differenziali tra l'edificio e le rotaie di guida (principalmente dovuti a cedimenti dell'edificio, ritiro strutturale o differenze termiche) provocano delle forze di attrito verticale sulle clip che devono essere infine sopportate dalle rotaie di guida e dai giunti, ovvero il il percorso. Questi spostamenti relativi si verificano in un lasso di tempo che può variare da sei mesi a due anni dopo il completamento dell'edificio. È possibile effettuare un calcolo accurato per determinare il rapporto decrescente di un edificio, ma non è lo scopo di questo articolo e una riduzione dello 0.1% dell'altezza totale dell'edificio è ampiamente accettata. Questa figura fornisce una regola rapida per stimare lo spostamento relativo verticale massimo (un edificio alto 40 m ha uno spostamento relativo massimo di 40 mm; se alto 100 m, allora è 100 mm, ecc.).

In qualche modo, le forze interagenti tra binario di guida e clip richiedono caratteristiche diverse a seconda dell'origine della forza. La forza trasmessa dal binario di guida alla clip richiede forza nella clip, mentre le forze trasmesse dalle clip al percorso di guida richiedono una bassa forza di attrito nel contatto. Lo scopo di entrambi i requisiti è preservare l'integrità strutturale del percorso di guida.

Le clip fissano il binario di guida, trattenendolo dalle sue alette di base (Figura 1). Lo spessore di questa caratteristica della rotaia di guida ha una tolleranza di ±0.75 mm che è una conseguenza del suo processo di fabbricazione (laminatoio a caldo). Riassumendo, le clip devono essere in grado di bloccare le rotaie su un elemento, il cui campo di variazione totale può essere di 1.5 mm e, nonostante ciò, devono garantire in tutti i casi il rispetto dei requisiti di resistenza e attrito.

3. Clip disponibili sul mercato

È possibile trovare molti diversi tipi di clip sul mercato, ma possono essere classificati in tre gruppi principali:

• Clip forgiate
• Clip in lamiera stampata
• Clip regolabili

La tabella 1 valuta alcune caratteristiche delle clip regolabili forgiate, in lamiera e SH.

3.1. Clip forgiate

Le clip forgiate sono compatte e la loro caratteristica principale è che la loro resistenza è molto elevata (Figura 2).

Esercitano una forza normale molto elevata sul binario di guida quando sono installati. Questa forza normale elevata si traduce in un'elevata forza di attrito verticale tra le clip e le rotaie di guida.

Questo tipo di clip è adatto per il fissaggio di alcuni elementi che devono essere saldamente fissati al percorso di guida (es. strutture motore in applicazioni senza locale macchina) e per il fissaggio delle guide in altezze di corsa ridotte dove gli spostamenti verticali differenziali tra clip e le rotaie di guida possono essere trascurate. Tuttavia, il suo utilizzo è totalmente limitato in edifici di media altezza.

La EN 81-20 consente di ignorare la forza di spinta per altezze di corsa non superiori a 40 m, mentre in questi casi richiede anche spazi adeguati per consentire il ritiro dell'edificio. In qualche modo, questo fatto può essere inteso come contraddittorio, e lascia ancora aperta la domanda sul perché 40 m (40 mm di spostamento relativo, come è stato detto sopra) sia il confine per considerare la forza di spinta. Considerare questa forza di spinta in tutti i casi sarebbe più consistente, indipendentemente dall'altezza dell'edificio, e richiederebbe l'uso della clip che è davvero adatta per ogni installazione secondo un calcolo tecnico.

3.2. SL clip in lamiera

Contrariamente alle clip forgiate, tradizionalmente, le clip in lamiera sono state considerate clip scorrevoli (SL) ed erano progettate per raggiungere altezze di viaggio maggiori (Figura 3).

In passato, le clip SL erano concepite come clip più deboli rispetto a quelle forgiate. La loro deformazione plastica dovrebbe essere raggiunta automaticamente durante la sua installazione e, quindi, la forza normale — e, successivamente, la forza di attrito con la rotaia di guida — non dovrebbe variare in modo significativo, nonostante la variazione dello spessore totale della base della rotaia di 1.5 mm.

Decenni fa, quando queste clip sono state implementate nel settore degli ascensori, sono stati effettuati solo test limitati e calcoli teorici con dati ipotetici e modelli elastoplastici molto semplici (regione elastica e regione plastica con Etan vicino allo zero). I dati risultanti sono stati accettati e sono stati considerati validi fino a poco tempo fa, ma è noto che possono differire dalla realtà a causa di vari fattori:

• La tolleranza dello spessore della base della guida è ±0.75.
• La normale tolleranza della clip per l'altezza del punto di contatto è ±1 mm.
• Variazione del limite di resa del materiale della clip da una clip all'altra
• Pressione laterale indotta dalla rotazione della clip durante il serraggio del dado
• Installazione errata (con giochi o con contatto nel raggio della guida)
• Spigoli vivi della staffa (piegature staffa, asole, ecc.)

È importante attirare l'attenzione sulle proprietà del materiale dell'acciaio normalmente utilizzato in questo tipo di clip, soprattutto a causa del fatto che si prevede che il materiale della clip operi nella regione plastica.

ST37 (o il suo equivalente, S235JR) definisce solo il limite di snervamento minimo consentito dell'acciaio a 235 MPa, ma il limite di snervamento reale può differire in modo importante da un lotto all'altro.

La variazione del limite di resa in 20 campioni analizzati varia dal 113% al 164% rispetto al valore di riferimento di 235 MPa.

Ecco perché diversi acciai conformi a ST37 si comportano in modo simile all'inizio, mentre il bullone viene serrato, perché iniziano a lavorare nella regione elastica. La differenza sorge quando l'acciaio raggiunge il limite di snervamento: la forza normale non continua ad aumentare linearmente e l'altro acciaio è ancora elastico un po' più in là. Ciò comporterebbe differenti forze normali sulla rotaia di guida e, quindi, differenti attriti e differenti resistenze.

Un'analisi approfondita delle prestazioni della clip in lamiera con tutte le variabili sopra menzionate mostra deviazioni significative tra i parametri teorici della clip e il comportamento reale della clip.

Tenendo conto di tutto ciò, è necessario definire la resistenza di questo tipo di clip, considerando il limite di snervamento minimo consentito della sua materia prima, ma la forza di attrito deve essere definita considerando il limite di snervamento massimo che si può trovare. Tuttavia, questo valore massimo non è disponibile, in quanto non è specificato nella definizione delle materie prime degli standard.

3.3. Clip regolabili SH

Mirando a forze di attrito ultra basse e clip ad alta resistenza, è sorto un nuovo concetto con le clip regolabili (Figura 4).

Le clip di tipo SH non dovrebbero esercitare alcuna pressione sul binario di guida quando sono installate. A tal fine possono essere installate adottando le dimensioni della guida nel punto in cui vengono montate.

Il vantaggio di non esercitare alcuna pressione sul binario di guida - infatti, una certa forza normale residua appare a causa di diverse imperfezioni - è che la forza di attrito diventa molto bassa.

Tuttavia, ci sono alcuni importanti svantaggi di questo tipo di clip, come la difficoltà di un corretto montaggio, l'usura prematura dei punti di contatto sotto carichi ciclici laterali moderati a causa del punto di contatto inclinato, rischio di disimpegno del binario di guida, ecc.

In sostanza, il contatto inclinato sul raggio della guida converte la reazione di contatto (R1) in due carichi componenti: uno verticale (Ry) e un altro orizzontale (Rx) che tendono ad aprire le clip (Figura 5). Ciò provoca un maggiore spostamento relativo al contatto tra la clip e la rotaia di guida che porta a un'usura prematura dei punti di contatto quando le clip vengono sottoposte a prove di durata e, se il carico è sufficientemente elevato, a un pericoloso disimpegno della rotaia di guida dalla le clip.

I risultati dei test di resistenza con Fx = 1,700 N, in cui le clip resistono a milioni di cicli, mostrano che la clip SH si usura e presenta i seguenti giochi:

• Distanza laterale: 0.5 mm dopo 150,000 cicli e 1 mm dopo 670,000 cicli
• Distanza verticale: distanza di 0.5 mm dopo 620,000 cicli

4. Clip all'avanguardia

Il mercato punta a clip che uniscano i vantaggi sopra menzionati ma riducano gli svantaggi ei rischi.

Come risultato di questa esigenza, sono state sviluppate nuove clip. Le clip SLS possono essere classificate nella famiglia delle clip in lamiera che esercitano una bassa pressione e le clip SCA appartengono alla famiglia delle clip regolabili.

4.1. Clip in lamiera SLS a basso attrito e moderata resistenza

Idealmente, la clip dovrebbe esercitare una forza controllata molto bassa sul binario di guida quando viene assemblata. Tuttavia, con le clip in lamiera standard, significa anche avere una bassa resistenza per sopportare i carichi laterali sulla rotaia di guida.

Le clip SLS portano sul mercato un nuovo concetto di clip in lamiera. Innanzitutto, questo nuovo tipo di clip riduce la forza normale al contatto con il binario di guida utilizzando una clip indebolita. Il fatto che sia più flessibile di una clip SL standard riduce anche l'influenza di altri fattori (come la clip e le tolleranze della guida). In secondo luogo, la clip deve essere dotata di un meccanismo o parte di sostegno che rinforzi la clip indebolita nel caso in cui un carico laterale sulla rotaia superi la normale forza esercitata dalla clip.

L'obiettivo di queste clip è raggiungere la resistenza delle clip SL ma ridurre la loro forza di attrito. La Figura 6 mostra uno dei concetti disponibili per l'integrazione del meccanismo di rinforzo nella clip.

Questa combinazione di comportamenti differenziati (più deboli durante il serraggio ma più forti quando sopportano carichi laterali) consente di ridurre, in pratica, la forza di attrito teorica delle clip SL, mantenendo i loro parametri di resistenza.

4.2. Clip regolabili SCA

Le clip SCA offrono una forza di attrito estremamente bassa, mentre possono sopportare carichi laterali elevati grazie al loro design robusto.

Essendo regolabili, il loro funzionamento principale consiste nel trattenere il binario di guida senza esercitare pressione sui punti di contatto tra clip e binario di guida. Hanno un meccanismo che può essere facilmente regolato durante l'installazione (Figura 7). Innanzitutto, la regolazione laterale viene effettuata fissando il bullone principale (1). Quindi, la parte di regolazione si adatta allo spessore della base della guida indipendentemente dal passaggio precedente (2 e 3). La differenziazione delle regolazioni (larghezza della base della guida rispetto all'altezza della base della guida) facilita il montaggio delle clip e consente forze di attrito notevolmente ridotte.

Inoltre, la clip presenta i seguenti vantaggi:

• Interfaccia anti-rotazione con la staffa: la clip viene mantenuta orizzontale senza l'utilizzo di strumenti aggiuntivi.
• Mantenimento della qualità del percorso di guida: la forza di attrito estremamente ridotta evita sollecitazioni ai giunti del binario di guida che possono modificare la qualità di guida raggiunta durante l'installazione.
• Inclinazione ammessa della staffa: le irregolarità della parete, in particolare quelle con superfici in calcestruzzo, possono causare l'inclinazione della staffa rispetto al binario di guida. Le clip SCA eseguono invariabilmente un'inclinazione della staffa fino a 3º.
• Costo: la sua semplicità e il metodo di produzione standardizzato si traducono in un prezzo competitivo. Inoltre, la forza di attrito ultra bassa consente di ottimizzare le staffe e, di conseguenza, di risparmiare materiale.

5. Confronto tra clip scorrevoli

La Tabella 2 confronta le clip convenzionali in lamiera con le clip SLS e le clip regolabili convenzionali con le clip SCA con gli stessi criteri della Tabella 1.

6. conclusioni

La bassa forza di attrito della clip è fondamentale per preservare la qualità del percorso di guida nel tempo. Questa caratteristica è vantaggiosa anche per il calcolo del binario di guida a causa del requisito EN 81-20 di considerare la forza di spinta.

Sebbene la EN 81-20 permetta di ignorare la forza di spinta per altezze di corsa non superiori a 40 m, sarebbe più coerente considerare sempre la forza di spinta, quindi utilizzare qualsiasi clip valida secondo il calcolo.

L'analisi delle clip disponibili sul mercato non solo aiuta a sapere quali clip sono vantaggiose dal punto di vista dell'attrito, ma è anche un'opportunità per valutare altre caratteristiche che ci si aspetta dal funzionamento della clip.

Un confronto tra diverse clip scorrevoli attira l'attenzione su nuovi concetti di clip che, oltre a migliorare altri aspetti, riducono anche la forza di attrito.

Da un lato, le clip SCA offrono eccezionali forze di attrito ridotte e una resistenza molto elevata. D'altra parte, le clip SLS migliorano le prestazioni di attrito delle attuali clip in lamiera disponibili sul mercato, mantenendo livelli di resistenza simili.