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2019
May • June
Maggio • Giugno
Volume 48 • Anno XLVIII
since • dal 1972
I.S.S.N. 1121-7995
Volpe Editore Srl
20060 Vignate, MI (Italy)
Via Di Vittorio, 21A
(In Italia) Spedizione in a.p. 70% - Filiale di Milano
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Techniques
Tecnica
Metal structures for lift
shafts: a special software
Strutture metalliche per vani
corsa: un software dedicato
Francesco Santamaria & Gilberto Cavanna
Part 1 Parte 1
T L
he building of finite element models [1] a costruzione di modelli agli elementi
has now become a fundamental stage finiti [1] è ormai diventata una fase
in the design of any structure within the fondamentale della progettazione di
building industry. qualsiasi struttura nel campo dell’edilizia.
In the field of lifting installations, the analyses In particolare, nel campo degli impianti elevatori,
and the imposed structural inspections by the le analisi e le verifiche strutturali imposte dalle
technical standards [2] [3] and those specific norme tecniche [2][3] e quelle specifiche per gli
to the installations [4] are carried out by impianti stessi [4] sono svolte mediante software
software (SW hereafter) by making increasingly (sw nel seguito) che realizzano modelli di calcolo
advanced calculation models which are a sempre più avanzati e che rappresentano uno
fundamental tool for the designer. strumento fondamentale per il progettista.
The design of lift shafts metal structures for lift La progettazione delle strutture metalliche per
systems requires special care and attention. i vani corsa degli impianti elevatori richiede
The current technology allows for the oggi particolare cura e attenzione: la tecnologia
manufacturing of press-formed structural attuale consente infatti la realizzazione di
profiles (instead of heavier profiles used in profili strutturali in lamiera pressopiegata (in
metallic carpentry) which are able to cater for sostituzione dei profili più pesanti in carpenteria
almost all architectural needs, by allowing the metallica), che riescono a coprire la quasi totalità
installation of lifts where it was not possible delle esigenze architettoniche, permettendo
until a few decades ago. l’installazione di impianti elevatori laddove, fino
These are almost always open sheet metal ad alcuni decenni fa, non ve ne era la possibilità.
profiles requiring complex calculations during Si tratta quasi sempre di profili aperti in lamiera
the design stage, mainly due to their modest sottile che richiedono però calcolazioni complesse in
torsion resistance. fase di progettazione, soprattutto per la loro modesta
On the other hand, in almost all installations, resistenza a torsione. Per contro, nella quasi totalità
these structures are connected to the building delle installazioni, queste strutture sono vincolate
(but they are not self-supporting). In this case, all’edificio cui sono asservite (dunque non sono
the use of sheet metal profiles can fulfil the autoportanti). In tal caso utilizzare profili in lamiera
fundamental requirement of structural lightness, sottile può soddisfare il requisito fondamentale
i.e. it does not significantly changes the seismic di leggerezza strutturale, ovverosia quello di non
behaviour of the existing building. modificare in maniera rilevante il comportamento
The companies working in this sector base sismico dell’edificio esistente.
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their estimates on tried and tested cases, Le aziende che lavorano in questo settore basano consolidated over time, or on pre-dimensioning generalmente la preventivazione su casistiche resulting from a set of limited initial data. collaudate e ormai consolidate nel tempo, oppure However, in my opinion, this approach does su predimensionamenti costruiti a partire da un not allow for the optimisation of materials insieme di pochi dati iniziali; tuttavia, a parere di (at worst, it can lead to a failure to verify chi scrive, questo approccio non consente, nella the calculation at the end of the project, with migliore delle ipotesi, ottimizzazioni sull’impiego predictable consequences ...). dei materiali (nella peggiore può portare a una The choice is dictated by the practical mancata verifica del calcolo al termine del progetto impossibility of developing a full-fledged ad hoc vero e proprio, con conseguenze immaginabili...). project in the quoting step, due to the time (and La scelta è dettata dalla impossibilità pratica di costs) required for a detailed modelling. sviluppare un vero e proprio progetto ad hoc già in The structural calculation SW available on the sede di preventivazione, a causa dei tempi (e dunque market for 1D models (rods and nodes) can dei costi) richiesti da una modellazione accurata. build structures having whatever geometry, I sw di calcolo strutturale disponibili sul mercato manufactured using the most common materials che realizzano modelli ad elementi 1D (aste e in the building industry. nodi) sono in grado, infatti, di modellare strutture However, such a broad scope takes time during aventi qualsiasi geometria e realizzate con tutti the model spatial definition and the mapping of i materiali più comuni nel campo dell’edilizia. the loads to apply to the structure. Tale estensione di utilizzo è però pagata con Furthermore, currently available SW deal il tempo impiegato per la definizione spaziale almost exclusively with standard profiles (L, del modello e della mappatura dei carichi da UPN, H, IPE, etc.), in the case of profiles applicare alla struttura. Inoltre i sw attualmente made of thin sheet metal, often leaving it to the disponibili trattano quasi esclusivamente profili designer the inspection of sections, no matter normali (L, UPN, H, IPE, ecc.), e lasciano spesso the geometry. al progettista la verifica delle sezioni nel caso Moreover, in this case, the internal connections di profili realizzati in lamiera sottile di qualsiasi between elements do not fall between geometria; per di più, in questa circostanza, the standardised ones and must be, therefore, anche le connessioni interne tra gli elementi non modelled and calculated separately rientrano tra quelle normalizzate e vanno dunque by the designer. modellate e calcolate separatamente dal progettista. Taking advantage of the geometric similarity of Sfruttando la similitudine geometrica di queste these structures (mainly uprights, crossbeams strutture (realizzate fondamentalmente da montanti, and sometimes bracing or stiffening brackets), traverse e talvolta controventi o staffe di rinforzo), the use of a dedicated SW makes all the l’utilizzo di un sw dedicato rende automatiche construction phases of the calculation automatic tutte le fasi di costruzione del modello di calcolo and by benchmarking the system features e, parametrizzando le caratteristiche dell’impianto (geometry, mechanics, external constraints, etc.) (geometria, meccanica, vincoli esterni, ecc.) riduce it dramatically cuts the time. drasticamente i tempi necessari alla realizzazione. The system consists of a fixed element (the Va detto inoltre che, nel caso in esame, il sistema è metal shaft) and a mobile element (the car costituito da un elemento fisso (la torre metallica) travelling in the shaft). e un elemento mobile (la cabina che scorre lungo In order to establish the most demanding il vano): per stabilire le condizioni di lavoro più working conditions, it is necessary to move gravose è necessario, a rigore, spostare la cabina the car along the shaft and, for each lungo il vano e, per ciascuna configurazione, configuration, to repeat all checks; the most ripetere tutte le verifiche; la configurazione più challenging configuration depends on many gravosa dipende infatti da molteplici parametri parameters and is not easy to identify even by e non è di facile individuazione anche per un an expert designer. progettista esperto. Questa procedura richiederebbe Thus, this procedure would require the dunque la realizzazione di molteplici modelli construction of multiple models within a single all’interno di un singolo predimensionamento, e la predimensioning and the final comparison comparazione conclusiva di tutti i risultati ottenuti. of all the results. Mediante un sw dedicato è possibile By using a special SW, the procedure is automatizzare anche questa procedura automated (movement of the car in the lift shaft (spostamento della cabina nel vano corsa e and comparison of the results), searching for the confronto dei risultati ottenuti), alla ricerca della hardest configuration.1 configurazione più gravosa1. If thin sheet metal profiles are used, the SW Nel caso vengano utilizzati profili in lamiera automatically calculates the relevant class and sottile il sw provvede automaticamente al calcolo 1 These are discrete movements, obtained from the 1 Si tratta di spostamenti discreti, ottenuti dai punti di application points corresponding to the crossbeams and, applicazione in corrispondenza delle traverse e, sulle on the guides, between crossbeam and crossbeam. guide, tra traversa e traversa. MAY | JUNE • MAGGIo | GIUGNO elevatorimagazine.com 41
local checks required by the standard. della classe di appartenenza ed alle verifiche Therefore, the use of a special SW turns locali richieste dalla normativa. the required pre-dimensioning in the estimate L’impiego di un sw dedicato rende dunque stage into an actual dimensioning, il predimensionamento richiesto in fase di matching later with the final design, within preventivazione un dimensionamento vero a minimum time frame. e proprio, che coinciderà poi col progetto Therefore, it is possible to identify the most definitivo, il tutto in tempi minimi. In pochi suitable metal profiles in just a few steps, passaggi è dunque possibile individuare i profili in terms of performance and costs, for each metallici più adatti, in termini di prestazioni e di installation layout, avoiding unnecessary costi, alla singola configurazione impiantistica, over-dimensioning and dangerous structural evitando inutili sovradimensionamenti e underdimensioning. pericolosi sottodimensionamenti strutturali. This work is aimed at various end users: Questo lavoro si rivolge a diversi utenti finali: • first and foremost, lift companies, which can • innanzitutto alle aziende ascensoristiche, rapidly identify the geometric and technical che possono individuare in tempi rapidi la solution best suited to each architectural need soluzione geometrica e tecnica più adatta alle of the installation site, having immediate singole esigenze architettoniche del luogo di certitude from the outset as to the real installazione, avendo, fin da subito, certezza feasibility of the project; della reale fattibilità finale del progetto; • design departments manufacturing profiles • ai reparti di progettazione delle aziende produttrici (standard or thin sheet metal) that can dei profili (normali o in lamiera sottile) che make use of the conclusive results during possono avvalersi di risultati certi già in sede di quoting stage. preventivazione nei confronti dei loro clienti. The use of a special SW can also be useful for L’impiego di un sw dedicato può risultare utile sector professionals aiming at cutting the time anche ai professionisti del settore che intendano devoted to project drafting and filling technical ridurre al minimo il tempo da dedicare alla reports. The results reported in this paper were redazione dei loro progetti e alla compilazione achieved using our SW (Feme - Finite Element delle relative relazioni tecniche. I risultati riportati Model for Elevators). in questa trattazione sono stati ottenuti utilizzando For each structural layout, the SW provides a un sw da noi integralmente sviluppato (Feme - report containing a summary of the calculation Finite Element Model for Elevators). in terms of minimum requirements required Per ciascuna configurazione strutturale scelta il by the standard and mechanical performance sw mette a disposizione un report che contiene il achieved by the structure. riassunto del calcolo in termini di superamento These are discrete movements, obtained dei requisiti minimi richiesti dalla normativa e di from the application points corresponding to prestazioni meccaniche raggiunte dalla struttura. the crossbeams and, on the guides, between Un eventuale confronto di report relativi crossbeam and crossbeam. alla stessa installazione, ma realizzati su Any comparison of reports referred to the same configurazioni differenti, può consentire una system, but manufactured according to different comparazione preventiva tra diverse soluzioni, layouts, can allow a preventive comparison proibitiva, in termini di tempo e costi, se ottenuta between different solutions, which is prohibitive mediante un sw non dedicato. in terms of time and costs, when achieved by La conoscenza delle diverse meccaniche means of a non-special SW. d’impianto e della diversa tipologia di profili The knowledge of the different mechanical disponibili sul mercato pone il Feme come punto systems and the different types of profiles d’incontro tra le esigenze di tutti coloro che ruotano available on the market makes the Feme a attorno alla realizzazione di un impianto elevatore meeting point between the needs of those dealing installato all’interno di una struttura metallica. with the construction of a lifting system in a La precisione dei risultati finali del Feme dipende metal structure. dalla precisione dei dati in ingresso (vd. Modulo The accuracy of the Feme results depends on di raccolta dati – DataFeme): maggiore è la the accuracy of input data (see Data collection precisione e la completezza dei dati in ingresso, form - DataFeme): the higher the precision and maggiore sarà la precisione dei risultati ottenuti. exhaustiveness of the input data, the better the Il Feme si differenzia, inoltre, dalla maggior parte accura-cy of the results. dei sw disponibili dal momento che, attraverso The Feme also differs from most of the available SW il modulo Relazione Tecnica (RelTecFeme), because the Technical Report form (RelTecFeme) consente al professionista di dedicare la propria allows the professional to research the optimal attenzione alla ricerca di soluzioni ottimali solutions (rather than drawing the project and the (piuttosto che al confezionamento del progetto e technical report for submission to the Technical della relazione tecnica per la presentazione presso Offices of the Civil engineering department). gli Uffici Tecnici del Genio Civile). 42 elevatorimagazine.com MAY | JUNE • MAGGIo | GIUGNO
The software algorithm L’Algoritmo del software In this paper, we describe the SW algorithm In questa trattazione è descritto l’algoritmo con and reports the results achieved in the first il quale lavora il sw e sono riportati i risultati stage of use. ottenuti durante la prima fase di utilizzo. Data collection form - DataFeme Modulo di raccolta dati - DataFeme The first step in designing using Feme is filling La prima fase di progettazione tramite Feme the data collection form (DataFeme), compiled è la compilazione del modulo di raccolta dati in the Visual Basic.Net. (DataFeme), ovvero un form scritto nel linguaggio In this way, it is possible to acquire and store all Visual Basic.Net con cui è possibile acquisire e the structure design parameters. memorizzare i parametri di progetto della struttura. Figure 1 - Dashboard of the data collection form (DataFeme) Figura 1 - Finestra principale del modulo di raccolta dati (DataFeme) Notably, the following is collected: In particolare, sono raccolte: 1. the geometric features of the structure 1. le caratteristiche geometriche della struttura (dimensions, pit, travel, headroom, (dimensioni in pianta, fossa, corsa, testata, clearances required for uprights and ingombri previsti per montanti e traversi); crossbeams); 2. le caratteristiche generali dell’impianto (numero 2. the general features of the system (number fermate, altezze degli interpiani, posizione degli of stops, intermediate floor heights, landing sbarchi, tipologia delle porte di piano); position, landing door type); 3. i dati della meccanica (tipo di arcata, tipo 3. the mechanical data (car sling type, guide guide2, scartamento guide e sua posizione rails2, guide rail width and relevant position rispetto alla traversa, carichi massimi agenti to the crossbeam, maximum loads acting on sulle guide di scorrimento dovute alla presa sliding guides based on the safety gear grip); del paracadute); 4. Seismic parameters (installation site, 4. i parametri sismici (luogo di installazione, class of use, topographical category and classe d’uso, categoria topografica e del underground); sottosuolo); 5. Additional project parameters (any 5. altri parametri di progetto (presenza e stiffening and relevant position, anchoring posizione di eventuali irrigidimenti, posizione position in case the structure is bound to an degli ancoraggi previsti nel caso di struttura existing building). legata a un edificio esistente). Construction of the model Costruzione del modello The data collected via the DataFeme form are I dati raccolti attraverso il form DataFeme sono then passed to the SW calculation (written poi passati al sw di calcolo (scritto in linguaggio in the MatLab language) that processes and MatLab) che li elabora e realizza il modello agli implements the finite element model. elementi finiti. Data la geometria di questo tipo di Given the geometry of this type of structures strutture (telaio a pianta rettangolare), il sw riesce 2 Verification according to EN 81-20. 2 Per la verifica secondo EN 81-20. MAY | JUNE • MAGGIo | GIUGNO elevatorimagazine.com 43
(rectangular-shaped frame), building on the velocemente a creare un modello di travi e aste a project data, the SW succeeds in swiftly creating partire dai dati di progetto, definendo in maniera a model of beams and rods, automatically automatica la posizione dei nodi e degli elementi. defining the position of nodes and elements. Analogamente ai sw di calcolo strutturale disponibili Like the structural calculation SW available in commercio, è possibile imporre le condizioni al on the market, it is possible to impose the contorno scelte dal progettista e indicare i profili boundary conditions chosen by the designer and delle sezioni con cui realizzare la struttura. to state the section profiles used to create the Come accennato, a questo proposito si deve structure. notare che il Feme effettua le verifiche non solo As mentioned, it should be noted that Feme does per strutture realizzate con profili serie normale, not only perform checks for structures made of ma anche per quelle realizzate in lamiera sottile standard profiles, but also for thin press-formed pressopiegata (sono compresi i profili di classe 43). sheet structures (including class 43 profiles). È inoltre possibile imporre al modello il rilascio It is also possible to impose the release of the dei vincoli interni in corrispondenza dei nodi di internal constraints on the model at connecting collegamento tra i montanti e le traverse della nodes be-tween the uprights and the crossbeams torre metallica. Ciò è indispensabile per creare of the metal shaft. This is essential to create dei modelli di strutture aventi giunzioni che non structures with joints that are not hypothesised sono ipotizzabili come incastri perfetti, ma che as perfect joints, but allow for discontinuity in ammettono delle discontinuità nelle rotazioni rotations (internal elastic hinges)4. (cerniere elastiche interne)4. Application of external forces Applicazione delle forze esterne The application of loads due to the safety gear Anche l’applicazione dei carichi dovuti release (namely the maximum load exerted by the all’intervento del paracadute (ovverosia le massime mechanics) also occurs automatically: The Feme esercitate dalla meccanica) avviene in maniera introduces the car guide rails into the model and automatica: il Feme introduce nel modello le guide applies the forces following a scheme that varies di scorrimento della cabina e applica le forze according to the mechanics type (lateral, central, seguendo uno schema che varia a seconda del tipo di etc. - see Figure 2). meccanica (laterale, centrale, etc. - vd. Figura 2). Figure 2 - Mechanical layout Figura 2 - Disposizione meccanica Before carrying out structural assessments, Prima delle verifiche strutturali, il sw è in grado di the SW can identify the points of force individuare i punti di applicazione delle forze per application for which the worst-case scenario i quali si può manifestare la condizione peggiore may occur in terms of resistance and movements. in termini di sfruttamento alla resistenza e di The map of the 4 loads resulting from the spostamenti. La mappa dei 4 carichi derivanti intervention of the safety gear (next to the 4 dall’intervento del paracadute (in prossimità dei car shoes, namely the contact points between 4 pattini di cabina, ovverosia dei punti di contatto 3 Based on the guidelines provided by the Eurocode 3 Sulla base delle indicazioni fornite dall’Eurocodice the SW automatically performs the classification il sw provvede automaticamente alla classificazione della of the profile section and the calculation of its effective sezione del profilo ed al calcolo delle sue caratteristiche resistance features. di resistenza efficaci. 4 The Feme performs this operation automatically on all 4 Anche questa operazione è eseguita automaticamente dal elements, without having to apply this criterion element Feme su tutti gli elementi, senza la necessità di applicare by element and node by node. il criterio elemento per elemento e nodo per nodo. 44 elevatorimagazine.com MAY | JUNE • MAGGIo | GIUGNO
the moving element and the guides supporting tra l’elemento mobile e le guide solidali alla torre the metal shaft) is vertically shifted along the metallica) viene traslata verticalmente lungo la system travel, thereby allowing to simulate of the corsa dell’impianto, consentendo di simulare lo travelling of the car in the shaft (Figure 3). scorrimento della cabina nel vano (Figura 3). Figure 3 - Safety gear load sliding (lateral mechanics) Figura 3 - Scorrimento carichi da paracadute (meccanica laterale) In each identified position, the complete In ciascuna posizione così individuata viene reconstructed calculation is carried out rieseguito il calcolo completo (spostamenti delle (movement of the guide rails at contact points guide nei punti di contatto dei pattini e relativo of car shoes and relevant exploitation of sfruttamento del materiale). the material). As mentioned, this automatic Come accennato tale procedura automatica procedure adopted by the SW is fundamental adottata dal sw è fondamentale perché la because the worst load configuration is not the configurazione di carico peggiore non è uguale same for all the installations, but it is strictly per tutti gli impianti, ma è strettamente legata alle linked to the boundary conditions. condizioni al contorno. Anche i carichi da vento The SW also applies wind and thermal loads e termici sono applicati alla struttura direttamente directly to the structure after inserting the main dal sw dopo aver indicato i parametri principali parameters used to calculate the wind pressure che servono per il calcolo della pressione del and the operating temperatures5. vento e le temperature di esercizio5. Eventuali Any additional forces can be applied manually altre forze possono essere applicate in maniera by the designer, while the load combinations manuale dal progettista, mentre le combinazioni di stated by the regulations are identified by the carico dettate dalla normativa sono individuate dal SW and the number reduced to what is strictly sw e ridotte nel numero strettamente necessario al needed for the metal shaft design. progetto della torre metallica. Seismic actions: dynamic analysis Azioni sismiche: analisi dinamica and imposed movements e spostamenti imposti Another fundamental part of the calculation Altra parte fondamentale del calcolo eseguito dal performed by the Feme SW is the analysis sw Feme è l’analisi necessaria alla progettazione necessary for seismic design purposes. The per azioni sismiche. Le forze sismiche da SW apply the seismic forces to the structure applicare alla struttura sono calcolate dal sw according to the standard by performing secondo la normativa eseguendo un’analisi a modal dynamic analysis of the model. In dinamica modale del modello realizzato. addition to the masses of the structural ele- Oltre alle masse proprie degli elementi ments, concentrated masses are added near strutturali, sono aggiunte delle masse concentrate the 4 car shoes (Figure 4), the sum of which is in prossimità dei 4 pattini di cabina (Figura 4) la equal to the to-tal mass of the car, of the system cui somma è pari alla massa totale della cabina, and of the designed load. dell’impianto e della portata di progetto. 5 Snow loads are generally negligible, but they can still 5 I carichi da neve sono generalmente trascurabili, be entered automatically. ma è comunque possibile inserirli automaticamente. MAY | JUNE • MAGGIo | GIUGNO elevatorimagazine.com 45
Figure 4 - Car mass simulation for seismic analysis (lateral mechanics) Figura 4 - Schematizzazione delle masse di cabina per l’analisi sismica (meccanica laterale) This configuration lends itself to simulate what Tale configurazione è adatta a simulare ciò che occurs after the operation of the safety devices avviene negli istanti successivi all’azionamento following a seismic event. It is foreseeable that dei dispositivi di sicurezza a seguito di un evento a seismic event causes the operation of the sismico. È infatti prevedibile che un evento sismico safety gear during the car travel. Once the grip induca sull’impianto, durante una corsa, l’intervento (instantaneous or progressive) of the device del paracadute; terminata la presa (istantanea has ceased, the car (worst-case scenario, at o progressiva) del dispositivo, la cabina (nella payload), stopped on the guide rails and the peggiore delle ipotesi a piena portata), bloccata sulle metal shaft can therefore be considered as guide, e la torre metallica possono quindi essere integral parts of a single structure. considerate parti solidali di un’unica struttura. In the case of structures anchored to existing Nel caso di strutture ancorate ad edifici esistenti buildings, we must consider the seismic load si deve tener conto del carico sismico dovuto allo due to the building displacement acting on the spostamento dell’edificio che agisce sulla torre metal shaft. This phenomenon can be taken into metallica. Tale fenomeno può essere tenuto in consideration by forcing horizontal movements conto imponendo alla struttura degli spostamenti at the anchoring nodes. If there are insufficient orizzontali in corrispondenza dei nodi di data on the existing building, the calculation ancoraggio. Nel caso in cui non si abbiano method of building movements is dictated by the sufficienti dati sull’edificio esistente, la modalità technical standards. di calcolo degli spostamenti dell’edificio è Notably, the 2018 NTC (Building technical dettata dalle norme tecniche. standards) suggest a maximum building In particolare, le NTC 2018 suggeriscono, come displacement illustrated by the following spostamento massimo dell’edificio, la quantità formula: data dalla formula: 1/100×z×ag×S / g (6) (1) 1/100×z×ag×S / g (6) (1) where z is the quota of the displacement, dove z è la quota di calcolo dello spostamento, ag is the maximum horizontal acceleration ag è l’accelerazione massima orizzontale sul sito at the reference site, S is the coefficient for di riferimento, S è il coefficiente che tiene conto underground category and topographic della categoria di sottosuolo e delle condizioni conditions and g is the gravity acceleration. topografiche e g è l’accelerazione di gravità. This analysis of the imposed movements is Tale analisi agli spostamenti imposti è implemented in the SW, which automatically implementata nel sw, il quale calcola calculates the displacements according to the automaticamente gli spostamenti in funzione della anchored nodes and applies them to the nodes quota dei nodi ancorati e applica tali spostamenti in the calculation phase and structural check in ai nodi stessi nella fase di calcolo e verifica the case when the combination load accounts strutturale, nei casi in cui la combinazione di for seismic actions. carico preveda la presenza di azioni sismiche. 6 This formula is related to the technical joint, namely the 6 Si tratta della formula relativa al giunto tecnico, ovverosia minimum distance between adjacent buildings. In this della minima distanza tra costruzioni contigue, interpretato case, it is not the minimum distance between the new in questo caso non tanto come la minima distanza di structure and an existing one, but the measure of the rispetto tra una nuova costruzione ed una esistente, bensì maximum deformation ofr the existing building; the metal come misura dello sbandamento massimo previsto per shaft connected to the building will undergo the same l’edificio esistente; la torre metallica, legata all’edificio displacement. stesso subirà il medesimo spostamento. 46 elevatorimagazine.com MAY | JUNE • MAGGIo | GIUGNO
Calculation of the structure and checks Calcolo della struttura e verifiche
The solution of the equation systems of the finite Attraverso la soluzione dei sistemi di equazioni
element method allows the Feme to carry out caratteristici del metodo agli elementi finiti, il
three types of structural analysis: Feme effettua tre tipi di analisi strutturale:
1. modal dynamic analysis for the calculation of 1. analisi dinamica modale per il calcolo delle
seismic forces; forze sismiche;
2. buckling analysis to identify any geometric 2. analisi di buckling per individuare eventuali
nonlinearity and cases of instability; non linearità geometriche e casi di instabilità;
3. linear static analysis for the calculation of 3. analisi statica lineare per il calcolo di
displacements and stresses due to applied spostamenti e sollecitazioni dovuti alle forze
external forces. esterne applicate.
The results of the calculations are then used to I risultati dei calcoli sono poi utilizzati per
carry out the checks required by the standards. effettuare le verifiche imposte dalle normative.
In particular, the SW automatically executes: In particolare, il sw esegue automaticamente:
• calculation of resistance characteristics useful • calcolo delle caratteristiche di resistenza
for class 4 profiles; efficaci per i profili di classe 4;
• calculation of the critical multiplier αcr to • calcolo del moltiplicatore critico αcr per tenere
consider any geometric nonlinearity; in conto le eventuali non linearità geometriche;
• resistance and stability checks to the Ultimate • verifiche di resistenza e stabilità agli Stati
Limit States; Limite Ultimi;
• displacement checks to the Serviceability • verifiche degli spostamenti agli Stati Limite di
Limit States; Esercizio;
• displacement checks of the guide rails at the • verifiche degli spostamenti delle guide nei punti
points of safety gear grips (EN 81-20 standard); di presa del paracadute (norma EN 81-20);
• bolted joints checks (also for non-standardised • verifiche delle giunzioni bullonate (anche per
profiles) and welding; profili non normalizzati) e delle saldature;
• dimensioning and check of anchor bolts at • dimensionamento e verifica dei tasselli di
the base of the uprights and the walls of the ancoraggio alla base dei montanti e alle pareti
building. dell’edificio.
Drafting of the report and/or technical Stesura del report e/o della relazione
report and drawing tecnica e del disegno
After completing the actual calculation and Terminata la fase vera e propria di calcolo
assessment phase, the Feme can prepare and fill e verifica il Feme è in grado di provvedere
in a calculation report (ReportFeme Form) and, anche alla compilazione di un report (Modulo
if necessary, the drafting of a complete technical ReportFeme) di calcolo ed eventualmente alla
report (RelTecFeme Form). The latter is already stesura di una relazione tecnica completa (Modulo
divided into the necessary files by each civil RelTecFeme). Quest’ultima è già suddivisa
engineering department responsible for their nei fascicoli richiesti da ciascun genio civile
territory, and this further reduces the processing competente per territorio e ciò riduce ulteriormente
time of the individual project8. i tempi di elaborazione del singolo progetto8.
It is useful to highlight that the report written È utile evidenziare che la relazione scritta
by the SW does not merely consist of the tramite il sw non consiste semplicemente nel
calculations file, but also contains the descriptive fascicolo dei calcoli, ma contiene anche la parte
part of the model and the assumptions descrittiva del modello e le ipotesi alla base
underlying the calculation. Furthermore, there del calcolo. Inoltre, sono presenti i particolari
are constructive details of the work and all the costruttivi dell’opera e tutte le rappresentazioni
graphic representations required by the law. grafiche richieste dalla normativa. In ultimo un
Lastly, a special form (DWGFeme Form) allows modulo dedicato (Modulo DWGFeme) consente
the drafting of the structural part graphics of the la stesura dell’elaborato grafico della parte
metal shaft in .dwg format. strutturale della torre metallica in formato .dwg.
End of Part 1 Fine Parte 1
Translated by Susan Visentin
7 Traditional SWs do not perform these operations 7 I sw tradizionali non eseguono queste operazioni in
automatically; it is, therefore, necessary to input a automatico; occorre inserire un edificio “fittizio” che
"fictitious" building that makes the same displacements, raggiunga gli stessi spostamenti, legare edificio e torre e
to tie the building and the shaft structure together and to applicare il carico sismico; oppure imporre alla struttura
apply the seismic load; or to impose the elastic boundary delle condizioni al contorno elastiche che le consentano di
conditions on the structure that allow it to oscillate within oscillare nella misura indicata nella (1).
the measurements indicated in (1). 8 Pur essendo simili nei contenuti le richieste, in termini di
8 Although the requests are similar in content, regarding files fascicoli e di nomenclatura, variano da regione a regione
and terminology, they vary from region to region (in some (in alcuni casi addirittura da provincia a provincia della
cases even from province to province of the same area). stessa regione).
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Tecnica
Metal structures for lift
shafts: a special software
Strutture metalliche per vani
corsa: un software dedicato
Francesco Santamaria & Gilberto Cavanna
Part 2 Parte 2
Software use analysis Analisi sull’utilizzo del software
Results after the first stage of use Risultati dopo la prima fase di utilizzo
DATA ACQUISITION STAGE / FASE DI ACQUISIZIONE DATI
Traditional method / Metodo tradizionale FEME method / Metodo FEME
Geometric data entry / Inserimento dati geometrici manual (more than 1 form) manual (1 form only)
manuale (più form) manuale (1 solo form)
Mechanical positioning / Posizionamento meccanica manual/manuale automatic/automatica
CALCULATION STAGE AND REPORT / FASE DI CALCOLO E REPORT
Traditional method / Metodo tradizionale FEME method / Metodo FEME
Node and rod definition / Definizione nodi ed aste manual/manuale semiautomatic/semiautomatica
External constraints definition / Definizione vincoli esterni manual/manuale semiautomatic/semiautomatica
Profile definition / Definizione profili manual/manuale manual/manuale
Profile classification / Classificazione profili manual/manuale automatic/automatico
Profile check (class 4) / Verifica profili (classe 4) manual/manuale automatic/automatico
Internal junctions / Svincoli interni manual/manuale automatic/automatico
Imposed seismic movements / Spostamenti sismici imposti manual/manuale automatic/automatico
Car mechanics displacement / Spostamento meccanica cabina absent (or manual)/assente (o manuale) automatic/automatico
EN 81-20 check / Verifica EN 81-20 absent (or manual)/assente (o manuale) automatic/automatico
Internal connection check / Verifica connessioni interne manual/manuale automatic/automatico
External connection check / Verifica connessioni esterne manual/manuale automatic/automatico
Calculations / Calcolazioni automatic/automatico automatic/automatico
TECHNICAL REPORT AND GRAPHICS / REPORT RELAZIONE TECNICA ED ELABORAZIONE GRAFICA
Traditional method / Metodo tradizionale FEME method / Metodo FEME
Calculation final report / Report finale del calcolo manual/manuale automatic/automatico
Technical processing report / Elaborazione relazione tecnica manual/manuale automatic/automatico
Graphics / Elaborazione grafica manual/manuale automatic (80%)/automatica (80%)
Table 1 - Implementation stages of the structural calculation
Tabella 1 - Fasi di realizzazione del calcolo strutturale
44 elevatorimagazine.com JULY | AUGUST • LUGLIo | AGOSTOTable 1 shows the stages of implementation Nella Tabella 1 sono riportate le fasi
of the calculation of the structure to be planned di realizzazione del calcolo della struttura
from the insertion of the geometrical data up da progettare dall’inserimento dei dati geometrici
to the drafting of the technical report. fino all’elaborazione della relazione tecnica.
A manual operation refers to a process which Si intende genericamente con operazione
requires the intervention of the designer in the manuale un’operazione che richiede l’intervento
data entry stage and the evaluation of results. del progettista in fase di inserimento dati
On the contrary, generically speaking e di valutazione risultati. Al contrario, si intende
with an automatic (or semi-automatic) operation, genericamente con operazione automatica
it refers to a process performed directly (o semiautomatica) un’operazione eseguita
by the programme (or with minimal input direttamente dal programma (o con un modesto
from the designer) and which requires ausilio del progettista) e che richiede l’intervento
the intervention of the designer only in the initial del progettista solo in fase di inserimento iniziale
phase of data input. dei dati. Il primo risultato che è stato conseguito
The first result that was achieved following the a seguito di un primo utilizzo del sw Feme è una
initial use of the Feme SW is a drastic reduction drastica riduzione dei tempi di progettazione data
in the design time given by the automation of dall’automatizzazione di quasi tutte le fasi del
almost all the stages of the calculation. Table 2 calcolo. Nella Tabella 2 sono riportate le stime dei
shows the estimates of the times of the project tempi delle fasi di progetto svolte con il metodo
phases carried out with the traditional method tradizionale e con il sw dedicato (Metodo Feme).
and with the dedicated SW (Feme Method). A titolo esemplificativo non esaustivo, è stata
By way of a non-exhaustive example, a time eseguita una comparazione temporale relativa allo
comparison was made relevant to the study of the studio della stessa struttura metallica analizzata
metallic structure analysed with a traditional SW con un sw tradizionale e con il sw dedicato Feme.
and with the dedicated Feme SW. Il modello della struttura analizzata
The model of the analysed structure ha 350 nodi (impianto elevatore con sei fermate
has 350 nodes (lift system with six stops e altezza di 20 metri circa) ed è realizzato
and some 20 metres height) and it is made con elementi finiti trave e asta.
of finished beam and rod elements. Il calcolo è stato eseguito utilizzando
The calculation was performed using a personal un personal computer avente le caratteristiche
computer with features shown in Table 3. riportate in Tabella 3.
Stage hr:min Fase ore:min
Model construction M 2:00 Costruzione del modello M 2:00
Calculation and structural checks A 0:03 Calcolo e verifiche strutturali A 0:03
Metodo Tradizionale
Traditional Method
Data analysis and standard checks M 2:00 Analisi dati e verifiche normative M 2:00
Joint check M 2:00 Verifica delle giunzioni M 2:00
Calculation report A 0:04 Report del calcolo A 0:04
Drafting of the calculation dossier A 0:03 Redazione del fascicolo calcoli A 0:03
Drafting the report M 5:00 Redazione della relazione M 5:00
Civil engineering department filing M 2:00 Fascicolazione Genio Civile M 2:00
Drawing up of graphics M 2:00 Redazione elaborati grafici M 2:00
Total hours 15:10 Totale ore 15:10
Stage hr:min Fase ore:min
Model construction M 0:10 Costruzione del modello M 0:10
Calculation and structural checks A 0:40 Calcolo e verifiche strutturali A 0:40
Data analysis and standard checks A Analisi dati e verifiche normative A
Metodo feme
FEME Method
Joint check A Verifica delle giunzioni A
Calculation report A Report del calcolo A
0:05 0:05
Drafting of the calculation dossier A Redazione del fascicolo calcoli A
Drafting the report A Redazione della relazione A
Civil engineering department filing A Fascicolazione Genio Civile A
Drawing up of graphics M 0:15 Redazione elaborati grafici M 0:15
Total hours 1:10 Totale ore 1:10
Table 2 - Estimate of design times Tabella 2 - Stima dei tempi di progetto
(A: Automatic procedure - M: Manual procedure) (A: procedimento Automatico - M: procedimento Manuale)
JULY | AUGUST • LUGLIo | AGOSTO elevatorimagazine.com 45Intel® Core i7 3770 CPU Intel® Core i7 3770 CPU
Processor Processore
3.40 GHz 3.40 GHz
Installed Memory (RAM) 16.00 GB Memoria Installata (RAM) 16.00 GB
Video Card Intel® HD Graphics 4000 Scheda video Intel® HD Graphics 4000
Table 3 - Characteristics of the calculation machine Tabella 3 - Caratteristiche della macchina di calcolo
The difference in time during the construction La differenza di tempo durante la fase di
phase of the model is due to, in the case of costruzione del modello è dovuta alla necessità,
the traditional method, the need to define the nel caso del metodo tradizionale, di definire
individual nodes and elements within the space i singoli nodi ed elementi nello spazio e le
and their properties. The dedicated SW, on the loro proprietà. Il sw dedicato, invece, realizza
other hand, creates the model starting from a il modello a partire da pochi dati geometrici
handful of numerical, geometric data entered by numerici inseriti dal progettista.
the designer. La maggior parte del tempo impiegato col
The bulk of the time employed by the Feme Metodo Feme riguarda il calcolo della soluzione.
Method applies to the calculation of the solution. Ciò è dovuto al fatto che tutte le verifiche sono
This is because all checks are directly carried effettuate dal sw stesso in maniera automatica
out automatically by the SW (the count also (nel conteggio è compresa anche la ricerca
includes the iterative search for the worst load iterativa delle condizioni di carico peggiori –
conditions - in this case, 30 iterations - the nel caso specifico 30 iterazioni – l’analisi di
buckling analysis, the internal and external joint buckling, la verifica di tutte le giunzioni interne
check) with longer computational times. ed esterne) con tempi computazionali maggiori.
The traditional method does not provide for Ovviamente il metodo tradizionale non prevede
the search of the worst load condition, and the la ricerca della condizione di carico più gravosa
choice of the position of the car along the shaft is e la scelta della posizione della cabina lungo il
left to the designer. vano è lasciata al progettista.
Should one wish to determine the worst condition Qualora si volesse determinare la condizione
even with the traditional method, it would be più gravosa anche col metodo tradizionale
necessary to: occorrerebbe:
• multiply the time required for the construction • moltiplicare il tempo richiesto per la
of the model and the relevant calculation for costruzione del modello e il relativo calcolo
the same number of configurations identified per lo stesso numero di configurazioni
by the Feme (in this case, 30); individuate dal Feme (30, nel caso in esame);
• spend more time analysing results. • impiegare altro tempo per l’analisi dei risultati.
It is important to underline that, È importante sottolineare che, nel caso in cui
if the use of class 4 sections is envisaged, sia previsto l’impiego di sezioni di classe 4, il
the calculation of the effective resistance calcolo delle caratteristiche di resistenza efficaci
characteristics with the traditional method con il metodo tradizionale va anch’esso eseguito
must also be carried out manually following manualmente seguendo il procedimento iterativo
the iterative procedure stated in the standard [2]; indicato nella normativa [2]; tale procedimento è,
however, this procedure is integrated invece, integrato nel sw dedicato.
into the dedicated SW. In caso di elaborazione completa di un progetto
In the event of extensive development la sensibile riduzione dei tempi è dovuta anche
of a project, the significant reduction in time all’automazione nella fase di stesura della
is also due to the automation in the drafting “Relazione tecnica finale” che comprende
stage of the “Final technical report” la raccolta di dati e immagini, l’editing e la
which includes the collection of data and fascicolazione.
images, editing and collating. Un altro importante vantaggio dato dall’utilizzo
Another important advantage of using di un sw dedicato è stato riscontrato nei casi in
a dedicated sw was found when changes had cui è stato necessario effettuare delle variazioni
to be made to the original project. al progetto iniziale.
Finally, it should be recalled that, generally, Infine, si deve tener presente che, generalmente,
the dimensioning of the structure is carried out il dimensionamento della struttura avviene in
iteratively: the search for a design solution maniera iterativa: la ricerca di una soluzione
in line with the requirements of the client progettuale che risulti in linea con le richieste del
and those imposed by the law takes committente e quelle imposte dalla normativa
place after several calculation tests, during avviene dopo diverse prove di calcolo, durante le
which substantial changes can also quali possono essere effettuate modifiche anche
be made to the initial model. In this regard, sostanziali al modello iniziale. A tale proposito,
another significant advantage given un altro importante vantaggio dato dall’utilizzo
46 elevatorimagazine.com JULY | AUGUST • LUGLIo | AGOSTOby the use of a dedicated SW was found del sw dedicato è stato riscontrato proprio nei
in cases where it was necessary to make changes casi in cui è stato necessario effettuare variazioni
to the initial project. al progetto iniziale.
As is evident from Table 2, for the development Come risulta evidente dalla Tabella 2 buona parte
of a complete project with the Feme method del tempo necessario alla realizzazione di un
a large part of the time required progetto completo col metodo Feme è richiesto
is spent in numerical processing; this could dalla elaborazione numerica; questo potrebbe
be significantly reduced by using special essere sensibilmente diminuito utilizzando
machines; this way, furthermore, macchine dedicate; in tal modo inoltre la
the implementation of a calculation report could realizzazione di un report di calcolo potrebbe
take about 15 minutes. richiedere complessivamente circa 15 minuti.
A Design data / Dati di progetto
Structure supplier Final design
Fornitore struttura Progetto definitivo
Design data Installer Pre-dimensioning
Dati di progetto Ditta installatrice Predimensionamento
Estimate
Preventivo
B Design data / Dati di progetto
Design data Installer Progetto definitivo
Dati di progetto Ditta installatrice FEME Final design
Report - Progetto definitivo
Final design report Fornitore struttura
Structure supplier
Estimate
Preventivo
C Estimate / Preventivo
Installer
Ditta installatrice
Design data
Design data Dati di progetto
Fornitore struttura
Dati di progetto Structure supplier FEME
Report - Progetto definitivo
Final design report
Figure 5 - Comparison of the workflows of the Traditional Method (a), of the Feme Method used by the installer
(b) and of the company supplying the structure (c)
Figura 5 - Confronto tra i flussi di lavoro del Metodo Tradizionale (a), del Metodo Feme utilizzato dalla ditta
installatrice (b) e dalla ditta che fornisce la struttura (c)
JULY | AUGUST • LUGLIo | AGOSTO elevatorimagazine.com 47Further developments Ulteriori sviluppi
and fields of application e campi di applicazione
The first results obtained with the use I primi risultati ottenuti con l’utilizzo di un
of a dedicated SW can undoubtedly lead sw dedicato possono portare sicuramente
to a change in the workflow and interaction a un cambiamento nel flusso di lavoro e
between the designer, the installer nell’interazione tra progettista, ditta installatrice
of the lift system and the supplier of the dell’impianto elevatore e ditta fornitrice della
metal structure. struttura metallica. Per chiarire il concetto,
To clarify the concept, Figure 5 shows nella Figura 5 sono riportati i flussi di lavoro
the workflows of the two design methods caratteristici dei due metodi di progettazione
compared in this paper. confrontati in questa trattazione.
In the method using the traditional SW Nel metodo che utilizza i sw di calcolo
calculation (Figure 5a), the estimate stage by tradizionali (Figura 5a), la fase di
the company providing the metal structure is preventivazione da parte dell’azienda che
preceded by a pre-dimensioning, performed by fornisce la struttura metallica è preceduta da un
the designer based on the available data. predimensionamento, eseguito dal progettista
The difficulty arises from the number of initial sulla base dei dati disponibili.
variables in each project and from their La difficoltà nasce dal numero di variabili
interaction. If a database collecting multiple iniziali che ciascun progetto presenta e dalla
different configurations is created, useful for loro interazione: volendo creare un database che
the estimate, we would need to combine all the raccolga molteplici configurazioni diverse, utili per
variables; unfortunately, even considering a la preventivazione, occorrerebbe combinare tra loro
limited and discrete range of variability of the tutte le variabili; purtroppo, anche considerando un
parameters involved, the number of cases to range limitato e discreto di variabilità dei parametri
be analysed immediately becomes very high in gioco, il numero dei casi da analizzare diviene
(hundreds of thousands), it is actually impossible subito elevatissimo (centinaia di migliaia), di fatto
to study it in advance. impossibile da studiare a priori.
There are 2 choices to identify a structurally Per individuare una configurazione
effective configuration and formulate a reliable strutturalmente efficace e formulare un
estimate: preventivo attendibile rimangono 2 strade:
1. reducing the number of initial parameters, 1. ridurre il numero di parametri iniziali,
assuming plausible hypotheses in advance; in assumendo a priori delle ipotesi plausibili; in tal
this way, however, the model is detached from modo però si allontana sempre di più il modello
reality and, last but not least, it can incur dalla realtà e, certamente non in ultimo, si può
unnecessary over-dimensioning or, worse, incorrere in inutili sovradimensionamenti o,
errors in evaluation; peggio, in errori di valutazione;
2. during the estimate phase, building a model 2. costruire un modello completo di calcolo
with calculations; however, with the currently già in sede di preventivazione;
available SW, this process requires, as questo procedimento, con i sw attualmente
already mentioned, time and it is therefore disponibili, richiede però, come già accennato,
expensive. tempi e, dunque, costi, molto elevati.
The possibility, to obtain quick results La possibilità, data dal sw dedicato, di
that fully comply with the law given ottenere in tempi brevi risultati che rispettino
by the dedicated SW, allows to cancel integralmente la normativa consente di eliminare
of structural pre-dimensioning stage la fase di predimensionamento strutturale
with all the relevant unknowns, in favour con tutte le incognite correlate, a favore di un
of a true dimensioning that will then coincide dimensionamento vero e proprio che coinciderà poi
with the final project. di fatto con il progetto finale.
Having reliable results from the outset can be Disporre di risultati certi sin dall’inizio
useful to both the installer of the lift system può risultare utile sia alla ditta installatrice
and the company supplying the metal structure dell’impianto elevatore sia alla ditta che fornisce la
(Figures 5b and 5c). struttura metallica (Figure 5b e 5c).
The possibility of having a dedicated SW offers La possibilità di avere a disposizione un sw
advantages not only for the design but can also dedicato non offre vantaggi soltanto per la
prove a useful tool in the field of research. progettazione, ma può essere uno strumento utile
For this purpose, the automation capacities nel campo della ricerca. A tale scopo, le capacità
implemented in the SW can be used to study di automazione implementate nel sw possono,
the structural behavior by performing ad esempio, essere utilizzate per studiare il
parametric analyses useful comportamento della struttura effettuando analisi
for the definition of structural optimisation parametriche utili alla definizione di metodi di
methods with discrete parameters. ottimizzazione strutturale a parametri discreti.
48 elevatorimagazine.com JULY | AUGUST • LUGLIo | AGOSTOPuoi anche leggere
