Elaborato Tecnico - Chiara Leonardi

Università degli Studi di Brescia Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Disegno Industriale

SLICE Progetto di un sistema di salita domestica.

Chiara Leonardi Designer Studio Leonardi, via Ambaraga n.37 Brescia

Brescia, 15 Giugno 2009

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Sommario La scala.......................................................................................................5 1. Esigenze, normative e sicurezza..............................................................6 1.1. Esigenze................................................................................................6 1.2. Normative e sicurezza...........................................................................6 2. Il progetto....................................................................................................7 2.1. Concept..................................................................................................7 2.2. Scelta di progetto...................................................................................8 2.3. Sviluppo e dimensionamento.................................................................8 2.4. Ergonomia..............................................................................................9 3. La tecnica..................................................................................................10 3.1. Materiali................................................................................................10 3.2. Processo produttivo.............................................................................16 3.3. Filettature.............................................................................................16 3.4. Montaggio............................................................................................16 3.5. Modalità operative................................................................................16 3.6. Applicazioni alternative........................................................................16 Conclusioni...............................................................................................17 Allegati......................................................................................................18 Bibliografia................................................................................................32 Sitografia...................................................................................................32

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Indice delle tabelle...................................................................................33 Indice degli allegati..................................................................................33

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La scala Introduzione La scala è una struttura di collegamento verticale fra i diversi livelli distribuiti nello spazio; è simbolo di tensioni ascensionali ed elemento di continuità spaziale. Le scale sono composte da una successione di piani orizzontali (pedate), posti ad altezza via via crescente su cui la persona può salire scendere a piedi raggiungendo diverse quote. Le scale portatili sono particolari scale domestiche, facilmente trasportabili ed istallabili a mano, senza l’ausilio di mezzi meccanici, che per la loro efficacia vengono usate da un’ utenza differenziata in base ad età, statura, corporatura, esigenze, agilità, che adopera la scala per assolvere differenti mansioni. Esistono svariate tipologie di scale domestiche sul mercato: dalle scale a pioli più tradizionali, a quelle pieghevoli, telescopiche, richiudibili, ultrasottili, a doppia salita, da parete, treppiedi, a fisarmonica, sospese, estendibili, scorrevoli, applicabili al letto a castello ecc. Il design si è mosso per dare innovative risposte alle esigenze d’uso, di sicurezze e di carattere estetico. Qui di seguito viene presentata la relazione tecnica del progetto commissionato, corredato da una breve ricerca dello stato attuale dell’arte, dei concepts di partenza e della successiva ingegnerizzazione, così che ne si comprenda l’iter progettuale, gli usi e le potenzialità. I riferimenti alle immagini, presenti nel testo, rimandano alle schede illustrative a fine documento.

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1. Esigenze, normative e sicurezza 1.1. Esigenze Le scale sono strutture funzionali dimensionate in base al movimento umano dell’arrampicarsi o del salire su piani inclinati. La larghezza della pedata, che corrisponde alla superficie calpestabile è strettamente legata all’altezza dell’alzata, essendo ambedue commensurate allo spostamento orizzontale e al dislivello che può essere superato da una persona con un solo passo col minor sforzo possibile. L'aumento della pedata corrisponde ad una riduzione dell'alzata e viceversa. Posta una lunghezza di circa 64 cm per un passo comodo in piano, secondo la formula di Blondel, si deduce che: 2a + p = 62÷64 cm. dove a è il valore dell'alzata e p il valore della pedata. Per evitare problemi di vertigine ed equilibrio, la scala deve trasmettere idea di stabilità, di dinamismo, di efficacia e affidabilità, deve poter sostenere un carico corrispondente al peso di una persona più un eventuale carico trasportato senza che si verifichino spostamenti e oscillazioni. Il suo uso deve essere intuitivo, il suo trasporto non deve causare affaticamento. La scala deve poter essere confortevole ma occupando minor ingombro possibile, deve poter permettere il raggiungimento di spigoli, pareti o il centro di una stanza. Le sue superficie devono essere lavabili ed antiscivolo. Il corrimano deve essere posto ad una altezza compresa tra 0,90/1 m. 1.2. Normative e sicurezza Le scale portatili devono garantire stabilità durante l'impiego. La normativa di riferimento che regola le scale portatili è contenuta negli articoli 18, 20, e 21 del DPR 547/55 e nell’art. 8 del DPR 164/56. La legge sulle barriere architettoniche prevede l’uso della formula di Blondel. Altre norme di legge attualmente in vigore per quanto riguarda le scale sono: DPR 547/55 art. 18 DPR 547/55 art. 19 DPR 547/55 art. 20 DPR 547/55 art. 21

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2. Il progetto 2.1. Concept Dovendo progettare una scaletta per interni comoda e versatile, ho sviluppato diverse tipologie che potessero rispondere all’esigenze di un contesto domestico. Una prima tipologia, i cui schizzi sono mostrati in Allegati 1, 2 consiste nella sovrapposizione di tre moduli cavi uguali tra loro a sezione rettangolare. Esse sono fissate tra loro ma sono libere di scorrere una sopra l’altra, scoprendo la pedata. I vani di ciascun componente possono essere utilizzati per la sistemazione di oggetti, anche durante l’ utilizzo della salita. Le unità sono in materiale polimerico. Una variante può essere una doppia salita. Un'altra tipologia di scaletta, evoluzione della più tradizionale scala a pioli, ha come pedata non un piolo a sezione circolare ma una lastra di forma rettangolare. I gradini sono fissati solo da un lato al sostegno verticale. L’altro, quando la scala è chiusa, dà l’impressione di essere integrato ai gradini mentre invece è libero di scorrere indietro, diventa uno dei due bracci della scala che tocca terra e crea l’inclinazione per la salita (cfr. Allegato 3). Un’altra scala ancora è costituita da una struttura rigida e fissa alle cui estremità sono presenti due piedistalli a forma semicircolare snodabili secondo il lato retto, fissato alla struttura. A seconda di come si posi a terra la scala, il piedistallo inferiore costituisce il pezzo portante. Le due estremità sono intercambiabili, un blocco farà si che l’angolo voluto rimanga anche durante l’applicazione del peso. Quando la scala è chiusa i gradini si nascondono perché un tutt’uno con la superficie; quando si apre la scala i gradini si piegano paralleli al pavimento ritagliando nella silhouette la stessa forma delle due estremità (cfr. Allegato 4). Un altro concept vede tradotta la classica scala a pioli in una struttura pieghevole attraverso due snodi; le strutture, che risultano quindi tre possono essere ripiegate una sull’altra per minimizzare gli ingombri. La scala aperta, a forma triangolare viene bloccata grazie all’arricciatura di una delle strutture, che va ad incastrarsi su quella adiacente (cfr. Allegato 5).

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2.2. Scelta di progetto Tra le tante tipologie di scale L’idea definitiva è stata sviluppata sul concetto di scala a chiocciola. Un sostegno centrale è suddiviso in 6 unità; cinque gradini di altezza proporzionale e progressiva, sono vincolati al sostegno centrale che funge da perno ma liberi di poter girare attorno adesso. I gradini sono ottenuti suddividendo una circonferenza in sei parti; la pianta di ogni gradino avrà quindi l’aspetto di una “fetta di torta”. Presso il restringimento di diametro di ogni unità del sostegno ciascun gradino si accoppia grazie ad un foro ugualmente dimensionato. Le estremità curve quindi a sezione maggiore si sviluppano orizzontalmente fino a terra. Man mano che si procede dal basso all’alto, ingombro di ciascun gradino aumenta lievemente rispetto al sottostante in modo che una volta sovrapposti tutti i gradini, la scala riduca al massimo il suo ingombro (cfr. Allegato 6). 2.3. Sviluppo e dimensionamento Nelle scale a chiocciola la forma triangolare del gradino implica una pedata variabile dal centro della scala verso la circonferenza; per calcolarla esattamente, essa va misurata lungo la linea di percorso, variabile secondo il diametro della scala. La prima cosa che si è stabilita è il diametro della scala di 1000 mm. La linea di percorso va calcolata a circa 250 mm dal corrimano, il che con un diametro iniziale della scala di 1000mm, ci porta ad un diametro della linea di percorso di 500mm. I 5 gradini avranno così pedata 300 ed alzata 170 mm. Il sostegno centrale, che funge anche da corrimano è alto 850 mm (cfr. Allegati 7, 8); esso è composto da un cilindro interno, su cui si inseriscono i gradini e 5 unità cilindriche bordate in modo alternato. Il tutto viene stretto da due tappi, inferiore e superiore leggermente più alto per far sì che funga da correttivo ottico. Grazie ai due fori presenti sulla superficie dei tappi è possibile stringere l’accoppiamento Sia i gradini che i cilindri sono liberi di ruotare attorno al proprio asse. Sono necessarie comunque una serie di nervature lungo la superficie inferiore di ogni gradino così da incrementarne le prestazioni e diminuire i fattori di rischio. Lungo tutta la pedata e la parete curva che arriva fino a terra, la nervatura disegna nel materiale un vano adatto ad accogliere estrusi di elastomero antiscivolo. Designed by Chiara Leonardi

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2.4. Ergonomia La pedata stata progettata secondo una popolazione di riferimento media, essendo la scala ad uso domestico, essa deve poter essere utilizzata a tutti, senza eccessivi sforzi o adattamenti nei confronti dell’oggetto. La distanza dal sostegno consente una facile presa che aiuta la salita; è semplice il montaggio e l’eventuale sostituzione di pezzi. A seconda di come vengono ruotati gli scalini e delle loro varie altezze, la composizione può diventare un piano d’appoggio, una scrivania o uno sgabello.

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3. La tecnica 3.1. Materiali Il sostegno centrale e le cinque unità cilindriche cave sono in acciaio inossidabile a spessore 2mm. L’acciaio inox AISI 304 (cfr. Tabella 3.1) presenta un’ottima resistenza alla corrosione, all’ossidazione, è facilmente lavorabile. I gradini sono in poliammide 66 (pa66) rinforzata al 30 % in fibre di vetro (cfr. Tabella 3.2). Essa presenta, a differenza della poliammide non caricata (cfr. Tabella 3.3) un’ottima resistenza all’usura, durezza e stabilità dimensionale, basso coefficiente d’attrito, resiste bene alle sostanze chimiche e agli agenti atmosferici; presenta rigidità e resistenza meccanica più alte rispetto alla normale PA66 anche la massima temperatura di utilizzo è maggiore. Lo spessore è di 5 mm, le nervature, lunghe 20 mm, sono disegnate nello stampo per rotazionale. Non è necessario però disegnare angoli di sformo in quanto il ritiro del materiale in fase di solidificazione è giù sufficiente all’estrazione del pezzo. Le bande polimeriche sono in elastomero termoplastico vulcanizzato antiscivolo (cfr. Tabella 3.4).

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Tabella 3.1.

proprietà Proprietà fisiche Modulo di elasticità alla flessione Carico di rottura alla trazione Peso specifico massa volumica Coefficiente di dilatazione termica Calore specifico Conducibilità Termica Temperatura di fusione

valore 196000 N/mm2 515 N/mm2 7,91 kg/dm3 0,0103mm/m/ °C 0,12 kcal/kg 13 kcal/m °C 1398°C

Proprietà meccaniche Snervamento 0,2% min Snervamento 1% min Rottura Allungamento min DurezzaHB max Resilienza KV min

190 N/mm2 225 N/mm2 da 500 a 700 N/mm2 45 % 215 100 J

Acciaio inossidabile AISI 304

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Tabella 3.2

proprietà Proprietà fisiche Densità Ritiro allo stampaggio - sp. 2,0 mm (a 60 MPa di pressione in cavità) Longitudinale al flusso Trasversale al flusso Proprietà meccaniche Resistenza all'urto IZOD Allungamento in trazione (velocità 5 mm/min) a rottura, 23°C a rottura, 60°C Carico in trazione (velocità 5 mm/min) a rottura, 23°C a rottura, 60°C Modulo di elasticità a trazione (velocità 1 mm/min),23°C a trazione (velocità 1 mm/min),60°C Proprietà termiche Coefficiente di dilatazione termica lineare da +30°C a +100°C (longitudinale al flusso) VICAT - Punto di rammollimento a 49 N (incremento termico 50°C/h) HDT - Temperatura d'inflessione sotto carico C.U.T. - Temperatura di uso in continuo (20.000h)

Metodo di prova

valore

ISO 1183

1,36 g/cm3

ISO 294-4 ISO 294-4

0,45 - 0,6% 1 - 1,25 %

ASTM D256-A ISO 527 (1) ISO 527 (1)

120 J/m

ISO 527 (1) ISO 527 (1) ISO 527 (1) ISO 527 (1)

ASTM D 696

3.2 % 4% 175 MPa 135 MPa 9400 MPa 8500 MPa

8μm/(m•ºC) 255 °C

ISO 75

260 °C 130 °C

Parametri di stampaggio Essiccazione (almeno 3 ore) Temperatura cilindro Temperatura stampo Velocità d'iniezione Stampaggio con canali caldi

90 - 100 °C 275 - 300°C 80 - 100 °C Media possibile

Poliammide 66 caricata al 30%con fibre di vetro

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Tabella 3.3.

proprietà

Metodo di prova

Proprietà fisiche Densità Ritiro allo stampaggio - sp. 2 mm (a 60 MPa di pressione in cavità) Longitudinale al flusso Trasversale al flusso Proprietà meccaniche Resistenza all'urto IZOD Allungamento in trazione (velocità 5 mm/min) a rottura, 23°C Carico in trazione (velocità 5 mm/min) a rottura, 23°C Modulo di elasticità a trazione (velocità 1 mm/min),23°C Proprietà termiche Coefficiente di dilatazione termica lineare da +30°C a +100°C (longitudinale al flusso) VICAT - Punto di rammollimento a 49 N (incremento termico 50°C/h) HDT - Temperatura d'inflessione sotto carico

valore

ISO 1183

1,14 g/cm3

ISO 294-4 ISO 294-4

2 - 2,3 % 2 - 2,3 %

ASTM D256-A

25 J/m

ISO 527 (1)

5%

ISO 527 (1)

95 MPa

ISO 527 (1)

3600 MPa

ASTM D 696

80μm/(m•ºC) 245 °C

C.U.T. - Temperatura di uso in continuo (20.000h)

230 °C ISO 75

90 °C

Poliammide 66 non caricata

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Tabella 3.4.

proprietà Proprietà fisiche Gravità specifica Proprietà meccaniche Durezza Shore D Allungamento a rottura Modulo elastico Compressione

Metodo di prova

valore

ASTM 792

1.09 g/cc

ASTM D2240 ASTM D412 ASTM D4065

52.0 207 % 0.319 GPa 70.0 %

Alta comprimibilità in volume con espansione laterale minima.

Elastomero termoplastico vulcanizzato (TVP)

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Tabella 3.5.

proprietà Proprietà fisiche Densità Ritiro allo stampaggio - sp. 2 mm (a 60 MPa di pressione in cavità) Longitudinale al flusso Trasversale al flusso Proprietà meccaniche Resistenza all'urto IZOD Allungamento in trazione (velocità 5 mm/min) a rottura, 23°C Carico in trazione (velocità 5 mm/min) a rottura, 23°C Modulo di elasticità a trazione (velocità 1 mm/min),23°C

Metodo di prova

valore

ISO 1183

1,09 g/cm3

ISO 294-4 ISO 294-4

0,4÷0,55% 0,9÷1,15%

ASTM D256-A

50 J/m

ISO 527 (1)

1,8 %

ISO 527 (1)

120 MPa

ISO 527 (1)

10000MPa

Compound dissipativo di fibre vetro su base Poliammide 66 (PA 66)

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3.2. Processo produttivo Tutti gli elementi che costituiscono il sostegno in acciaio sono realizzati secondo imbutitura per pezzi assialsimmetrici. Il disco primitivo, grazie all’azione di un punzone entro una matrice appositamente programmata, si deforma plasticamente a freddo assumendo la forma della matrice. Il pezzo così deformato subisce poi un’operazione di tranciatura, che fora la parte sottostante, e di bordatura interna. I due pezzi estremi non subiscono tranciatura. I gradini vengono prodotti mediante stampaggio rotazionale. 3.3. Filettature La filettatura a passo lungo del corpo cilindrico nella sezione a Ø60 mm è affidata ad un utensile al tornio con uno stelo in acciaio trattato. Non è necessario alcun blocco che mantenga stretto l’avvitamento perché non vi possibilità di alterarlo se non volontariamente. 3.4. Montaggio Il montaggio consiste nell’avvitamento dei cilindri di sostegno tra loro, a gradino già posizionato. La rotazione del gradino durante l’uso non pregiudica l’ affidabilità dell’avvitamento, che non viene allentato. 3.5. Modalità operative Per utilizzare la scala è sufficiente ruotare i gradini in modo che loro altezza sia progressiva. La scala è stata pensata per raggiungere diverse quote dal centro della stanza, per elevarsi in altezza anche lungo le pareti o spigoli. I gradini sono dotati di due inserti metallici, in basso, lungo le due estremità della parete. A seconda del senso di salita deciso di volta in volta, sarà sufficiente avvitare all’inserto filettato, la sua vite con testa sferica. Essa vincolerà i movimento del gradino e ne determinerà l’apertura massima. Le quote massime raggiungibili sono progressivamente 170, 340, 510, 680, 850 mm. 3.6. Applicazioni alternative Considerando le normale quote cui sono poste le sedute per scrittoi e gli stessi scrittoi, la scala diventa un’ oggetto polifunzionale.Infatti i gradini alti 340 o al massimo 510 mm possono essere fruttati come seduta, i più alti come piccola scrivania, i restanti come base d’appoggio. Designed by Chiara Leonardi

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Conclusioni Il presente lavoro è stato frutto della messa in pratica dei concetti che sono alla base dell’industrializzazione del prodotto, dell’indole dei materiali e delle logiche della macchina, tipiche del design. Il progetto, ancora da revisionare definitivamente, è stato pensato per un’ eventuale immissione sul mercato. In futuro saranno da redigere il manuale d’uso, le norme per la sicurezza dell’utilizzatore, ed eventualmente certificazioni che ne attestino la qualità.

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Allegati

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Allegato 1. Concept di scala composta da unità cave sovrapposte scorrevoli una sull’altra

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Allegato 2. Concept di scala composta da unità cave sovrapposte scorrevoli una sull’altra, apribile “a libro” con cerniera

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Allegato 3. Concept di scala portatile autoportante o per letto a castello

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Allegato 4. Concept di scala per letto a castello

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Allegato 5. Concept di scala ripiegabile

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Allegato 6. Concept di Slice

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Allegato 7. Evoluzione del concept di Slice

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Allegato 8. Sviluppo e dimensionamento delle pedate e della alzate, individuazione della linea di percorso

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Figura 9. Sviluppo nervature del gradino

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Allegato 10. Gradino e nervature

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Allegato 11. Sistema blocco gradini

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Allegato 12. Blocco gradini

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Allegato 13. Rendering dell’autore

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Bibliografia • • • • •

Emilio Chirone e Stefano Tornincasa, Disegno tecnico Industrale I, Il capitello, Dicembre 2007; Emilio Chirone e Stefano Tornincasa, Disegno tecnico Industrale II, Il capitello, Dicembre 2007; Ashby Michael e Johnsn Kara, Materiali e design, CEA, Gennaio 2005. Ashby Michael, La scelta dei materiali nella progettazione industriale, CEA, Gennaio 2007; Oehler Gerhard, Kaiser, Stampi per taglio, tranciatura ed imbutitura, Tecniche Nuove, 1995.

Sitografia • • • • • • • • • • • • • • •

http://www.lati.com/http://www.omnsexus.com/; http://www.matlab.com/; http://www.atiplast.it/; http://www.radicigroup.com/plastics/it/; http:// www.webuser.unicas.it/ http://www.alterini.it/aisi-304.html http://www.magisdesign.com/ http://www.kartell.it/ http://www.foppapedretti.it/ http://www.scale.it/normativa.htm http://www.sicurezzaedile.it/Normativa_on_line.htm http://www.coemn.org/cpt/scale_portatili.doc http://www.protezionecivile.tn.it/scuola/files/2008/ http://www.alfredoneri.com/progettazione%20scale.htm http://www.polimerica.it/

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Indice delle tabelle Tabella 4.1. Acciaio inossidabile AISI 304 Tabella 4.2. Poliammide 66 caricata al 30%con fibre di vetro14 Tabella 4.3. Poliammide 66 Tabella 4.4. Elastomero termoplastico vulcanizzato (TVP) Tabella 4.5. Compound dissipativo fibre vetro

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Indice degli allegati Allegato 1. Concept di scala composta da unità cave sovrapposte scorrevoli una sull’altra Allegato 2. Concept di scala composta da unità cave sovrapposte scorrevoli una sull’altra, apribile “a libro” con cerniera Allegato 3. Concept di scala portatile autoportante o per letto a castello Allegato 4. Concept di scala per letto a castello Allegato 5. Concept di scala ripiegabile Allegato 6. Concept di Slice Allegato 7. Evoluzione del concept di Slice Allegato 8. Sviluppo e dimensionamento delle pedate e alzate, individuazione linea di percorso Allegato 9. Sviluppo nervature del gradino Allegato 10. Gradino e nervature Allegato 11. Sistema blocco dei gradini Allegato 12. Blocco dei gradini Allegato 13. Rendering dell’ autore

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