Bewertung des Fahrtreppenfachwerks, das einer erzwungenen Verschiebung für die seismische Bemessung ausgesetzt ist

Eine genaue Analysemethode für die seismische Auslegung wird detailliert beschrieben.

von Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie und Hirobumi Utsunomiya

Dieses Papier wurde präsentiert bei  Madrid 2016, International Congress on Vertical Transportation Technologies, und erstmals im IAEE-Buch veröffentlicht Aufzugstechnik 21, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers   (Website: www.elevcon.com).

Am 11. März 2011 ereignete sich in Japan ein schweres Erdbeben und Rolltreppen stürzten ein. Dies wurde durch die interlamellare Verschiebung des Gebäudes (sog. „Story Drift“) verursacht, die zu einer Schwankung der Fahrtreppenspannweite führte. Durch die gewaltsame Verschiebung des Fahrtreppenfachwerks kann es zu erheblichen Schäden gekommen sein. Daher bewertete Hitachi seine Festigkeit unter erzwungener Verschiebung mithilfe von Simulationen. Darüber hinaus wurde die Simulation basierend auf der tatsächlichen Größe durchgeführt. Nach den Simulationsergebnissen kollabierte das Fahrtreppenfachwerk auch bei einer Zwangsverschiebung von 200 mm nicht. Darüber hinaus haben wir die Mittel zur Festigkeitsberechnung des Fahrtreppenfachwerks für die seismische Bemessung etabliert.

Einführung

Japan hat eine erhöhte Häufigkeit von Erdbebenereignissen. Das seismische Kriterium für Fahrtreppen in Japan wurde nach dem South Hyogo Erdbeben (Mj7.2, Januar 1995) eingeführt und im Lift Technological Standard Commentary (Version 2009) standardisiert.^[1].

Das Phänomen einstürzender Rolltreppen^[2]. ereignete sich noch während des Großen Erdbebens in Ostjapan (Mj9.0, März 2011). Es wurde vermutet, dass die Ursache für den Einsturz der Rolltreppe auf die Geschossdrift der Gebäude zurückzuführen war. Infolgedessen wurden die seismischen Entwurfskriterien der Rolltreppe, die der Industriestandard waren, im Jahr 2014 durch das Building Standards Act durchgesetzt.^[3]. Wenn die Geschossdrift größer als der Abstand ist, erfährt der Fahrtreppenrahmen aufgrund der erzwungenen Verschiebung des Strukturträgers eine Kompression. Der Einfluss der Kompression auf den Fahrtreppenrahmen ist nicht bekannt. Bei geringem Spiel muss nachgewiesen werden, dass die Verformung des Fahrtreppenrahmens seine Sicherheit nicht beeinträchtigt.

In diesem Artikel wird die Denkweise der Konstruktion der Hitachi-Fahrtreppen nach der Anpassung an die neuen seismischen Entwurfskriterien erläutert. Darüber hinaus beschreibt es die Auswertung der Zwangsverschiebung am Fahrtreppenfachwerk aufgrund von Spielraummangel. Ziel ist die Einhaltung des seismischen Kriteriums durch die lokale Umgestaltung der installierten Fahrtreppen.

Hintergrund und Ziel der Entwicklung

Japanische seismische Designkriterien

Der Rahmen einer Fahrtreppe besteht aus dem Fachwerk und seinen Stützwinkeln an seinen beiden Enden. Die Fahrtreppe wird im oberen und unteren Geschoss an den jeweiligen Stützwinkeln über den Tragbalken aufgehängt. Bei einer interlamellaren Verschiebung des Gebäudes schwankt die Spannweite der installierten Fahrtreppe. Das schlanke Seitenverhältnis des Gebäudes beeinflusst die Änderung der Spannweite der Rolltreppe.

Abbildung 1 zeigt die Seitenansicht einer typischen Fahrtreppe und eine vergrößerte Ansicht des Stützwinkels. Die Spanne (K) schwankt von ihrer Anfangsdimension (K0) durch Geschossdrift. Der Abstand (der Abstand zwischen dem Auflagerwinkel und der vertikalen Ebene des Tragwerksträgers) und die Überlappungslänge (die übergreifende Länge des Auflagerwinkels über den Tragwerksträger in der horizontalen Ebene) des Auflagerwinkels werden während eines Erdbebens geändert.

Die vom Baunormengesetz durchgesetzten seismischen Bemessungskriterien besagen, dass die Größe des Geschossverformungswinkels 1/24 der Höhe der Rolltreppe betragen muss. Dies ist mehr als das Vierfache des Geschossverformungswinkels von 1/100, was einst der herkömmliche Industriestandard war.

Wenn der Wert der Geschossdrift (γH) größer als der Abstand ist, erfährt der Fahrtreppenrahmen aufgrund der erzwungenen Verschiebung des Strukturträgers eine Kompression.

Entsprechende Struktur neuer Fahrtreppen

Hitachi hat sowohl die Überlappungslänge als auch den Abstand als Reaktion auf die Änderung der Geschossdrift bei den neuen seismischen Kriterien berücksichtigt. Bei einer einseitig befestigten Struktur, bei der eine Seite befestigt ist, während die andere Seite nicht befestigt ist, kann nur an der nicht befestigten Seite ausreichend Freiraum vorgesehen werden. Wenn der Spielraum an einer Seite groß wird, nimmt außerdem der Momentarm des Stützwinkels zu, was dazu führt, dass der Spannungszustand schwerwiegend wird. Andererseits können an beiden Enden einer nicht fixierten Struktur notwendige Abstände zugewiesen werden. In diesem Fall wird das Spiel an beiden Enden verkürzt, wodurch die Spannung, die am Stützwinkel auftritt, reduziert wird. Daher wurde für neue Fahrtreppen die unfixierte Struktur an beiden Enden übernommen. Die seitliche Bewegung der Fahrtreppe wird durch den Einsatz von Parallelbegrenzern (Querlaufsicherung) eingeschränkt.

In Anbetracht der Erschütterungen des Gebäudes durch Erdbeben, die nicht groß sind, ist eine Seite der Stütze halbfest.[4] Der halbfeste Stützwinkel ist für ein nicht sehr großes Erdbeben konstruiert und ist eine Struktur, die sich löst, bevor während eines schweren Erdbebens ein wesentlicher Schaden innerhalb des Rahmens entsteht. Dies dient als „Sicherung“ für Erdbeben. (Abbildung 2 zeigt eine Seitenansicht der halbfesten Seite.)

Das halbfeste Ende wird durch Hinzufügen von Teilen wie einem halbfesten Stift zu einem unfesten Ende erzeugt. Mit dieser Innovation will Hitachi den Produktverkauf von benutzerfreundlichen Fahrtreppen und Aufzügen steigern.[5]

 Probleme mit installierten Fahrtreppen

Neue Fahrtreppen und bestehende Fahrtreppen werden bei Erdbeben erdbebengefährdet. Es wird erwartet, dass die installierten Fahrtreppen in der Lage sind, die neuesten seismischen Entwurfskriterien zu erfüllen, nachdem die Erdbebensicherheitssanierung angewendet wurde. Wenn dies realisiert ist, kann die installierte Fahrtreppe das Sicherheitsniveau einer neuen Fahrtreppe erreichen.

Bei Fahrtreppen, die derzeit in Betrieb sind, müssen ihre extremen Längen verkürzt werden, um den Abstand zu erhöhen, um ein Zusammendrücken bei Erdbeben zu verhindern. Der Austausch einer solchen Fahrtreppe an ihrem installierten Standort kann jedoch schwierig sein, wodurch jede Form von erdbebensicherem Umbau verhindert wird. Daher muss für Fahrtreppen, die bereits in Betrieb sind, eine Festigkeitsanalyse durchgeführt werden.

Dieser Artikel beschreibt die Aufzugsfestigkeitsanalyse, bei der mithilfe einer elastoplastischen Analyse Ergebnisse erzielt werden, die denen der tatsächlichen Größenprüfung des Baunormengesetzes ähneln.

Der verformte Zustand und die Restfestigkeit des Rahmens bei einer erzwungenen Verschiebung durch einen Strukturträger wurden ebenfalls bestimmt.

Ein Versuch in Originalgröße wurde nach dem Baunormengesetz durchgeführt, bei dem eine Zwangsverschiebung von 200 mm auf einen Rahmen mit einer Höhe von 3 m angewendet wurde.[6] Die durch die Analyse erzeugte horizontale Reaktionskraft-Verschiebungskurve wird mit den Ergebnissen des oben genannten Tests verglichen, und die Analysemethode wird im folgenden Abschnitt erläutert.

Festigkeitsanalyse

Test-Bedingungen

Die auf die Fahrtreppe ausgeübte Zwangsverschiebung betrug 200 mm, das gleiche wie der Hub der Prüfmaschine, der beim Test in Originalgröße verwendet wurde. Bei einer Steigung von 3 m beträgt der maximale Kompressionswert bezogen auf 1/24 des Geschossverformungswinkels in den seismischen Kriterien nur 125 mm. In der Simulationsanalyse wurde jedoch eine Zwangsverschiebung von 200 mm verwendet, um die Bedingungen des Tests in Originalgröße zu Vergleichszwecken nachzubilden.

Modellform

Es wurden zwei Arten von Rahmen betrachtet. Der erste ist ein Fachwerkrahmen (Muster A), während der zweite ein Rahmen ist, bei dem H-gewalzte Stahlmaterialien extrudiert werden, um einen Träger zu bilden (Muster B). Zum Vergleich mit dem Echtmaßtest wird die Steigung der Fahrtreppe auf 3 m eingestellt (wie beim Echtmaßtest). Die Außenabmessungen jedes Rahmens sind in Bild 3 dargestellt. Zusätzlich wurde eine weitere Simulation an einer Fahrtreppe mit einem Rahmen von 5 m Steigung durchgeführt, um den Einfluss der 200 mm Zwangsverschiebung auf eine Fahrtreppe mit einer höheren Steigung zu überprüfen.

Bedingungen für die Simulationsanalyse

Die Rolltreppe wurde unter Verwendung eines Rahmens und eines Stützwinkels modelliert, der erforderlich ist, um ihrem Gewicht standzuhalten. Das Analysemodell wurde unter Verwendung von Primärelementschalen erstellt, die Integralrechnungselemente enthalten, und jedem Element wurde eine konzentrierte Punktmasse zugewiesen. Als vertikale Punktlast wurde die Masse jedes Fahrgastes, jeder Stufe, jedes beweglichen Handlaufs, jedes Geländerteils und der Inneneinrichtung eingegeben. Die Lasten wurden auf den Stringer im oberen Bereich der Rahmenstruktur aufgebracht.

Für die Randbedingungen wurde der obere Auflagerwinkel festgelegt, während der untere Auflagerwinkel eine horizontale Zwangsverschiebung erhielt. Der untere Auflagerwinkel ruhte auf einer starren Wand, die einen tragenden Balken simulierte. Diese starre Wand berührte sowohl die horizontale als auch die vertikale Fläche des Stützwinkels und gab dem Rahmen eine Zwangsverschiebung, da die starre Wand horizontal verschoben wurde.

Abbildung 4 zeigt den Zustand der Rahmen nach dem Aufbringen der Zwangsverschiebung. Die Simulationsergebnisse zeigten einen Verschiebungsunterschied von 5 mm zwischen den Trägern der Struktur. Da es nicht wahrscheinlich ist, dass der Strahl gleichmäßig komprimiert wird, wurde diese Verschiebungsdifferenz als akzeptabel angesehen.

 In der Simulation wurde eine Kompressionsverschiebung von bis zu 200 mm angewendet. Die Nutzlast und das Apparategewicht wurden bei 0-0.15 s eingegeben. als Anfangsbedingung, während die Zwangsverschiebung bei 0.15-0.5 s eingeleitet wurde. Das gesamte Modell wurde vereinfacht und die elastisch-plastischen Eigenschaften des Materials durch zwei Geraden angenähert (Abbildung 5).

Zum genauen Vergleich mit dem Originalmaßversuch wurden den jeweiligen Rahmen folgende Materialeigenschaften gegeben: Fachwerkrahmenform A = Bruchspannung von 598 MPa; Balkenstruktur Form B = Bruchspannung von 555 MPa. Der verwendete Analyselöser war LS/DYNA (von Livermore Software Technology Corp.).

Simulationsergebnisse

Abbildung 6 zeigt die Seitenansicht der Rahmenverformung bei einer Zwangsverschiebung von 200 mm auf beide Rahmen, während Abbildung 7 die Vorderansicht zeigt. Die Verformung des Rahmens war im unteren Bereich stärker als im oberen Bereich. Der Biegepunkt befand sich an der unteren Länge des Rahmens; mit zunehmender Verformung nahm auch der Biegewinkel zu.

Beim Vergleich der Verformung von der Vorderansicht erfuhr der Fachwerkrahmen A eine größere Veränderung als der Balkenstrukturrahmen B. Dies ist wahrscheinlich auf den Unterschied in der Steifigkeit der jeweiligen Rahmenbestandteile zurückzuführen.

Abbildung 8 zeigt die Maßänderung für vier Abschnitte, nämlich:

1. Oberer horizontaler Abschnitt
2. Mittlere Steigung
3. Unterer horizontaler Abschnitt
4. Abstand zwischen den Stützwinkeln.

Es ist der Vergleich zwischen dem Ausgangszustand und dem deformierten Zustand. Die Verformung des Fachwerkrahmens A im unteren horizontalen Abschnitt war größer, während die Zunahme des Biegewinkels des Balkenrahmens B größer war. Somit wurde die oben erwähnte Tendenz bestätigt.

Die Spannung um den unteren Biegepunkt wurde durch die Analyse ermittelt. Diese Werte lagen unterhalb der Bruchspannung des Materials. Für den Fachwerkrahmen A wurde ein Spannungswert von 536 MPa (Bruchspannungssicherheitsfaktor von 1.11) erhalten. Der erhaltene Spannungswert für den Balkenstrukturrahmen B betrug 368 MPa (Bruchspannungssicherheitsfaktor von 1.50).

Vergleich zwischen Festigkeitsanalyse und tatsächlichem Größentest

Die Abbildungen 9 und 10 zeigen den Zusammenhang zwischen der horizontalen Kraft in Längsrichtung und der auf den Fachwerkrahmen A und den Balkenstrukturrahmen B aufgebrachten Zwangsverschiebung. Die Daten des Versuchs in Originalgröße sind als gestrichelte Linie dargestellt. Die dünne durchgezogene Linie spiegelt die Analyseergebnisse eines Anstiegs von 3 m wider, während die fette durchgezogene Linie die Analyseergebnisse eines Anstiegs von 5 m widerspiegelt. Wie aus den Abbildungen 9 und 10 ersichtlich, ähnelte die grafische Darstellung der Simulationsanalyse den Ergebnissen des Versuchs in Originalgröße. Die Ergebnisse aus der Festigkeitsanalyse und den Versuchen in Originalgröße waren in der Form ähnlich.

Beim Vergleich der Ergebnisse der Festigkeitsanalyse der 3- und 5-m-Aufstiege war der Effekt der Anstiegsänderung nicht groß. Insgesamt war sowohl für die Simulation als auch für den Versuch in Originalgröße die horizontale Reaktionskraft noch vorhanden, sogar bis zu dem Punkt, an dem die Zwangsverschiebung 200 mm betrug.

Es wurde bestätigt, dass ein Rahmen nicht durch eine erzwungene Verschiebung kollabiert. Wenn die aus der Analyse erhaltene horizontale Reaktionskraft auf Null absinkt, würde dies bedeuten, dass der Fahrtreppenrahmen nicht mehr unterstützt werden kann und die Fahrtreppe daher bei einer erzwungenen Verschiebung von 200 mm zusammenbricht. Da die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Horizontalkraft nicht auf Null abgenommen hat, wird bestätigt, dass der Rahmen durch die erzwungene Verschiebung nicht abgefallen ist. Daher kann Hitachi durch die Simulation evaluieren.

Andererseits wurde bei der Prüfung der tatsächlichen Größe kein Bruch eines Bauteils oder einer Schweißnaht innerhalb des Rahmens festgestellt. Darüber hinaus erreichten während der Simulationsanalyse die Spannungen im Material von Rahmen A und Rahmen B unter der erzwungenen Verschiebung nicht die Streckgrenze des Materials. Daraus kann geschlossen werden, dass die Analyse zeigt, dass die Fahrtreppe nicht zusammenbricht, wenn eine Zwangsverschiebung auf den Fahrtreppenrahmen angewendet wird.

Fazit

Dieser Artikel beschreibt die Denkweise, die Hitachi in Bezug auf das neue Fahrtreppendesign verwendet, das entwickelt wurde, um sich an die neuen japanischen seismischen Kriterien anzupassen. Für den Fall von installierten Fahrtreppen wurde eine Festigkeitsanalyse am Rahmen durchgeführt und die erhaltenen Informationen werden wie folgt zusammengefasst.

Sowohl beim Test in Originalgröße als auch bei der Simulationsanalyse führte die erzwungene Verschiebung zu einer plastischen Verformung des Rahmens, die auf den Rahmen wirkende horizontale Reaktionskraft blieb jedoch bestehen, wodurch bestätigt wurde, dass die Fahrtreppe noch unterstützt werden kann. Bei erzwungenen Verschiebungen von mehr als 200 mm müssen weitere Simulationen durchgeführt werden, um festzustellen, ob der Fahrtreppenrahmen zusammenbricht. Der Test in Originalgröße ergab keine Anzeichen für ein Versagen der Fahrtreppenelemente, während die Simulationsanalyse auch keine Anzeichen für Materialversagen ergab. Daraus wird geschlossen, dass das Ergebnis des Tests in tatsächlicher Größe mit dieser Analysemethode vorhergesagt werden kann. Wenn daher ein Fahrtreppenfachwerk einer erzwungenen Verschiebung ausgesetzt wird, ist dieses beschriebene Analyseverfahren für die seismische Auslegung genau beim Nachweis, dass die Fahrtreppe nicht zusammenbricht.

Referenzen
[1] Die Japan Building Equipment and Elevator Center Foundation, Japan Elevator Association. „Kommentar Version 2009 des Aufzugstechnologie-Standards“, S.167-182 (2009).
[2] Ministerium für Land, Infrastruktur, Verkehr und Tourismus. „Referenz über das Meinungsangebot über ‚den vorläufigen Plan für vorbeugende Maßnahmen gegen Stürze der Rolltreppe‘“ (2012).
[3] Die Japan Building Equipment and Elevator Center Foundation, Japan Elevator Association. „Kommentar Version 2014 des Aufzugstechnologie-Standards“, S.1.3.115-1.3.126 (2014).
[4] Horie, N., Sekiguchi, K. und Utsunomiya, H. „Strength Analysis of the Truss in Semi-Fixed Structure“, Jahresversammlung der Japan Society of Mechanical Engineers 2014 (2014).
[5] Fukuda, T., Sakaue, M. und Ise, Y. „Fahrtreppen, die für Mensch und Umwelt verträglich sind“, ELEVCON, The 21st International Congress on Vertical Transportation Technologies (2010).
[6] Universität Tokio Denki. „Bericht Baunormengesetz 2014 Instandhaltungsförderungsgeschäft, Untersuchungsnummer: P8, Aufgabenstellung: Prüfung über den Weg der Sicherheitsmaßnahme der Fahrtreppe“ (2014).