Conexiones ajustables a ejes de ascensor de hormigón

Halfen GmbH, Alemania

RESUMEN

El posicionamiento preciso de los componentes del ascensor dentro del hueco puede ser fundamental para la calidad y la seguridad de la conducción. El ajuste que ofrecen las conexiones de los canales de anclaje ajustables y fundidos puede permitir el posicionamiento preciso de los rieles de guía del ascensor, las vigas divisorias y las puertas del ascensor en las estructuras de hormigón. Al seleccionar el producto apropiado, el diseñador puede necesitar revisar las capacidades de carga estática, dinámica y sísmica requeridas de las conexiones, además de los problemas de instalación.

1. Introducción

No hay duda de que gran parte del enfoque de las noticias dentro de la industria de los ascensores gira merecidamente en torno a los avances de alta tecnología en equipos, sistemas de control y métodos de evaluación y diseño para maximizar la eficiencia del rendimiento. Los desarrollos en estas áreas han revolucionado el desempeño de la industria del transporte vertical, para adaptarse a los exigentes requisitos de diseño de las estructuras de gran altura, el uso de energía y la experiencia óptima de los pasajeros.

Uno de los temas de ingeniería menos discutidos públicamente es el método utilizado para anclar piezas esenciales de equipo en el hueco del ascensor. Este es un tema más mundano que debe abordarse en cada instalación de ascensor. Puede ser mundano, pero es extremadamente importante si se considera con respecto a la seguridad del instalador y del pasajero; calidad de conducción; esperanza de vida de la conexión; y la confiabilidad a largo plazo del sistema de transporte vertical. Al evaluar las opciones de anclaje, el diseñador del sistema básicamente tiene la opción de elegir entre tres métodos principales de conexión a huecos de ascensor de hormigón: conexiones soldadas a placas empotradas; pernos perforados; y conexiones atornilladas a canales ajustables fundidos. Este último método es el tema principal de este artículo.

2. Historia y concepto del producto

El uso de canales moldeados para conexiones en el hueco del ascensor comenzó hace décadas y se ha extendido a nivel mundial como uno de los métodos favoritos de anclaje a nuevas estructuras de hormigón. Halfen, líder del mercado de sistemas de canales laminados en caliente y en frío, inició su actividad en 1929 en Alemania y, con el tiempo, ha ampliado gradualmente su mercado a la mayor parte del mundo. Los sistemas de canales laminados en caliente y en frío producidos por la empresa se desarrollaron en una amplia variedad de tamaños de perfil para adaptarse a los requisitos de carga de servicio ligero a pesado. Mientras tanto, en América del Norte, los perfiles de puntales de servicio más livianos desarrollados originalmente como sistemas de armazón de metal laminado en frío a fines de la década de 1920 también se estaban adaptando para crear encastres empotrados. Los sistemas de puntales laminados en frío son ahora ampliamente producidos por muchos fabricantes en todo el mundo en gran parte basados ​​en un ancho de perfil de 1-5 / 8 ”(41 mm) con diferentes estándares de calidad. Los canales estilo puntal generalmente se convierten para su uso en hormigón perforando la parte posterior del canal y doblando el material para formar un ancla en forma de "L".

El método básico de utilizar un sistema de conexión de canal de anclaje al hormigón es relativamente sencillo. Antes de verter el hormigón, se clavan canales con anclajes al encofrado de madera que se utiliza para formar la estructura de hormigón. Los canales se han llenado con relleno removible en la fábrica para evitar que el hormigón entre en los canales durante el proceso de hormigonado. Los canales se ubican en el encofrado en la zona donde se requieren conexiones y se vierte el hormigón.

Una vez endurecido el hormigón, se retira el encofrado dejando la abertura del canal expuesta en la superficie del hormigón. El canal ahora está listo para recibir las conexiones necesarias para anclar componentes a la superficie del hormigón. El estilo Halfen de canales fundidos normalmente se ancla con pernos con cabeza en T, que se introducen por la cara en el canal después de quitar el relleno. Los pernos en T se giran noventa grados para bloquear en su posición y están marcados con una línea de orientación de la cabeza en el vástago del perno para dar una simple verificación visual de la instalación correcta. Los sistemas de puntales tienden a usar tuercas de canal que son más difíciles de verificar visualmente para la orientación y el enganche de la rosca con los pernos de montaje porque generalmente están ocultos detrás de los soportes de conexión.

3. Aplicación del producto dentro del eje del elevador

Los usos principales de las conexiones de canal fundidas en el hueco del ascensor son para conexiones relacionadas con rieles de guía y equipos de puertas. En la mayoría de las aplicaciones, el ajuste proporcionado por el canal fundido se complementa con el uso de soportes ranurados para proporcionar un ajuste de posicionamiento adicional en otros planos. En consecuencia, esta combinación de canales fundidos y soportes ranurados ofrece al instalador y al diseñador un método simple y seguro para asegurar el posicionamiento preciso de la cabina del ascensor y los rieles de guía del contrapeso dentro del pozo. La precisión proporcionada brinda la oportunidad de maximizar la calidad de conducción y minimizar la carga excéntrica en los componentes del riel guía.

De manera similar, el equipo de la puerta se conecta regularmente a los canales empotrados para colocar con precisión los puntos de anclaje en la cabecera y el umbral. Los componentes de acero estructural, como las vigas divisorias y los servicios, se aseguran con precisión en el hueco del ascensor mediante este método.

La accesibilidad a largo plazo del canal una vez que se coloca en la pared del pozo permite el reemplazo rápido de componentes desgastados y una fácil actualización del aparato para actualizar la instalación. Los pernos en T utilizados para las conexiones simplemente se quitan para reemplazarlos o se reubican en nuevas posiciones en los canales fundidos. Se encuentra disponible una amplia selección de diámetros, longitudes, grados de acero y acabados de pernos en T para adaptarse a cada tipo de perfil de canal, por lo que normalmente se pueden acomodar fácilmente múltiples condiciones de conexión o cambios posteriores en el espacio de conexión o los requisitos mecánicos.

En comparación con otros métodos de anclaje, el concepto de canal empotrado puede proporcionar una serie de ventajas de seguridad y fiabilidad en el hueco del ascensor en comparación con otros métodos de conexión que podrían considerarse. En primer lugar, no se requiere perforación de concreto para instalar las conexiones, lo que significa un ruido mínimo, sin polvo de sílice y sin herramientas eléctricas vibratorias para el instalador. Limitar la exposición de los trabajadores al ruido excesivo, el polvo de sílice y la vibración mano-brazo está atrayendo la atención de varios organismos y diseñadores de salud y seguridad en todo el mundo, debido a la evidencia de posibles problemas de salud graves asociados con la exposición a largo plazo. Dentro del espacio confinado del hueco de un ascensor, los peligros del ruido y el polvo para el instalador pueden aumentar aún más. El uso de canales fundidos también puede reemplazar el proceso de soldadura a placas de acero incrustadas en el hormigón y así reducir los riesgos de incendio, los peligros de quemaduras / electrocución y los humos peligrosos dentro del hueco del ascensor.

Los canales integrados se instalan con herramientas simples y son intrínsecamente confiables porque son simples en concepto y fáciles de verificar visualmente para los supervisores. Por supuesto, pueden extraviarse, pero normalmente cuando se utilizan en longitudes suficientemente largas para adaptarse a las tolerancias de instalación, son un método de instalación muy fiable. Su uso puede evitar preocupaciones sobre el daño de la perforación a la estructura, o la competencia de los instaladores para perforar la profundidad y el diámetro correctos de los orificios para los pernos, o hacer soldaduras a placas empotradas de calidad suficiente para una confiabilidad a largo plazo. Por tanto, el proceso de supervisión es mucho más sencillo.

4. Consideraciones de diseño

Compendio del 4.1

Los canales de fundición de estilo Halfen están disponibles en perfiles laminados en frío y en caliente y ambos estilos pueden proporcionar excelentes capacidades de carga de tensión y corte para el anclaje al concreto. La primera tarea en la selección del producto es seleccionar el tipo de canal apropiado de acuerdo con las cargas convencionales de tracción y corte que se soportarán. Los catálogos técnicos y el software están disponibles del fabricante para hacer esto. La segunda tarea es determinar si las conexiones estarán sujetas a alguna carga especial, como carga cíclica dinámica, carga sísmica o carga de impacto.

4.2 Carga dinámica

Dentro del hueco del ascensor, el movimiento cíclico de los ascensores sobre sus guías y las acciones del mecanismo de la puerta significan que la mayoría de las conexiones asociadas con estos componentes están sujetas a cargas dinámicas. Aunque algunos instaladores utilizan canales laminados en frío en el hueco del ascensor, en general los canales laminados en caliente se consideran más aplicables para este tipo de cargas. Los canales laminados en caliente suelen tener menos tensión dentro del perfil y tienen un rendimiento probado más completo en condiciones dinámicas, que también se ve reforzado por una larga historia de uso en el campo. El gráfico siguiente (figura 9) muestra la amplitud dinámica admisible de cargas para varios perfiles laminados en caliente a 2 x 10⁶ ciclos. El gráfico también muestra las curvas de amplitud de carga permitidas completas para <2 x 10⁶ ciclos para dos perfiles laminados en caliente comúnmente utilizados para conexiones de rieles guía de ascensores. Estos valores de carga se basan en pruebas empíricas porque en el pasado ha sido muy difícil crear un modelo de cálculo capaz de predecir con precisión el rendimiento de la fatiga en situaciones de carga dinámica. Un modelo que proporciona predictores razonables de rendimiento> 2 x 10⁶ Los ciclos en canales laminados en caliente ya están disponibles. El rendimiento dinámico de la conexión es obviamente importante para determinar los problemas de mantenimiento y seguridad durante la vida útil de una instalación, que verá millones de viajes de pasajeros.

4.3 Carga longitudinal

Una ventaja de los canales laminados en caliente es su diseño de labio más grueso (ver figura 8), que permite aplicar altos valores de torque a los pernos en T sin aplastar los labios del canal. Pares más altos pueden permitir que se soporten mayores cargas longitudinales en la dirección del canal. Esto puede ser importante para las instalaciones de rieles guía que pueden requerir el soporte de cargas laterales más altas. Los pernos en T de alta resistencia están disponibles para este propósito y, además, se pueden seleccionar pernos en T con muescas para que muerdan físicamente el borde del canal cuando se aplica un par de torsión alto. La acción de morder de la punta proporciona resistencia mecánica a las cargas longitudinales aplicadas al canal.

También se encuentran disponibles canales laminados en caliente con labios dentados y pernos en T dentados a juego. Éstos permiten cargas longitudinales más importantes hasta la capacidad de tracción y cortante transversal del canal a soportar. Su carga dinámica es similar o un poco mejor que la gama estándar de canales laminados en caliente. La interacción mecánica entre los dientes del perno y el borde del canal permite soportar cargas laterales muy elevadas en el riel (son posibles resistencias de diseño de más de 30 kN [6,750 lbs.] Por conexión de perno en T). Esta característica también hace que el estilo de canal dentado sea adecuado para conexiones donde se requiere tolerancia vertical y una carga vertical significativa, porque esto se puede lograr orientando la longitud del canal dentado en el plano vertical en lugar de en el horizontal. Las conexiones de trabajo de acero secundarias pueden ser un ejemplo de este tipo de requisito de conexión.

4.4 Carga sísmica y de alto impacto

Recientemente se han completado pruebas especiales que simulan los efectos de explosiones internas y externas o terremotos en el rendimiento de la conexión de canales laminados en caliente mientras se funden en estructuras de hormigón de alta seguridad. La prueba se orientó hacia los requisitos de conexión de la industria nuclear, pero los datos obtenidos también tienen aplicación fuera de este sector cuando el diseñador debe considerar consideraciones de carga extrema. Los ensayos se realizaron en hormigón con fisuras que oscilaron en anchos de 1.0 mm a 1.5 mm en 10 ciclos a 0.2 Hz mientras el canal se cargaba constantemente. Después del ciclo de carga, se aplicó una carga progresivamente aumentada al canal con los anchos de fisura mantenidos en 1.5 mm hasta que se lograron las cargas finales. La gama HZA-PS de canales dentados laminados en caliente, que se desarrolló a partir de esta prueba, consta de perfiles de canal con labios dentados combinados con anclajes especiales de alto rendimiento para hacer frente al hormigón muy agrietado que resulta de un evento extremo. Esta gama puede proporcionar resistencias de diseño de más de 30 kN [6,750 libras] por perno en T en cualquier dirección.

4.5 Conexiones a losas de piso de plataforma metálica delgadas y estructuras de acero

En estructuras de acero, el diseñador puede enfrentarse a situaciones en las que el engranaje de la puerta y los rieles de guía deberán anclarse al borde de losas de piso relativamente delgadas en lugar de a las paredes de un eje de concreto continuo. Los canales laminados en caliente convencionales funcionan muy bien en concreto delgado logrando buenas cargas con distancias pequeñas de borde de concreto, y se pueden proporcionar preconectados al borde metálico permanente de la losa. La posición de la plataforma metálica perfilada en la losa puede provocar una reducción del hormigón disponible para distribuir las cargas aplicadas al canal. En situaciones donde la capacidad de carga se ha reducido excesivamente, o cuando se requieren cargas particularmente altas de la conexión de la losa, los anclajes de canal normales se modifican o se agrega refuerzo adicional al concreto disponible alrededor del anclaje. En algunas ocasiones, los perfiles de canal laminados en caliente se sueldan al acero estructural en lugar de fundirse en el hormigón. Este método de conexión suele ser una opción para las instalaciones de rehabilitación; o si no se utiliza hormigón en las proximidades del hueco del ascensor; o cuando el cronograma de construcción excluya el uso de canales fundidos en el concreto.

5. Ejemplo de proyecto

Tower 1 World Trade Center en la ciudad de Nueva York será un edificio icónico con una historia emocional. Actualmente se encuentra en construcción y es una de las nuevas estructuras ubicadas en el sitio del anterior World Trade Center, que fue destruido por terroristas en los ataques del 9 de septiembre de 11. Cuando esté terminado, el edificio tendrá 2001 pisos y su aguja será miden 104 pies de altura, una referencia simbólica al año en el que Estados Unidos obtuvo su independencia. Se convertirá en el edificio más alto de EE. UU. Y la estructura contará con el servicio de 1776 ascensores proporcionados por ThyssenKrupp Elevator Americas. Cinco de estos ascensores son de velocidad extremadamente alta y funcionan a 71 metros por segundo (9 pies / minuto).

En 2005 comenzaron las discusiones con el arquitecto SOM, el ingeniero estructural WSP Cantor Seinuk y la Autoridad Portuaria de Nueva York Nueva Jersey, en relación con el diseño de conexiones dentro del hueco del ascensor. ThyssenKrupp Elevator Americas también participó en la discusión del diseño en una etapa posterior. Además del requisito de una instalación precisa de los rieles de guía para garantizar la calidad del viaje de los pasajeros, un diseño importante considera la preferencia de evitar perforar la estructura. Esto se debió a la resistencia extremadamente alta del concreto que se estaba utilizando y a la alta concentración de refuerzo de acero ubicado en la estructura. Existía la preocupación de que perforar concreto tan duro fuera muy difícil y existía el riesgo de que el proceso de perforación dañara el refuerzo de acero compactado. Después de considerar el diseño de las cargas estáticas y de impacto que las conexiones deberían soportar, se seleccionaron canales laminados en caliente fundidos como el método de anclaje que se utilizaría en el hueco del ascensor. El diseño de todas las áreas del pozo se concluyó en 2008, momento en el que también se seleccionaron canales de acero inoxidable para soportar paneles de acero inoxidable en las áreas del vestíbulo. La entrega de canales empotrados comenzó a algunas áreas de la construcción en la última parte de 2007.

En total, se utilizaron 7,000 canales de fundición laminados en caliente en el proyecto y la entrega se completó en el primer semestre de 2010. Se utilizaron pernos de cabeza en T de dos diámetros para conectar los rieles de guía del eje del ascensor a los canales de fundición n. La instalación de los rieles guía comenzó en las áreas inferiores de la estructura en 2008 y la mayoría de los rieles guía restantes se instalaron durante 2010.

6. Conclusiones

Al igual que con otros aspectos relacionados con la tecnología de ascensores, la ciencia de las conexiones de hormigón también ha progresado a lo largo de las décadas. Los productos y la ingeniería se han desarrollado proporcionando niveles crecientes de confiabilidad y rendimiento para mantenerse al día con los requisitos de diseño de las estructuras modernas. Nuestro conocimiento de la tecnología de conexión continúa evolucionando y los nuevos métodos de cálculo proporcionan predictores de rendimiento cada vez más precisos en diversas condiciones. Mientras tanto, la continua simplicidad del concepto de canal de anclaje fundido laminado en caliente permite que la precisión del rendimiento de diseño calculado se aplique de manera consistente en el campo, y esto puede ser un factor importante en su selección para conexiones críticas en el pozo del ascensor.

7. Agradecimientos

El autor agradece la amable cooperación de ThyssenKrupp Elevator Americas con respecto al ejemplo del proyecto Tower 1 World Trade Center presentado en este documento.