Análisis numérico sísmico de ascensores

Modelado FEA del comportamiento de ascensores MRL en condiciones sísmicas según EN 81-77

por el Dr. Pascal Rebillard y Frédéric Grimault

Cada año, a nivel mundial, el número de terremotos registrados se sitúa entre 500,000 y 1 millón. Sus consecuencias son, lamentablemente, bien conocidas. Las personas pueden morir o sufrir lesiones graves debido al colapso de edificios, y las economías locales sufren la pérdida de negocios y la reducción de ingresos por daños a la propiedad y costos de reparación.

Según datos históricos, Asia, y Japón en particular, ha sido el continente más afectado por los peligros sísmicos, aunque EE. UU. También es una región altamente sísmica. No obstante, no debe olvidarse a Europa en la lista de regiones sísmicas de riesgo. La mayor parte de su actividad sísmica se encuentra en su región sur (Grecia, Italia, Rumanía, etc.), que es la más expuesta a los efectos del enfrentamiento de las placas corticales africanas y euroasiáticas. Por ejemplo, en 2009, el terremoto de Aquila en Italia mató a 300 personas y obligó a miles a abandonar la región.

En Europa, la sismología ha mejorado continuamente con el tiempo. Ha logrado un progreso significativo durante los últimos 30 años gracias a los sensores, la electrónica y las tecnologías informáticas. Estos permiten a los científicos crear mejores simulaciones y mejorar la predicción. Sin embargo, el accidente nuclear de 2011 en Fukushima, Japón, recordó a los países europeos las consecuencias potencialmente catastróficas de un terremoto en países con muchas plantas nucleares, como Francia.

Una iniciativa lanzada en Europa en la década de 2000 creó un código destinado a ayudar tanto a las empresas de ascensores como a los arquitectos a tener en cuenta los efectos sísmicos. El estándar se llama EN 81-77: Reglas de seguridad para la construcción e instalación de ascensores.Aplicaciones particulares para ascensores de pasajeros y de mercancías.Parte 77: Ascensores sujetos a condiciones sísmicas..

La demanda de sistemas de ascensores que cumplan con la norma EN 81-77 está creciendo en Europa, incluso si este nuevo código aún no es muy conocido por los clientes de la industria. 

Comenzando con la "Aceleración horizontal (a_d) ”Como se define en EN 81-77 Anexo A, este documento técnico presenta un método original de análisis de elementos finitos (FEA) que permite la validación del comportamiento estructural del sistema de ascensores con respecto a la condición sísmica.

La energía generada por un terremoto es transmitida al ascensor por el edificio. Todos los componentes del ascensor participan juntos para disipar esta energía. Todas las masas que se mueven verticalmente en uso normal en el hueco del ascensor (peso total de la cabina y contrapeso [CWT]) aplicarán fuerzas importantes sobre los rieles de guía cuando se sometan a una aceleración horizontal. La integridad de toda la instalación está garantizada principalmente por los soportes de riel guía (GRB) que sostienen la cabina y los rieles guía CWT. Se deben tener en cuenta todas las interacciones entre los componentes principales (cabina, CWT, rieles de guía y GRB) y la flexibilidad estructural de cada parte del ascensor.

Un modelo numérico completo permite analizar el comportamiento de los raíles guía y GRB. Este enfoque refina los resultados en los rieles de guía y GRB en comparación con el propuesto por EN 81-77, en el que la cabina, CWT y GRB se consideran rígidos (Figura 1). Esto es aún más importante en una instalación de ascensor sin cuarto de máquinas (MRL), porque se aplica una fuerza de compresión importante en cada riel guía. En estas instalaciones, todo el sistema está sostenido por los rieles de guía, ya que la máquina y los enganches de los extremos muertos están fijados al extremo superior de los rieles de guía. Sin embargo, el bastidor de la cabina, el CWT y la bancada de la máquina se calculan por separado, como si participaran individualmente en la disipación de energía. Esta elección se tomó por consideraciones de convergencia en el modelo numérico completo en el que el marco del automóvil y el CWT se simplifican enormemente.

Actualmente, se utiliza un método FEA para evaluar el comportamiento estructural de los ascensores, principalmente en cargas verticales. Las aceleraciones impuestas a las estructuras son la gravedad o las variaciones de velocidad en las direcciones verticales únicamente. Esto se aplica siempre que no existan otras direcciones de tensiones (causadas por eventos tales como terremotos) para las cuales la aceleración horizontal debe considerarse en el diseño de las estructuras.

Dependiendo de la severidad del sismo, la magnitud de la aceleración horizontal (a_d) puede variar considerablemente. El valor de esta aceleración es la entrada principal a considerar en el análisis FEA. En la norma EN 81-77 se dan cuatro categorías de ascensores sísmicos que dependen de este valor de aceleración.

Capítulo 1: Cálculo de subsistemas mecánicos

Marco del coche

La cabina no se considera parte estructural. Solo se calcula y analiza el bastidor de la cabina, que soporta la cabina (Figuras 3-6). Se considera la cabina más pesada de la gama, por lo que se incluye una masa concentrada adicional que representa los paneles más pesados ​​en el modelo del bastidor del automóvil para tener la masa de la cabina y el centro de gravedad correctos.

Otra masa adicional que representa el 40% de la carga máxima de trabajo se coloca a 1 m sobre el piso, que es aproximadamente la posición del centro de gravedad del cuerpo humano. Todas las masas del modelo generan fuerzas bajo el efecto de la aceleración; por lo tanto, las tensiones de Von Mises se calculan en todas las partes de acero del bastidor del automóvil. También se analizan las fuerzas en los eslabones (tornillos, remaches, soldaduras y puntos de remachado).

Bancada de la máquina

Para un elevador MRL, la bancada de la máquina se fija en el extremo superior de los rieles de guía (Figuras 7 y 8). La última parte de los rieles de guía y el primer nivel del GRB justo debajo de la bancada de la máquina deben considerarse en el modelo, porque su comportamiento afectará la bancada de la máquina. También se implementan la máquina fijada a la bancada de la máquina y las fuerzas aplicadas por las correas sobre la polea de la máquina.

CWT

La función del CWT es equilibrar, lo mejor posible, las masas de la instalación del ascensor (Figuras 9 y 10). Para lograr esta función, los rellenos deben mantenerse en el CWT, independientemente de las fuerzas aplicadas sobre el marco estructural. En este tipo de modelo, es importante modelar todos los rellenos, porque la aceleración sísmica horizontal induce el deslizamiento del relleno y diferentes magnitudes de fuerzas aplicadas por cada relleno sobre los montantes del CWT. La precisión de las tensiones de los montantes depende de estas fuerzas. El principal riesgo es un escape de los rellenos siguiendo el marco CWT 

deformaciones. Entonces, las tensiones se analizan para no exceder la tensión de fluencia del acero para cada parte del CWT. Entonces solo aparecerán deformaciones elásticas. Tales deformaciones no son lo suficientemente grandes como para inducir un escape de relleno.

Capítulo 2: Cálculo de la instalación completa del ascensor

La integridad de toda la instalación del ascensor depende, entre otras cosas, de la función de guía. Los GRB, fijados a la pared del hueco, garantizan la linealidad y verticalidad de los carriles guía. También garantizan una separación adecuada entre todos los rieles de guía (para cabina y CWT).

Una deformación importante de los rieles de guía (incluidos los GRB) podría provocar un escape de las zapatas de guía con respecto a los rieles de guía. En este caso, la función de guía ya no estaría asegurada. Por tanto, el control es fundamental para evitar que el desplazamiento de los raíles guía bajo carga supere los valores críticos que puedan comprometer la función de guiado. Por otro lado, las deformaciones permanentes en los GRB afectarán la perfecta linealidad de los rieles de guía. Entonces se degradará la calidad de la cabina y la guía CWT.

Todos estos requisitos no se pueden analizar de manera eficiente considerando cada componente por separado, por lo que decidimos construir un modelo completo (incluidos GRB, rieles de guía, cabina y CWT) para tener en cuenta todas las interacciones. En este modelo, el marco del automóvil y el CWT se simplifican (todas las partes se pegan juntas). Solo se utilizan para transmitir las fuerzas horizontales al sistema de guiado. Este modelo puede predecir:

• Destaca los GRB

• Fuerzas en los enlaces GRB a la pared

• Deflexión de los rieles de guía

• Desplazamientos en cada punto de la instalación

• Desplazamiento relativo entre las zapatas de guía y los rieles para evaluar el riesgo de pérdida de guía

Ejemplo de análisis

En el siguiente ejemplo y en la Figura 11, un primer análisis con un GRB cada 3 m en el hueco del ascensor mostró que una^-2 La aceleración sísmica indujo tres problemas cuando las zapatas guía de la cabina se ubican entre dos GRB:

1. Las fuerzas de tracción en el GRB se unen a la pared por encima de su límite aceptable
2. Deflexión de un riel guía de la cabina de más de 5 mm (valor máximo permitido)
3. Von Mises enfatiza que exceden el límite elástico en los GRB

La solución es agregar GRB intermedios (al menos uno cada 1.5 m, en lugar de cada 3 m). Los resultados numéricos se muestran en las Figuras 11 y 12.

Finalmente, con GRB espaciados 1.5 m en lugar de 3 m:

• Las fuerzas de tracción en los enlaces a la pared se volvieron aceptables.

• La deflexión de los rieles de guía se dividió por dos

• Las tensiones en los PSG se volvieron aceptables

Como se muestra, es necesario mantener la configuración con GRB espaciados 1.5 my reforzarlos para mantener un factor de seguridad correcto. La deflexión del riel guía del CWT es de aproximadamente 4 mm cerca de la cruceta inferior del CWT (Figura 13). 

El comportamiento de la guía es aceptable, incluso con GRB espaciados 3 m. De hecho, podemos ver que el desplazamiento relativo entre la zapata guía inferior de la cabina y el riel guía de la cabina es de aproximadamente 11.5 mm (Figura 14), pero la superposición nominal de la zapata guía de la cabina sobre el riel guía de la cabina es de 28 mm, por lo que sigue siendo un superposición de 16.5 mm, a pesar de la deformación sísmica.

Conclusión

Se ha descrito un método FEA utilizado para validar el comportamiento estructural del sistema de ascensores con respecto a las condiciones sísmicas indicadas en EN 81-77. El beneficio de este método original es predecir el comportamiento sísmico del sistema de ascensores completo, teniendo en cuenta las interacciones mecánicas entre los principales subsistemas (cabina, CWT, GRB y rieles guía).

Dr. Pascal Rebillard es gerente del departamento de Análisis y Modelado de Sistemas en Otis y miembro de Elevator Systems que apoya a los equipos de desarrollo de Otis en todo el mundo. Se incorporó a Otis en 1991 y comenzó su carrera en Gien, Francia, como ingeniero investigador encargado de crear un laboratorio de acústica y abordar todos los asuntos relacionados con el ruido y las vibraciones. Al mismo tiempo, como parte de una misión en la FAIS (federación francesa de empresas de ascensores), trabajó en estrecha colaboración con el Ministerio de Vivienda francés y dirigió un grupo de trabajo para definir las nuevas regulaciones acústicas de ascensores actualmente en vigor en Francia. También actuó como director de proyectos durante el desarrollo de la gama de productos Otis Gen2®. Rebillard tiene un doctorado en Física de la Universidad de Maine en Le Mans, Francia.

Frederic Grimault ha estado a cargo de validaciones numéricas de estructuras de ascensores en el departamento de Análisis y Modelado de Elementos Finitos en el centro de I + D de Otis en Gien, Francia, desde 2007. Grimault comenzó su carrera en la industria automotriz. Recibió su título de ingeniero en el Institut National des Sciences Appliquées en Lyon, Francia, en 1993.