Diseño de revestimiento de escaleras mecánicas

Un examen y estudio de caso del diseño de cerramientos de escaleras mecánicas centrado en la seguridad

Todas las partes mecánicamente móviles de la escalera mecánica o el pasillo rodante deben estar completamente encerradas dentro de paneles o paredes sin perforar.

Están exentos de esto los escalones accesibles, los pallets accesibles, el cinturón accesible y la sección de pasamanos disponibles para el usuario. Muchos fabricantes de escaleras mecánicas utilizan láminas de acero inoxidable como dispositivo de cerramiento, por lo que el grosor y el diseño del acero inoxidable juegan un papel importante en el costo de producción. En este artículo, se considerarán varios diseños con diferentes espesores de acuerdo con la teoría de flexión de placas de Kirchhoff-Love y el análisis del método de elementos finitos (FEM) con ABAQUS / CAE 2018.

El valor admisible y las medidas de diseño han sido definidos por BS EN 115-1: 2017. Se supone que la condición del límite de la placa es igual a la ecuación de gobierno y de sujeción completa derivada del método de Ritz, también llamado "método de energía".

Introducción

El revestimiento es una parte importante de la escalera mecánica que se utiliza para tres propósitos:

1. Impedir el acceso a las partes móviles dentro de la escalera mecánica [1]
2. Proteger los dispositivos dentro de la escalera mecánica del viento, la lluvia, el polvo y otras condiciones ambientales adversas.
3. Mejorar la apariencia y hacer que todo el diseño de la escalera mecánica sea más atractivo.^{[ 2 ]}

El revestimiento se utiliza en escaleras mecánicas de transporte público. Está hecho en gran parte de acero inoxidable en dos partes como revestimiento lateral para el cerramiento lateral y el plafón (cerramiento debajo del truss). El material y el espesor juegan un papel importante en el costo de los proyectos públicos. Es por eso que un diseño altamente apropiado reduce los costos en muchas unidades.

En 1850, Gustav Kirchhoff publicó una importante tesis sobre la teoría de las placas delgadas. En esta tesis, Kirchhoff estableció dos supuestos básicos independientes que ahora son ampliamente aceptados en la teoría de la flexión de placas y se conocen como hipótesis de Kirchhoff. [3] Los componentes de tensión y deformación transversales se ignoran en las teorías clásicas o de capa delgada. Reissner introdujo una rigurosa teoría de placas que considera las deformaciones causadas por las fuerzas cortantes transversales. En 1956, MJ Turner, RW Clough, HC Martin y LJ Topp introdujeron el FEM, que permite la solución numérica de problemas complejos de placas y cubiertas de una manera económica. [4] En 2013, JL Mantari y sus colegas introdujeron la formulación de elementos finitos de una teoría generalizada de deformación por cizallamiento de orden superior para placas compuestas avanzadas.^{[ 5 ]}

Considere una placa cuadrada hecha de acero inoxidable, aplicando el método Ritz para doblar la placa. [4] La energía de tensión, U, asociado con la flexión de la placa es:

donde D es la rigidez a la flexión.

En el presente trabajo, asumimos que el módulo de elasticidad, E, y el espesor de la placa, t, están descritos por la Ec. (2), mientras que la razón de Poisson, v, se considera constante en todo el espesor. El trabajo realizado por la carga de superficie lateral, p (x, y) se representa como:

donde A es el área de la superficie de la placa. Por tanto, el potencial
La energía π = U - W es:

La aplicación de este método se ilustra considerando la flexión de una placa cuadrada de borde incorporado (completamente sujeta) que soporta una carga. p. Las condiciones de contorno son:

Integración por partes del último término en la ecuación. (1) y de acuerdo con las ecuaciones de condiciones de contorno anteriores, se convierte en:

Por lo tanto, la energía de deformación por flexión se reduce a:

Suponiendo una expresión de deflexión de la siguiente forma:

se satisfacen las ecuaciones de las condiciones de contorno. Una carga, P, luego se aplica en una ubicación

 en el que hay máxima deflexión de la placa. De las condiciones minimizadoras

resulta que:

Obteniendo los valores

en el cual

la deflexión máxima que se produce en el centro de la placa es:

Solución analítica y FEM

La solución analítica y FEM se comparan aquí para una placa cuadrada con una condición como se detalla en la Tabla 1.

Suponiendo una carga concentrada en el centro de la placa mediante la introducción de los datos de la Tabla 1 en la Ec. (10) y análisis FEM por ABAQUS / CAE 2018, resulta en la Tabla 2.

Se han asignado elementos de carcasa a la placa, y la deflexión se muestra bajo carga concentrada P = 250 N como se menciona en EN 115. [1] El error del 7% se debe al resultado obtenido al tomar solo siete términos de la serie. Cuantos más términos haya en el cálculo, más preciso será el resultado.

El tipo de carga, que se describe en EN 115 como carga de aplicación para revestimiento, es una carga de parche que debe actuar en un área específica. Los paneles exteriores deben soportar una fuerza de 250 N en cualquier punto en ángulo recto en un área redonda o cuadrada de 250 mm2 sin romperse. [1] Aquí, el punto de límite elástico se sugiere como un punto crítico en los criterios de diseño. Es por eso que se producirá una deformación permanente más allá del límite elástico. El límite elástico es el punto de tensión más bajo en el que se puede medir la deformación permanente. Esta investigación conduce a una situación más segura en el diseño, y el factor de seguridad real será mayor. En la Tabla 3, los resultados de la carga de parche se demuestran frente a la carga concentrada en el centro del panel. El valor de deflexión en el centro del panel es relativamente el mismo en cada uno, pero la tensión en la carga del parche disminuye considerablemente.

Resultado del estudio de caso

Aquí se consideran dos paneles en las partes media y superior de la escalera mecánica. Estos paneles en particular se instalan en las estaciones de metro de Shiraz, Irán. El espesor es una dimensión importante para definir el factor de seguridad. La altura del panel en las partes media y superior es de 1,817 mm y 2,933 mm, respectivamente. El ancho del panel central es de 941 mm y es más grande que el panel superior. El espesor mínimo de placa recomendado en los documentos técnicos para un proyecto público en Asia es de acero inoxidable de 1.5 mm 304. [7-9] A pesar de que este tipo y espesor de material son adecuados para el diseño de revestimientos, la norma norteamericana especifica que el espesor debe ser más de 2 mm de acero inoxidable 316 que es bastante resistente a la corrosión. [10] En las escaleras mecánicas comerciales, los paneles se diseñan con largueros cuyo grosor es de 1-1.5 mm.

El factor de deflexión, tensión y seguridad se considerará como en la Figura 3. Este gráfico de líneas describe que, mientras el espesor aumenta, la deflexión en el centro del panel disminuye marcadamente. Aunque el panel superior es más alto que el medio, su deflexión es menor. El valor descendente en el gráfico es como el de una función exponencial. La ubicación de la deflexión máxima se muestra en los paneles superior e intermedio. La tensión máxima se produce en el centro del panel en el que se aplica la carga de parche en un área cuadrada.

La figura 5 representa una función exponencial ascendente que muestra que un espesor de 1.5 mm es aceptable para el diseño de revestimientos en esta situación (de acuerdo con las dimensiones y los materiales de la placa). El espesor de la placa de 1.2 mm no es aceptable para la fabricación de revestimientos debido al valor del factor de seguridad.

Conclusión

Según los criterios de diseño EN 115, el espesor mínimo aceptable en proyectos públicos en los que se utilizan paneles de grandes dimensiones es de 1.5 mm. El ancho del panel es una dimensión importante para reducir el valor de deflexión. La tensión de la carga del parche es menor que la tensión de la carga puntual, pero la deflexión es la misma. Para crear un mejor diseño, se sugieren paneles equipados con largueros para obtener un factor de seguridad más alto con un menor costo de fabricación debido a un menor espesor. Los tipos de condiciones de contorno deben sujetarse completamente en todos los bordes para cumplir con requisitos tales como tensión y una deflexión máxima de 4 mm para evitar crear un espacio. [1] Todos los bordes se pueden doblar para proporcionar una condición de límite sujeta con soportes para la fijación.

Referencias
[1] British Standards Institution (BSI). BS EN 115-1:2017: Seguridad de escaleras mecánicas y pasillos rodantes - Parte 1: Construcción e instalación, BSI: 2017.
[2] IRSA MEHR. Catálogo de revestimiento de escaleras mecánicas, primera edición. Irán: 2017.
[3] Eduard Ventsel y Theodor Krauthammer. Teoría, Análisis y Aplicación de Placas Finas y Conchas. Marcel Dekker, Inc .: 2001.
[4] Ancel C. Ugural. Destaca en placas y conchas. segunda edicion. The McGraw-Hill Cos .: 1999.
[5] JL Mantari y C. Guedes Soares. “Formulación de elementos finitos de una teoría generalizada de deformación por cizallamiento de orden superior para placas compuestas avanzadas”, Estructuras compuestas, vol. 96 (2013), pág. 545–553.
[6] ATLAS STEELS. “Hojas de datos de calidad de aceros inoxidables” (atlassteels.com.au).
[7] Línea 1 del metro de Shiraz. “Especificaciones técnicas de las escaleras mecánicas”: 2016.
[8] Metro de la India. “Especificaciones técnicas de escaleras mecánicas”: 2014.
[9] Metro de Suzhou. “Especificaciones técnicas de escaleras mecánicas”: 2015.
[10] Asociación Estadounidense de Transporte Público. APTA RT-EE-RP-001-02: Pautas de diseño de escaleras mecánicas para sistemas de transporte de servicio pesado: 2011.