Evaluación de la armadura de la escalera mecánica sometida a desplazamiento forzado para diseño sísmico

Se detalla un método de análisis preciso para el diseño sísmico.

por Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie y Hirobumi Utsunomiya

Este trabajo fue presentado en  Madrid 2016, el Congreso Internacional de Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro de la IAEE Tecnología de ascensores 21, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores.   (sitio web: www.elevcon.com).

Un grave terremoto ocurrió en Japón el 11 de marzo de 2011 y las escaleras mecánicas colapsaron. Esto fue causado por el desplazamiento interlaminar del edificio (llamado "desviación del piso"), que resultó en la fluctuación del tramo de la escalera mecánica. El desplazamiento forzado impuesto a la armadura de la escalera mecánica podría haber causado daños sustanciales. Por lo tanto, Hitachi evaluó su resistencia bajo desplazamiento forzado mediante simulación. Además, la simulación se realizó en función del tamaño real. Según los resultados de la simulación, incluso en el caso de un desplazamiento forzado de 200 mm, la armadura de la escalera mecánica no colapsó. Además, hemos establecido los medios de análisis de resistencia de la armadura de la escalera mecánica para el diseño sísmico.

Introducción

Japón ha tenido una mayor frecuencia de ocurrencia de terremotos. El criterio sísmico para escaleras mecánicas en Japón se introdujo después del terremoto de South Hyogo (Mj7.2, enero de 1995) y se estandarizó en el Comentario estándar tecnológico de ascensores (versión 2009).^{[ 1 ]}

Sin embargo, el fenómeno del colapso de las escaleras mecánicas^{[ 2 ]} todavía ocurrió durante el Gran Terremoto del Este de Japón (Mj9.0, marzo de 2011). Se sospechaba que la causa del colapso de la escalera mecánica se debió al desplazamiento de la historia de los edificios. Como resultado, los criterios de diseño sísmico de la escalera mecánica, que era el estándar de la industria, fueron aplicados por la Ley de Normas de Construcción en 2014.^{[ 3 ]} Cuando el desvío del piso es mayor que el espacio libre, el marco de la escalera mecánica experimenta una compresión debido al desplazamiento forzado de la viga estructural. Se desconoce la influencia que tiene la compresión en el marco de la escalera mecánica. Cuando el espacio libre es pequeño, es necesario demostrar que la deformación del marco de la escalera mecánica no compromete su seguridad.

Este artículo explica la forma de pensar de la construcción de las escaleras mecánicas de Hitachi tras la adaptación a los nuevos criterios de diseño sísmico. Además, describe la evaluación del desplazamiento forzado en la cercha de la escalera mecánica debido a la escasez de espacio libre. El propósito es cumplir con el criterio sísmico mediante la remodelación local de las escaleras mecánicas instaladas.

Antecedentes y objetivo del desarrollo

Criterios de diseño sísmico japonés

El marco de una escalera mecánica comprende el truss y sus ángulos de soporte en ambos extremos. La escalera mecánica está suspendida a través de la viga estructural en los pisos superior e inferior por los respectivos ángulos de soporte. Cuando se produce un desplazamiento interlaminar del edificio, el tramo de la escalera mecánica instalada fluctúa. La esbelta relación de aspecto del edificio afecta el cambio en el tramo de la escalera mecánica.

La figura 1 muestra la vista lateral de una escalera mecánica típica y una vista ampliada del ángulo de apoyo. El lapso (K) fluctúa desde su dimensión inicial (K0) por la deriva de la historia. El espacio libre (la distancia entre el ángulo de apoyo y el plano vertical de la viga estructural) y la longitud de superposición (la longitud general del ángulo de apoyo sobre la viga estructural en el plano horizontal) del ángulo de apoyo se cambian durante un terremoto.

El criterio de diseño sísmico impuesto por la Ley de Normas de Construcción establece que el tamaño del ángulo de deformación del piso debe ser 1/24 de la altura de la escalera mecánica. Esto es más de cuatro veces el ángulo de deformación del piso de 1/100, que alguna vez fue el estándar industrial convencional.

Cuando el valor de la deriva del piso (γH) es mayor que el espacio libre, el marco de la escalera mecánica experimenta compresión debido al desplazamiento forzado de la viga estructural.

Estructura correspondiente de las escaleras mecánicas nuevas

Hitachi ha considerado tanto la longitud de superposición como el espacio libre en respuesta al cambio en la deriva del piso en los nuevos criterios sísmicos. En el caso de una estructura fija por un lado, donde un lado está fijo, mientras que el otro lado no lo está, solo es posible dejar suficiente espacio libre en el lado que no está fijo. Además, si la holgura se vuelve grande en un lado, el brazo de momento del ángulo de soporte aumenta, provocando que la condición de tensión se vuelva severa. Por otro lado, se pueden asignar los espacios libres necesarios en ambos extremos de una estructura no fija. En este caso, la holgura en ambos extremos se acorta, lo que hace que se reduzca la tensión que se produce en el ángulo de apoyo. Por lo tanto, se adoptó la estructura no fija en ambos extremos para nuevas escaleras mecánicas. El movimiento lateral de la escalera mecánica se restringe mediante la utilización de restricciones paralelas (cierre de seguridad de dirección lateral).

Al considerar el temblor del edificio causado por terremotos que no son grandes, un lado del soporte debe ser semi fijo. [4] El ángulo de soporte semi-fijo se construye para un terremoto que no es enorme y es una estructura que se deshace antes de que se desarrolle un daño sustancial dentro del marco durante un terremoto importante. Esto actúa como un "fusible" para los terremotos. (La Figura 2 muestra una vista lateral del lado semi-fijo).

El extremo semi-fijo se crea agregando partes como un pasador semi-fijo a un extremo sin fijar. Con esta innovación, Hitachi tiene como objetivo aumentar las ventas de productos de escaleras mecánicas y ascensores amigables para los humanos. [5]

 Problemas con las escaleras mecánicas instaladas

Las escaleras mecánicas nuevas y las existentes están sujetas a daños sísmicos cuando ocurre un terremoto. Se espera que las escaleras mecánicas instaladas cumplan con los últimos criterios de diseño sísmico después de que se aplique la remodelación de resistencia sísmica. Cuando esto se realiza, la escalera mecánica instalada puede alcanzar el nivel de seguridad igual al de una nueva escalera mecánica.

Para las escaleras mecánicas actualmente en funcionamiento, sus longitudes extremas deben acortarse para aumentar el espacio libre a fin de evitar la compresión durante los terremotos. Sin embargo, el reemplazo de una escalera mecánica de este tipo en su ubicación instalada podría ser difícil, inhibiendo así cualquier forma de remodelación resistente a los sismos. Por lo tanto, se debe realizar un análisis de resistencia para las escaleras mecánicas que ya están en funcionamiento.

Este artículo describe el análisis de resistencia del ascensor, que utiliza análisis elastoplástico para obtener resultados similares a los generados por la prueba de tamaño real que había realizado la Ley de Normas de Construcción.

También se ha determinado el estado deformado y la resistencia residual del marco cuando experimenta un desplazamiento forzado por una viga estructural.

La Ley de Normas de Construcción llevó a cabo una prueba de tamaño real en la que se aplicó un desplazamiento forzado de 200 mm a un marco con una elevación de 3 m. [6] La curva de desplazamiento de la fuerza de reacción horizontal producida por el análisis se compara con los resultados de la prueba antes mencionada, y el método de análisis se elabora en la siguiente sección.

Análisis de fuerza

Condiciónes de la prueba

El desplazamiento forzado aplicado a la escalera mecánica fue de 200 mm, el mismo que la carrera de la máquina de prueba utilizada en la prueba de tamaño real. En el caso de una elevación de 3 m, el valor máximo de compresión basado en 1/24 del ángulo de deformación del piso en los criterios sísmicos es de solo 125 mm. Sin embargo, se utilizó un desplazamiento forzado de 200 mm en el análisis de simulación para replicar las condiciones de la prueba de tamaño real con fines de comparación.

Forma del modelo

Se consideraron dos tipos de marcos. El primero es un marco de celosía (patrón A), mientras que el segundo es un marco donde los materiales de acero laminado en H se extruyen para formar una viga (patrón B). Para comparar con la prueba de tamaño real, la elevación de la escalera mecánica se establece en 3 m (igual que la prueba de tamaño real). Las dimensiones exteriores de cada marco se muestran en la Figura 3. Además, se realizó otra simulación en una escalera mecánica con un marco de 5 m de altura para comprobar la influencia del desplazamiento forzado de 200 mm en una escalera mecánica de mayor altura.

Condiciones de análisis de simulación

La escalera mecánica se modeló utilizando un marco y un ángulo de apoyo necesarios para soportar su peso. El modelo de análisis se creó utilizando capas de elementos primarios, que contienen elementos de cálculo integrales, y se le dio una masa puntual concentrada a cada elemento. La masa de cada pasajero, escalón, pasamanos móvil, pieza de balaustrada y el aparato interno se ingresó como una carga puntual vertical. Las cargas se aplicaron sobre el larguero en la parte superior de la estructura del marco.

Para las condiciones de contorno, se fijó el ángulo de apoyo superior, mientras que al ángulo de apoyo inferior se le dio un desplazamiento forzado horizontal. El ángulo de apoyo inferior descansaba sobre un muro rígido, que simulaba una viga estructural. Esta pared rígida tocaba tanto la superficie horizontal como la vertical del ángulo de soporte y le dio al marco un desplazamiento forzado cuando la pared rígida se desplazó horizontalmente.

La Figura 4 muestra las condiciones de los marcos después de la aplicación del desplazamiento forzado. Los resultados de la simulación indicaron una diferencia de desplazamiento de 5 mm entre las vigas de la estructura. Dado que no es probable que la viga se comprima uniformemente, esta diferencia de desplazamiento se consideró aceptable.

 En la simulación, se aplicó un desplazamiento de compresión de hasta 200 mm. La carga viva y el peso del aparato se introdujeron a 0-0.15 s. como condición inicial, mientras que el desplazamiento forzado se introdujo a los 0.15-0.5 s. Se simplificó todo el modelo y se aproximaron las propiedades elástico-plástico del material mediante dos líneas rectas (Figura 5).

Para una comparación precisa con la prueba de tamaño real, se dieron las siguientes propiedades del material a los respectivos marcos: forma de marco de celosía A = tensión de fractura de 598 MPa; forma de la estructura de la viga B = esfuerzo de fractura de 555 MPa. El solucionador de análisis utilizado fue LS / DYNA (de Livermore Software Technology Corp.).

Resultados de la simulación

La figura 6 muestra la vista lateral de la deformación del marco cuando se aplicó un desplazamiento forzado de 200 mm a ambos marcos, mientras que la figura 7 muestra el alzado frontal. La deformación del marco fue más severa en la sección inferior que en la sección superior. El punto de flexión se ubicó en la parte inferior del marco; a medida que aumentaba la deformación, también lo hacía el ángulo de flexión.

Comparando la deformación de la elevación frontal, el marco de celosía A experimentó un cambio mayor que el marco de estructura de vigas B. Esto probablemente se deba a la diferencia en la rigidez de los miembros constituyentes de los marcos respectivos.

La Figura 8 muestra el cambio de dimensión para cuatro secciones, a saber:

1. Sección horizontal superior
2. Gradiente medio
3. Sección horizontal inferior
4. Distancia entre ángulos de apoyo.

Es la comparación entre el estado inicial y el estado deformado. La deformación del marco de celosía A en la sección horizontal inferior fue mayor, mientras que el aumento del ángulo de flexión del marco de la viga B fue mayor. Así, se confirmó la tendencia antes mencionada.

La tensión alrededor del punto de flexión inferior se obtuvo mediante el análisis. Estos valores estaban por debajo de la tensión de fractura del material. Para el marco de celosía A, el valor de tensión obtenido fue de 536 MPa (factor de seguridad de tensión de fractura de 1.11). El valor de tensión obtenido para el marco de estructura de vigas B fue de 368 MPa (factor de seguridad de tensión de fractura de 1.50).

Comparación entre el análisis de resistencia y la prueba de tamaño real

Las figuras 9 y 10 muestran la relación entre la fuerza horizontal en la dirección longitudinal y el desplazamiento forzado aplicado al marco de celosía A y al marco de estructura de vigas B. Los datos de la prueba de tamaño real se representan como una línea discontinua. La delgada línea continua refleja los resultados del análisis de una elevación de 3 m, mientras que la línea continua en negrita refleja los resultados del análisis de una elevación de 5 m. Como se ve en las Figuras 9 y 10, la representación gráfica del análisis de simulación se parecía a los resultados de la prueba de tamaño real. Los resultados obtenidos a través del análisis de resistencia y las pruebas de tamaño real fueron similares en forma.

Al comparar los resultados del análisis de fuerza de los aumentos de 3 y 5 m, el efecto del cambio en el aumento no fue muy grande. En general, tanto para la simulación como para la prueba de tamaño real, la fuerza de reacción horizontal todavía existía, incluso hasta el punto en el que el desplazamiento forzado era de 200 mm.

Se confirmó que un marco no colapsa por un desplazamiento forzado. Si la fuerza de reacción horizontal obtenida del análisis disminuye a cero, significaría que el marco de la escalera mecánica ya no se puede sostener y, por lo tanto, implica que la escalera mecánica colapsará bajo un desplazamiento forzado de 200 mm. Dado que los resultados de la simulación indican que la fuerza horizontal no se redujo a cero, se confirma que el marco no se cayó por el desplazamiento forzado. Por lo tanto, Hitachi puede evaluar mediante la simulación.

Por otro lado, no se detectó ninguna rotura de ningún miembro estructural o soldadura dentro del marco durante el examen de tamaño real. Además, durante el análisis de simulación, las tensiones encontradas en el material del marco A y el marco B bajo el desplazamiento forzado no alcanzaron el límite elástico del material. Por lo tanto, se puede concluir que cuando se aplica un desplazamiento forzado al marco de la escalera mecánica, el análisis muestra que la escalera mecánica no colapsará.

Conclusión

Este artículo describe la forma de pensar que utiliza Hitachi con respecto al nuevo diseño de escaleras mecánicas creado para adaptarse a los nuevos criterios sísmicos japoneses. Para el caso de escaleras mecánicas instaladas, se realizó un análisis de resistencia en el marco, y la información obtenida se resume a continuación.

Durante la prueba de tamaño real y el análisis de simulación, el desplazamiento forzado provocó una deformación plástica en el marco, pero la fuerza de reacción horizontal que actúa sobre el marco permaneció, lo que confirma que la escalera mecánica todavía puede sostenerse. Para desplazamientos forzados superiores a 200 mm, se deben realizar más simulaciones para determinar si el marco de la escalera mecánica colapsará. La prueba de tamaño real no mostró evidencia de falla de los miembros de la escalera mecánica, mientras que el análisis de simulación tampoco indicó signos de falla del material. Por lo tanto, se concluye que el resultado de la prueba de tamaño real se puede predecir utilizando este método de análisis. Por lo tanto, cuando la armadura de una escalera mecánica se somete a un desplazamiento forzado, este método de análisis descrito para el diseño sísmico es preciso para demostrar que la escalera mecánica no colapsará.

Referencias
[1] Fundación del Centro de Elevadores y Equipos de Construcción de Japón, Asociación de Elevadores de Japón. “Comentario de la versión 2009 de la Norma de tecnología de ascensores”, p.167-182 (2009).
[2] Ministerio de Tierras, Infraestructuras, Transporte y Turismo. “Referencia sobre la Oferta de Opinión sobre 'el Plan Tentativo de Medidas Preventivas contra Gotas de la Escalera Mecánica'” (2012).
[3] Fundación del Centro de Elevadores y Equipos de Construcción de Japón, Asociación de Elevadores de Japón. “Comentario de la versión 2014 de la Norma de tecnología de ascensores”, p.1.3.115-1.3.126 (2014).
[4] Horie, N., Sekiguchi, K. y Utsunomiya, H. “Análisis de resistencia de la armadura en estructura semi-fija”, reunión anual de 2014 de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos (2014).
[5] Fukuda, T., Sakaue, M. e Ise, Y. “Escaleras mecánicas amigables con los seres humanos y el medio ambiente”, ELEVCON, 21º Congreso Internacional sobre Tecnologías de Transporte Vertical (2010).
[6] Universidad Denki de Tokio. “Informe del Negocio de Promoción de Mantenimiento de la Ley de Normas de Construcción de 2014, Número de investigación: P8, Términos de referencia: Examen sobre la forma de la medida para la seguridad de la escalera mecánica” (2014).