Seguridad en el automóvil panorámico

El estudio de ingeniería considera los atributos de SGP con pasamanos montados directamente.

por el Dr. Iraklis Chatziparasidis y el Dr. Dimitrios Giagopoulos
Este artículo se presentó por primera vez en el Simposio internacional de ascensores y escaleras mecánicas de 2018 en Estambul. Para obtener más información sobre el evento del 3 y 4 de diciembre de 2019 en Las Vegas y para participar, visite www.ascensorsimposio.org.

La cabina es uno de los componentes más importantes de los ascensores, ya que se utiliza para transportar mercancías y personas y, por tanto, está sujeta a legislaciones y normas estrictas que difieren en cada país u otra autoridad competente. Al mismo tiempo, la cabina suele ser el único componente funcional del ascensor visible para el usuario final. Este hecho convierte al automóvil en un elemento arquitectónico y decorativo del edificio. Las últimas tendencias en arquitectura son el uso de elementos de construcción de vidrio totalmente transparentes.^{[ 1 ]} Un ascensor panorámico de vidrio sin marco (Figura 1) no solo se ajusta a esta tendencia, sino que también amplía la estética del edificio. Sin embargo, el vidrio es un material frágil propenso a fallar por fatiga, y esta característica hizo que la verificación de la capacidad de carga del material se basara principalmente en estudios experimentales.^{[ 2 ]} Se han realizado algunas investigaciones en el campo del modelado del comportamiento de los componentes de vidrio utilizando metodologías de elementos finitos (FE), pero estas están principalmente estudiando situaciones de carga estática dirigidas al dominio de la construcción de edificios.^{[1, 3 y 4]} En este trabajo, primero presentamos un método para modelar componentes de vidrio en situaciones dinámicas que pueden ocurrir durante la función de un ascensor, por ejemplo, cuando el paracaídas del ascensor se activa durante una parada de emergencia o el automóvil golpea el búfer de boxes. En segundo lugar, aplicamos el método anterior en un análisis de automóvil panorámico sin marco de vidrio completo utilizando vidrio laminado con un SentryGlas rígido^® Plus (SGP) que tiene los pasamanos montados directamente sobre los elementos de vidrio. Finalmente, discutimos los problemas de seguridad comparando los requisitos de las normas EN 81-xx actuales con los resultados numéricos y experimentales del análisis anterior.

Requisitos de las normas EN

En este apartado presentamos los requisitos que imponen las Normas Europeas (EN) vigentes para la función de pasamanos de cabina de ascensor:

“EN 81-20

“5.4.3.2.4 La fijación del vidrio en la pared deberá garantizar que el vidrio no se salga de las fijaciones durante todas las condiciones de choque que se produzcan en ambas direcciones de desplazamiento, incluido el funcionamiento de los dispositivos de seguridad.

“5.4.3.3 Las paredes de la cabina con vidrio colocado a menos de 1.10 m del piso deberán tener un pasamanos a una altura entre 0.90 my 1.10 m. Este pasamanos se sujetará independientemente del vidrio.

“EN 81-70

“5.3.2.1 Al menos en una pared lateral de la cabina se instalará un pasamanos. La parte de agarre de este pasamanos deberá tener unas dimensiones de sección entre 30 mm y 45 mm, con un radio mínimo de 10 mm. El espacio libre entre la pared y la parte de agarre será de 35 mm como mínimo. La altura del borde superior de la parte de agarre debe estar dentro de (900 ± 25) mm desde el piso de la cabina. El pasamanos se interrumpirá donde el panel de operación de la cabina esté ubicado en la misma pared para evitar la obstrucción de botones o controles. Los extremos salientes de los pasamanos deben estar cerrados y girados hacia la pared para minimizar el riesgo de lesiones.

“EN 81-71

“5.4.1.7 Para los ascensores de Categoría 2, cualquier pasamanos deberá ser capaz de soportar en su punto más desfavorable una fuerza de 2,500 N aplicado en cualquier dirección ".

Según EN 81-20, el pasamanos se fijará independientemente del vidrio. Además, de acuerdo con la "Guía para el diseño estructural europeo de componentes de vidrio",^{[ 5 ]} cuando se rompe un panel de vidrio laminado que utiliza una capa intermedia de polivinil butiral (PVB), se pliega y cae hacia abajo. En la Figura 2, se presenta el modo de falla de los paneles de vidrio laminado comunes que utilizan una capa intermedia de PVB. Esto significa que en una situación similar dentro de un automóvil panorámico, los pasajeros estarán expuestos al peligro de caerse del automóvil, y la única barrera entre ellos y el espacio sería el pasamanos. Una situación como esta justifica el requisito EN 81-20 anterior. Sin embargo, está claro que las normas EN relativas al tipo más común de ascensores, EN 81-20 y EN 81-70, no imponen ningún requisito específico de resistencia mecánica para los pasamanos de los pasajeros. A diferencia del PVB, las capas intermedias SentryGlas son cinco veces más resistentes y hasta 100 veces más rígidas que los materiales de laminación convencionales. Las capas intermedias SentryGlas crean un vidrio laminado más resistente que protege contra tormentas, impactos y explosiones potentes. La Figura 3 presenta el comportamiento posterior a la rotura de tres tipos de paneles de vidrio.

El método de validación de experimentos dinámicos simulados de FE (SEVaM)

Para simular con precisión el comportamiento de los componentes de vidrio laminado en una situación dinámica dentro de un ascensor de cabina, es importante desarrollar un procedimiento de análisis de FE preciso. El trabajo que aquí se presenta se basa en trabajos previos en los que demostramos las ventajas de aplicar metodologías numéricas y experimentales adecuadas para predecir con precisión la respuesta dinámica y la identificación de los puntos críticos en un sistema de ascensores.^{[6 11-]}

SEVaM, que se desarrolló durante un trabajo de investigación anterior, [7] se aplica aquí en un automóvil panorámico sin marco que despliega paneles de vidrio laminado utilizando una capa intermedia rígida de SGP. El objetivo es simular con precisión el comportamiento dinámico de todo el sistema de ascensores y, específicamente, la suspensión del pasamanos directamente sobre el acristalamiento de la cabina. Para lograrlo, es necesario verificar la precisión de los modelos de EF utilizados para las simulaciones, que implican la aplicación de una combinación de métodos numéricos y experimentales. SEVaM utiliza experimentos parcialmente simulados con FE para modelar configuraciones de productos mucho más grandes.

En SEVaM, el ensamblaje experimental principal se divide primero en sus principales subsistemas funcionales. Se construye un modelo de EF inicial basado en el modelo de diseño asistido por computadora (CAD) 3D correspondiente para cada subsistema. Luego, se construye la estructura experimental correspondiente para cada subsistema. El procedimiento presentado en la Figura 4 se aplica para validar la precisión del producto experimental inicial. Para cada subsistema, los valores de aceleración se miden experimentalmente y se pasan como fuerzas de excitación al modelo FE, y se realiza un análisis dinámico.

A partir de los resultados de EF, se identifican las áreas de alto estrés. En la estructura experimental, las jaulas de tensión se colocan en las áreas de alto estrés (identificadas por análisis de EF) y los esfuerzos se miden experimentalmente. Si los valores de tensión calculados y experimentales no concuerdan, se aplican métodos de actualización del modelo de EF; de lo contrario, el modelo de EF se considera validado. Cuando se validan los modelos de EF de los subsistemas, las estructuras experimentales se sintetizan para formar el conjunto completo y se construye un modelo de EF completo. Las mediciones experimentales también se registran y comparan con los valores calculados (FE).

Verificación del modelo FE de un panel de vidrio

El primer paso es desarrollar un modelo FE de alta fidelidad del panel de vidrio. Para lograrlo, es necesario optimizar el modelo numérico FE de un panel de vidrio, incluido el componente de suspensión. Se han propuesto métodos básicos de actualización del modelo estructural para conciliar el modelo numérico (FE) con datos experimentales.^{[ 12 ]} Estimaciones de parámetros del modelo estructural basadas en datos modales medidos^{[13 19-]} a menudo se formulan como problemas de estimación de mínimos cuadrados ponderados en métricas, que miden los residuos entre las características modales medidas y predichas por el modelo.

La geometría del panel de vidrio con el componente de suspensión está discretizada principalmente por elementos tetraédricos sólidos. Se utiliza algún software apropiado para el desarrollo y solución del modelo FE.^{[20 y 21]} El modelo de EF detallado del dispositivo experimental se presenta en la Figura 5. Dos modos propios típicos, predichos por el modelo de EF nominal, se presentan en la Figura 6. Después del desarrollo del modelo de EF nominal, se realizó un análisis modal experimental de la configuración experimental cuantificar sus características dinámicas. El sistema se probó en una condición de límite libre fijo. Primero, todos los elementos necesarios de la matriz de la función de respuesta de frecuencia (FRF) requeridos para determinar la respuesta de la subestructura de la trama se determinaron mediante la imposición de una carga impulsiva.^{[12, 19 y 22-24]} El rango de frecuencia medido fue 0-2,048 Hz, que incluye el rango de frecuencia analítica de interés, 0-400 Hz. Una investigación inicial indicó que el marco tiene seis frecuencias naturales dentro de este rango. En la Figura 7 se presenta una ilustración esquemática de la configuración experimental. En esta imagen, se presentan las ubicaciones de dos acelerómetros triaxiales (A1, A2) y dos galgas extensométricas (SG1, SG2).

La Figura 8 muestra la magnitud de dos elementos típicos de la matriz FRF antes (línea continua) y después (línea discontinua) de la aplicación del método de suavizado de Welsh, que fueron registrados por la configuración experimental anterior.

Sobre la base de las funciones de FR medidas, se estimaron las frecuencias naturales y las relaciones de amortiguación de la subestructura del marco. Como resultado del procedimiento anterior, la primera columna de la Tabla 1 presenta los valores de las seis frecuencias naturales más bajas ( rE) del sistema examinado, mientras que los coeficientes de amortiguamiento correspondientes se incluyen en la cuarta columna. En la misma tabla, la segunda columna presenta los valores de las frecuencias naturales obtenidos del análisis del modelo de EF nominal (rENF), y la tercera columna compara estas frecuencias con las correspondientes

frecuencias obtenidas por los datos experimentales. Los errores determinados entre el modelo de EF nominal y las medidas experimentales son insignificantes, lo que indica que el proceso de actualización del modelo de EF es necesario.

Parametrización del modelo FE y actualización de resultados

Se introduce la parametrización del modelo FE de la configuración experimental para demostrar la aplicabilidad del método de actualización del modelo FE propuesto. El modelo parametrizado consta de seis partes (Figura 9). En cada una de estas partes, el módulo y la densidad de Young se utilizan como variables de diseño. Por tanto, el número final de parámetros de diseño es de 12 variables. La Tabla 2 presenta los valores iniciales que se han establecido en cada parámetro, los cuales son idénticos a los límites superior e inferior del modelo de EF nominal, los cuales fueron seleccionados para ser utilizados en el proceso de optimización. La última columna de la tabla muestra el paso de diseño, que se establece en el 1% del valor anterior respectivo para todos los casos. El modelo FE se actualiza utilizando las seis frecuencias modales identificadas más bajas y las formas modales que se muestran en la Tabla 1. Las formas modales identificadas incluyen componentes en las cuatro ubicaciones de los sensores.

Los resultados del método de actualización del modelo de EF se muestran en la Tabla 3. Esta tabla presenta una comparación entre identificados ( rE) y frecuencias modales óptimas predichas por FE (  ROFE).

Análisis FE del sistema de ascensor completo

Se construye un modelo FE de un sistema de ascensor completo que utiliza una cabina de vidrio completo sin marco después de la validación del modelo FE de la configuración experimental anterior. El modelo completo se resuelve numéricamente en análisis de respuesta transitoria para calcular las tensiones máximas desarrolladas (Figura 10).

Un elevador panorámico sin marco de vidrio completo (Figura 10) está diseñado y desarrollado en base a los resultados de todo el procedimiento anterior. Alcanza tensiones de diseño mínimas en los componentes del acristalamiento durante las condiciones de carga dinámica causadas, por ejemplo, por la conexión de los equipos de seguridad de emergencia. El diseño también se verifica mediante una nueva configuración experimental del sistema completo (Figura 11), donde las etiquetas SG indexan las posiciones donde se colocaron los sensores de las galgas extensométricas.

Coche de cristal completo sin marco con pasamanos sobre acristalamiento - FE Análisis

Después de verificar el modelo FE del ascensor, procedemos modelando la suspensión del pasamanos sobre los componentes de vidrio. La Figura 13 presenta una vista del modelo FE completo con la fuerza concentrada simulada en el pasamanos. La fuerza se seleccionó para aplicarse cerca del borde libre del vidrio grande que constituye el peor escenario para las tensiones emergentes.

Se examinan dos casos diferentes. En el caso 1, se aplica una fuerza de 3,000 N en dirección horizontal, mientras que, en el caso 2, se aplica una fuerza de 2,000 N en dirección vertical.

Los resultados numéricos

El modelo FE se resuelve numéricamente para calcular las tensiones máximas desarrolladas en la superficie del vidrio para la carga dada. En el caso 1, se calcula una tensión máxima de 26.9 MPa (Figura 14). Este valor es mucho más bajo que la resistencia a la flexión característica del vidrio templado térmicamente (120 MPa) o del vidrio termoendurecido (70 MPa). [5] En el caso 2, se calcula una tensión máxima de 9.3 MPa (Figura 15). Este valor es mucho más bajo que las tensiones de tracción nominales de 35-55 MPa.^{[ 1 ]} para placas de 6 mm de espesor.

A continuación, el modelo FE se resuelve numéricamente para calcular las tensiones máximas desarrolladas en una superficie intercalar SGP aislada para las cargas dadas. En el caso 1, se calcula una tensión máxima de 14 MPa (Figura 16) y, para el caso 2, se calcula una tensión máxima de 4.9 MPa (Figura 17). Ambos valores son inferiores a la resistencia a la tracción SGP presentada por Callewaert, Delincé, Sonck, Belis y Van Impe.^{[ 25 ]}

Conclusiones

Estamos cuestionando el requisito de la EN 81-20 de sujetar el pasamanos independientemente del vidrio cuando, al mismo tiempo, las principales normas EN 81-xx no tienen requisitos específicos para la resistencia del pasamanos. Discutimos los problemas de seguridad que podrían surgir en un escenario con un panel de vidrio que tiene una capa intermedia de PVB que está completamente colapsada, e investigamos si el uso de paneles de vidrio con una capa intermedia SGP (y los pasamanos montados directamente sobre ellos) puede proporcionar lo mismo. o un nivel de seguridad aún mayor en contraste con los requisitos de EN 81-20. Para probar experimentalmente este concepto, hemos utilizado el SEVaM propuesto. Esta metodología se ha utilizado con éxito en experimentos simulados en un estudio de caso para una cabina de ascensor panorámica sin marco de vidrio completo. Se utilizan medidas experimentales para validar el modelo FE, y este modelo se utiliza para el cálculo de las tensiones provocadas por el pasamanos en la superficie de los paneles de vidrio y la capa intermedia SGP. Los resultados numéricos del análisis FE indican que el uso de paneles de vidrio con capas intermedias SGP puede soportar tensiones causadas por el pasamanos que son incluso superiores a los requisitos de EN 81-71 para ascensores de Clase 2 resistentes al vandalismo. De acuerdo con estos resultados numéricos, también se mantiene un alto nivel de seguridad, incluso en una situación posterior a la rotura.

Trabajo Futuro

El siguiente paso de este trabajo es estudiar las propiedades mecánicas de los paneles de vidrio roto utilizando capas intermedias SGP. Un estudio experimental del comportamiento de estos paneles de vidrio en situaciones de post rotura considerando la magnitud de la carga, la duración de aplicación de la carga y la temperatura sería un complemento muy útil a este trabajo.

Referencias
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