Comportamiento práctico ante la tensión de los sistemas completos de sujeción de rieles

Este documento proporciona un ejemplo de la práctica de diseño de ascensores convencional relacionada con clips, soportes y anclajes de riel como unidades separadas.

Este trabajo fue presentado en Lucerne 2010, el Congreso Internacional sobre Tecnologías de Transporte Vertical y publicado por primera vez en el libro Elevator Technology 18 de la IAEE, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores. (sitio web: www.elevcon.com). Este artículo es una reimpresión exacta y no ha sido editado por ELEVATOR WORLD.

Palabras clave: diseño de anclaje, desplazamiento, sistema de sujeción, carga de falla, pretensión

Resumen

La práctica de diseño de ascensores convencional considera los clips de riel, los soportes y los anclajes de riel como unidades separadas. Hilti llevó a cabo un análisis de cómo actúa el sistema completo de sujeción de rieles bajo carga. Este documento analiza la distribución de fuerzas en el sistema completo de sujeción de rieles (clips de riel, soportes y anclajes de pared) en función de las cargas aplicadas al riel de la cabina. Los resultados de las pruebas prácticas revelan el modo de falla de los diversos componentes del sistema de sujeción de rieles e identifican aquellos que pueden causar una avería del sistema de sujeción completo. Por último, también se discuten las consecuencias que tiene para el diseño un sistema de sujeción de carril eficaz y rentable.

1.Introduction

El artículo de Elevcon2006 “Diseño dinámico para anclajes de ascensores a edificios” describe el diseño de anclajes utilizados para sujetar rieles de guía sujetos a carga dinámica a muros de hormigón en huecos de ascensores. El software de diseño propuesto para esto simplifica la situación al considerar el soporte que conecta el punto en el que se inducen las fuerzas (carril) con el anclaje como una estructura rígida. Se puede cuestionar si los soportes de sujeción de rieles que se utilizan con frecuencia en la práctica realmente se comportan como un sistema rígido cuando están bajo carga, y esto se señala en el documento de Elevcon 2006 (Figura 1).

Cuando la carga dinámica es transferida al ancla por un sistema no rígido, las fuerzas que el ancla debe transferir al muro son diferentes a las que se presumen en un diseño basado en un soporte rígido. Con el fin de lograr un diseño óptimo de las fijaciones de los rieles de guía en la pared del eje con respecto a la transferencia confiable de las fuerzas estáticas y dinámicas que ocurren, el uso económico de materiales y la instalación eficiente, la estructura de conexión completa, es decir, clips de riel, soporte, conexión partes y el ancla, deben diseñarse como un sistema completo. Esto ya se indicó en el artículo de Elevcon2006 "Diseño dinámico para el anclaje de ascensores a edificios".

En 2009, en nuestro laboratorio acreditado según la norma DIN EN ISO / IEC 17025 para la ejecución de análisis mecánico-tecnológicos de métodos y materiales de fijación, aprovechamos para montar una disposición completa de fijación de raíles como sistema y para someterlo a cargas dinámicas y estáticas en el carril con el fin de investigar el comportamiento del sistema y del anclaje en términos de deformación elástica y plástica, así como su modo de falla y características. Otro objetivo de estas investigaciones fue determinar si el anclaje tradicionalmente utilizado para esta fijación (HSA M12x100 en un orificio perforado a una profundidad de 95 mm) podría ser reemplazado por el HSA M12x80 en un orificio de 75 mm, sin falla del anclaje utilizado para el riel. fijación.

2. Desempeño del ancla HSA bajo carga en agujeros poco profundos

En la aprobación técnica europea ETA-99/0001 del 13 de marzo de 2008, la profundidad mínima del orificio para la instalación de la Hilti HSA M12 se define en 70 mm. Uno de los puntos principales de la investigación de las características de falla del sistema de sujeción de rieles fue determinar el límite de carga para el conjunto Hilti HSA M12 en un orificio poco profundo. Para ello, se definió una profundidad mínima del agujero de 55 mm. El Hilti HSA es un anclaje de expansión que transfiere fuerzas al hormigón mediante un sistema que consta de una sección cónica (1) que expande un manguito (2). A continuación, el manguito transfiere la fuerza de compresión (3) al hormigón (Figura 2).

La combinación de la tensión inducida en el ancla y las fuerzas de compresión que ocurren en el elemento de expansión dan como resultado la propagación de la presión en un área cónica hacia la superficie del hormigón. Cuanto mayor sea el volumen de hormigón que se puede "activar", es decir, incluido en esta zona cónica de presión (4), mayores son las fuerzas que se pueden absorber antes de llegar al punto en el que el hormigón falla y precisamente esta sección cónica se rompe. lejos del cuerpo principal de hormigón.

La profundidad de perforación de 55 mm representa el mínimo geométrico. A continuación, el elemento de expansión se ubica 15 mm por debajo de la superficie del hormigón. La denominada "profundidad de anclaje efectiva" es de 35 mm. Se consigue así un volumen mínimo de hormigón "activado". Si el elemento de expansión se colocara más cerca de la superficie del hormigón, induciría fuerzas de compresión en un área del hormigón que, en la práctica, es muy heterogénea y de baja resistencia a la compresión, ya que el hormigón tan cerca del encofrado no puede ser óptimamente compactado. Por tanto, es muy probable que el ancla falle tan pronto como se aplique el par de apriete especificado en la fase de instalación.

Se colocó una serie de prueba de cinco Hilti HSA M12 en la misma losa de hormigón en la que se instaló el sistema de fijación de rieles a probar. Los anclajes Hilti HSA M12 se colocaron en orificios de 55 mm y se apretaron a un par de 60 Nm como se especifica en la aprobación técnica europea. La carga de prueba se aplicó mediante un dispositivo hidráulico y se incrementó de manera constante hasta que falló el ancla. Para ello, además de la carga aplicada, también se midió el desplazamiento del ancla (Figura 3).

Como era de esperar, la causa de la falla en los cinco casos fue la falla del concreto. La sección cónica rota de hormigón es claramente visible en la foto. A una profundidad de agujero de 55 mm, el volumen de hormigón necesario para absorber las fuerzas aplicadas es muy limitado. Los resultados de las pruebas mostraron una carga de falla media de 22.8 kN.

3. La configuración de la prueba

La configuración de prueba para la investigación del sistema de sujeción completo correspondió al método de sujeción estándar utilizado para rieles de guía en una pared de hueco de ascensor de hormigón. Se seleccionó hormigón de grado C20 / 25 para la prueba y 19 días después de la colada ya tenía una resistencia a la compresión de 29.5 N / mm2. Esta es una situación que se encuentra con mucha frecuencia en los nuevos huecos de ascensores en edificios de hasta 10 pisos. El hormigón que se encuentra en edificios más altos o en edificios antiguos tiende a ser de mayor resistencia. El hormigón de alta resistencia es capaz de absorber fuerzas más elevadas. El soporte de fijación del riel es un componente estándar que consta de dos soportes angulares que se sujetan juntos en el medio por medio de cuatro pernos y tuercas M12 ubicados en orificios alargados. La fuerza de la conexión se define por el agarre por fricción logrado entre las dos partes por la fuerza de sujeción de los cuatro pernos (Figura 4). Los clips de riel también son componentes estándar. Las conexiones de perno / tuerca M12 en el soporte se aprietan con un par de 72 Nm. Los anclajes HST M12x145 utilizados para esto se colocan en orificios perforados a una profundidad de 95 mm. En la práctica, los anclajes estándar utilizados son M12x100 mm, también colocados en orificios perforados a una profundidad de 95 mm. Los anclajes M12x145 que ofrecen una longitud de rosca adicional fueron elegidos para la prueba con el fin de permitir la fijación de los anillos de medición de fuerza. Los anclajes HST se ajustaron con las tuercas suministradas que se apretaron a un par de 60 Nm como se especifica en la Aprobación Técnica Europea. Posteriormente, las tuercas suministradas fueron reemplazadas por el dispositivo de medición de fuerza.

Los anillos de medición de fuerza permiten medir la pretensión del ancla y también permiten medir la curva de fuerza para el ancla durante la carga del soporte. Se aplicaron al riel una fuerza de tracción que actuaba hacia el centro del eje y una fuerza de corte que actuaba paralelamente a la pared del eje. Las fuerzas de tracción y cizallamiento actuaron directamente sobre el carril y simularon las cargas que aplicarían las guías de la cabina del ascensor cuando el ascensor está en funcionamiento. Las fuerzas fueron aplicadas por un dispositivo hidráulico. Se instaló un dispositivo de medición de desplazamiento en el pistón aplicando esta fuerza para que el desplazamiento del soporte pudiera medirse y registrarse durante la prueba.

4. El impacto de la carga de tracción en el sistema de sujeción de rieles

Durante la prueba de carga de tracción, se aplicó una carga que aumentó de 0 a 5 kN cinco veces para simular la parada y arranque de la cabina del ascensor durante el funcionamiento. Para determinar la causa de la falla del sistema de sujeción completo, la carga de prueba se incrementó posteriormente lentamente hasta que ocurrió la falla (Figura 5).

La prueba mostró que esta carga cíclica de 5 picos fue absorbida por el sistema sin fallas. La aplicación de la carga resultó en un desplazamiento elástico y plástico en el punto de apoyo del riel. A la carga máxima (5 kN), el desplazamiento máximo fue de 2.5 mm, quedando 0.5 mm de desplazamiento de plástico cuando la fuerza se redujo a cero. Durante el ciclo de carga, la fuerza medida en los anclajes aumentó solo ligeramente (en 0.5 kN) desde la pretensión de 12 kN aplicada durante la instalación y volvió a un valor de 12 kN después de retirar la carga de prueba (Figura 6).

El sistema de sujeción del riel falló a una carga de tracción máxima de 11 kN. Durante este tiempo, la fuerza medida en los anclajes pasó del valor de pretensado de 12 kN a un valor de 16 kN. Se descubrió que la causa de la falla a 11 kN eran los clips del riel que estaban doblados hacia arriba hasta tal punto que el riel se extrajo del anclaje. Hasta el punto de falla, el riel se había desplazado 9.5 mm (Figura 7).

Los resultados de la prueba mostraron que el sistema de fijación sobrevivió a la carga de prueba con una deformación plástica de 0.5 mm. También demostraron que el sistema de sujeción reaccionaba a la aplicación de la carga mostrando deformaciones elásticas y plásticas. En consecuencia, la carga sobre los anclajes no fue la esperada, es decir, no la supuesta en el diseño.

5. El impacto de la carga cortante en el sistema de sujeción de rieles

En el siguiente paso, se cargó el sistema de fijación de rieles aplicando una carga de corte que actuaba paralelamente a la pared del eje. La carga de prueba fue nuevamente una carga cíclica de 5 picos que se elevó de 0 a un valor de 5 kN. Para determinar la causa de la falla del sistema de sujeción completo, la carga de prueba se incrementó posteriormente lentamente hasta que ocurrió la falla (Figura 8).

La aplicación de la carga de cizallamiento al raíl hizo que el soporte se doblara en direcciones transversal y longitudinal hasta tal punto que la prueba tuvo que ser abortada. La configuración de prueba utilizó solo un tramo muy corto de riel. En la práctica, el desplazamiento longitudinal del carril se trasladaría al siguiente soporte y a la base del eje y, por tanto, sería limitado. Para evitar el desplazamiento longitudinal del riel, se seleccionó una configuración de prueba que aplicaba la fuerza de corte directamente al soporte. Para simular la falta de apalancamiento en el sistema como resultado de dejar fuera el riel, la carga máxima se elevó de 5 a 6 kN desde un punto inicial de cero durante cada ciclo.

La prueba mostró que el sistema absorbió la carga cíclica de 5 picos sin fallas. La aplicación de la carga resultó en un desplazamiento elástico y plástico en el punto de apoyo del riel. A la carga máxima (6 kN), el desplazamiento máximo fue de 6 mm, quedando 2.5 mm de desplazamiento de plástico cuando la fuerza se redujo a cero. Debido al apalancamiento ejercido por la aplicación de la fuerza de corte, las curvas de fuerza medidas para cada uno de los dos anclajes fueron diferentes. La fuerza en el ancla bajo la carga de tracción resultante de este apalancamiento aumentó en 3.0 kN durante el ciclo de carga desde la fuerza de pretensión de 15 kN y cayó a 8.5 kN cuando se retiró la carga de prueba. Debido al efecto de palanca resultante de la carga cortante, el otro anclaje fue sometido a una fuerza de compresión que no tuvo un efecto significativo sobre la pretensión del ancla (Figura 9).

El sistema falló a una carga máxima de 12.7 kN. Cuando esto ocurrió, la fuerza máxima en el ancla en la zona de carga de tracción se elevó a 24 kN. El punto de fijación del carril se desplazó 25 mm. La causa de la falla fue la conexión atornillada en los orificios alargados en las dos partes del soporte. Las dos piezas de chapa metálica se desplazaron una hacia la otra (Figura 10).

Los resultados de la prueba mostraron que el sistema de fijación sobrevivió a la carga de trabajo con una deformación plástica de 2.5 mm. También demostraron que el sistema de sujeción reaccionaba a la aplicación de la carga mostrando deformaciones elásticas y plásticas. En consecuencia, la carga sobre los anclajes no fue la esperada, es decir, no la supuesta en el diseño.

6. Diseño de anclaje estándar en comparación

El software de diseño comúnmente utilizado para las fijaciones de anclajes se refiere a la estructura de conexión entre los puntos en los que se aplican las fuerzas y los anclajes, de una forma simplificada, es decir, como una estructura rígida. Esto parece tener sentido, ya que los detalles de diseño de la estructura que deberían conocerse para tener en cuenta la influencia de su deformación en el diseño del sistema de anclaje, a menudo no se conocen suficientemente.

Después de obtener estos resultados de la prueba, la tarea ahora es mostrar, a modo de comparación, los valores de carga de anclaje que el software de diseño Hilti Profis calcula para el sistema de sujeción de rieles bajo investigación y el grado (en%) al cual la capacidad de carga de los dos Se utilizan anclajes Hilti HSA M12 en orificios de 90 mm. Utilizando los datos geométricos de los soportes, los valores de resistencia para el acero y el hormigón, más la distancia entre los dos anclajes y el punto en el que se aplica la fuerza, se produce un modelo simplificado del sistema de fijación. Con este modelo, las fuerzas que actúan sobre los anclajes se pueden calcular a partir de las cargas de tracción y compresión de 5 kN en cada caso (Figura 11).

El cálculo muestra que cuando se aplica la carga de tracción a la estructura, cada anclaje se somete a una carga de tracción de 5.3 kN. Bajo la aplicación de la carga cortante, como en la prueba y debido al apalancamiento, el ancla no. 1 se somete a la tensión más alta con una carga de tracción adicional de 5.6 kN, mientras que el ancla no. 2 está situado en la zona de presión de la placa base y, por tanto, no está sometido a ninguna carga además de la pretensión aplicada en el momento de la instalación. El acero del ancla sometido a mayor esfuerzo en el sistema de sujeción se carga así al 19% de su capacidad. A diferencia de los modos de falla por desprendimiento y desprendimiento cónico del concreto que están relacionados con el concreto, la utilización de la capacidad alcanza un máximo del 38%. Con los anclajes, la utilización de menos del 25% de la capacidad de carga del acero y menos del 55% de la capacidad del hormigón generalmente no conduce a problemas de fatiga.

Las pruebas produjeron otros resultados. En el ensayo de carga de tracción bajo la aplicación de una carga de 5 kN, la carga de tracción máxima en cada uno de los dos anclajes por encima y por encima de la carga de pretensión fue de 0.5 kN. En el caso de los anclajes con mayor carga en la prueba de carga cortante, la carga además de la pretensión que queda en los anclajes después de los primeros ciclos de carga fue de 9.5 kN. La carga total que actúa sobre el anclaje a través de la combinación de pretensión y carga de trabajo se discutió en el artículo de Elevcon2006 “Diseño dinámico para el anclaje de elevadores a edificios”.

Esto confirma que la deformación en el punto de aplicación de la carga y en la estructura entre el carril y la fijación del ancla tiene una gran influencia en la tensión transferida al ancla.

7. Conclusiones

Se pueden derivar varios puntos de estos resultados de prueba y se comentan brevemente en los siguientes párrafos. Se ha demostrado que el cambio al conjunto Hilti HSA M12 en orificios perforados a una profundidad de 70 mm no parece ser crítico. Debido a la deformación del soporte de carril como consecuencia de las tensiones a las que está sometido, las fuerzas que actúan sobre los anclajes no son las esperadas, es decir, no las asumidas por el software de diseño, que realiza sus cálculos en base a una suposición simplificada que el soporte sea completamente rígido. Cambiar a la Hilti HSA M12 en un orificio menos profundo tendría varias ventajas en términos de salud y seguridad del personal que realiza los trabajos de instalación debido a la reducción de la exposición al polvo de perforación y las vibraciones. Además, la perforación de pozos menos profundos también podría aumentar la productividad debido a tiempos de perforación más cortos y un riesgo reducido de perforar directamente a través (y por lo tanto dañar) paredes de pozo relativamente delgadas.

La advertencia temprana de falla se proporciona mediante la deformación plástica del sistema de sujeción del riel. En el caso de que el raíl se desplace varios milímetros, la cabina del ascensor debería entrar en conflicto con el sistema de accionamiento de las puertas del hueco del ascensor y el ascensor cambiará automáticamente al modo "Servicio". El técnico de servicio debe notar la deformación de los soportes. Posteriormente, puede determinar la causa de la sobrecarga y tomar las medidas necesarias para remediarla. A continuación, se puede reemplazar el soporte doblado y volver a alinear el riel. El sistema de fijación de carril tiene reservas de seguridad inherentes en caso de falla parcial.

Los daños en forma de ménsula doblada se pueden reparar a un costo menor que los daños resultantes de la falla del concreto en el anclaje. Como se muestra en la figura 4 (foto del punto de anclaje fallido), no se pueden instalar más anclajes en ese punto. El nuevo soporte debe colocarse en una posición diferente, lo que requiere más tiempo y, por lo tanto, es más costoso que la simple sustitución de un soporte.

Si sería sensato diseñar el anclaje y el soporte de riel como sistemas separados es otro punto de discusión. Diseñar la fijación del carril como un sistema completo, incluido el anclaje, ayudaría a conseguir un determinado comportamiento en caso de avería. Además, también ayudaría a lograr una solución completa con costos optimizados con un uso económico de materiales y procedimientos de instalación eficientes.

En la actualidad, se están realizando esfuerzos para combinar el software de diseño de anclajes de anclaje Hilti Profis con el software de sistemas de instalación Hilti Profis. Los sistemas de instalación de Hilti forman un sistema modular similar a un kit de canales de acero y conectores que facilita la producción de estructuras de soporte versátiles para que los elementos se sujeten a la estructura del edificio mediante anclajes. En el campo de los ascensores, los sistemas de instalación de Hilti se utilizan para vigas divisorias y vigas de puertas. Las ventajas de esto son la disponibilidad mundial de soluciones estándar y el ajuste flexible de la longitud mediante la fijación mediante pernos roscados que se pueden colocar en el sitio sin necesidad de técnicas de corte o unión que generen chispas. Estos sistemas livianos, que logran su rigidez a través del diseño especial de los perfiles de los canales en lugar de a través del espesor del material, permiten que las vigas livianas se coloquen en el hueco del ascensor sin el uso de una grúa o equipo de elevación pesado. El software de sistemas de instalación Hilti Profis admite la simulación de deformaciones elásticas y plásticas al diseñar la estructura. La combinación del software de anclaje Hilti Profis y el software de sistemas de instalación Hilti Profis a la que ahora apuntamos permitirá un diseño óptimo de sistemas de fijación completos que combinen estructuras de soporte y fijaciones de anclaje.

8. Agradecimientos

Me gustaría agradecer a mis colegas del departamento del Centro de Investigación en Ingeniería y Servicios Técnicos de Hilti. En particular, a Jenoe Varga y Jacob Kunz por su apoyo en la preparación de este documento.

Referencias
(Hilti TWU - FSRL 29/08)
G. Hämmerle y Ch. König (2009). Carga de tracción y cortante en el conjunto de soportes…; Carga de tracción en Hilti HSA M12 / 80 en hormigón ...
(Elevcon2006 - Tecnología de ascensores 16)
M. Merz (2006). Diseño dinámico para anclajes de ascensores a edificios