Analisi numerica sismica degli ascensori

Modellazione FEA del comportamento degli ascensori MRL in condizioni sismiche secondo EN 81-77

del Dr. Pascal Rebillard e Frédéric Grimault

Ogni anno, a livello mondiale, il numero di terremoti registrato è compreso tra 500,000 e 1 milione. Le loro conseguenze sono, purtroppo, ben note. Le persone possono essere uccise o gravemente ferite a causa del crollo degli edifici e le economie locali soffrono per la perdita di affari e per la riduzione degli introiti a causa dei danni alle proprietà e dei costi di riparazione.

Sulla base dei dati storici, l'Asia – e il Giappone, in particolare – è stato il continente più colpito dai rischi sismici, sebbene anche gli Stati Uniti siano una regione altamente sismica. Ciononostante, l'Europa non va dimenticata nell'elenco delle regioni sismiche a rischio. La maggior parte della sua attività sismica è nella sua regione meridionale (Grecia, Italia, Romania, ecc.), che è la più esposta agli effetti dello scontro tra le placche crostali africane ed eurasiatiche. Ad esempio, nel 2009, il terremoto dell'Aquila in Italia ha ucciso 300 persone e ha costretto migliaia di persone a lasciare la regione.

In Europa, la sismologia è migliorata continuamente nel tempo. Ha fatto progressi significativi negli ultimi 30 anni grazie a sensori, elettronica e tecnologie informatiche. Questi consentono agli scienziati di creare simulazioni migliori e migliorare la previsione. Tuttavia, l'incidente nucleare del 2011 a Fukushima, in Giappone, ha ricordato ai paesi europei le conseguenze potenzialmente catastrofiche di un terremoto in paesi con molte centrali nucleari, come la Francia.

Un'iniziativa lanciata in Europa negli anni 2000 ha creato un codice destinato ad aiutare sia le aziende di ascensori che gli architetti a prendere in considerazione gli effetti sismici. Lo standard si chiama EN 81-77: Regole di sicurezza per la costruzione e l'installazione di ascensori — Applicazioni particolari per ascensori per passeggeri e merci — Parte 77: Ascensori soggetti a condizioni sismiche.

La domanda di sistemi per ascensori conformi alla EN 81-77 è in crescita in Europa, anche se questo nuovo codice non è ancora ben conosciuto dai clienti del settore. 

A partire dall'"Accelerazione orizzontale (a_d)” come definito nella EN 81-77 Allegato A, questo documento tecnico presenta un metodo originale di analisi degli elementi finiti (FEA) che consente la convalida del comportamento strutturale del sistema di ascensori in relazione alle condizioni sismiche.

L'energia generata da un terremoto viene trasmessa all'ascensore dall'edificio. Tutti i componenti dell'ascensore partecipano insieme per dissipare questa energia. Tutte le masse che si muovono verticalmente durante l'uso normale nel vano corsa (peso cabina completa e contrappeso [CWT]) applicheranno forze importanti sulle rotaie di guida quando sottoposte ad accelerazione orizzontale. L'integrità dell'intera installazione è quindi principalmente garantita dalle staffe guida-guida (GRB) che sostengono la cabina e le guide CWT. Devono essere prese in considerazione tutte le interazioni tra i componenti principali (cabina, CWT, binari di guida e GRB) e la flessibilità strutturale di ogni parte dell'ascensore.

Un modello numerico completo consente l'analisi del comportamento delle rotaie di guida e dei GRB. Questo approccio affina i risultati sulle rotaie di guida e sui GRB rispetto a quello proposto dalla EN 81-77, in cui la cabina, il CWT e i GRB sono considerati rigidi (Figura 1). Questo è tanto più importante in un'installazione di ascensori senza locale macchina (MRL), perché su ciascuna rotaia di guida viene applicata un'importante forza di compressione. In queste installazioni, l'intero sistema è sostenuto dalle rotaie di guida, in quanto gli attacchi macchina e vicolo cieco sono fissati all'estremità superiore delle rotaie di guida. Tuttavia, il telaio dell'auto, il CWT e il basamento della macchina sono calcolati separatamente, come se partecipassero individualmente alla dissipazione di energia. Questa scelta è stata fatta per considerazioni di convergenza sul modello numerico completo in cui telaio e CWT sono notevolmente semplificati.

Attualmente, viene utilizzato un metodo FEA per valutare il comportamento strutturale degli ascensori, principalmente nei carichi verticali. Le accelerazioni imposte alle strutture sono le variazioni di gravità o di velocità solo nelle direzioni verticali. Ciò vale fintanto che non vi sono altre direzioni di sollecitazione (causate da eventi quali i terremoti) per le quali l'accelerazione orizzontale deve poi essere considerata nella progettazione delle strutture.

A seconda della gravità del sisma, l'entità dell'accelerazione orizzontale (a_d) può variare notevolmente. Il valore di questa accelerazione è l'input principale da considerare nell'analisi FEA. Quattro categorie di ascensori sismici a seconda di questo valore di accelerazione sono fornite nella EN 81-77.

Capitolo 1: Calcolo dei sottosistemi meccanici

Telaio per auto

La cabina non è considerata una parte strutturale. Viene calcolato e analizzato solo il telaio dell'auto, che sostiene la cabina (Figure 3-6). Viene considerata la cabina più pesante della gamma, quindi una massa concentrata aggiuntiva che rappresenta i pannelli più pesanti è inclusa nel modello di telaio dell'auto per avere la massa della cabina e il baricentro corretti.

Un'altra massa aggiunta che rappresenta il 40% del carico massimo di servizio è posizionata 1 m sopra il pavimento, che è approssimativamente la posizione del baricentro del corpo umano. Tutte le masse del modello generano forze sotto l'effetto dell'accelerazione; quindi, le sollecitazioni di Von Mises sono calcolate su tutte le parti in acciaio del telaio dell'auto. Vengono inoltre analizzate le forze nei collegamenti (bulloni, rivetti, saldature e punti di clinciatura).

Basamento della macchina

Per un elevatore MRL, il basamento della macchina è fissato all'estremità superiore delle rotaie di guida (Figure 7 e 8). L'ultima porzione delle rotaie di guida e il primo livello del GRB appena sotto il basamento della macchina dovrebbero essere considerati nel modello, poiché il loro comportamento influenzerà il basamento della macchina. Vengono inoltre implementate la macchina fissata al basamento della macchina e le forze applicate dalle cinghie sulla puleggia della macchina

CWT

La funzione del CWT è quella di bilanciare, nel miglior modo possibile, le masse dell'impianto dell'ascensore (Figure 9 e 10). Per realizzare questa funzione, i riempitivi devono essere mantenuti nel CWT, qualunque siano le forze applicate sul telaio strutturale. In questo tipo di modello è importante modellare tutti i filler, perché l'accelerazione sismica orizzontale induce lo scorrimento del filler e diverse grandezze di forze applicate da ciascun filler sui montanti del CWT. La precisione sulle sollecitazioni dei montanti dipende da queste forze. Il rischio principale è la fuoriuscita dei riempitivi seguendo il telaio CWT 

deformazioni. Quindi, le sollecitazioni vengono analizzate per non superare la sollecitazione di snervamento dell'acciaio per ciascuna parte del CWT. Appariranno quindi solo deformazioni elastiche. Tali deformazioni non sono sufficientemente grandi da indurre fuoriuscite di riempitivo.

Capitolo 2: Calcolo dell'intera installazione dell'ascensore

L'integrità dell'intera installazione dell'ascensore dipende, tra l'altro, dalla funzione di guida. I GRB, fissati alla parete del vano corsa, garantiscono la linearità e la verticalità delle guide. Garantiscono inoltre una distanza adeguata tra tutte le guide (per cabina e CWT).

Una deformazione importante delle rotaie di guida (compresi i GRB) potrebbe indurre uno scarico dei pattini di guida rispetto alle rotaie di guida. In tal caso, la funzione di guida non sarebbe più assicurata. Pertanto, il controllo è essenziale per evitare che lo spostamento delle rotaie di guida sotto carico superi valori critici che potrebbero compromettere la funzione di guida. D'altra parte, le deformazioni permanenti sui GRB influenzeranno la perfetta linearità delle rotaie di guida. La qualità della cabina e la guida CWT saranno quindi degradate.

Tutti questi requisiti non possono essere analizzati in modo efficiente considerando ciascun componente separatamente, quindi abbiamo deciso di costruire un modello completo (inclusi GRB, binari di guida, cabina e CWT) per tenere conto di tutte le interazioni. In questo modello, il telaio dell'auto e il CWT sono semplificati (tutte le parti sono incollate insieme). Servono solo per trasmettere le forze orizzontali al sistema di guida. Questo modello è in grado di prevedere:

• Sottolinea sui GRB

• Le forze nel GRB si collegano al muro

• Deflessione delle rotaie di guida

• Spostamenti su ogni punto dell'impianto

• Spostamento relativo tra pattini di guida e rotaie per valutare il rischio di guida di perdita

Esempio di analisi

Nell'esempio seguente e nella Figura 11, una prima analisi con un GRB ogni 3 m nel vano corsa ha mostrato che un 2.5 ms^-2 l'accelerazione sismica ha indotto tre problemi quando i pattini di guida della cabina si trovano tra due GRB:

1. Le forze di trazione nel GRB si collegano al muro oltre il loro limite accettabile
2. Flessione di un binario di guida della cabina superiore a 5 mm (valore massimo consentito)
3. Sforzi di von Mises che superano lo stress di snervamento nei GRB

La soluzione è aggiungere GRB intermedi (almeno uno ogni 1.5 m, anziché ogni 3 m). I risultati numerici sono mostrati nelle Figure 11 e 12.

Infine, con GRB distanziati di 1.5 m anziché 3 m:

• Le forze di trazione nei collegamenti al muro sono diventate accettabili

• La deflessione delle rotaie di guida è stata divisa per due

• Le sollecitazioni nei GRB sono diventate accettabili

Come questo dimostra, è necessario mantenere la configurazione con GRB distanziati di 1.5 m l'uno dall'altro e rinforzarli per mantenere un corretto fattore di sicurezza. La flessione del binario di guida CWT è di circa 4 mm vicino alla traversa inferiore del CWT (Figura 13). 

Il comportamento di guida è accettabile, anche con GRB distanziati di 3 m. Infatti, possiamo vedere che lo spostamento relativo tra il pattino di guida della cabina inferiore e il binario di guida della cabina è di circa 11.5 mm (Figura 14), ma la sovrapposizione nominale del pattino di guida della cabina sul binario di guida della cabina è di 28 mm, quindi rimane un sovrapposizione di 16.5 mm, nonostante la deformazione sismica.

Conclusione

È stato descritto un metodo FEA utilizzato per validare il comportamento strutturale del sistema ascensore rispetto alle condizioni sismiche indicate nella EN 81-77. Il vantaggio di questo metodo originale è di prevedere il comportamento sismico dell'intero sistema di ascensori, tenendo conto delle interazioni meccaniche tra i sottosistemi principali (cabina, CWT, GRB e binari di guida).

Dott. Pascal Rebillard è manager del dipartimento di analisi e modellazione dei sistemi di Otis e membro dei sistemi per ascensori che supporta i team di sviluppo di Otis in tutto il mondo. È entrato in Otis nel 1991 e ha iniziato la sua carriera a Gien, in Francia, come ingegnere di ricerca incaricato di creare un laboratorio di acustica e affrontare tutte le questioni relative al rumore e alle vibrazioni. Allo stesso tempo, nell'ambito di una missione presso la FAIS (federazione francese delle società di ascensori), ha lavorato a stretto contatto con il Ministero francese dell'edilizia abitativa e ha guidato un gruppo di lavoro per definire le nuove normative sull'acustica degli ascensori attualmente in vigore in Francia. Ha anche agito come project manager durante lo sviluppo della gamma di prodotti Otis Gen2®. Rebillard ha conseguito un dottorato in fisica presso l'Università del Maine a Le Mans, in Francia.

Frederic Grimault è stato responsabile delle convalide numeriche delle strutture degli ascensori nel dipartimento di analisi e modellazione degli elementi finiti presso il centro di ricerca e sviluppo di Gien, Francia di Otis dal 2007. Grimault ha iniziato la sua carriera nell'industria automobilistica. Ha conseguito la laurea in Ingegneria presso l'Institut National des Sciences Appliquées di Lione, in Francia, nel 1993.