Valutazione della capriata della scala mobile soggetta a spostamento forzato per la progettazione sismica

Viene descritto in dettaglio un metodo accurato di analisi per la progettazione antisismica.

di Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie e Hirobumi Utsunomiya

Questo documento è stato presentato a  Madrid 2016, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 21, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori   (sito web: www.elevcon.com).

L'11 marzo 2011, in Giappone, si è verificato un grave terremoto che ha causato il crollo delle scale mobili. Ciò è stato causato dallo spostamento interlamellare dell'edificio (chiamato "story drift"), che ha causato la fluttuazione della campata della scala mobile. Lo spostamento forzato imposto alla travatura reticolare della scala mobile potrebbe averla danneggiata in modo significativo. Pertanto, Hitachi ha valutato la sua resistenza sotto spostamento forzato mediante simulazione. Inoltre, la simulazione è stata eseguita sulla base delle dimensioni reali. Secondo i risultati della simulazione, anche nel caso di uno spostamento forzato di 200 mm, la travatura reticolare della scala mobile non è crollata. Abbiamo inoltre definito le modalità di analisi della resistenza della travatura reticolare della scala mobile per la progettazione sismica.

Introduzione

In Giappone si è registrato un aumento della frequenza dei terremoti. Il criterio sismico per le scale mobili in Giappone è stato introdotto dopo il terremoto di Hyogo Sud (Mj7.2, gennaio 1995) ed è stato standardizzato nel Commentario sugli Standard Tecnologici per gli Ascensori (versione 2009).^[1]

Tuttavia, il fenomeno delle scale mobili che crollano^[2] Si è verificato anche durante il Grande Terremoto del Giappone Orientale (Mj9.0, marzo 2011). Si sospettava che la causa del crollo della scala mobile fosse dovuta allo spostamento dei piani degli edifici. Di conseguenza, i criteri di progettazione antisismica della scala mobile, che erano lo standard del settore, sono stati applicati dal Building Standards Act nel 2014.^[3] Quando lo spostamento del piano è maggiore della luce libera, il telaio della scala mobile subisce una compressione dovuta allo spostamento forzato della trave strutturale. L'influenza che la compressione ha sul telaio della scala mobile non è nota. Quando la luce libera è piccola, è necessario dimostrare che la deformazione del telaio della scala mobile non ne comprometta la sicurezza.

Questo articolo illustra il modo di concepire la costruzione delle scale mobili Hitachi dopo l'adeguamento ai nuovi criteri di progettazione antisismica. Descrive inoltre la valutazione dello spostamento forzato sulla travatura reticolare della scala mobile dovuto alla mancanza di spazio libero. L'obiettivo è quello di conformarsi ai criteri antisismici attraverso la rimodulazione locale delle scale mobili installate.

Contesto e obiettivo dello sviluppo

Criteri di progettazione sismica giapponesi

La struttura di una scala mobile è composta dalla travatura reticolare e dai relativi angolari di supporto alle estremità. La scala mobile è sospesa alla trave strutturale al piano superiore e inferiore tramite i rispettivi angolari di supporto. Quando si verifica uno spostamento interlamellare dell'edificio, la campata della scala mobile installata varia. Il rapporto di aspetto snello dell'edificio influisce sulla variazione della campata della scala mobile.

La Figura 1 mostra la vista laterale di una tipica scala mobile e una vista ingrandita dell'angolo di supporto. La campata (K) varia rispetto alla sua dimensione iniziale (K0) a causa dello spostamento del piano. La distanza tra l'angolo di supporto e il piano verticale della trave strutturale e la lunghezza di sovrapposizione (la lunghezza complessiva dell'angolo di supporto rispetto alla trave strutturale nel piano orizzontale) dell'angolo di supporto variano durante un terremoto.

I criteri di progettazione antisismica imposti dal Building Standards Act stabiliscono che l'angolo di deformazione del piano deve essere pari a 1/24 dell'altezza della scala mobile. Questo valore è più di quattro volte superiore all'angolo di deformazione del piano, pari a 1/100, che un tempo era lo standard convenzionale del settore.

Quando il valore dello spostamento del piano (γH) è maggiore dello spazio libero, il telaio della scala mobile subisce una compressione dovuta allo spostamento forzato della trave strutturale.

Struttura corrispondente delle nuove scale mobili

Hitachi ha considerato sia la lunghezza di sovrapposizione che lo spazio libero in risposta alla variazione dello spostamento di piano nei nuovi criteri sismici. Nel caso di una struttura fissata su un lato, in cui un lato è fisso e l'altro no, è possibile garantire uno spazio libero sufficiente solo sul lato non fissato. Inoltre, se lo spazio libero diventa ampio su un lato, il braccio di momento dell'angolo di supporto aumenta, causando un aumento della sollecitazione. D'altro canto, gli spazi liberi necessari possono essere allocati a entrambe le estremità di una struttura non fissata. In questo caso, lo spazio libero a entrambe le estremità si riduce, riducendo così la sollecitazione che si verifica in corrispondenza dell'angolo di supporto. Pertanto, per le nuove scale mobili è stata adottata la struttura non fissata a entrambe le estremità. Il movimento laterale della scala mobile è limitato utilizzando limitatori paralleli (fermo di sicurezza in direzione laterale).

Considerando le scosse dell'edificio causate da terremoti di piccola entità, un lato del supporto deve essere semi-fisso.[4] L'angolare di supporto semi-fisso è costruito per un terremoto di piccola entità ed è una struttura che si sgancia prima che si sviluppino danni sostanziali all'interno della struttura durante un terremoto di forte entità. Questo funge da "fusibile" per i terremoti. (La Figura 2 mostra una vista laterale del lato semi-fisso.)

L'estremità semi-fissa viene creata aggiungendo parti come un perno semi-fisso a un'estremità non fissa. Utilizzando questa innovazione, Hitachi mira ad aumentare le vendite di scale mobili e ascensori a misura d'uomo.[5]

 Problemi con le scale mobili installate

Sia le scale mobili nuove che quelle esistenti sono soggette a danni sismici in caso di terremoto. Ci si aspetta che le scale mobili installate siano in grado di soddisfare i più recenti criteri di progettazione antisismica dopo l'applicazione di interventi di adeguamento antisismico. Una volta realizzati, la scala mobile installata può raggiungere un livello di sicurezza pari a quello di una scala mobile nuova.

Per le scale mobili attualmente in funzione, le lunghezze estreme devono essere accorciate per aumentare lo spazio libero e prevenire la compressione durante i terremoti. Tuttavia, la sostituzione di una scala mobile di questo tipo nella sua posizione di installazione potrebbe risultare difficoltosa, impedendo così qualsiasi forma di ristrutturazione antisismica. Pertanto, è necessario effettuare un'analisi di resistenza per le scale mobili già in funzione.

In questo articolo viene descritta l'analisi della resistenza dell'ascensore, che utilizza l'analisi elastoplastica per ottenere risultati simili a quelli generati dal test a grandezza naturale condotto dal Building Standards Act.

Sono stati inoltre determinati lo stato deformato e la resistenza residua del telaio quando è sottoposto a uno spostamento forzato da parte di una trave strutturale.

Un test a grandezza naturale è stato condotto dal Building Standards Act in cui uno spostamento forzato di 200 mm è stato applicato a un telaio con un'elevazione di 3 m.[6] La curva di spostamento della forza di reazione orizzontale prodotta dall'analisi è confrontata con i risultati del test sopra menzionato e il metodo di analisi è elaborato nella sezione seguente.

Analisi della forza

Condizioni di prova

Lo spostamento forzato applicato alla scala mobile è stato di 200 mm, lo stesso della corsa della macchina di prova utilizzata nel test a dimensioni reali. Nel caso di un dislivello di 3 m, il valore massimo di compressione basato su 1/24 dell'angolo di deformazione del piano nei criteri sismici è di soli 125 mm. Tuttavia, nell'analisi di simulazione è stato utilizzato uno spostamento forzato di 200 mm per replicare le condizioni del test a dimensioni reali a scopo di confronto.

Forma del modello

Sono stati considerati due tipi di telai. Il primo è un telaio a traliccio (schema A), mentre il secondo è un telaio in cui i materiali in acciaio laminato a H vengono estrusi per formare una trave (schema B). Per un confronto con il test a dimensioni reali, l'altezza della scala mobile è impostata a 3 m (la stessa del test a dimensioni reali). Le dimensioni esterne di ciascun telaio sono mostrate in Figura 3. Inoltre, è stata condotta un'altra simulazione su una scala mobile con un telaio con un'altezza di 5 m per verificare l'influenza dello spostamento forzato di 200 mm su una scala mobile con un'altezza maggiore.

Condizioni di analisi della simulazione

La scala mobile è stata modellata utilizzando un telaio e un angolare di supporto necessari per sopportarne il peso. Il modello di analisi è stato creato utilizzando gusci di elementi primari, che contengono elementi di calcolo integrale, e a ciascun elemento è stata assegnata una massa concentrata. La massa di ogni passeggero, gradino, corrimano mobile, elemento della balaustra e apparato interno è stata inserita come carico concentrato verticale. I carichi sono stati applicati al longherone nella parte superiore della struttura del telaio.

Per le condizioni al contorno, l'angolo di appoggio superiore era fisso, mentre all'angolo di appoggio inferiore veniva imposto uno spostamento forzato orizzontale. L'angolo di appoggio inferiore poggiava su una parete rigida, che simulava una trave strutturale. Questa parete rigida toccava sia la superficie orizzontale che quella verticale dell'angolo di appoggio e imponeva al telaio uno spostamento forzato mentre la parete rigida si spostava orizzontalmente.

La Figura 4 mostra le condizioni dei telai dopo l'applicazione dello spostamento forzato. I risultati della simulazione hanno indicato una differenza di spostamento di 5 mm tra le travi della struttura. Poiché è improbabile che la trave venga compressa uniformemente, questa differenza di spostamento è stata considerata accettabile.

 Nella simulazione, è stato applicato uno spostamento di compressione fino a 200 mm. Il carico dinamico e il peso dell'apparato sono stati introdotti a 0-0.15 s come condizione iniziale, mentre lo spostamento forzato è stato introdotto a 0.15-0.5 s. L'intero modello è stato semplificato e le proprietà elasto-plastiche del materiale sono state approssimate utilizzando due linee rette (Figura 5).

Per un confronto accurato con il test a dimensioni reali, sono state assegnate le seguenti proprietà dei materiali ai rispettivi telai: forma A del telaio reticolare = sollecitazione di frattura di 598 MPa; forma B della struttura della trave = sollecitazione di frattura di 555 MPa. Il risolutore di analisi utilizzato è stato LS/DYNA (di Livermore Software Technology Corp.).

Risultati della simulazione

La Figura 6 mostra la vista laterale della deformazione del telaio quando è stato applicato uno spostamento forzato di 200 mm a entrambi i telai, mentre la Figura 7 mostra l'elevazione frontale. La deformazione del telaio era più grave nella sezione inferiore rispetto a quella superiore. Il punto di flessione era situato nella parte inferiore del telaio; all'aumentare della deformazione, aumentava anche l'angolo di flessione.

Confrontando la deformazione rispetto all'elevazione frontale, la struttura reticolare A ha subito una variazione maggiore rispetto alla struttura a travi B. Ciò è probabilmente dovuto alla differenza di rigidità degli elementi costitutivi delle rispettive strutture.

La figura 8 mostra la variazione dimensionale per quattro sezioni, vale a dire:

1. Sezione orizzontale superiore
2. Gradiente medio
3. Sezione orizzontale inferiore
4. Distanza tra gli angoli di supporto.

Si tratta del confronto tra lo stato iniziale e lo stato deformato. La deformazione del telaio reticolare A nella sezione orizzontale inferiore era maggiore, mentre l'aumento dell'angolo flessionale del telaio trave B era maggiore. Pertanto, la tendenza sopra menzionata è stata confermata.

L'analisi ha rilevato lo stress attorno al punto di flessione inferiore. Questi valori erano inferiori allo stress di frattura del materiale. Per il telaio reticolare A, il valore di stress ottenuto è stato di 536 MPa (fattore di sicurezza per lo stress di frattura pari a 1.11). Il valore di stress ottenuto per il telaio della trave B è stato di 368 MPa (fattore di sicurezza per lo stress di frattura pari a 1.50).

Confronto tra analisi di resistenza e test a grandezza naturale

Le Figure 9 e 10 mostrano la relazione tra la forza orizzontale in direzione longitudinale e lo spostamento forzato applicato al telaio reticolare A e al telaio della struttura a travi B. I dati del test a grandezza naturale sono rappresentati da una linea tratteggiata. La linea continua sottile riflette i risultati dell'analisi di un'elevazione di 3 m, mentre la linea continua in grassetto riflette i risultati dell'analisi di un'elevazione di 5 m. Come si può osservare dalle Figure 9 e 10, la rappresentazione grafica dell'analisi di simulazione assomigliava ai risultati del test a grandezza naturale. I risultati ottenuti attraverso l'analisi di resistenza e i test a grandezza naturale erano simili nella forma.

Confrontando i risultati dell'analisi di resistenza dei dislivelli di 3 e 5 m, l'effetto della variazione di dislivello non è stato significativo. Nel complesso, sia per la simulazione che per il test a dimensioni reali, la forza di reazione orizzontale è rimasta invariata, anche fino al punto in cui lo spostamento forzato è stato di 200 mm.

È stato confermato che un telaio non collassa a causa di uno spostamento forzato. Se la forza di reazione orizzontale ottenuta dall'analisi diminuisce a zero, ciò significherebbe che il telaio della scala mobile non può più essere supportato e quindi implicherebbe che la scala mobile crollerà sotto uno spostamento forzato di 200 mm. Poiché i risultati della simulazione indicano che la forza orizzontale non si è ridotta a zero, si conferma che il telaio non è crollato a causa dello spostamento forzato. Pertanto, Hitachi può effettuare una valutazione tramite la simulazione.

D'altra parte, durante l'esame a grandezza naturale non è stata rilevata alcuna rottura di alcun elemento strutturale o saldatura all'interno del telaio. Inoltre, durante l'analisi di simulazione, le sollecitazioni riscontrate nel materiale del telaio A e del telaio B sottoposte allo spostamento forzato non hanno raggiunto il limite di snervamento del materiale. Pertanto, si può concludere che, quando si applica uno spostamento forzato al telaio della scala mobile, l'analisi mostra che la scala mobile non collasserà.

Conclusione

Questo articolo descrive il metodo di progettazione adottato da Hitachi per la nuova scala mobile, progettata per adattarsi ai nuovi criteri sismici giapponesi. Per le scale mobili installate, è stata condotta un'analisi di resistenza del telaio e le informazioni ottenute sono riassunte di seguito.

Sia durante il test a grandezza naturale che durante l'analisi di simulazione, lo spostamento forzato ha causato una deformazione plastica sul telaio, ma la forza di reazione orizzontale agente sul telaio è rimasta, confermando così che la scala mobile può ancora essere supportata. Per spostamenti forzati superiori a 200 mm, è necessario effettuare ulteriori simulazioni per determinare se il telaio della scala mobile crollerà. Il test a grandezza naturale non ha mostrato segni di cedimento degli elementi della scala mobile, mentre l'analisi di simulazione non ha indicato alcun segno di cedimento del materiale. Si conclude quindi che l'esito del test a grandezza naturale può essere previsto utilizzando questo metodo di analisi. Pertanto, quando una travatura reticolare di una scala mobile è soggetta a spostamento forzato, il metodo di analisi descritto per la progettazione sismica è accurato nel dimostrare che la scala mobile non crollerà.

Referenze
[1] Fondazione Japan Building Equipment and Elevator Center, Japan Elevator Association. “Commento versione 2009 dello standard sulla tecnologia degli ascensori”, p. 167-182 (2009).
[2] Ministero del Territorio, delle Infrastrutture, dei Trasporti e del Turismo. “Riferimento sull'offerta di parere in merito alle 'misure preventive contro le cadute del piano provvisorio della scala mobile'” (2012).
[3] Fondazione Japan Building Equipment and Elevator Center, Japan Elevator Association. “Commento versione 2014 dello standard sulla tecnologia degli ascensori”, p. 1.3.115-1.3.126 (2014).
[4] Horie, N., Sekiguchi, K. e Utsunomiya, H. “Analisi della resistenza della capriata in una struttura semi-fissa”, riunione annuale 2014 della Japan Society of Mechanical Engineers (2014).
[5] Fukuda, T., Sakaue, M. e Ise, Y. “Scale mobili rispettose dell’uomo e dell’ambiente”, ELEVCON, 21° Congresso Internazionale sulle Tecnologie del Trasporto Verticale (2010).
[6] Tokyo Denki University. “Rapporto del 2014 Building Standards Act Maintenance Promotion Business, numero di indagine: P8, Termini di riferimento: Esame sul modo di misurare la sicurezza delle scale mobili” (2014).