Sicurezza in auto panoramica

Lo studio ingegneristico considera gli attributi di SGP con corrimano montati direttamente.

dal Dr. Iraklis Chatziparasidis e dal Dr. Dimitrios Giagopoulos
Questo articolo è stato presentato per la prima volta al Simposio internazionale di ascensori e scale mobili 2018 a Istanbul. Per maggiori informazioni sull'evento del 3-4 dicembre 2019 a Las Vegas e per partecipare, visita www.elevatorsymposium.org.

La cabina è uno dei componenti più significativi dell'ascensore, perché viene utilizzata per trasportare merci e persone e, quindi, è soggetta a legislazioni e standard severi che differiscono in ogni paese o altro AHJ. Allo stesso tempo, la cabina è solitamente l'unico componente funzionale dell'ascensore visibile all'utente finale. Questo fatto rende l'auto un elemento architettonico e decorativo dell'edificio. Le ultime tendenze in architettura prevedono l'utilizzo di elementi costruttivi in ​​vetro completamente trasparenti.^[1] Un ascensore panoramico in vetro senza telaio (Figura 1) non solo si adatta a questa tendenza, ma estende anche l'estetica dell'edificio. Tuttavia, il vetro è un materiale fragile soggetto a rottura per fatica e questa caratteristica ha reso la verifica della capacità di carico del materiale basata principalmente su studi sperimentali.^[2] Sono state condotte alcune ricerche nel campo della modellazione del comportamento dei componenti in vetro utilizzando metodologie agli elementi finiti (FE), ma queste riguardano principalmente lo studio di situazioni di carico statico finalizzate al dominio della costruzione di edifici.^{[1, 3 e 4]} In questo lavoro, presentiamo innanzitutto un metodo per modellare componenti in vetro in situazioni dinamiche che possono verificarsi durante il funzionamento di un ascensore, ad esempio quando il dispositivo di sicurezza dell'ascensore viene attivato durante un arresto di emergenza o l'auto colpisce il respingente della fossa. In secondo luogo, applichiamo il metodo di cui sopra in un'analisi panoramica di un'auto panoramica a tutto vetro e senza cornice utilizzando vetro laminato con un SentryGlas rigido^® Plus (SGP) avendo i corrimano montati direttamente sugli elementi in vetro. Infine, discutiamo le questioni di sicurezza confrontando gli attuali requisiti degli standard EN 81-xx con i risultati numerici e sperimentali dell'analisi di cui sopra.

Requisiti degli standard EN

In questa sezione presentiamo i requisiti che le attuali Norme Europee (EN) impongono per la funzione di corrimano di cabina:

“IT 81-20

“5.4.3.2.4 Il fissaggio del vetro alla parete deve garantire che il vetro non possa scivolare fuori dai fissaggi durante tutte le condizioni di urto incontrate in entrambe le direzioni di marcia, compreso il funzionamento dei dispositivi di sicurezza.

“5.4.3.3 Le pareti di cabina con vetri posti a meno di 1.10 m dal pavimento devono avere un corrimano ad un'altezza compresa tra 0.90 m e 1.10 mt. Questo corrimano deve essere fissato indipendentemente dal vetro.

“IT 81-70

“5.3.2.1 Almeno su una parete laterale della cabina deve essere installato un corrimano. La parte di presa di questo corrimano deve avere dimensioni in sezione trasversali comprese tra 30 mm e 45 mm, con un raggio minimo di 10 mm. Lo spazio libero tra la parete e la parte di presa deve essere di almeno 35 mm. L'altezza del bordo superiore della parte di presa deve essere entro (900 ±25) mm dal pavimento della cabina. Il corrimano deve essere interrotto dove la pulsantiera di cabina è posta sulla stessa parete per evitare di intralciare pulsanti o comandi. Le estremità sporgenti dei corrimano devono essere chiuse e rivolte verso il muro per ridurre al minimo il rischio di lesioni.

“IT 81-71

“5.4.1.7 Per gli ascensori di categoria 2, qualsiasi corrimano deve essere in grado di sostenere nel suo punto più sfavorevole una forza di 2,500 N applicato in qualsiasi direzione”.

Secondo EN 81-20, il corrimano deve essere fissato indipendentemente dal vetro. Inoltre, secondo la "Guida per la progettazione strutturale europea dei componenti in vetro",^[5] quando un pannello di vetro laminato che utilizza un intercalare in polivinilbutirrale (PVB) si rompe, si piega e cade verso il basso. Nella Figura 2 è presentata la modalità di guasto dei comuni pannelli di vetro laminato che utilizzano uno strato intermedio in PVB. Ciò significa che in una situazione simile all'interno di un'auto panoramica, i passeggeri saranno esposti al pericolo di cadere dall'auto e l'unica barriera tra loro e lo spazio sarebbe il corrimano. Una situazione come questa giustifica il suddetto requisito della EN 81-20. Tuttavia, è chiaro che le norme EN relative al tipo più comune di ascensori — EN 81-20 e EN 81-70 — non impongono requisiti specifici di resistenza meccanica per i corrimano dei passeggeri. A differenza del PVB, gli intercalari SentryGlas sono cinque volte più resistenti e fino a 100 volte più rigidi dei materiali di laminazione convenzionali. Gli intercalari SentryGlas creano un vetro laminato più resistente che protegge da tempeste, urti e potenti esplosioni. La Figura 3 presenta il comportamento post-rottura di tre tipi di pannelli di vetro.

Il metodo di convalida dell'esperimento dinamico simulato FE (SEVaM)

Per simulare accuratamente il comportamento dei componenti in vetro laminato in una situazione dinamica all'interno di un ascensore per auto, è importante sviluppare una procedura di analisi FE accurata. Il lavoro qui presentato si basa su lavori precedenti in cui abbiamo dimostrato i vantaggi dell'applicazione di metodologie numeriche e sperimentali appropriate per prevedere con precisione la risposta dinamica e l'identificazione dei punti critici in un sistema di ascensori.^[6-11]

SEVAM, che è stato sviluppato durante il lavoro di ricerca precedente,[7] è applicato qui in un'auto panoramica senza telaio che distribuisce pannelli di vetro laminato utilizzando uno strato intermedio rigido SGP. L'obiettivo è simulare accuratamente il comportamento dinamico dell'intero sistema ascensore e, in particolare, la sospensione del corrimano direttamente sulla vetratura della cabina. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario verificare l'accuratezza dei modelli FE utilizzati per le simulazioni, che prevedono l'applicazione di una combinazione di metodi numerici e sperimentali. SEVAM utilizza esperimenti parzialmente simulati con FE per modellare configurazioni di prodotti molto più grandi.

In SEVAM, il principale assemblaggio sperimentale viene prima suddiviso nei suoi principali sottosistemi funzionali. Per ogni sottosistema viene costruito un modello FE iniziale basato sul corrispondente modello CAD (computer-aided design) 3D. Quindi, viene costruita la struttura sperimentale corrispondente per ciascun sottosistema. La procedura presentata nella Figura 4 viene applicata per convalidare l'accuratezza del prodotto sperimentale iniziale. Per ogni sottosistema, i valori di accelerazione vengono misurati sperimentalmente e passati come forze di eccitazione al modello FE, e viene eseguita un'analisi dinamica.

Dai risultati FE, vengono identificate le aree ad alto stress. Nella struttura sperimentale, le gabbie di deformazione sono posizionate nelle aree ad alto stress (identificate dall'analisi FE) e le sollecitazioni sono misurate sperimentalmente. Se i valori di sollecitazione calcolati e sperimentali non sono in accordo, vengono applicati metodi di aggiornamento del modello FE; in caso contrario, il modello FE si considera convalidato. Quando i modelli FE dei sottosistemi vengono convalidati, le strutture sperimentali vengono sintetizzate per formare l'assieme completo e viene costruito un modello FE completo. Anche le misurazioni sperimentali vengono registrate e confrontate con i valori calcolati (FE).

Verifica del modello FE di un pannello di vetro

Il primo passo è sviluppare un modello FE ad alta fedeltà del pannello di vetro. Per ottenere ciò, è necessario ottimizzare il modello numerico FE di un pannello di vetro, incluso il componente di sospensione. Sono stati proposti metodi di aggiornamento del modello strutturale di base per conciliare il modello numerico (FE) con i dati sperimentali.^[12] Stime dei parametri del modello strutturale basate su dati modali misurati^[13-19] sono spesso formulati come problemi di stima dei minimi quadrati ponderati nelle metriche, misurando i residui tra le caratteristiche modali misurate e quelle previste dal modello.

La geometria del pannello di vetro con la componente a sospensione è discretizzata principalmente da elementi tetraedrici solidi. Per lo sviluppo e la soluzione del modello FE viene utilizzato un software appropriato.^{[20 e 21]} Il modello FE dettagliato del dispositivo sperimentale è presentato nella Figura 5. Due tipici automodi, previsti dal modello FE nominale, sono presentati nella Figura 6. Dopo lo sviluppo del modello FE nominale, è stata eseguita un'analisi modale sperimentale del setup sperimentale quantificarne le caratteristiche dinamiche. Il sistema è stato testato in una condizione al contorno fissa-libera. Innanzitutto, tutti gli elementi necessari della matrice della funzione di risposta in frequenza (FRF) richiesti per determinare la risposta della sottostruttura del telaio sono stati determinati imponendo un carico impulsivo.^{[12, 19 e 22-24]} L'intervallo di frequenza misurato era 0-2,048 Hz, che include l'intervallo di frequenza analitico di interesse, 0-400 Hz. Un'indagine iniziale ha indicato che il frame ha sei frequenze naturali all'interno di questo intervallo. Un'illustrazione schematica della configurazione sperimentale è presentata nella Figura 7. In questa immagine sono presentate le posizioni di due accelerometri triassiali (A1, A2) e due estensimetri (SG1, SG2).

La Figura 8 mostra la grandezza di due elementi tipici della matrice FRF prima (linea continua) e dopo (linea tratteggiata) l'applicazione del metodo di livellamento gallese, che sono stati registrati dalla configurazione sperimentale di cui sopra.

Sulla base delle funzioni FR misurate, sono state stimate le frequenze naturali e i rapporti di smorzamento della sottostruttura del telaio. Ad esito della suddetta procedura, la prima colonna della Tabella 1 presenta i valori delle sei frequenze naturali più basse ( rE) del sistema in esame, mentre i corrispondenti rapporti di smorzamento sono riportati nella quarta colonna. Nella stessa tabella, la seconda colonna presenta i valori delle frequenze naturali ottenuti dall'analisi del modello FE nominale (rNFE), e la terza colonna confronta queste frequenze con le corrispondenti

frequenze ottenute dai dati sperimentali. Gli errori determinati tra il modello FE nominale e le misurazioni sperimentali sono insignificanti, indicando che è necessario il processo di aggiornamento del modello FE.

Parametrizzazione del modello FE e aggiornamento dei risultati

Viene introdotta la parametrizzazione del modello FE del setup sperimentale per dimostrare l'applicabilità del metodo di aggiornamento del modello FE proposto. Il modello parametrizzato è composto da sei parti (Figura 9). In ciascuna di queste parti, il modulo di Young e la densità sono usati come variabili di progetto. Pertanto, il numero finale dei parametri di progettazione è di 12 variabili. La tabella 2 presenta i valori iniziali che sono stati impostati in ciascun parametro, che sono identici ai limiti superiore e inferiore del modello FE nominale, che sono stati selezionati per essere utilizzati per il processo di ottimizzazione. L'ultima colonna della tabella mostra il passo di progettazione, che è fissato all'1% del rispettivo valore precedente per tutti i casi. Il modello FE viene aggiornato utilizzando le sei frequenze modali identificate più basse e le forme modali mostrate nella Tabella 1. Le forme modali identificate includono componenti in tutte e quattro le posizioni dei sensori.

I risultati del metodo di aggiornamento del modello FE sono mostrati nella Tabella 3. Questa tabella ha presentato un confronto tra identificati ( rE) e frequenze modali ottimali previste con FE (  ROFE).

Analisi FE del sistema completo di ascensori

Un modello FE di un sistema di ascensore completo che utilizza un'auto completamente in vetro senza telaio è costruito dopo la convalida del modello FE della precedente configurazione sperimentale. Il modello completo viene risolto numericamente nell'analisi della risposta transitoria per calcolare le sollecitazioni massime sviluppate (Figura 10).

Un ascensore panoramico completamente in vetro senza telaio (Figura 10) è progettato e sviluppato sulla base dei risultati dell'intera procedura di cui sopra. Raggiunge sollecitazioni di progetto minime sui componenti della vetratura durante condizioni di carico dinamico causate, ad esempio, dall'innesto del paracadute di emergenza. Il progetto è verificato anche da una nuova configurazione sperimentale del sistema completo (Figura 11), in cui le etichette SG indicizzano le posizioni in cui sono stati posizionati i sensori degli estensimetri.

Vettura completamente in vetro senza telaio con corrimano sui vetri — FE Analisi

Dopo aver verificato il modello FE dell'ascensore, si procede modellando la sospensione del corrimano sui componenti in vetro. La Figura 13 presenta una vista del modello FE completo con la forza concentrata simulata sul corrimano. La forza è stata scelta per essere applicata vicino al bordo libero del grande vetro che costituisce lo scenario peggiore per le sollecitazioni emergenti.

Si esaminano due diversi casi. Nel caso 1 viene applicata una forza di 3,000 N in direzione orizzontale, mentre, nel caso 2, viene applicata una forza di 2,000 N in direzione verticale.

Risultati numerici

Il modello FE viene risolto numericamente per calcolare le sollecitazioni massime sviluppate nella superficie del vetro per il carico dato. Nel caso 1 viene calcolata una sollecitazione massima di 26.9 MPa (Figura 14). Questo valore è molto inferiore alla resistenza alla flessione caratteristica del vetro temprato termicamente (120 MPa) o del vetro rinforzato termicamente (70 MPa.)[5] Nel caso 2, viene calcolata una sollecitazione massima di 9.3 MPa (Figura 15). Questo valore è molto inferiore alle sollecitazioni di trazione nominali di 35-55 MPa^[1] per spessore lamiera 6 mm.

Successivamente, il modello FE viene risolto numericamente per calcolare le sollecitazioni massime sviluppate in una superficie intercalare SGP isolata per i carichi dati. Nel caso 1 viene calcolata una sollecitazione massima di 14 MPa (Figura 16) e, per il caso 2, viene calcolata una sollecitazione massima di 4.9 MPa (Figura 17). Entrambi questi valori sono inferiori alla resistenza alla trazione SGP presentata da Callewaert, Delincé, Sonck, Belis e Van Impe.^[25]

Conclusioni

Stiamo mettendo in discussione il requisito EN 81-20 per avere il corrimano fissato indipendentemente dal vetro quando, allo stesso tempo, le principali norme EN 81-xx non hanno requisiti specifici per la resistenza del corrimano. Discutiamo i problemi di sicurezza che potrebbero sorgere in uno scenario con un pannello di vetro con un intercalare in PVB completamente collassato e indaghiamo se l'utilizzo di pannelli di vetro con un intercalare SGP (e i corrimani montati direttamente su di essi) può fornire lo stesso o un livello di sicurezza ancora più elevato rispetto ai requisiti della EN 81-20. Per testare sperimentalmente questo concetto, abbiamo utilizzato il SEVAM proposto. Questa metodologia è stata utilizzata con successo in esperimenti simulati in un caso di studio per una cabina dell'ascensore panoramico senza telaio completamente in vetro. Le misurazioni sperimentali vengono utilizzate per convalidare il modello FE e questo modello viene utilizzato per i calcoli delle sollecitazioni causate dal corrimano sulla superficie dei pannelli di vetro e dell'intercalare SGP. I risultati numerici dell'analisi FE indicano che l'utilizzo di pannelli di vetro con intercalari SGP può sostenere sollecitazioni causate dal corrimano che sono persino superiori ai requisiti della EN 81-71 per gli ascensori di Classe 2 resistenti agli atti vandalici. Secondo questi risultati numerici, viene mantenuto anche un elevato livello di sicurezza, anche in una situazione post-rottura.

Lavoro futuro

Il prossimo passo di questo lavoro è studiare le proprietà meccaniche dei pannelli di vetro rotto utilizzando intercalari SGP. Uno studio sperimentale del comportamento di questi pannelli di vetro in situazioni post-rottura considerando l'entità del carico, la durata dell'applicazione del carico e la temperatura sarebbe un complemento molto utile a questo lavoro.

Referenze
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