Comportamento pratico alle sollecitazioni di sistemi di fissaggio ferroviari completi

Questo documento fornisce un esempio di pratica di progettazione di ascensori convenzionale relativa a fermagli per binari, staffe e ancoraggi per binari come unità separate.

Questo documento è stato presentato a Lucerna 2010, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 18, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori (sito web: www.elevcon.com). Il presente documento è una ristampa esatta e non è stato modificato da ELEVATOR WORLD.

Parole chiave: progetto di ancoraggio, spostamento, sistema di fissaggio, carico di rottura, pretesa

Astratto

La pratica di progettazione convenzionale degli ascensori considera i fermagli, le staffe e gli ancoraggi dei binari come unità separate. Hilti ha condotto un'analisi di come l'intero sistema di fissaggio delle rotaie agisce sotto carico. Questo documento discute la distribuzione delle forze nel sistema completo di fissaggio del binario (clip per binari, staffe e ancoraggi a parete) in base ai carichi applicati al binario della cabina. I risultati delle prove pratiche rivelano la modalità di guasto dei vari componenti del sistema di fissaggio del binario e identificano quelli che possono causare un guasto del sistema di fissaggio completo. Infine, vengono discusse anche le conseguenze che un sistema di fissaggio delle rotaie efficace ed economico ha per la progettazione.

1.Introduction

Il documento Elevcon2006 "Dynamic Design for Elevator Anchoring To Buildings" descrive la progettazione degli ancoraggi utilizzati per fissare le rotaie di guida soggette a carico dinamico alle pareti di cemento nei vani degli ascensori. Il software di progettazione proposto per questo semplifica la situazione considerando la staffa che collega il punto in cui vengono indotte le forze (rotaia) con l'ancoraggio come una struttura rigida. Si può mettere in dubbio se le staffe di fissaggio della rotaia frequentemente utilizzate nella pratica si comportino effettivamente come un sistema rigido sotto carico e questo è evidenziato nel documento Elevcon 2006 (Figura 1).

Quando il carico dinamico viene trasferito all'ancoraggio da un sistema non rigido, le forze che l'ancorante deve trasferire alla parete sono diverse da quelle presunte in un progetto basato su una staffa rigida. Al fine di ottenere una progettazione ottimale dei fissaggi del binario di guida sulla parete del vano per quanto riguarda il trasferimento affidabile delle forze statiche e dinamiche che si verificano, l'uso economico dei materiali e l'installazione efficiente, l'intera struttura di collegamento, cioè clip di guida, staffa, collegamento parti e l'ancoraggio, devono essere progettati come un sistema completo. Questo era già stato indicato nel documento Elevcon2006 "Dynamic Design for Elevator Anchoring To Buildings".

Nel 2009, nel nostro laboratorio accreditato secondo la norma DIN EN ISO/IEC 17025 per l'esecuzione di analisi meccanico-tecnologiche dei metodi e dei materiali di fissaggio, abbiamo colto l'occasione per assemblare una disposizione completa di fissaggio delle rotaie come sistema e per sottoporlo a carico dinamico e statico in corrispondenza della rotaia al fine di indagare il comportamento del sistema e dell'ancorante in termini di deformazione elastica e plastica nonché le sue modalità e caratteristiche di rottura. Un ulteriore obiettivo di queste indagini è stato quello di determinare se l'ancoraggio tradizionalmente utilizzato per questo fissaggio (HSA M12x100 in un foro praticato a una profondità di 95 mm) potesse essere sostituito dall'HSA M12x80 in un foro di 75 mm, senza rottura dell'ancoraggio utilizzato per la rotaia fissaggio.

2. Prestazioni dell'ancora HSA sotto carico in fori poco profondi

Nel Benestare Tecnico Europeo ETA-99/0001 del 13 marzo 2008, la profondità minima del foro per l'installazione di Hilti HSA M12 è definita come 70 mm. Uno dei punti principali dell'indagine sulle caratteristiche di rottura del sistema di fissaggio della rotaia è stato determinare il limite di carico per l'HSA M12 Hilti inserito in un foro poco profondo. A tal fine è stata definita una profondità minima del foro di 55 mm. Hilti HSA è un tassello ad espansione che trasferisce le forze al calcestruzzo tramite un sistema costituito da una sezione rastremata (1) che espande un manicotto (2). Il manicotto trasferisce quindi la forza di compressione (3) al calcestruzzo (Figura 2).

La combinazione della tensione indotta nell'ancorante e delle forze di compressione che si verificano in corrispondenza dell'elemento di espansione determinano una propagazione della pressione in un'area conica verso la superficie del calcestruzzo. Maggiore è il volume di calcestruzzo che può essere “attivato”, cioè compreso in questa zona di pressione conica (4), maggiori sono le forze che possono essere assorbite prima che venga raggiunto il punto in cui il calcestruzzo si rompe e proprio questa sezione conica si rompe lontano dal corpo principale di calcestruzzo.

La profondità di foratura di 55mm rappresenta il minimo geometrico. L'elemento di espansione si trova quindi 15 mm sotto la superficie del calcestruzzo. La cosiddetta "profondità effettiva di ancoraggio" è di 35 mm. Si ottiene così un volume minimo di calcestruzzo “attivato”. Se l'elemento di espansione dovesse essere posizionato più vicino alla superficie del calcestruzzo indurrebbe forze di compressione in una zona del calcestruzzo che è, in pratica, molto disomogenea e di bassa resistenza a compressione in quanto il calcestruzzo così vicino al cassero non può essere compattato in modo ottimale. L'ancoraggio quindi con tutta probabilità si guasterà non appena la coppia di serraggio prescritta viene applicata in fase di installazione.

Una serie di test di cinque Hilti HSA M12 è stata impostata nella stessa soletta di cemento su cui è stato installato il sistema di fissaggio del binario da testare. Gli ancoraggi Hilti HSA M12 sono stati fissati in fori da 55 mm e serrati a una coppia di 60 Nm come specificato nell'approvazione tecnica europea. Il carico di prova è stato applicato da un dispositivo idraulico e aumentato costantemente fino a quando l'ancoraggio non si è rotto. Così facendo, oltre al carico applicato, è stato misurato anche lo spostamento dell'ancoraggio (Figura 3).

Come previsto, la causa del fallimento in tutti e cinque i casi è stato un fallimento concreto. La sezione conica sfondata del calcestruzzo è chiaramente visibile nella foto. Ad una profondità del foro di 55 mm, il volume di calcestruzzo necessario per assorbire le forze applicate è molto limitato. I risultati dei test hanno mostrato un carico di rottura medio di 22.8 kN.

3. La configurazione del test

La configurazione di prova per lo studio del sistema di fissaggio completo corrispondeva al metodo di fissaggio standard utilizzato per le rotaie di guida su una parete del vano ascensore in cemento. Per la prova è stato selezionato un calcestruzzo di classe C20/25 che, 19 giorni dopo il getto, presentava già una resistenza a compressione di 29.5 N/mm2. Questa è una situazione molto frequente nei nuovi vani degli ascensori in edifici fino a 10 piani. Il calcestruzzo che si trova negli edifici più alti o nei vecchi edifici tende ad essere di maggiore resistenza. Il calcestruzzo ad alta resistenza è in grado di assorbire forze maggiori. La staffa di fissaggio della guida è un componente standard costituito da due staffe angolari che sono fissate insieme al centro tramite quattro bulloni e dadi M12 posizionati in fori allungati. La forza della connessione è definita dalla tenuta per attrito ottenuta tra le due parti dalla forza di serraggio dei quattro bulloni (Figura 4). Anche le clip per binario sono componenti standard. Le connessioni bullone/dado M12 sulla staffa sono serrate a una coppia di 72 Nm. Gli ancoraggi HST M12x145 utilizzati per questo sono fissati in fori praticati a una profondità di 95 mm. In pratica i tasselli standard utilizzati sono M12x100mm, anch'essi inseriti in fori praticati a una profondità di 95mm. Per il test sono stati scelti gli ancoraggi M12x145 che offrono una lunghezza del filetto extra per consentire il fissaggio degli anelli di misurazione della forza. Gli ancoraggi HST sono stati montati con i dadi forniti che sono stati serrati a una coppia di 60 Nm come specificato nell'Approvazione Tecnica Europea. I dadi forniti sono stati successivamente sostituiti con il dispositivo di misurazione della forza.

Gli anelli di misurazione della forza consentono la misurazione della pretensione dell'ancoraggio e consentono anche la misurazione della curva di forza per l'ancoraggio durante il caricamento della staffa. Alla rotaia sono state applicate una forza di trazione che agisce verso il centro dell'albero e una forza di taglio che agisce parallelamente alla parete dell'albero. Le forze di trazione e taglio hanno agito direttamente sulla rotaia e hanno simulato i carichi che le guide della cabina dell'ascensore avrebbero applicato quando l'ascensore è in funzione. Le forze sono state applicate da un dispositivo idraulico. Un dispositivo di misurazione dello spostamento è stato montato sul pistone applicando questa forza in modo che lo spostamento della staffa potesse essere misurato e registrato durante la prova.

4. L'impatto del carico di trazione sul sistema di fissaggio della rotaia

Durante la prova di carico di trazione, è stato applicato cinque volte un carico che è aumentato da 0 a 5 kN per simulare l'arresto e l'avvio della cabina dell'ascensore durante il funzionamento. Per determinare la causa del guasto dell'intero sistema di fissaggio, il carico di prova è stato successivamente aumentato lentamente fino al verificarsi del guasto (Figura 5).

Il test ha mostrato che questo carico ciclico di 5 picchi è stato assorbito dal sistema senza guasti. L'applicazione del carico ha provocato uno spostamento elastico e plastico nel punto di appoggio della rotaia. Al carico massimo (5 kN) lo spostamento massimo era di 2.5 mm, con 0.5 mm di spostamento di plastica rimanenti quando la forza è stata ridotta a zero. Durante il ciclo di carico, la forza misurata negli ancoranti è aumentata solo leggermente (di 0.5 kN) dalla pretensione di 12 kN applicata durante l'installazione e tornata a un valore di 12 kN dopo la rimozione del carico di prova (Figura 6).

Il sistema di fissaggio del binario si è guastato con un carico di trazione massimo di 11 kN. Durante questo, la forza misurata negli ancoraggi è passata dal valore di pretensionamento di 12kN ad un valore di 16kN. La causa del cedimento a 11 kN è stata riscontrata nelle clip della rotaia che erano piegate verso l'alto a tal punto che la rotaia è stata estratta dall'ancoraggio. Fino al punto di rottura, la rotaia era stata spostata di 9.5 mm (Figura 7).

I risultati del test hanno mostrato che il sistema di fissaggio è sopravvissuto al carico di prova con una deformazione plastica di 0.5 mm. Hanno anche dimostrato che il sistema di fissaggio ha reagito all'applicazione del carico esibendo deformazioni elastiche e plastiche. Di conseguenza, il carico sugli ancoraggi non era quello previsto, ovvero non quello presunto nel progetto.

5. L'impatto del carico di taglio sul sistema di fissaggio della rotaia

Nella fase successiva, il sistema di fissaggio della rotaia è stato caricato applicando un carico di taglio che agisce parallelamente alla parete del vano. Il carico di prova era ancora un carico ciclico di 5 picchi che passava da 0 a un valore di 5 kN. Per determinare la causa del guasto dell'intero sistema di fissaggio, il carico di prova è stato successivamente aumentato lentamente fino al verificarsi del guasto (Figura 8).

L'applicazione del carico di taglio alla rotaia ha causato la flessione della staffa in direzione trasversale e longitudinale a tal punto da dover interrompere la prova. L'allestimento di prova utilizzava solo un binario di lunghezza molto ridotta. In pratica, lo spostamento longitudinale della rotaia verrebbe trasferito alla staffa successiva e alla base dell'albero e sarebbe quindi limitato. Per evitare lo spostamento longitudinale della rotaia, è stata scelta una configurazione di prova che applicava la forza di taglio direttamente alla staffa. Per simulare la mancanza di leva nel sistema a causa dell'esclusione della rotaia, il carico massimo è stato aumentato da 5 a 6 kN da un punto iniziale pari a zero durante ogni ciclo.

Il test ha mostrato che il carico ciclico di 5 picchi è stato assorbito dal sistema senza guasti. L'applicazione del carico ha provocato uno spostamento elastico e plastico nel punto di appoggio della rotaia. Al carico massimo (6 kN) lo spostamento massimo era di 6 mm, con 2.5 mm di spostamento di plastica rimanenti quando la forza è stata ridotta a zero. A causa della leva esercitata dall'applicazione della forza di taglio, le curve di forza misurate per ciascuno dei due ancoraggi erano diverse. La forza nell'ancoraggio sotto il carico di trazione risultante da questa leva è aumentata di 3.0 kN durante il ciclo di carico dalla forza di pretensionamento di 15 kN ed è scesa a 8.5 kN quando il carico di prova è stato rimosso. A causa dell'effetto leva risultante dal carico di taglio, l'altro ancorante è stato sottoposto a una forza di compressione che non ha avuto effetti significativi sulla pretensione dell'ancora (Figura 9).

Il sistema si è guastato con un carico massimo di 12.7 kN. Quando ciò si è verificato, la forza massima sull'ancoraggio nella zona di carico di trazione è salita a 24 kN. Il punto di fissaggio del binario è stato spostato di 25 mm. La causa del guasto è stata la connessione bullonata in corrispondenza dei fori allungati nelle due parti della staffa. Le due parti in lamiera sono state spostate l'una verso l'altra (Figura 10).

I risultati del test hanno mostrato che il sistema di fissaggio è sopravvissuto al carico di lavoro con una deformazione plastica di 2.5 mm. Hanno anche dimostrato che il sistema di fissaggio ha reagito all'applicazione del carico esibendo deformazioni elastiche e plastiche. Di conseguenza, il carico sugli ancoraggi non era quello previsto, ovvero non quello presunto nel progetto.

6. Progettazione di ancoraggi standard a confronto

Il software di progettazione comunemente utilizzato per i fissaggi degli ancoranti riguarda la struttura di collegamento tra i punti in cui vengono applicate le forze, e gli ancoranti, in forma semplificata, cioè come struttura rigida. Ciò sembra avere senso poiché i dettagli di progettazione per la struttura che dovrebbero essere noti per tenere conto dell'influenza della sua deformazione sulla progettazione del sistema di ancoraggio, spesso non sono noti in misura sufficiente.

Dopo aver ottenuto questi risultati di prova, il compito è ora quello di mostrare, come confronto, i valori del carico di ancoraggio che il software di progettazione Hilti Profis calcola per il sistema di fissaggio della rotaia in esame e il grado (in %) a cui la capacità di carico dei due Vengono utilizzati ancoranti Hilti HSA M12 in fori da 90 mm. Utilizzando i dati geometrici delle mensole, i valori di resistenza dell'acciaio e del calcestruzzo, più la distanza tra i due ancoraggi e il punto in cui viene applicata la forza, viene prodotto un modello semplificato del sistema di fissaggio. Con questo modello, le forze agenti sugli ancoranti possono quindi essere calcolate dai carichi di trazione e compressione di 5 kN in ogni caso (Figura 11).

Il calcolo mostra che quando il carico di trazione viene applicato alla struttura, ogni ancoraggio è soggetto a un carico di trazione di 5.3 kN. Sotto l'applicazione del carico di taglio, come nella prova e per effetto della leva, l'ancorante n. 1 è sottoposto alla massima sollecitazione con un carico di trazione aggiuntivo di 5.6 kN, mentre l'ancoraggio n. 2 si trova nella zona di pressione della piastra di base e quindi non è soggetto a nessun carico oltre alla pretesa applicata al momento dell'installazione. L'acciaio dell'ancoraggio sottoposto a maggiore sollecitazione nel sistema di fissaggio viene così caricato al 19% della sua capacità. A differenza delle modalità di rottura per estrazione e rottura del calcestruzzo conico, che sono legate al calcestruzzo, l'utilizzo della capacità raggiunge un massimo del 38%. Con gli ancoranti, l'utilizzo di meno del 25% della capacità di carico dell'acciaio e meno del 55% della capacità del calcestruzzo generalmente non comporta problemi di fatica.

I test hanno prodotto altri risultati. Nella prova di carico di trazione sotto l'applicazione di un carico di 5 kN, il carico di trazione massimo su ciascuno dei due ancoranti oltre al carico di pretensione è stato di 0.5 kN. Nel caso degli ancoranti più caricati nella prova di carico di taglio, il carico oltre alla pretesa rimanente negli ancoranti dopo i primi cicli di carico è stato di 9.5 kN. Il carico totale che agisce sull'ancoraggio attraverso la combinazione di pretensionamento e carico di lavoro è stato discusso nel documento Elevcon2006 "Dynamic Design for Elevator Anchoring To Buildings".

Ciò conferma che la deformazione nel punto di applicazione del carico e nella struttura tra la rotaia e il fissaggio dell'ancoraggio ha una grande influenza sulla sollecitazione trasferita all'ancoraggio.

7. conclusioni

Vari punti possono essere derivati ​​da questi risultati del test e sono discussi brevemente nei paragrafi seguenti. È stato dimostrato che il passaggio al set Hilti HSA M12 in fori praticati a una profondità di 70 mm non sembra essere critico. A causa della deformazione della mensola del binario a causa delle sollecitazioni a cui è sottoposta, le forze agenti sugli ancoraggi non sono quelle previste, ovvero non quelle ipotizzate dal software di progettazione, che effettua i suoi calcoli sulla base di un'ipotesi semplificata che la staffa sia completamente rigida. Il passaggio all'Hilti HSA M12 in un foro meno profondo avrebbe diversi vantaggi in termini di salute e sicurezza del personale che esegue i lavori di installazione a causa della riduzione dell'esposizione alla polvere di perforazione e alle vibrazioni. Inoltre, la perforazione di fori meno profondi potrebbe anche aumentare la produttività a causa di tempi di perforazione più brevi e un rischio ridotto di perforazione attraverso (e quindi di danneggiare) pareti dell'albero relativamente sottili.

Il preavviso di guasto è fornito dalla deformazione plastica del sistema di fissaggio del binario. In caso di spostamento del binario di diversi millimetri, la cabina dell'ascensore dovrebbe entrare in conflitto con il sistema di azionamento delle porte del vano ascensore e l'ascensore passerà automaticamente alla modalità "Servizio". Il tecnico dell'assistenza dovrebbe notare la deformazione delle staffe. Egli può successivamente determinare la causa del sovraccarico e intraprendere le azioni necessarie per porvi rimedio. La staffa piegata può quindi essere sostituita e il binario riallineato. Il sistema di fissaggio del binario dispone di riserve di sicurezza intrinseche in caso di guasto parziale.

I danni sotto forma di una staffa piegata possono essere riparati a un costo inferiore rispetto ai danni derivanti dal cedimento del calcestruzzo all'ancoraggio. Come mostrato in figura 4 (foto del punto di ancoraggio fallito), non è possibile installare ulteriori ancoraggi in quel punto. La nuova staffa deve essere montata in una posizione diversa, il che richiede più tempo e quindi più costoso rispetto alla semplice sostituzione di una staffa.

Se sarebbe sensato progettare l'ancoraggio e la staffa del binario come sistemi separati è un altro punto di discussione. Progettare il fissaggio del binario come un sistema completo, incluso l'ancoraggio, aiuterebbe a ottenere un determinato comportamento in caso di guasto. Inoltre, aiuterebbe anche a ottenere una soluzione completa ottimizzata in termini di costi con un uso economico dei materiali e procedure di installazione efficienti.

Attualmente, si stanno compiendo sforzi per combinare il software di progettazione del fissaggio degli ancoranti Hilti Profis con il software dei sistemi di installazione Hilti Profis. I sistemi di installazione Hilti formano un sistema modulare a kit di canali e connettori in acciaio che facilita la produzione di strutture di supporto versatili per elementi da fissare alla struttura dell'edificio mediante ancoraggi. Nel campo degli ascensori, i sistemi di installazione Hilti vengono utilizzati per travi divisorie e travi per porte. I vantaggi di questo sono la disponibilità in tutto il mondo di soluzioni standard e la regolazione flessibile della lunghezza attraverso il fissaggio tramite bulloni filettati che possono essere montati in loco senza bisogno di tecniche di taglio o giunzione che creano scintille. Questi sistemi leggeri, che ottengono la loro rigidità attraverso il design speciale dei profili dei canali anziché attraverso lo spessore del materiale, consentono di posizionare le travi leggere nel vano ascensore senza l'uso di gru o attrezzature di sollevamento pesanti. Il software dei sistemi di installazione Hilti Profis supporta la simulazione della deformazione elastica e plastica durante la progettazione della struttura. La combinazione del software di ancoraggio Hilti Profis e del software dei sistemi di installazione Hilti Profis a cui stiamo ora puntando consentirà la progettazione ottimale di sistemi di fissaggio completi che combinano strutture di supporto e fissaggi di ancoraggio.

8. Ringraziamenti

Vorrei ringraziare i miei colleghi del dipartimento Centro di ricerca ingegneristica e servizi tecnici di Hilti. In particolare, Jenoe Varga e Jacob Kunz per il loro supporto nella preparazione di questo documento.

BIBLIOGRAFIA
(Hilti TWU – FSRL 29/08)
G. Hämmerle e cap. Konig (2009). Carico di trazione e taglio sull'assemblaggio delle staffe...; Carico di trazione su Hilti HSA M12/80 in calcestruzzo...
(Elevcon2006 - Tecnologia degli ascensori 16)
M. Merz (2006). Progettazione dinamica per ancoraggi di ascensori agli edifici