Avaliação da treliça da escada rolante sujeita a deslocamento forçado para projeto sísmico

É detalhado um método preciso de análise para projeto sísmico.

por Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie e Hirobumi Utsunomiya

Este artigo foi apresentado em  Madrid 2016, Congresso Internacional sobre Tecnologias de Transporte Vertical, e publicado pela primeira vez no livro da IAEE. Tecnologia de elevadores 21, editado por A. Lustig. É uma reimpressão com permissão da Associação Internacional de Engenheiros de Elevadores.   (site: www.elevcon.com).

Um terremoto de grande magnitude atingiu o Japão em 11 de março de 2011, causando o colapso de escadas rolantes. Isso foi provocado pelo deslocamento interlamelar do edifício (chamado de "deslocamento entre andares"), que resultou na flutuação do vão da escada rolante. O deslocamento forçado imposto à estrutura da escada rolante pode ter causado danos substanciais. Portanto, a Hitachi avaliou sua resistência sob deslocamento forçado por meio de simulação. Além disso, a simulação foi realizada com base nas dimensões reais. De acordo com os resultados da simulação, mesmo com um deslocamento forçado de 200 mm, a estrutura da escada rolante não colapsou. Ademais, estabelecemos os métodos de análise de resistência da estrutura da escada rolante para projetos sísmicos.

Introdução

O Japão tem apresentado uma frequência crescente de ocorrências sísmicas. O critério sísmico para escadas rolantes no Japão foi introduzido após o terremoto de Hyogo do Sul (Mj7.2, janeiro de 1995) e foi padronizado no Comentário sobre a Norma Tecnológica de Elevadores (Versão 2009).

No entanto, o fenômeno do colapso de escadas rolantes Ainda assim, ocorreu durante o Grande Terremoto do Leste do Japão (Mj9.0, março de 2011). Suspeitou-se que a causa do colapso da escada rolante tenha sido a deriva dos andares do edifício. Como resultado, os critérios de projeto sísmico da escada rolante, que eram o padrão da indústria, foram reforçados pela Lei de Normas de Construção em 2014. Quando a diferença de altura entre os pavimentos é maior que a folga, a estrutura da escada rolante sofre compressão devido ao deslocamento forçado da viga estrutural. A influência dessa compressão na estrutura da escada rolante é desconhecida. Quando a folga é pequena, é necessário comprovar que a deformação da estrutura da escada rolante não compromete sua segurança.

Este artigo explica a linha de raciocínio para a construção das escadas rolantes da Hitachi após a adaptação aos novos critérios de projeto sísmico. Além disso, descreve a avaliação do deslocamento forçado na estrutura da escada rolante devido à falta de espaço livre. O objetivo é atender aos critérios sísmicos por meio da remodelação localizada das escadas rolantes instaladas.

Contexto e objetivo do desenvolvimento

Critérios de projeto sísmico japoneses

A estrutura de uma escada rolante é composta pela treliça e seus suportes angulares em ambas as extremidades. A escada rolante é suspensa na viga estrutural, nos pavimentos superior e inferior, pelos respectivos suportes angulares. Quando ocorre um deslocamento interlamelar do edifício, o vão da escada rolante instalada varia. A baixa esbeltez da estrutura do edifício influencia essa variação no vão da escada rolante.

A Figura 1 mostra a vista lateral de uma escada rolante típica e uma vista ampliada do perfil de apoio. O vão (K) varia em relação à sua dimensão inicial (K0) devido à deriva entre os andares. A folga (a distância entre o perfil de apoio e o plano vertical da viga estrutural) e o comprimento de sobreposição (o comprimento do perfil de apoio sobre a viga estrutural no plano horizontal) do perfil de apoio são alterados durante um terremoto.

Os critérios de projeto sísmico impostos pela Lei de Normas de Construção estabelecem que o ângulo de deformação do pavimento deve ser de 1/24 da altura da escada rolante. Isso representa mais de quatro vezes o ângulo de deformação de 1/100, que antes era o padrão convencional da indústria.

Quando o valor da deriva entre pavimentos (γH) é maior que a folga, a estrutura da escada rolante sofre compressão devido ao deslocamento forçado da viga estrutural.

Estrutura correspondente das novas escadas rolantes

A Hitachi considerou tanto o comprimento de sobreposição quanto a folga em resposta à mudança na deriva entre pavimentos nos novos critérios sísmicos. No caso de uma estrutura com uma extremidade fixa, onde um lado é fixo e o outro não, só é possível fornecer folga suficiente no lado que não está fixo. Além disso, se a folga for grande em um dos lados, o braço de alavanca do ângulo de apoio aumenta, tornando a condição de tensão severa. Por outro lado, as folgas necessárias podem ser alocadas em ambas as extremidades de uma estrutura sem fixação. Nesse caso, a folga em ambas as extremidades é reduzida, diminuindo assim a tensão que ocorre no ângulo de apoio. Portanto, a estrutura sem fixação em ambas as extremidades foi adotada para as novas escadas rolantes. O movimento lateral da escada rolante é restringido pela utilização de limitadores paralelos (trava de segurança lateral).

Ao considerar a vibração do edifício causada por terremotos de pequena magnitude, um dos lados do suporte deve ser semifixo.[4] O ângulo de suporte semifixo é projetado para terremotos de pequena magnitude e é uma estrutura que se torna instável antes que danos substanciais se desenvolvam na estrutura durante um terremoto de grande magnitude. Isso funciona como um "fusível" para terremotos. (A Figura 2 mostra uma vista lateral do lado semifixo.)

A extremidade semifixa é criada adicionando peças como um pino semifixo a uma extremidade não fixa. Usando esta inovação, a Hitachi pretende aumentar as vendas de escadas rolantes e elevadores mais amigáveis ​​ao ser humano.[5]

 Problemas com escadas rolantes instaladas

Escadas rolantes novas e existentes estão sujeitas a danos sísmicos quando ocorre um terremoto. Espera-se que as escadas rolantes instaladas atendam aos critérios de projeto sísmico mais recentes após a aplicação de remodelações para resistência sísmica. Quando isso for alcançado, a escada rolante instalada poderá atingir o mesmo nível de segurança de uma escada rolante nova.

Para escadas rolantes atualmente em operação, seus comprimentos extremos devem ser reduzidos para aumentar a altura livre e evitar compressão durante terremotos. No entanto, a substituição de uma escada rolante nessas condições, em seu local de instalação, pode ser difícil, inviabilizando qualquer tipo de remodelação resistente a sismos. Portanto, é necessário realizar uma análise de resistência para as escadas rolantes que já estão em operação.

Este artigo descreve a análise de resistência do elevador, que utiliza a análise elastoplástica para obter resultados semelhantes aos gerados pelo teste em tamanho real realizado pela Lei de Normas de Construção.

O estado deformado e a resistência residual da estrutura quando submetida a um deslocamento forçado por uma viga estrutural também foram determinados.

Um teste em tamanho real foi conduzido pela Lei de Normas de Construção, no qual um deslocamento forçado de 200 mm foi aplicado a uma estrutura com uma elevação de 3 m.[6] A curva de deslocamento da força de reação horizontal produzida pela análise é comparada com os resultados do teste mencionado acima, e o método de análise é detalhado na seção seguinte.

Análise de força

Condições de teste

O deslocamento forçado aplicado à escada rolante foi de 200 mm, o mesmo que o curso da máquina de ensaio utilizada no teste em tamanho real. No caso de uma altura de 3 m, o valor máximo de compressão, baseado em 1/24 do ângulo de deformação do pavimento nos critérios sísmicos, é de apenas 125 mm. No entanto, um deslocamento forçado de 200 mm foi utilizado na análise de simulação para replicar as condições do teste em tamanho real para fins de comparação.

Forma do modelo

Foram considerados dois tipos de estrutura. O primeiro é uma estrutura treliçada (padrão A), enquanto o segundo é uma estrutura onde materiais de aço laminado em H são extrudados para formar uma viga (padrão B). Para comparação com o teste em tamanho real, a altura da escada rolante foi definida em 3 m (a mesma do teste em tamanho real). As dimensões externas de cada estrutura são mostradas na Figura 3. Além disso, outra simulação foi realizada em uma escada rolante com uma estrutura de 5 m de altura para verificar a influência do deslocamento forçado de 200 mm em uma escada rolante com uma altura maior.

Condições de análise de simulação

A escada rolante foi modelada utilizando uma estrutura e um ângulo de apoio necessários para suportar seu peso. O modelo de análise foi criado utilizando elementos primários, que contêm elementos de cálculo integral, e uma massa pontual concentrada foi atribuída a cada elemento. A massa de cada passageiro, degrau, corrimão móvel, parte da balaustrada e equipamento interno foi inserida como uma carga pontual vertical. As cargas foram aplicadas na longarina na parte superior da estrutura.

Nas condições de contorno, o suporte superior foi fixado, enquanto o suporte inferior recebeu um deslocamento horizontal forçado. O suporte inferior estava apoiado em uma parede rígida, que simulava uma viga estrutural. Essa parede rígida tocava as superfícies horizontal e vertical do suporte e impunha um deslocamento forçado à estrutura à medida que a parede rígida se deslocava horizontalmente.

A Figura 4 mostra as condições das estruturas após a aplicação do deslocamento forçado. Os resultados da simulação indicaram uma diferença de deslocamento de 5 mm entre as vigas da estrutura. Como é improvável que a viga seja comprimida uniformemente, essa diferença de deslocamento foi considerada aceitável.

 Na simulação, foi aplicado um deslocamento de compressão de até 200 mm. A carga viva e o peso do aparelho foram introduzidos entre 0 e 0.15 s como condição inicial, enquanto o deslocamento forçado foi introduzido entre 0.15 e 0.5 s. Todo o modelo foi simplificado e as propriedades elastoplásticas do material foram aproximadas por meio de duas linhas retas (Figura 5).

Para uma comparação precisa com o teste em tamanho real, as seguintes propriedades de material foram atribuídas às respectivas estruturas: estrutura treliçada com formato A = tensão de ruptura de 598 MPa; estrutura de viga com formato B = tensão de ruptura de 555 MPa. O software de análise utilizado foi o LS/DYNA (da Livermore Software Technology Corp.).

Resultados simulados

A Figura 6 mostra a vista lateral da deformação da estrutura quando um deslocamento forçado de 200 mm foi aplicado a ambas as estruturas, enquanto a Figura 7 mostra a vista frontal. A deformação da estrutura foi mais acentuada na seção inferior do que na seção superior. O ponto de flexão localizou-se na extremidade inferior da estrutura; à medida que a deformação aumentava, o ângulo de flexão também aumentava.

Comparando a deformação na vista frontal, a estrutura treliçada A apresentou uma variação maior do que a estrutura de viga B. Isso provavelmente se deve à diferença na rigidez dos elementos constituintes das respectivas estruturas.

A Figura 8 mostra a variação dimensional em quatro seções, a saber:

1. Seção horizontal superior
2. Gradiente médio
3. Seção horizontal inferior
4. Distância entre os ângulos de apoio.

Trata-se da comparação entre o estado inicial e o estado deformado. A deformação da treliça A na seção horizontal inferior foi maior, enquanto o aumento do ângulo de flexão da viga B foi mais acentuado. Assim, a tendência mencionada anteriormente foi confirmada.

A tensão em torno do ponto de flexão inferior foi obtida por meio da análise. Esses valores estavam abaixo da tensão de ruptura do material. Para a treliça A, o valor de tensão obtido foi de 536 MPa (fator de segurança de tensão de ruptura de 1.11). O valor de tensão obtido para a estrutura de viga B foi de 368 MPa (fator de segurança de tensão de ruptura de 1.50).

Comparação entre análise de resistência e teste em tamanho real

As Figuras 9 e 10 mostram a relação entre a força horizontal na direção longitudinal e o deslocamento forçado aplicado à treliça A e à estrutura de viga B. Os dados do ensaio em escala real são representados por uma linha tracejada. A linha contínua fina reflete os resultados da análise para uma elevação de 3 m, enquanto a linha contínua em negrito reflete os resultados da análise para uma elevação de 5 m. Como pode ser observado nas Figuras 9 e 10, a representação gráfica da análise de simulação assemelha-se aos resultados do ensaio em escala real. Os resultados obtidos por meio da análise de resistência e dos ensaios em escala real apresentaram formas semelhantes.

Ao comparar os resultados da análise de resistência para elevações de 3 e 5 m, o efeito da mudança na altura da estrutura não foi significativo. De modo geral, tanto na simulação quanto no ensaio em escala real, a força de reação horizontal persistiu, mesmo até o ponto em que o deslocamento forçado atingiu 200 mm.

Foi confirmado que a estrutura não colapsa devido a um deslocamento forçado. Se a força de reação horizontal obtida na análise diminuir para zero, isso significaria que a estrutura da escada rolante não seria mais suportada e, portanto, implicaria que a escada rolante colapsaria sob um deslocamento forçado de 200 mm. Como os resultados da simulação indicam que a força horizontal não se reduziu a zero, confirma-se que a estrutura não se desprendeu devido ao deslocamento forçado. Portanto, a Hitachi pode realizar sua avaliação com base na simulação.

Por outro lado, nenhuma quebra de qualquer elemento estrutural ou solda dentro da estrutura foi detectada durante a inspeção em tamanho real. Além disso, durante a análise de simulação, as tensões encontradas no material das estruturas A e B sob o deslocamento forçado não atingiram o limite de resistência do material. Portanto, pode-se concluir que, quando um deslocamento forçado é aplicado à estrutura da escada rolante, a análise mostra que a escada rolante não entrará em colapso.

Conclusão

Este artigo descreve a linha de raciocínio da Hitachi em relação ao novo projeto de escada rolante criado para se adaptar aos novos critérios sísmicos japoneses. Para o caso das escadas rolantes já instaladas, foi realizada uma análise de resistência da estrutura, e as informações obtidas são resumidas a seguir.

Tanto no ensaio em escala real quanto na análise de simulação, o deslocamento forçado causou uma deformação plástica na estrutura, mas a força de reação horizontal atuando sobre ela permaneceu, confirmando que a escada rolante ainda pode ser suportada. Para deslocamentos forçados maiores que 200 mm, mais simulações precisam ser realizadas para determinar se a estrutura da escada rolante entrará em colapso. O ensaio em escala real não apresentou evidências de falha nos componentes da escada rolante, e a análise de simulação também não indicou sinais de falha do material. Portanto, conclui-se que o resultado do ensaio em escala real pode ser previsto utilizando este método de análise. Assim, quando uma treliça de escada rolante é submetida a deslocamento forçado, este método de análise descrito para projeto sísmico é preciso para comprovar que a escada rolante não entrará em colapso.

Referências
[1] Fundação Japan Building Equipment and Elevator Center, Japan Elevator Association. “Comentário Versão 2009 do Padrão de Tecnologia de Elevadores”, p.167-182 (2009).
[2] Ministério da Terra, Infraestrutura, Transporte e Turismo. “Referência sobre a Oferta de Opinião sobre 'Medidas Preventivas contra Quedas Plano Provisório da Escada Rolante'” (2012).
[3] Fundação Japan Building Equipment and Elevator Center, Japan Elevator Association. “Comentário Versão 2014 do Padrão de Tecnologia de Elevadores”, p.1.3.115-1.3.126 (2014).
[4] Horie, N., Sekiguchi, K., e Utsunomiya, H. “Análise de resistência da treliça em estrutura semi-fixa”, reunião anual da Sociedade Japonesa de Engenheiros Mecânicos de 2014 (2014).
[5] Fukuda, T., Sakaue, M., e Ise, Y. “Escadas rolantes amigáveis ​​aos humanos e ao meio ambiente”, ELEVCON, 21º Congresso Internacional de Tecnologias de Transporte Vertical (2010).
[6] Universidade Tokyo Denki. “Relatório de 2014 sobre o negócio de promoção da manutenção da Lei de Normas de Construção, número da investigação: P8, Termos de referência: Exame sobre a forma de medida para a segurança da escada rolante” (2014).