Asansör Sismik Sayısal Analizi

EN 81-77'ye göre sismik koşullar altında MRL asansör davranışının FEA modellemesi

Pascal Rebillard ve Frédéric Grimault tarafından

Her yıl dünya çapında kaydedilen deprem sayısı 500,000 ile 1 milyon arasındadır. Sonuçları ne yazık ki iyi bilinmektedir. Binaların çökmesi nedeniyle insanlar ölebilir veya büyük ölçüde yaralanabilir ve yerel ekonomiler iş kaybından ve maddi hasar ve onarım maliyetlerinden kaynaklanan gelirlerin azalmasından zarar görür.

Tarihsel verilere dayanarak, ABD de oldukça sismik bir bölge olmasına rağmen, Asya ve özellikle Japonya sismik tehlikelerden en çok etkilenen kıta olmuştur. Bununla birlikte, riskli sismik bölgeler listesinde Avrupa da unutulmamalıdır. Sismik aktivitesinin çoğu, Afrika ve Avrasya kabuk levhalarının karşılaşmasının etkilerine en çok maruz kalan güney bölgesinde (Yunanistan, İtalya, Romanya, vb.) Örneğin, 2009'da İtalya'daki Aquila depremi 300 kişiyi öldürdü ve binlerce kişiyi bölgeyi terk etmeye zorladı.

Avrupa'da sismoloji zaman içinde sürekli olarak gelişmiştir. Sensörler, elektronikler ve bilgisayar teknolojileri sayesinde son 30 yılda önemli ilerlemeler kaydetti. Bunlar, bilim insanlarının daha iyi simülasyonlar oluşturmasına ve tahmini geliştirmesine olanak tanır. Bununla birlikte, Japonya'nın Fukushima kentindeki 2011 nükleer kazası, Avrupa ülkelerine, Fransa gibi birçok nükleer santrale sahip ülkelerde meydana gelebilecek bir depremin potansiyel olarak yıkıcı sonuçlarını hatırlattı.

2000'li yıllarda Avrupa'da başlatılan bir girişim, hem asansör şirketlerinin hem de mimarların sismik etkileri dikkate almasına yardımcı olmayı amaçlayan bir kod oluşturdu. standart denir EN 81-77: Asansörlerin İnşası ve Montajına İlişkin Güvenlik Kuralları — Yolcu ve Yük Asansörleri İçin Özel Uygulamalar — Bölüm 77: Sismik Koşullara Tabi Asansörler.

EN 81-77 uyumlu asansör sistemlerine olan talep, bu yeni kod endüstri müşterileri tarafından hala iyi bilinmese de Avrupa'da artıyor. 

“Yatay İvme (a_d)” kategorisinde EN 81-77 Ek A'da tanımlandığı gibi, bu teknik belge, sismik duruma göre asansör sisteminin yapısal davranışının doğrulanmasını sağlayan orijinal bir sonlu elemanlar analizi (FEA) yöntemini sunar.

Depremde üretilen enerji bina tarafından asansöre iletilir. Tüm asansör bileşenleri bu enerjiyi dağıtmak için birlikte katılır. Kaldırma kuyusunda normal kullanımda dikey olarak hareket eden tüm kütleler (tam kabin ağırlığı ve karşı ağırlık [CWT]), yatay ivmeye tabi tutulduklarında kılavuz raylara önemli kuvvetler uygulayacaktır. Tüm kurulumun bütünlüğü, esas olarak kabini ve CWT kılavuz raylarını destekleyen kılavuz ray braketleri (GRB'ler) tarafından garanti edilir. Ana bileşenler (kabin, CWT, kılavuz raylar ve GRB'ler) arasındaki tüm etkileşimler ve asansörün her bir parçasının yapısal esnekliği dikkate alınmalıdır.

Eksiksiz bir sayısal model, kılavuz rayların ve GRB'lerin davranışının analizini sağlar. Bu yaklaşım, kabin, CWT ve GRB'lerin rijit olarak kabul edildiği EN 81-77 tarafından önerilenle karşılaştırıldığında kılavuz raylar ve GRB'ler üzerindeki sonuçları iyileştirir (Şekil 1). Bu, makine dairesiz (MRL) bir asansör kurulumunda daha da önemlidir, çünkü her kılavuz raya önemli bir sıkıştırma kuvveti uygulanır. Bu kurulumlarda, tüm sistem kılavuz raylar tarafından sürdürülür, çünkü makine ve çıkmaz bağlantılar, kılavuz rayların üst ucuna sabitlenir. Ancak kabin çerçevesi, CWT ve makine karyola plakası, sanki enerji tüketimine ayrı ayrı katılmış gibi ayrı ayrı hesaplanır. Bu seçim, araba çerçevesinin ve CWT'nin büyük ölçüde basitleştirildiği tam sayısal model üzerinde yakınsama konuları için yapıldı.

Halihazırda, asansörlerin yapısal davranışını, özellikle dikey yüklerde değerlendirmek için bir FEA yöntemi kullanılmaktadır. Yapılara uygulanan ivmeler sadece düşey yönlerdeki yerçekimi veya hız değişimleridir. Bu, yapıların tasarımında yatay ivmenin dikkate alınması gereken (deprem gibi olaylardan kaynaklanan) başka gerilme yönleri olmadığı sürece geçerlidir.

Depremin şiddetine bağlı olarak, yatay ivmenin büyüklüğü (a_d) önemli ölçüde değişebilir. Bu ivmenin değeri, FEA analizinde dikkate alınması gereken temel girdidir. Bu ivme değerine bağlı olarak dört sismik asansör kategorisi EN 81-77'de verilmiştir.

Bölüm 1: Mekanik Alt Sistemlerin Hesaplanması

Araba çerçevesi

Kabin yapısal bir parça olarak kabul edilmez. Sadece kabini destekleyen kabin çerçevesi (Şekil 3-6) hesaplanır ve analiz edilir. Serinin en ağır kabini dikkate alınır, bu nedenle doğru kabin kütlesine ve ağırlık merkezine sahip olmak için en ağır panelleri temsil eden ilave bir konsantre kütle araba çerçeve modeline dahil edilir.

Maksimum görev yükünün %40'ını temsil eden başka bir ilave kütle, yaklaşık olarak insan vücudunun ağırlık merkezinin konumu olan zeminden 1 m yüksekte konumlandırılmıştır. Modelin tüm kütleleri ivmenin etkisi altında kuvvetler üretir; böylece, kabin çerçevesinin tüm çelik parçaları üzerinde Von Mises gerilmeleri hesaplanır. Bağlantılardaki (cıvatalar, perçinler, kaynaklar ve perçinleme noktaları) kuvvetler de analiz edilir.

Makine Yatak Plakası

Bir MRL asansörü için makine yatak plakası, kılavuz rayların üst ucuna sabitlenmiştir (Şekil 7 ve 8). Kılavuz rayların son kısmı ve makine yatak plakasının hemen altındaki GRB'nin ilk seviyesi modelde dikkate alınmalıdır, çünkü davranışları makine yatak plakasını etkileyecektir. Makine yatak plakasına takılan makine ve kayışların makine kasnağı üzerine uyguladığı kuvvetler de uygulanır.

CWT'nin

CWT'nin işlevi, asansör tesisatının kütlelerini mümkün olduğu kadar dengelemektir (Şekil 9 ve 10). Bu işlevi elde etmek için, yapısal çerçeveye uygulanan kuvvetler ne olursa olsun dolgu maddeleri CWT'de tutulmalıdır. Bu tür bir modelde, tüm dolgu maddelerini modellemek önemlidir, çünkü yatay sismik ivme dolgu kaymasını indükler ve her dolgu tarafından CWT'nin dik kısımlarına uygulanan farklı kuvvet büyüklükleri. Dikey gerilmelerdeki kesinlik bu kuvvetlere bağlıdır. Ana risk, CWT çerçevesini takip eden dolgu maddelerinin kaçmasıdır. 

deformasyonlar. Bu nedenle, gerilimler, CWT'nin her bir parçası için çeliğin akma gerilimini aşmayacak şekilde analiz edilir. Daha sonra sadece elastik deformasyonlar görünecektir. Bu tür deformasyonlar, herhangi bir dolgu kaçmasına neden olacak kadar büyük değildir.

Bölüm 2: Tüm Asansör Kurulumunun Hesaplanması

Tüm asansör kurulumunun bütünlüğü, diğer şeylerin yanı sıra yönlendirme işlevine bağlıdır. Asansör boşluğu duvarına sabitlenen GRB'ler, kılavuz rayların doğrusallığını ve dikeyliğini sağlar. Ayrıca tüm kılavuz raylar arasında (kabin ve CWT için) uygun boşluk sağlarlar.

Kılavuz rayların (GRB'ler dahil) önemli bir deformasyonu, kılavuz raylara göre kılavuz pabuçların egzozunun çıkmasına neden olabilir. Bu durumda, rehberlik işlevi artık garanti edilemez. Bu nedenle, kılavuz rayların yük altında yer değiştirmesinin, kılavuz işlevini tehlikeye atabilecek kritik değerleri aşmasını önlemek için kontrol önemlidir. Öte yandan, GRB'lerdeki kalıcı deformasyonlar, kılavuz rayların mükemmel doğrusallığını etkileyecektir. Kabinin kalitesi ve CWT kılavuzu daha sonra düşecektir.

Tüm bu gereksinimler, her bir bileşeni ayrı ayrı ele alarak verimli bir şekilde analiz edilemez, bu nedenle tüm etkileşimleri hesaba katmak için eksiksiz bir model (GRB'ler, kılavuz raylar, kabin ve CWT dahil) oluşturmaya karar verdik. Bu modelde, araba çerçevesi ve CWT basitleştirilmiştir (tüm parçalar birbirine yapıştırılmıştır). Sadece yatay kuvvetleri yönlendirme sistemine iletmek için kullanılırlar. Bu model şunları tahmin edebilir:

• GRB'ler üzerindeki stresler

• GRB'deki kuvvetler duvara bağlanır

• Kılavuz rayların sapması

• Kurulumun her noktasında yer değiştirmeler

• Kayıp kılavuzluk riskini değerlendirmek için kılavuz pabuçları ve raylar arasındaki nispi yer değiştirme

Analiz Örneği

Aşağıdaki örnekte ve Şekil 11'de, asansör kuyusunda her 3 m'de bir GRB ile yapılan ilk analiz, 2.5 ms'lik bir^-2 sismik hızlanma, kabin kılavuz pabuçları iki GRB arasına yerleştirildiğinde üç soruna neden oldu:

1. GRB'deki çekiş kuvvetleri, kabul edilebilir sınırlarının üzerinde duvara bağlanır
2. Bir kabin kılavuz rayının 5 mm'den fazla sapması (izin verilen maksimum değer)
3. GRB'lerde akma gerilimini aşan Von Mises gerilimleri

Çözüm, ara GRB'ler eklemektir (her 1.5 m'de bir yerine en az her 3 m'de bir). Sayısal sonuçlar Şekil 11 ve 12'de gösterilmektedir.

Son olarak, 1.5 m yerine 3 m aralıklı GRB'ler ile:

• Duvar bağlantılarındaki çekiş kuvvetleri kabul edilebilir hale geldi

• Kılavuz rayların sapması ikiye bölündü

• GRB'lerdeki stresler kabul edilebilir hale geldi

Bunun gösterdiği gibi, GRB'ler ile konfigürasyonu 1.5 m aralıklı tutmak ve doğru bir güvenlik faktörünü korumak için bunları güçlendirmek gereklidir. CWT kılavuz rayı sapması, CWT'nin alt çaprazkafasının yakınında yaklaşık 4 mm'dir (Şekil 13). 

Kılavuzluk davranışı, 3 m aralıklı GRB'ler ile bile kabul edilebilir. Gerçekten de, alt kabin kılavuz pabucu ile kabin kılavuz rayı arasındaki göreceli yer değiştirmenin yaklaşık 11.5 mm olduğunu görebiliriz (Şekil 14), ancak kabin kılavuz pabucunun kabin kılavuz rayı üzerindeki nominal örtüşmesi 28 mm'dir, bu nedenle bir sismik deformasyona rağmen 16.5 mm örtüşme.

Sonuç

EN 81-77'de belirtilen sismik koşullara göre asansör sisteminin yapısal davranışını doğrulamak için kullanılan bir FEA yöntemi açıklanmıştır. Bu orijinal yöntemin faydası, ana alt sistemler (kabin, CWT, GRB'ler ve kılavuz raylar) arasındaki mekanik etkileşimleri hesaba katarak tüm asansör sisteminin sismik davranışını tahmin etmektir.

Pascal Rebillard Otis'te Sistem Analizi ve Modelleme bölümünün yöneticisi ve dünya çapında Otis geliştirme ekiplerini destekleyen Elevator Systems üyesidir. Otis'e 1991 yılında katıldı ve kariyerine Fransa'nın Gien kentinde akustik laboratuvarı oluşturmak ve gürültü ve titreşimle ilgili tüm konuları ele almakla görevli bir araştırma mühendisi olarak başladı. Aynı zamanda, FAIS'deki (Fransız asansör şirketleri federasyonu) misyonunun bir parçası olarak, Fransız İskan Bakanlığı ile yakın bir şekilde çalıştı ve şu anda Fransa'da yürürlükte olan yeni asansör akustik düzenlemelerini tanımlamak için bir Çalışma Grubuna liderlik etti. Otis Gen2® ürün yelpazesinin geliştirilmesi sırasında proje yöneticisi olarak da görev yaptı. Rebillard, Le Mans, Fransa'daki Maine Üniversitesi'nden Fizik alanında doktora derecesine sahiptir.

Frederic Grimault 2007'den beri Otis' Gien, Fransa, Ar-Ge merkezindeki Sonlu Elemanlar Analizi ve Modelleme departmanında asansör yapılarının sayısal doğrulamalarından sorumlu. Grimault, kariyerine otomotiv endüstrisinde başladı. Mühendislik derecesini 1993 yılında Fransa'nın Lyon kentindeki Institut National des Sciences Appliquées'den aldı.