Zorla Yer Değiştirmeye Maruz Kalan Yürüyen Merdiven Kafesinin Sismik Tasarım İçin Değerlendirilmesi

Sismik tasarım için doğru bir analiz yöntemi detaylandırılmıştır.

Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie ve Hirobumi Utsunomiya tarafından

Bu bildiri şu adreste sunuldu:  Madrid 2016, Uluslararası Dikey Taşıma Teknolojileri Kongresi ve ilk olarak IAEE kitabında yayınlandı Asansör Teknolojisi 21, A. Lustig tarafından düzenlendi. Uluslararası Asansör Mühendisleri Birliği'nin izniyle yeniden basılmıştır.   (web sitesi: www.elevcon.com).

11 Mart 2011'de Japonya'da ciddi bir deprem meydana geldi ve yürüyen merdivenler çöktü. Buna, yürüyen merdivenin açıklığının dalgalanmasıyla sonuçlanan binanın katmanlar arası yer değiştirmesi (“hikaye kayması” denir) neden oldu. Yürüyen merdiven kirişine uygulanan zorunlu yer değiştirme, önemli hasar görmesine neden olmuş olabilir. Bu nedenle Hitachi, simülasyon kullanarak zorla yer değiştirme altındaki gücünü değerlendirdi. Ayrıca simülasyon gerçek boyuta göre yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre, 200 mm'lik zorunlu yer değiştirme durumunda bile yürüyen merdiven makası çökmedi. Ayrıca, sismik tasarım için yürüyen merdiven kirişinin dayanım analizi araçlarını oluşturduk.

Giriş

Japonya'da depremlerin görülme sıklığı arttı. Japonya'daki yürüyen merdivenler için sismik kriter, Güney Hyogo Depremi'nden (Mj7.2, Ocak 1995) sonra tanıtıldı ve Asansör Teknolojik Standart Yorumunda (Sürüm 2009) standardize edildi.^[1]

Bununla birlikte, çöken yürüyen merdivenler olgusu^[2] hala Büyük Doğu Japonya Depremi sırasında meydana geldi (Mj9.0, Mart 2011). Yürüyen merdivenin çökmesinin nedeninin binaların kat kaymasından kaynaklandığından şüphelenildi. Sonuç olarak, sektörün standardı olan yürüyen merdivenin sismik tasarım kriterleri, 2014 yılında Yapı Standartları Yasası ile yürürlüğe girmiştir.^[3] Kat ötelemesi boşluktan daha büyük olduğunda, yürüyen merdiven çerçevesi, yapısal kirişin zorunlu yer değiştirmesinden dolayı bir sıkıştırma yaşar. Sıkıştırmanın yürüyen merdiven çerçevesi üzerindeki etkisi bilinmemektedir. Boşluk küçük olduğunda, yürüyen merdiven çerçevesinin deformasyonunun güvenliğini tehlikeye atmadığını kanıtlamak gerekir.

Bu makale, yeni sismik tasarım kriterlerine uyarlandıktan sonra Hitachi yürüyen merdivenlerinin inşasının nasıl düşünüldüğünü açıklamaktadır. Ayrıca, boşluk eksikliği nedeniyle yürüyen merdiven kirişi üzerindeki zorunlu yer değiştirmenin değerlendirilmesini açıklar. Amaç, kurulu yürüyen merdivenlerin yerel olarak yeniden modellenmesi yoluyla sismik kritere uymaktır.

Geliştirmenin Arka Planı ve Amacı

Japon Sismik Tasarım Kriterleri

Bir yürüyen merdivenin çerçevesi, kafes kirişi ve her iki ucundaki destek açılarını içerir. Yürüyen merdiven, ilgili destek açıları ile üst ve alt katlardaki yapısal kiriş boyunca asılıdır. Binanın lameller arası yer değiştirmesi meydana geldiğinde, kurulu yürüyen merdivenin açıklığı dalgalanır. Binanın ince en boy oranı, yürüyen merdiven açıklığındaki değişikliği etkiler.

Şekil 1, tipik bir yürüyen merdivenin yandan görünüşünü ve destek açısının büyütülmüş bir görünüşünü göstermektedir. Açıklık (K), ilk boyutundan (K0) kat kayması ile dalgalanır. Destek açısının boşluk (destek açısı ile yapı kirişinin düşey düzlemi arasındaki mesafe) ve bindirme uzunluğu (yatay düzlemde destek açısının yapı kirişi üzerindeki kapsayıcı uzunluğu) bir deprem sırasında değişir.

Bina Standartları Yasası tarafından zorunlu kılınan sismik tasarım kriterleri, kat deformasyon açısının boyutunun yürüyen merdiven yüksekliğinin 1/24'ü olması gerektiğini belirtir. Bu, bir zamanlar geleneksel endüstri standardı olan 1/100'üncü kat deformasyon açısının dört katından fazladır.

Kat ötelenmesinin değeri (γH) boşluktan daha büyük olduğunda, yürüyen merdiven çerçevesi yapısal kirişin zorunlu yer değiştirmesinden dolayı sıkıştırmaya maruz kalır.

Yeni Yürüyen Merdivenlerin Karşılık Gelen Yapısı

Hitachi, yeni sismik kriterlerde kat ötelenmesindeki değişikliğe yanıt olarak hem örtüşme uzunluğunu hem de açıklığı dikkate almıştır. Bir tarafı sabit diğer tarafı sabit olmayan tek taraflı bir yapıda olması durumunda, sadece sabit olmayan tarafta yeterli boşluk sağlanması mümkündür. Ayrıca, bir tarafta boşluk genişlerse, destek açısının moment kolu artar ve stres durumunun şiddetli hale gelmesine neden olur. Öte yandan, sabitlenmemiş bir yapının her iki ucuna da gerekli boşluklar tahsis edilebilir. Bu durumda, her iki uçtaki boşluk kısalır, böylece destek açısında oluşan stresin azalmasına neden olur. Bu nedenle, yeni yürüyen merdivenler için her iki uçtaki sabit olmayan yapı benimsenmiştir. Yürüyen merdivenin yanal hareketi paralel sınırlayıcılar (yanal yön emniyet mandalı) kullanılarak sınırlandırılır.

Çok büyük olmayan depremlerin binada yarattığı sarsıntı dikkate alındığında, mesnedin bir tarafı yarı sabit olacaktır.[4] Yarı sabit destek açısı, çok büyük olmayan bir deprem için inşa edilmiştir ve büyük bir deprem sırasında çerçeve içinde önemli hasar gelişmeden önce sabitlenmemiş bir yapıdır. Bu, depremler için bir “sigorta” görevi görür. (Şekil 2, yarı sabit tarafın yandan görünüşünü göstermektedir.)

Yarı sabit uç, sabit olmayan bir uca yarı sabit pim gibi parçalar eklenerek oluşturulur. Hitachi, bu yeniliği kullanarak insan dostu yürüyen merdiven ve asansörlerin ürün satışlarını artırmayı hedefliyor.[5]

 Kurulu Yürüyen Merdivenlerle İlgili Sorunlar

Yeni yürüyen merdivenler ve mevcut yürüyen merdivenler, bir deprem meydana geldiğinde sismik hasara maruz kalmaktadır. Kurulan yürüyen merdivenlerin, sismik direnç yeniden modellemesi uygulandıktan sonra en son sismik tasarım kriterlerine uyması beklenmektedir. Bu gerçekleştirildiğinde, kurulan yürüyen merdiven, yeni bir yürüyen merdiveninkine eşit güvenlik seviyesine ulaşabilir.

Halihazırda çalışan yürüyen merdivenlerde, depremler sırasında sıkışmayı önlemek için açıklığı artırmak için aşırı uzunlukları kısaltılmalıdır. Bununla birlikte, böyle bir yürüyen merdivenin kurulu konumunda değiştirilmesi zor olabilir ve bu nedenle sismik dirençli herhangi bir yeniden modelleme biçimini engeller. Bu nedenle, halihazırda çalışan yürüyen merdivenler için mukavemet analizi yapılmalıdır.

Bu makale, Bina Standartları Yasası'nın gerçekleştirdiği gerçek boyut testiyle oluşturulanlara benzer sonuçlar elde etmek için elastoplastik analizi kullanan asansör mukavemet analizini açıklamaktadır.

Yapısal bir kiriş tarafından zorlanmış bir yer değiştirmeye maruz kaldığında çerçevenin deforme durumu ve artık dayanımı da belirlenmiştir.

Bina Standartları Yasası tarafından, 200 m'lik bir yükseltiye sahip bir çerçeveye 3 mm'lik zorunlu yer değiştirmenin uygulandığı bir gerçek boyut testi gerçekleştirilmiştir.[6] Analiz tarafından üretilen yatay tepki kuvveti yer değiştirme eğrisi, yukarıda bahsedilen testin sonuçları ile karşılaştırılır ve analiz yöntemi aşağıdaki bölümde detaylandırılır.

Mukavemet Analizi

Test Koşulları

Yürüyen merdivene uygulanan zorlamalı yer değiştirme, gerçek boyut testinde kullanılan test makinesinin stroku ile aynı olan 200 mm idi. 3 m'lik bir yükselme durumunda sismik kriterlerde kat deformasyon açısının 1/24'üne göre maksimum sıkıştırma değeri sadece 125 mm'dir. Bununla birlikte, karşılaştırma amacıyla gerçek boyut testinin koşullarını tekrarlamak için simülasyon analizinde 200 mm'lik bir zorlamalı yer değiştirme kullanılmıştır.

Model Şekli

İki tür çerçeve düşünülmüştür. Birincisi bir kafes çerçevedir (model A), ikincisi ise H-haddelenmiş çelik malzemelerin bir kiriş oluşturmak üzere ekstrüde edildiği bir çerçevedir (model B). Gerçek boyut testiyle karşılaştırma için yürüyen merdivenin yüksekliği 3 m'ye ayarlanmıştır (gerçek boyut testiyle aynı). Her çerçevenin dış boyutları Şekil 3'te gösterilmektedir. Ayrıca, 5 mm'lik zorunlu yer değiştirmenin daha yüksek bir yürüyen merdiven üzerindeki etkisini kontrol etmek için 200 m'lik bir çerçeveye sahip bir yürüyen merdiven üzerinde başka bir simülasyon yapıldı.

Simülasyon Analiz Koşulları

Yürüyen merdiven, ağırlığına dayanabilmesi için gerekli olan bir çerçeve ve destek açısı kullanılarak modellenmiştir. Analiz modeli, integral hesap elemanlarını içeren birincil eleman kabukları kullanılarak oluşturulmuş ve her elemana bir konsantre nokta kütlesi verilmiştir. Her bir yolcu, basamak, hareketli tırabzan, korkuluk parçası ve iç aparatın kütlesi düşey nokta yükü olarak girilmiştir. Yükler, çerçeve yapısının üst kısmındaki kirişe uygulandı.

Sınır koşulları için, üst mesnet açısı sabitken, alt mesnet açısına yatay bir zorlamalı yer değiştirme verilmiştir. Alt destek açısı, yapısal bir kirişi simüle eden sert bir duvara dayanıyordu. Bu rijit duvar, destek açısının hem yatay hem de dikey yüzeyine dokundu ve rijit duvar yatay olarak yer değiştirirken çerçeveye zorunlu bir yer değiştirme verdi.

Şekil 4, zorunlu yer değiştirme uygulandıktan sonra çerçevelerin koşullarını göstermektedir. Simülasyon sonuçları, yapının kirişleri arasında 5 mm'lik bir yer değiştirme farkını göstermiştir. Kirişin düzgün bir şekilde sıkıştırılması muhtemel olmadığından, bu yer değiştirme farkı kabul edilebilir olarak kabul edildi.

 Simülasyonda 200 mm'ye kadar sıkıştırma yer değiştirmesi uygulandı. Hareketli yük ve aparat ağırlığı 0-0.15 s'de tanıtıldı. bir başlangıç ​​koşulu olarak, zorlamalı yer değiştirme 0.15-0.5 s'de tanıtıldı. Tüm model basitleştirildi ve malzemenin elastik-plastik özellikleri iki düz çizgi kullanılarak yaklaştırıldı (Şekil 5).

Gerçek boyut testiyle doğru karşılaştırma için, ilgili çerçevelere aşağıdaki malzeme özellikleri verilmiştir: kafes çerçeve şekli A = 598 MPa kırılma gerilimi; kiriş yapısı şekli B = 555 MPa kırılma gerilimi. Kullanılan analiz çözücü LS/DYNA'dır (Livermore Software Technology Corp. tarafından).

Simulasyon sonuçları

Şekil 6, her iki çerçeveye de 200 mm'lik bir zorlamalı yer değiştirme uygulandığında çerçeve deformasyonunun yandan görünüşünü gösterirken, Şekil 7 ön cepheyi göstermektedir. Çerçevenin deformasyonu, alt bölümde üst bölüme göre daha şiddetliydi. Eğilme noktası, çerçevenin alt uzunluğuna yerleştirildi; deformasyon arttıkça eğilme açısı da arttı.

Ön cepheden gelen deformasyon karşılaştırıldığında, kafes kiriş A çerçevesi, kiriş yapısı çerçevesi B'den daha büyük bir değişiklik yaşadı. Bunun nedeni büyük olasılıkla ilgili çerçevelerin kurucu elemanlarının rijitlik farkıdır.

Şekil 8, dört bölüm için boyuttaki değişikliği gösterir, yani:

1. Üst yatay bölüm
2. orta gradyan
3. Alt yatay bölüm
4. Destek açıları arasındaki mesafe.

İlk durum ile deforme durum arasındaki karşılaştırmadır. Alt yatay kesitte kafes kiriş A'nın deformasyonu daha büyükken, kiriş çerçevesi B'nin eğilme açısındaki artış daha fazlaydı. Böylece, yukarıda belirtilen eğilim doğrulandı.

Alt eğilme noktası etrafındaki gerilme analiz yoluyla elde edilmiştir. Bu değerler malzemenin kırılma gerilmesinin altındadır. Kafes çerçeve A için elde edilen gerilim değeri 536 MPa'dır (kırılma gerilimi güvenlik faktörü 1.11). Kiriş yapı çerçevesi B için elde edilen gerilim değeri 368 MPa'dır (kırılma gerilimi güvenlik faktörü 1.50).

Mukavemet Analizi ve Gerçek Boyut Testi Arasındaki Karşılaştırma

Şekil 9 ve 10, uzunlamasına doğrultudaki yatay kuvvet ile kafes çerçeve A ve kiriş yapı çerçevesi B'ye uygulanan zorunlu yer değiştirme arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Gerçek boyut testinin verileri kesikli bir çizgi olarak gösterilmektedir. İnce sürekli çizgi 3 m'lik bir yükselişin analiz sonuçlarını yansıtırken, kalın sürekli çizgi 5 m'lik bir yükselişin analiz sonuçlarını yansıtır. Şekil 9 ve 10'da görüldüğü gibi, simülasyon analizinin grafiksel gösterimi, gerçek boyut testinin sonuçlarına benziyordu. Mukavemet analizi ve gerçek boyut testleri yoluyla elde edilen sonuçlar şekil olarak benzerdi.

3 ve 5 metrelik yükselmelerin dayanım-analiz sonuçları karşılaştırıldığında, yükselmedeki değişimin etkisi büyük değildi. Genel olarak, hem simülasyon hem de gerçek boyut testi için, yatay tepki kuvveti, zorlamalı yer değiştirmenin 200 mm olduğu noktaya kadar hala mevcuttu.

Bir çerçevenin zorla yer değiştirmeyle çökmediği doğrulandı. Analizden elde edilen yatay tepki kuvveti sıfıra düşerse, yürüyen merdiven çerçevesinin artık desteklenemeyeceği ve dolayısıyla yürüyen merdivenin 200 mm'lik bir zorunlu yer değiştirme altında çökeceği anlamına gelir. Simülasyon sonuçları yatay kuvvetin sıfıra düşmediğini gösterdiğinden, çerçevenin zorunlu yer değiştirme ile düşmediği doğrulanmıştır. Bu nedenle Hitachi simülasyon ile değerlendirme yapabilmektedir.

Öte yandan, gerçek boyut incelemesi sırasında çerçeve içinde herhangi bir yapısal eleman veya kaynakta herhangi bir kırılma tespit edilmedi. Ayrıca simülasyon analizi sırasında, A çerçevesi ve B çerçevesinin malzemesinde zorlanmış yer değiştirme altında bulunan gerilmeler malzemenin akma dayanımına ulaşmamıştır. Bu nedenle, yürüyen merdiven çerçevesine zorunlu yer değiştirme uygulandığında, analizin yürüyen merdivenin çökmeyeceğini gösterdiği sonucuna varılabilir.

Sonuç

Bu makale, Hitachi'nin yeni Japon sismik kriterlerine uyum sağlamak için oluşturulan yeni yürüyen merdiven tasarımına ilişkin kullandığı düşünce biçimini açıklamaktadır. Kurulu yürüyen merdivenler için çerçeve üzerinde mukavemet analizi yapılmış ve elde edilen bilgiler aşağıdaki gibi özetlenmiştir.

Hem gerçek boyut testi hem de simülasyon analizi sırasında, zorlamalı yer değiştirme çerçeve üzerinde plastik bir deformasyona neden oldu, ancak çerçeveye etki eden yatay tepki kuvveti kaldı, böylece yürüyen merdivenin hala desteklenebileceğini doğruladı. 200 mm'den daha büyük zorunlu yer değiştirmeler için, yürüyen merdiven çerçevesinin çöküp çökmeyeceğini belirlemek için daha fazla simülasyon yapılması gerekir. Gerçek boyut testi, yürüyen merdiven elemanlarının arızalandığına dair hiçbir kanıt göstermezken, simülasyon analizi de herhangi bir malzeme arızası belirtisi göstermedi. Böylece, gerçek boyut testinin sonucunun bu analiz yöntemi kullanılarak tahmin edilebileceği sonucuna varılmıştır. Bu nedenle, bir yürüyen merdiven kirişi zorunlu yer değiştirmeye maruz kaldığında, sismik tasarım için bu tarif edilen analiz yöntemi, yürüyen merdivenin çökmeyeceğini kanıtlamada doğrudur.

Referanslar
[1] The Japan Building Equipment and Elevator Center Foundation, Japan Elevator Association. “Asansör Teknolojisi Standardının 2009 Yorum Versiyonu”, s.167-182 (2009).
[2] Arazi, Altyapı, Ulaştırma ve Turizm Bakanlığı. “Yürüyen Merdivenin Düşmeye Karşı Önleyici Tedbirler Geçici Planına İlişkin Görüş Önerisine İlişkin Referans”(2012).
[3] The Japan Building Equipment and Elevator Center Foundation, Japan Elevator Association. “Asansör Teknolojisi Standardının 2014 Yorum Versiyonu”, s.1.3.115-1.3.126 (2014).
[4] Horie, N., Sekiguchi, K. ve Utsunomiya, H. “Yarı Sabit Yapıdaki Kafesin Mukavemet Analizi,” Japonya Makine Mühendisleri Derneği 2014 yıllık toplantısı (2014).
[5] Fukuda, T., Sakaue, M. ve Ise, Y. “İnsan ve Çevre Dostu Yürüyen Merdivenler,” ELEVCON, 21. Uluslararası Dikey Ulaşım Teknolojileri Kongresi (2010).
[6] Tokyo Denki Üniversitesi. “2014 Bina Standartları Yasası Bakım Teşvik İşi Raporu, Soruşturma numarası: P8, Görev Tanımı: Yürüyen Merdiven Güvenliği Önleminin Yolu Hakkında İnceleme” (2014).