Évaluation de la poutre d'escalier mécanique soumise à un déplacement forcé pour la conception sismique

Évaluation-de-l'escalator-Truss-Subject-to-Forced-Displacement-for-Seismic-Design
Figure 2 : Vue latérale du côté semi-fixe

Une méthode précise d'analyse pour la conception sismique est détaillée.

de Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie et Hirobumi Utsunomiya
Ce document a été présenté à ElevcoN  Madrid 2016, le Congrès international sur les technologies de transport vertical, et publié pour la première fois dans le livre de l'IAEE Technologie des ascenseurs 21, édité par A. Lustig. Il s'agit d'une réimpression avec la permission de l'International Association of Elevator Engineers Iaee   (site Internet : www.elevcon.com).

Un grave tremblement de terre s'est produit au Japon le 11 mars 2011 et des escaliers mécaniques se sont effondrés. Cela a été causé par le déplacement interlamellaire du bâtiment (appelé « dérive de l'étage »), qui a entraîné une fluctuation de la travée de l'escalier mécanique. Le déplacement forcé imposé à la poutrelle de l'escalier roulant pourrait lui avoir causé des dommages importants. Par conséquent, Hitachi a évalué sa résistance sous déplacement forcé en utilisant la simulation. De plus, la simulation a été effectuée sur la base de la taille réelle. Selon les résultats de la simulation, même dans le cas d'un déplacement forcé de 200 mm, la poutrelle de l'escalier roulant ne s'est pas effondrée. De plus, nous avons établi les moyens d'analyse de la résistance de la ferme de l'escalier roulant pour la conception sismique.

Introduction

Le Japon a connu une augmentation de la fréquence des séismes. Le critère sismique pour les escaliers mécaniques au Japon a été introduit après le séisme de South Hyogo (Mj7.2, janvier 1995) et a été normalisé dans le Lift Technological Standard Commentary (Version 2009).[1]

Cependant, le phénomène d'effondrement des escaliers mécaniques[2] se sont encore produits pendant le grand tremblement de terre de l'est du Japon (Mj9.0, mars 2011). On soupçonnait que la cause de l'effondrement de l'escalier mécanique était due à la dérive des étages des bâtiments. En conséquence, les critères de conception parasismique de l'escalier mécanique, qui était la norme de l'industrie, ont été appliqués par la Building Standards Act en 2014.[3] Lorsque la dérive de l'étage est plus grande que le jeu, le cadre de l'escalier mécanique subit une compression due au déplacement forcé de la poutre structurelle. L'influence de la compression sur le cadre de l'escalier mécanique n'est pas connue. Lorsque le jeu est faible, il est nécessaire de prouver que la déformation du châssis de l'escalier roulant ne compromet pas sa sécurité.

Cet article explique la manière de penser la construction des escaliers mécaniques Hitachi après l'adaptation aux nouveaux critères de conception parasismique. De plus, il décrit l'évaluation du déplacement forcé sur la poutre de l'escalier roulant en raison du manque de dégagement. L'objectif est de respecter le critère sismique par le remodelage local des escaliers mécaniques installés.

Contexte et objectif du développement

Critères de conception sismiques japonais

Le cadre d'un escalier mécanique comprend le treillis et ses angles de support à ses deux extrémités. L'escalier mécanique est suspendu à travers la poutre structurelle aux étages supérieur et inférieur par les angles de support respectifs. Lorsqu'un déplacement interlamellaire du bâtiment se produit, la portée de l'escalier mécanique installé fluctue. Le rapport hauteur/largeur élancé du bâtiment affecte le changement de la portée de l'escalator.

La figure 1 montre la vue latérale d'un escalier mécanique typique et une vue agrandie de l'angle de support. La travée (K) fluctue par rapport à sa dimension initiale (K0) par dérive de l'étage. Le jeu (la distance entre l'angle de support et le plan vertical de la poutre structurelle) et la longueur de chevauchement (la longueur globale de l'angle de support sur la poutre structurelle dans le plan horizontal) de l'angle de support sont modifiés lors d'un tremblement de terre.

Les critères de conception parasismique imposés par la Building Standards Act stipulent que la taille de l'angle de déformation de l'étage doit être 1/24e de la hauteur de l'escalier roulant. C'est plus de quatre fois l'angle de déformation de l'étage de 1/100e, qui était autrefois la norme conventionnelle de l'industrie.

Lorsque la valeur de la dérive de l'étage (γH) est supérieure au jeu, le cadre de l'escalier mécanique subit une compression en raison du déplacement forcé de la poutre structurelle.

Structure correspondante des nouveaux escaliers mécaniques

Hitachi a pris en compte à la fois la longueur de chevauchement et le dégagement en réponse au changement de dérive de l'histoire dans les nouveaux critères sismiques. Dans le cas d'une structure fixe unilatérale, où un côté est fixe alors que l'autre ne l'est pas, il n'est possible de prévoir un dégagement suffisant que du côté non fixe. De plus, si le jeu devient important d'un côté, le bras de levier de l'angle de support augmente, ce qui rend la condition de contrainte sévère. D'autre part, les dégagements nécessaires peuvent être alloués aux deux extrémités d'une structure non fixée. Dans ce cas, le jeu aux deux extrémités est raccourci, ce qui réduit la contrainte qui se produit au niveau de l'angle d'appui. Par conséquent, la structure non fixée aux deux extrémités a été adoptée pour les nouveaux escaliers mécaniques. Le mouvement latéral de l'escalier mécanique est limité par l'utilisation de restricteurs parallèles (crochet de sécurité de direction latérale).

Lorsque l'on considère les secousses du bâtiment causées par des tremblements de terre qui ne sont pas énormes, un côté du support doit être semi-fixe.[4] L'angle de support semi-fixe est construit pour un tremblement de terre qui n'est pas énorme et est une structure qui devient non fixée avant que des dommages substantiels ne se développent dans le cadre lors d'un tremblement de terre majeur. Cela agit comme un « fusible » pour les tremblements de terre. (La figure 2 montre une vue latérale du côté semi-fixe.)

L'extrémité semi-fixe est créée en ajoutant des pièces telles qu'une goupille semi-fixe à une extrémité non fixée. En utilisant cette innovation, Hitachi vise à augmenter les ventes de produits d'escaliers mécaniques et d'ascenseurs conviviaux.[5]

 Problèmes avec les escaliers mécaniques installés

Les nouveaux escaliers mécaniques et les escaliers mécaniques existants sont soumis à des dommages sismiques lorsqu'un tremblement de terre se produit. Les escaliers mécaniques installés devraient être en mesure de se conformer aux derniers critères de conception sismiques après l'application du remodelage de la résistance sismique. Lorsque cela est réalisé, l'escalier mécanique installé peut atteindre le niveau de sécurité égal à celui d'un nouvel escalier mécanique.

Pour les escaliers mécaniques actuellement en fonctionnement, leurs longueurs extrêmes doivent être raccourcies pour augmenter le jeu afin d'éviter la compression lors des tremblements de terre. Cependant, le remplacement d'un tel escalier mécanique à son emplacement d'installation pourrait être difficile, empêchant ainsi toute forme de remodelage antisismique. Par conséquent, une analyse de la résistance doit être effectuée pour les escaliers mécaniques déjà en service.

Cet article décrit l'analyse de la résistance de l'ascenseur, qui utilise l'analyse élasto-plastique pour obtenir des résultats similaires à ceux générés par le test en taille réelle effectué par le Building Standards Act.

L'état déformé et la résistance résiduelle du cadre lorsqu'il subit un déplacement forcé par une poutre structurelle ont également été déterminés.

Un test en taille réelle a été réalisé par la Building Standards Act dans lequel un déplacement forcé de 200 mm a été appliqué à un cadre avec une élévation de 3 m.[6] La courbe de déplacement de la force de réaction horizontale produite par l'analyse est comparée aux résultats de l'essai mentionné ci-dessus, et la méthode d'analyse est élaborée dans la section suivante.

Analyse de force

Conditions d'essai

Le déplacement forcé appliqué à l'escalier mécanique était de 200 mm, identique à la course de la machine d'essai utilisée dans l'essai en taille réelle. Dans le cas d'une élévation de 3 m, la valeur de compression maximale basée sur 1/24 de l'angle de déformation de l'étage dans les critères sismiques n'est que de 125 mm. Cependant, un déplacement forcé de 200 mm a été utilisé dans l'analyse de simulation pour reproduire les conditions de l'essai en taille réelle à des fins de comparaison.

Forme du modèle

Deux types de cadres ont été considérés. Le premier est un cadre en treillis (motif A), tandis que le second est un cadre où des matériaux en acier laminé en H sont extrudés pour former une poutre (motif B). A titre de comparaison avec le test en taille réelle, la montée de l'escalier mécanique est fixée à 3 m (identique au test en taille réelle). Les dimensions extérieures de chaque cadre sont illustrées à la figure 3. De plus, une autre simulation a été réalisée sur un escalier roulant avec un cadre de 5 m de hauteur pour vérifier l'influence du déplacement forcé de 200 mm sur un escalier roulant avec une hauteur plus élevée.

Conditions d'analyse de simulation

L'escalier mécanique a été modélisé à l'aide d'un cadre et d'un angle de support nécessaires pour supporter son poids. Le modèle d'analyse a été créé à l'aide de coques d'éléments primaires, qui contiennent des éléments de calcul intégraux, et une masse ponctuelle concentrée a été attribuée à chaque élément. La masse de chaque passager, marche, main courante mobile, partie de balustrade et l'appareil interne a été entrée comme une charge ponctuelle verticale. Les charges ont été appliquées sur le longeron à la partie supérieure de la structure du cadre.

Pour les conditions aux limites, l'angle d'appui supérieur a été fixé, tandis que l'angle d'appui inférieur a reçu un déplacement forcé horizontal. L'angle de support inférieur reposait sur un mur rigide, qui simulait une poutre structurelle. Cette paroi rigide touchait à la fois la surface horizontale et verticale de l'angle de support et donnait au cadre un déplacement forcé lorsque la paroi rigide se déplaçait horizontalement.

La figure 4 montre les conditions des cadres après l'application du déplacement forcé. Les résultats de la simulation ont indiqué une différence de déplacement de 5 mm entre les poutres de la structure. Comme il est peu probable que le faisceau soit comprimé uniformément, cette différence de déplacement a été considérée comme acceptable.

 Dans la simulation, un déplacement de compression allant jusqu'à 200 mm a été appliqué. La charge vive et le poids de l'appareil ont été introduits à 0-0.15 s. comme condition initiale, tandis que le déplacement forcé a été introduit à 0.15-0.5 s. L'ensemble du modèle a été simplifié et les propriétés élasto-plastiques du matériau ont été approchées à l'aide de deux lignes droites (Figure 5).

Pour une comparaison précise avec l'essai en taille réelle, les propriétés matérielles suivantes ont été données aux cadres respectifs : forme de cadre en treillis A = contrainte de rupture de 598 MPa ; forme de structure de poutre B = contrainte de rupture de 555 MPa. Le solveur d'analyse utilisé était LS/DYNA (par Livermore Software Technology Corp.).

Résultats de la simulation

La figure 6 montre la vue latérale de la déformation du cadre lorsqu'un déplacement forcé de 200 mm a été appliqué aux deux cadres, tandis que la figure 7 montre l'élévation avant. La déformation du cadre était plus importante en partie basse qu'en partie haute. Le point de flexion était situé à la longueur inférieure du cadre; à mesure que la déformation augmentait, l'angle de flexion augmentait également.

En comparant la déformation de l'élévation avant, le cadre en treillis A a subi un changement plus important que le cadre de la structure de poutre B. Cela est probablement dû à la différence de rigidité des éléments constitutifs des cadres respectifs.

La figure 8 montre le changement de dimension pour quatre sections, à savoir :

  1. Section horizontale supérieure
  2. Dégradé moyen
  3. Partie horizontale inférieure
  4. Distance entre les angles de support.

C'est la comparaison entre l'état initial et l'état déformé. La déformation du cadre en treillis A à la section horizontale inférieure était plus importante, tandis que l'augmentation de l'angle de flexion du cadre de poutre B était plus importante. Ainsi, la tendance mentionnée ci-dessus s'est confirmée.

La contrainte autour du point de flexion inférieur a été obtenue grâce à l'analyse. Ces valeurs étaient inférieures à la contrainte de rupture du matériau. Pour la charpente en treillis A, la valeur de contrainte obtenue était de 536 MPa (facteur de sécurité de contrainte de rupture de 1.11). La valeur de contrainte obtenue pour l'ossature poutre B était de 368 MPa (facteur de sécurité de contrainte de rupture de 1.50).

Comparaison entre l'analyse de force et le test de taille réelle

Les figures 9 et 10 montrent la relation entre la force horizontale dans la direction longitudinale et le déplacement forcé appliqué au cadre en treillis A et au cadre de la structure à poutres B. Les données de l'essai en taille réelle sont représentées par une ligne brisée. La ligne continue fine reflète les résultats d'analyse d'une élévation de 3 m, tandis que la ligne continue en gras reflète les résultats d'analyse d'une élévation de 5 m. Comme le montrent les figures 9 et 10, la représentation graphique de l'analyse de simulation ressemblait aux résultats du test en taille réelle. Les résultats obtenus par l'analyse de résistance et les tests en taille réelle étaient de forme similaire.

Lorsque l'on compare les résultats de l'analyse de la force des montées de 3 et 5 m, l'effet du changement de montée n'était pas important. Dans l'ensemble, tant pour la simulation que pour l'essai en taille réelle, la force de réaction horizontale existait toujours, même jusqu'au point où le déplacement forcé était de 200 mm.

Il a été confirmé qu'un cadre ne s'effondre pas par un déplacement forcé. Si la force de réaction horizontale obtenue à partir de l'analyse diminue jusqu'à zéro, cela signifierait que le cadre de l'escalier roulant ne peut plus être soutenu et impliquerait donc que l'escalier mécanique s'effondrera sous un déplacement forcé de 200 mm. Étant donné que les résultats de la simulation indiquent que la force horizontale n'a pas été réduite à zéro, il est confirmé que le cadre n'est pas tombé par le déplacement forcé. Par conséquent, Hitachi peut évaluer par la simulation.

En revanche, aucune rupture d'élément structurel ou de soudure à l'intérieur du cadre n'a été détectée lors de l'examen en grandeur réelle. De plus, lors de l'analyse de simulation, les contraintes trouvées dans le matériau du cadre A et du cadre B sous le déplacement forcé n'ont pas atteint la limite d'élasticité du matériau. Par conséquent, on peut conclure que lorsqu'un déplacement forcé est appliqué au cadre de l'escalier roulant, l'analyse montre que l'escalier roulant ne s'effondrera pas.

Conclusion

Cet article décrit la façon de penser qu'utilise Hitachi concernant le nouveau design d'escalier mécanique créé pour s'adapter aux nouveaux critères sismiques japonais. Pour le cas des escaliers mécaniques installés, une analyse de résistance a été menée sur la charpente, et les informations obtenues sont résumées comme suit.

Au cours du test en taille réelle et de l'analyse de simulation, le déplacement forcé a provoqué une déformation plastique sur le cadre, mais la force de réaction horizontale agissant sur le cadre est restée, confirmant ainsi que l'escalier roulant peut toujours être soutenu. Pour les déplacements forcés supérieurs à 200 mm, d'autres simulations doivent être effectuées pour déterminer si le cadre de l'escalator s'effondrera. Le test en taille réelle n'a montré aucun signe de défaillance des membres de l'escalier roulant, tandis que l'analyse de simulation n'a également indiqué aucun signe de défaillance matérielle. Ainsi, il est conclu que le résultat du test en taille réelle peut être prédit en utilisant cette méthode d'analyse. Par conséquent, lorsqu'un treillis d'escalier roulant est soumis à un déplacement forcé, cette méthode d'analyse décrite pour la conception sismique est précise pour prouver que l'escalier roulant ne s'effondrera pas.

Références
[1] La Japan Building Equipment and Elevator Center Foundation, Japan Elevator Association. « Commentaire version 2009 de la norme de technologie d'ascenseur », p.167-182 (2009).
[2] Ministère du Territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme. « Référence sur l'offre d'opinion sur « le plan provisoire des mesures préventives contre les chutes de l'escalier mécanique » » (2012).
[3] La Japan Building Equipment and Elevator Center Foundation, Japan Elevator Association. « Commentaire version 2014 de la norme de technologie d'ascenseur », p.1.3.115-1.3.126 (2014).
[4] Horie, N., Sekiguchi, K. et Utsunomiya, H. « Analyse de la résistance de la poutre dans une structure semi-fixe », réunion annuelle 2014 de la Japan Society of Mechanical Engineers (2014).
[5] Fukuda, T., Sakaue, M. et Ise, Y. « Escalators respectueux des humains et de l'environnement », ELEVCON, 21e Congrès international sur les technologies de transport vertical (2010).
[6] Université Denki de Tokyo. « Rapport de l'activité de promotion de l'entretien de la Loi sur les normes de construction de 2014, Numéro d'enquête : P8, Termes de référence : Examen sur le chemin de la mesure de sécurité de l'escalier mécanique » (2014).
de Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie et Hirobumi Utsunomiya

de Kentaro Sekiguchi, Noritaka Horie et Hirobumi Utsunomiya

Kentaro Sekiguchi a rejoint Hitachi Ltd. en 2010. Il est actuellement ingénieur en mécanique au sein du département de développement des escaliers mécaniques, Urban Planning and Development Systems Co., Japon.

Noritaka Horie a rejoint Hitachi Ltd. en 2000. Il est actuellement ingénieur en mécanique au sein du département de développement des escaliers mécaniques, Urban Planning and Development Systems Co., Japon.

Hirobumi Utsunomiya a rejoint Hitachi Ltd. en 1989. Il est actuellement ingénieur en mécanique au sein du département de développement des escaliers mécaniques, Urban Planning and Development Systems Co., Japon.

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