Diseño Óptimo de Fijación de Guías de Ascensor

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Estres en el comportamiento
práctico del sistema completo
de fijación de guías
Dr. Michael Merz
La práctica del diseño de ascensores convencionales considera a las grampas, soportes
y anclajes de rieles como unidades separadas. La Corporación Hilti llevó a cabo un
análisis de cómo el sistema completo de fijación del riel actúa bajo carga.
RESUMEN
Este artículo trata sobre la distribución de fuerzas
en el sistema completo de fijación de guías (grampas,
Edición Nº 107
soportes y anclajes de pared), basado en las cargas
aplicadas en el riel de la cabina. Los resultados de las
pruebas prácticas revelan la falla de los diversos componentes del sistema de fijación del riel, e identifican
aquéllos que pueden causar una avería del sistema.
Finalmente, también se discuten las consecuencias
que tiene para el diseño un sistema efectivo y costoeficiente de fijación de guías.
INTRODUCCIÓN
El artículo de Elevcon 2006, “Diseño dinámico para anclajes de ascensores en edificios” describe el di-
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Estres en el comportamiento práctico...
Figura 1: Soportes de fijación estándar de guías.
seño de anclajes utilizados para la sujeción de
guías sometidas a carga dinámica en las paredes de
concreto de los pasadizos de ascensor. El diseño de
software propuesto para esto, simplifica la situación
en lo que respecta al soporte que conecta el punto
en el cual las fuerzas son inducidas (riel)con el anclaje como una estructura rígida. Si los soportes de
agarre del riel o guía, frecuentemente utilizados en
la práctica, realmente se comportan como un sistema rígido cuando están bajo carga, pueden ser
puestos en duda y esto es señalado en el artículo
señalado (Figura 1).
Cuando la carga dinámica es transferida al anclaje a través de un sistema no rígido, las fuerzas que
el anclaje requiere transferir a la pared son diferentes de aquellas que se suponen en un diseño basado
en un soporte rígido. Con miras a conseguir el diseño óptimo de fijación de guías en la pared del pasadizo, con respecto a una transferencia confiable de
las fuerzas estáticas y dinámicas que acontecen; al
uso económico de los materiales e instalación eficiente; a la estructura de conexión completa, esto es
grampas de riel, soportes, partes conectoras y el anclaje, este diseño debería estar proyectado como un
sistema completo. En 2009, en nuestro laboratorio
que está acreditado de acuerdo con la norma DIN
EN ISO/17025 para la ejecución de análisis mecánicotécnicos de métodos y materiales de fijación, tuvimos la oportunidad de montar una colocación de fijación completa como un sistema, y someterlo al riel
a carga dinámica y estática, con el objeto de inves-
tigar el comportamiento del sistema y del anclaje en término de la
deformación elástica y plástica,
así como también su modo de fallo y sus características. Una meta
más de estas investigaciones, fue
determinar si el anclaje utilizado
tradicionalmente para esta fijación (HSA M12x100 en un agujero
perforado a una profundidad de
95 mm) podría ser reemplazado
por el HSA M12x80 en un agujero
de 75mm, sin falla del anclaje utilizado para la fijación del riel.
DESEMPEÑO DEL ANCLAJE HSA BAJO CARGA EN
AGUJEROS POCO PROFUNDOS
En la Aprobación Técnica Europea ETA-99/0001 fechada en marzo 13 de 2008, la profundidad mínima
del agujero para la instalación de la HSA M 12 Hilti es
definida como de 70 mm. Uno de los puntos principa-
Concreto
Artefacto
Profundidad efectiva del anclaje,
profundidad de la incrustación
total en el concreto
profundidad del agujero perforado
al punto más profundo
Figura 2: Vista esquemática del HSA Hilti.
espesor del
artefacto
Conceptos técnicos para entender el artículo
• Fuerza o carga en tensión: una de las formas de
aplicar una fuerza o carga. Un ejemplo de esto es
colgar un peso de un tornillo en el techo.
• Fuerza o carga en cizalla: cuando la fuerza se
aplica en forma paralela a un muro. Tomando el
ejemplo anterior, el tornillo ahora está clavado
en la pared y se le aplica una fuerza o carga.
• Compresión: es el resultado del sometimiento de
un material a estrés compresivo, lo que resulta en
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una reducción del volumen, comparado con un
estado de no compresión pero en lo demás idéntico estado. El opuesto de compresión es tensión.
• Pretensión: es tensión inducida artificialmente
en los elementos estructurales, además del propio peso o cargas impuestas que debe llevar. Es
utilizada para asegurar que los elementos estructurales, normalmente muy flexibles, permanezcan firmes bajo todo tipo de cargas.
Revista del Ascensor
FUERZA [kN]
Estres en el comportamiento práctico...
MOVIMIENTO (mm)
Figura 3: Lecturas de la prueba de la salida del HSA M12 y del punto del anclaje después de la falla.
Tren
Tensión lateral
con anillo sensor de fuerza
Figura 4: Instalación para la prueba de carga del sistema
de fijación de la guía.
les de la investigación de la falla del sistema de fijación del riel fue determinar la carga límite para el
HSA M 12 Hilti colocado en un agujero poco profundo. Para este propósito, se definió un agujero de 55
mm de profundidad mínima. EL HSA Hilti es un anclaje de expansión que transfiere fuerzas al concreto
a través de un sistema que consiste en una sección en
forma de cuña (1) que expande una manga (2). La
manga luego transfiere fuerza comprimida (3) al concreto (Figura 2).
La combinación de la tensión inducida en el anclaje y las fuerzas compresoras que se producen por
la expansión del elemento, producen una propagación de presión en un área cónica en dirección a la superficie del concreto. Mientras más grande es el volumen del concreto que puede ser “activado”, esto es,
incluido en esta área cónica de presión (4), mayores
Tren
Tensión lateral
tornillo
HST M12
Anclaje
losa de concreto
Figura 5: Instalación de la prueba para carga de tensión del sistema de fijación del riel.
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Revista del Ascensor
son las fuerzas que se pueden absorber antes de llegar al punto en el cual el concreto falla y esta sección
cónica se desprende con precisión del cuerpo principal de concreto.
La profundidad de perforación de 55 mm representa el mínimo geométrico. El elemento expansivo
entonces se coloca 15 mm debajo de la superficie de
concreto. La llamada “profundidad de anclaje efectiva” es 35 mm. Se logra de este modo un mínimo volumen de concreto “activado”. Si el elemento expandible fuera a ser colocado cerca de la superficie del
concreto induciría fuerzas comprimidas en un área
de concreto que es, en la práctica, poco homogénea y
de baja fuerza compresible por estar muy cerca del
encofrado, lo cual no le permite óptima compactación. El anclaje fallaría con toda probabilidad tan
pronto como el torque de tensado se aplicara en el
momento de la instalación.
Una serie de pruebas de cinco HSA M12 Hilti se
realizaron en el mismo bloque de concreto en el que
fue instalado el sistema de fijación del riel a ser testeado. Los anclajes HSA M12 Hilti se pusieron en agujeros de 55 mm y se sujetaron con un torque de 60
Nm como especifica la Aprobación Técnica Europea.
La prueba de carga fue aplicada con un dispositivo hidráulico y aumentada gradualmente hasta que el anclaje falló. Al hacer eso, además de la carga aplicada,
también se midió el desplazamiento del anclaje
(Figura 3).
Como se esperaba, la causa de la falla en los 5 casos fue una falla del concreto. La zona de concreto cónica estallada es claramente visible en la foto. En un
agujero de 55 mm de profundidad, el volumen de
concreto que se requiere para absorber las fuerzas
aplicadas es muy limitado. Los resultados de estas
pruebas muestran una falla de carga promedio de
22.8kN.
MONTAJE DE PRUEBA
El montaje de la prueba para investigar el sistema completo de fijación se correspondió con el método de fijación estándar utilizado para guías sobre
paredes de pasadizo de concreto. Para la prueba, se
seleccionó el concreto de calidad C20/25 y 19 días
después de su moldeado ya casi tenía una fuerza
compresiva de 29.5 N/mm2. Esta es una situación
con la que se encuentra muy frecuentemente en pasadizos de ascensores nuevos en edificios con más
de 10 pisos. El concreto que se encuentra en edificios
altos o en edificios viejos tiende a ser de más dureza. El concreto de alta resistencia es capaz de absorber fuerzas superiores.
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Fuerza de precarga HST M12 derecha
Fuerza de precarga HSTA M12 siguiente
Desplazamiento
del pistón
Desplazamiento
de la chapa
Torque HST M12 anclaje 60Nm
Torque de atornillado a la consola 72 Nm
Torque HST M12 anclaje 60Nm
Torque de atornillado a la consola 72 Nm
Figura 6: Prueba de lecturas de la carga en tensión del sistema de fijación de la guía.
Figura 7: Falla del sistema de fijación del riel
bajo carga en tensión.
El soporte de fijación de riel es un componente
estándar que consiste en dos escuadras que están
engrampadas juntas en el medio mediante cuatro
tuercas y tornillos M12 ubicados en agujeros alargados. La fuerza de la conexión es definida por la fricción de agarre, logrado entre las dos partes por la
fuerza de sujeción de los cuatro tornillos y sus tuercas (Figura 4). Las grampas de rieles también son
componentes estándar. Las conexiones de
tuerca/tornillo M12 en el soporte están ajustadas
con un torque de 72Nm. Los anclajes HST M12x145
utilizados para esto están colocados en agujeros
perforados a una profundidad de 95mm. En la práctica, los anclajes estándar utilizados son
M12x100mm, también instalados en agujeros perforados con una profundidad de 9 mm. Los anclajes
M12x145,que ofrecen largo de rosca extra, fueron
elegidos para la prueba para permitir acople de los
anillos de medición de fuerza.
Consola 8 b
Tensión lateral
tornillo
consola
Anclaje HST M12
Loza de Concreto
Figura 8: Instalación de la prueba para carga en cizalla del sistema de fijación de la guía.
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Revista del Ascensor
Los anclajes HST fueron combinados con las tuercas provistas, las cuales estaban ajustadas con un
torque de 60Nm como se especificaba en la
Aprobación Técnica Europea. Las tuercas provistas
fueron subsecuentemente reemplazadas con el dispositivo de medición de fuerza.
Los anillos de medición de fuerza permiten medir
la pretensión de anclaje, y también permiten medición de la curva de fuerza para el anclaje durante la
carga del soporte.
Una fuerza en tensión que actúa hacia el medio del pasadizo y una fuerza de cizalla que actúa
paralelamente a la pared del pasadizo, fueron
aplicadas al riel. Ambas fuerzas actuaron directamente en la guía y simularon las cargas que lo
guiadores del ascensor aplicarían cuando el ascensor está operando. Las fuerzas se aplicaron
con un dispositivo hidráulico. Un dispositivo de
medición de desplazamiento fue adaptado al pistón, que aplicaba esta fuerza para que el desplazamiento del soporte pudiera ser medido y grabado durante la prueba.
EL IMPACTO DE LA CARGA
EN TENSIÓN EN EL SISTEMA
DE FIJACIÓN DE LA GUIA
Durante la prueba de la carga en tensión, se aplicó una carga que aumentó desde 0 a 5kN, cinco veces
para simular la parada y el arranque de la cabina del
ascensor durante el funcionamiento. Con el objeto de
determinar la causa de la falla del sistema completo
de fijación, la prueba de carga fue aumentado lentamente en forma subsecuente hasta que ocurrió la falla (Figura 5, ver pág. 54).
La prueba mostró que este ciclo de 5 picos de
carga fue absorbido por el sistema sin fallar. La
aplicación de la carga produjo un desplazamiento
elástico y plástico en el punto de soporte del riel.
Con la carga máxima (5kN), el desplazamiento máximo fue 2,5mm con un remanente de 0,5mm de
desplazamiento plástico, cuando la fuerza fue reducida a cero. Durante el ciclo de carga, la medición
de la fuerza en los anclajes se elevó muy poquito
(alrededor de 0,5kN) desde la pretensión de 12kN
aplicada durante la instalación, y volvió a un valor
de 12kN después de la eliminación de la prueba de
carga (Figura 6, ver pág. 56).
El sistema de fijación de la guía falló a una tensión máxima de carga de 11kN. Mientras tanto, la
fuerza medida en los anclajes se elevó del valor
pretendido de 12kN a un valor de 16kN. La causa de
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Fuerza de precarga HST M12 derecha
Fuerza de precarga HST M12 siguiente
Fuerza de pistón.
Chapas de consola orientadas
en forma transversal
Torque HST M12 60Nm
Atornillado a la
consola 72 Nm
Figura 9: Lectura de la prueba para carga de cizalla del sistema de fijación de riel.
la falla a 11kN se encontró en las grampas del riel, que fueron dobladas hacia
arriba de tal manera que el riel fue
arrancado del anclaje. Hasta el momento de la falla, el riel se había desplazado 9,5 mm (Figura 7, ver pág. 56).
Los resultados de la prueba mostraron que el sistema de fijación sobrevivió la prueba de carga con deformación
plástica de 0,5mm. También mostraron
que el sistema de fijación reaccionó a la
aplicación de la carga mostrando deformación elástica y plástica. En consecuencia, la carga en los anclajes no fue
la esperada, esto es, no como se presumía en el diseño.
Figura 10: Falla del sistema de fijación de riel bajo carga de cizalla.
tren
Cargas resultantes
Tensión lateral
tornillo
Anclaje HST M12
Loza de Concreto
Figura 11: Modelo de sistema de fijación de riel de Hilti Profis.
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Revista del Ascensor
EL IMPACTO DE LA CARGA
EN CIZALLA EN EL SISTEMA
DE FIJACIÓN DEL RIEL
En el próximo paso, el sistema de fijación de la
guía fue cargado aplicando una carga en cizalla
que actúa en paralelo a la pared del pasadizo. La
prueba de carga fue nuevamente un ciclo de carga
de 5 picos ascendiendo de 0 a un valor de 5kN. Con
el objeto de determinar la causa de la falla del sistema de fijación completo, la prueba de carga fue
posteriormente aumentada hasta que ocurrió la
falla (Figura 8, ver pág. 56).
La aplicación de la carga en cizalla al riel produjo que el soporte se doblara en dirección transversal y longitudinal, de tal forma que la prueba tuvo
que ser abortada. La puesta para la prueba utilizó
sólo una longitud muy corta de guía En la práctica,
el desplazamiento longitudinal del riel se transferiría al siguiente soporte y a la base del pasadizo, y
de esta forma sería limitado. Para impedir el desplazamiento longitudinal del riel, se seleccionó un
montaje de prueba que aplicara la fuerza de cizalla directamente en el soporte. Para simular la falta de apalancamiento en el sistema como resultado de omitir la guía, la carga máxima fue aumentada de 5 a 6kN desde un punto de partida cero en
cada ciclo.
La prueba mostró que el ciclo de 5 picos de carga
fue soportado por el sistema sin fallar. La aplicación
de la carga resultó en un desplazamiento elástico y
plástico en el punto de soporte del riel. Con la carga
máxima (6kN) el desplazamiento máximo fue 6 mm,
con 2,5mm de desplazamiento plástico restante
cuando la fuerza fue reducida a cero. Debido al apalancamiento ejercido por aplicación de la fuerza de
cizalla, la fuerza de las curvas medidas para cada uno
de los dos anclajes fue diferente. La fuerza en el anclaje bajo carga en tensión que resultó de este apalancamiento, se elevó a 3.0kN durante el ciclo de carga desde la fuerza pretendida de 15kN y cayó a 8,5kN,
cuando la prueba de carga fue removida. Debido al
efecto de apalancamiento resultante de la carga de
cizalla, el otro anclaje fue sometido a fuerza compresiva que no tuvo efecto significativo en la pretensión
del anclaje (Figura 9).
El sistema falló a una carga máxima de 12.7kN.
Mientras esto ocurría, la fuerza máxima en el anclaje
en la zona de carga en tensión llegó a 24 kN. El punto de fijación del riel fue desplazado por 25 mm. La
causa de falla fue la conexión doblada en los agujeros elongados en las dos partes del soporte. Las dos
partes de hojas de metal fueron desplazadas una hacia la otra ( Figura 10).
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Estres en el comportamiento práctico...
Los resultados de la prueba mostraron que el sistema de fijación sobrevivió al trabajo de carga con
una deformación plástica de 2,5mm. También mostró que el sistema de fijación reaccionó a la aplicación de la carga exhibiendo deformación elástica y
plástica. En consecuencia, la carga en los anclajes no
fue como se esperaba, esto es, no como se suponía
en el diseño.
DISEÑO DE ANCLAJE
ESTÁNDAR COMPARADO
El diseño de software comúnmente utilizado para
anclajes de fijación, considera la estructura de conexión entre los puntos en que las fuerzas se aplican y
los anclajes, en una forma simplificada, esto es, como
una estructura rígida. Esto parece tener sentido, ya
que los detalles de diseño para la estructura que había que conocer, con el objeto de tomar en cuenta la
influencia de su deformación en el diseño del sistema
de anclaje, son a menudo, no conocidas suficientemente.
Después de obtener los resultados de estas pruebas, la tarea es ahora mostrar como una comparación,
los valores de la carga de los anclajes que los profesionales de Hilti, especializados en diseño de software, calculan para el sistema de fijación del riel bajo investigación y el grado (en %) en el cual la capacidad
de carga de los dos anclajes HSA M12 Hilti es utilizada en agujeros de 90mm. Utilizando los datos geométricos para los soportes, los valores de fuerza para
el acero y el concreto, más la distancia entre los dos
anclajes y el punto en el cual la fuerza es aplicada, se
produjo un modelo simplificado del sistema de fijación. Con este modelo, las fuerzas que actúan en los
anclajes pueden ser entonces calculadas desde las
cargas de tensión y compresivas de 5kN en cada caso
(Figura 11, ver pág. 58).
El cálculo muestra que cuando la carga en tensión es aplicada a la estructura, cada anclaje está
sometido a una carga de tensión de 5,3kN. Bajo la
aplicación de la carga de cizalla, como en la prueba
y debido al apalancamiento, el anclaje n° 1 está sometido al más alto estrés con una carga en tensión
adicional de 5,6kN, mientras que el anclaje n°2 está
situado en el área de presión de la bandeja de base
y está por lo tanto no sujeto a carga alguna, además
de la pretensión aplicada simultáneamente a la instalación. El acero del anclaje bajo el más alto estrés
en el sistema de fijación es así cargado hasta 19%
de su capacidad. A diferencia del modo de pérdida
y de falla por estallido cónico del concreto, lo cual
está relacionado con el concreto, la capacidad de
utilización llega a un máximo de 38%. Con anclajes,
60
la utilización de menos del 25% de la capacidad de
carga del acero, y menos del 55% de la capacidad del
concreto, generalmente no conduce a problemas de
fatiga.
Las pruebas produjeron otros resultados. En la
prueba de carga en tensión bajo la aplicación de una
carga de 5kN, la máxima carga en tensión en cada
uno de los dos anclajes por encima y por arriba de la
carga de pretensión fue 0,5kN. En el caso de los anclajes cargados con más peso en la prueba de la carga de cizalla, la carga agregada a la pretensión que
permanecía en los anclajes después de los primeros
ciclos de poca carga fue de 9,5kN. La carga total que
actuaba en el anclaje a través de la combinación de
pretensión y carga de trabajo fue discutida en el artículo “Diseño Dinámico para anclaje de ascensor en
los edificios”.
Esto confirma que la deformación en el punto de la
aplicación de la carga y en la estructura entre la guía
y la fijación del anclaje, tiene una gran influencia en la
transferencia del anclaje.
CONCLUSIONES
Varios puntos pueden obtenerse de estos resultados de prueba y se discuten brevemente en los párrafos que siguen.
Se ha demostrado que cambiando por el HSA M12
de Hilti, instalar en agujeros perforados a una profundidad de 70 mm no pareciera ser crítico. Debido a
deformación del soporte de guía como resultado de
los estreses a los que estuvo sometido, las fuerzas actuantes en los anclajes no son las esperadas, esto es,
no como se suponía en el diseño de software, que calcula sobre una base de suposición simplificada, que el
soporte es completamente rígido. Cambiando al HSA
M12 de Hilti en un agujero más superficial, tendría varias ventajas en términos de la salud y seguridad del
personal que lleva a cabo el trabajo de instalación, debido a la reducción en la exposición al polvo de la perforación y la vibración. Además, perforar agujeros más
superficiales podría aumentar la productividad debido a tiempos de perforación más cortos y un riesgo reducido de perforar (y por lo tanto dañar) paredes de
pasadizo relativamente finas.
La temprana advertencia de falla proviene de la
deformación plástica del sistema de fijación del riel.
En el evento de desplazamiento de la guía por muchos
milímetros, la cabina debería entrar en conflicto con
el sistema de accionamiento de las puertas de rellano
y el ascensor pasaría automáticamente al modo de
“service”. El técnico de mantenimiento debería no- Revista del Ascensor
Estres en el comportamiento práctico...
tar la deformación de los soportes. A continuación, él
puede determinar la causa de sobrecarga y realizar las
acciones necesarias para remediarlo. El soporte doblado puede ser reemplazado y el riel vuelto a alinear. El
sistema de fijación del riel tiene reservas de seguridad
inherentes en el evento de falla parcial.
Los daños en la forma de un soporte doblado pueden ser reparados a menor costo que el daño resultante de la falla del concreto en el anclaje. Como se muestra en la Figura 4 (foto del punto de falla del anclaje),
ningún otro anclaje puede ser instalado en ese punto.
El nuevo soporte debe ser ajustado en una posición di-
ferente, lo cual es más consumo de tiempo y por ende
más costo que el simple reemplazo de un soporte.
Si es o no sensible al diseño el anclaje y el soporte
de riel como sistemas separados es otro tema de discusión. El diseño de fijación de la guía como un sistema completo, que incluye el anclaje, ayudaría a conseguir un comportamiento seguro en el evento de la falla. Además, ayudaría a lograr un costo optimizado en
la solución completa con uso económico de materiales y procedimientos de instalación eficiente.
En el presente, se están haciendo esfuerzos para
combinar el software de diseño de
fijación de anclajes de Hilti Profis
con los sistemas de software de
instalación de Hilti Profis. Los sistemas de instalación de Hilti conforman un sistema de kit modular de
canales y conectores de acero que
hacen más fácil producir estructuras de soporte versátiles para artículos a ser sujetados en la estructura del edificio por anclajes. En el
campo del ascensor, los sistemas
de instalación de Hilti son utilizados para vigas separadoras y vigas
de puertas. La ventaja de esto es la
disponibilidad universal para soluciones estándar y adaptación flexible de longitud por el agregado de
tornillos enhebrados, los cuales se
pueden poner en el lugar sin la
ayuda de técnicas de corte y ensamblado que crean chispas. Estos
sistemas livianos, que consiguen
su rigidez mediante el diseño especial de los perfiles de canal en lugar del grosor del material, permiten que las vigas livianas puedan
traerse al pasadizo del ascensor sin
usar una grúa o un equipo de carga
pesada. La instalación de los sistemas de software Hilti Profis soporta la simulación de deformación elástica y plástica cuando se
diseña la estructura. La combinación del software de anclaje de
Hilti Profis y el software de sistemas de instalación de Hilti Profis, a
la que ahora estamos apuntando,
permitirán el diseño óptimo de sistemas de fijación completa, que
combina estructuras de soporte y
acoples de fijación. Fuente: “Elevator World”.
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Revista del Ascensor