Komple ray bağlantı sisteminin deneysel gerilme analizi
Experimental stress analysis of complete rail fastening systems
Yazar: SÜHAN ATAY
Danışman: PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Asansör = Elevator

Özet:
Şehirleşme ve çok katlı binaların artması ile birlikte asansörlerin günlük hayatımız içindeki önemi artmış ve düşey transport sistemlerinde kullandığımız vazgeçilmez bir ulaşım aracı haline gelmiştir.
Asansör sistemleri bir çok elemandan meydana gelmektedir. Güvenli ve konforlu bir seyahat sağlamak bakımından asansör sistemlerinde kullanılan kılavuz raylar ile kılavuz rayları kuyu duvar yüzeyine sabitlemek ve kılavuz rayların doğrusallığını sağlamak için kullanılan ray konsolları ve sabitleme tırnakları, komple ray bağlantı sisteminin en temel elemanlarını oluşturmaktadır.
Kılavuz raylar bu asansör sistemlerinin emniyet açısından en önemli elemanlarıdır. Kılavuz ray ve ray bağlantı elemanlarının bu asansör sistemindeki temel fonksiyonları; düşey hareket boyunca asansör kabini ve karşı ağırlığı kılavuzlayarak yapıya sabitlemek, kabinin yatay hareketlerini mümkün olduğunca en aza indirmek, kabin içinde düzensiz yüklemelerden dolayı meydana gelen merkezden kaçık yükleme durumu için hareket güçlüklerini ve sarsıntıları önlemek, ve ayrıca tehlike durumunda devreye giren paraşüt sistemi ile güvenli duruşu sağlamak ve kabini durdurmaktır.
Asansör kabininin seyahati esnasında ve paraşüt sisteminin devreye girmesi durumunda kılavuz raylar ve ray bağlantı elemanları üzerinde kuvvetler oluşmaktadır. Özellikle emniyet freni işletimi esnasında, kılavuz rayların uygun şekilde monte edilmediği durumlarda kılavuz ray konsolları çok yüksek yüklere maruz kalacaktır. Bu kuvvetler kılavuz raylar ve ray bağlantı elemanları üzerinde eğilme ve burkulma (veya çekme) gerilmelerine neden olmaktadır.
Güvenlik mekanizmasının çalışması durumunda veya çevresel faktörlerden kaynaklanan, asansör kabin patenlerinden kılavuz raylar üzerine gelen dinamik yüklerin, sistem tarafından karşılanması veya öngörülen minimum hasar ile ekstrem durumun aşılması amacı hedeflenmektedir.
Literatürdeki önceki çalışmalar incelendiğinde, çalışmaların genellikle kılavuz raylar, konsollar ve sabitleme tırnaklarının bilgisayar ortamında gerilme ve sehim analizlerinin yapılması ile sınırlı kaldığı görülmüştür. Fakat bu çalışmada kılavuz rayların farklı kullanım durumları ve farklı yükleme halleri için TS EN 81-1-A3 standartlarına göre sayısal hesaplamaları yapılmıştır. Daha sonra laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneyler ile kılavuz ray, konsollar ve tırnakların üzerinde oluşan gerilmeler ve deformasyonlar incelenmiş ve sonuçlar yorumlanmıştır.
Bu çalışmada, ilk olarak, asansör tanımlamaları, çeşitleri ve asansör donanımları detaylı olarak anlatılmış, güvenlik mekanizmasının çalışması durumundaki kılavuz ray gerilme hesaplamalarına yer verilmiştir. Daha sonra ölçme ve kontrol için kullanılan sensör özellikleri ve temel prensipleri açıklanmıştır. Bağlantı elemanlarının teorik esasları ayrıntılı olarak verilmiş, ve sonlu elemanlar metodu konusuna kısaca değinilmiştir. Son olarak, kılavuz raylar ve komple bağlantı sistemi hakkında yapılan çalışmalar, analizler ve deneyler detaylı bir şekilde açıklanmıştır.
İTÜ Makine Fakültesi Asansör Teknolojileri Laboratuvarı'nda asansör kılavuz raylarının deneysel gerilme analizleri ve sonlu elemanlarla modelleme ve similasyon çalışmaları neticesinde elde edilen bilgi birikimi ve HILTI firmasından Dr. Michael Merz tarafından sunulan kapsamlı bildirilerde yer alan bir deney düzeneği, deneysel bir çalışma yapılarak statik ve dinamik yükler altında asansör konsolları ve bağlantılarının davranışlarının incelenmesi fikrini doğurmuştur.
Asansör sisteminin en temel elemanlarını oluşturan bu parçaların değişik yükleme durumlarındaki davranışlarının incelenmesi, gözlemlenmesi ve alınacak yeni konstrüktif tedbirlerin araştırılması maksadı ile bir deney düzeneği tasarlanmış ve kurulmuştur. Bu deney düzeneği ile yapılan deneyler ile asansör sisteminin temel elemanları hakkında elle tutulur somut verilerin elde edilmesi hedeflenmiştir.
Kılavuz ray konsolları ve bağlantıları ile ilgili deneysel çalışması için imkanlarımız dahilinde deney tesisatı tasarlanmış, sponsor firmaların destek ve katkıları ile kurulmuştur. Tasarlanan deney tesisatı, çeşitli kılavuz ray konsolları ve bağlantıları ile ilgili gelecekte daha kapsamlı araştırma ve inceleme yapılmasına ve uygunluk raporlarının verilmesine imkan sağlayacak niteliklere sahip olmasına çalışılmıştır.
Bu deney düzeneği, çalışmada kullanılacak deneysel elemanların bağlandığı taşıyıcı şase konstrüksiyon blok, uygulanacak değişken yükleri sağlayan bir hidrolik tahrik ünitesi, kontrol-kumanda ünitesi ve sensörler olmak üzere dört ana yapıdan oluşmaktadır.
Deneysel elemanların bağlandığı taşıyıcı şase konstrüksiyon blok, St37 malzemeden T90 kılavuz ray profillerin kaynaklı birleştirilmesi suretiyle oluşturulmuş bir yapıdır. Taşıyıcı şase konstrüksiyonun tasarım aşamasında sonlu elemanlar analizi yönteminden yararlanılmıştır.
Hidrolik tahrik ünitesi, asansör kabininin çalışması esnasında sisteme uyguladığı yüklerin simüle edilmesi için, yani sistemde oluşan çekme ve kesme yüklerini doğrudan kılavuz ray üzerine uygulanması için tasarlanmış bir güç ünitesidir.
Kontrol-kumanda ünitesi, deney esnasında sisteme uygulanması istenen gerekli yük kombinasyonları sağlamak için hidrolik donanım elemanlarını kontrol ederek kaynakları gerekli birimlere yönlendirme görevi görmektedir. Bunun için özel hazırlanmış Windows tabanlı PC uygulama programı kullanılmaktadır.
Deney düzeneğinde kullanılan sensörler, yük ölçüm sensörleri ve deplasman sensörleri olmak üzere iki çeşittir. Yük ölçüm sensörleri, çekme-basma yük hücresi ve kuvvet ölçüm bileziklerinden oluşmaktadır. Yük ölçüm sensörleri deney sırasında uygulanacak ve ortaya çıkacak yüklerin ayarlanması, ölçülmesi ve kayıt edilmesi için kullanılır. Konsol bağlantı sisteminin, uygulanan yükler sırasında yapacağı izafi hareketlerinin yani yer değişimlerinin ölçülmesi ve kaydedilmesi, üst konsol ve zemin arasına yerleştirilmiş DC/DC deplasman sensörü ile yapılmaktadır.
Sensörlerden alınan verilerin PC ortamına aktarılması için Model 9205 USB sensör arayüzü cihazı kullanılmaktadır. Bu sensör arayüz cihazı 16 bit'e kadar çözünürlük ve saniyede 2500 adet ölçüme imkan vermektedir. Sensörlerden gelen verilerin toplanması ve kayıt edilmesi için aynı anda 16 adet ölçme yapabilen DigiVision yazılımı kullanılmaktadır. 16 arayüz çıktı eğrileri aynı anda görüntülenebilmektedir. 
Ayrıca bu çalışmada, örnek bir asansör projesi referans alınarak kılavuz raylar ve ray konsolları incelenmiştir. Kılavuz rayların gerilme ve sehim hesaplamaları analitik yöntemle yapılırken, rayları asansör kuyu duvarına mesnetlemeye yarayan ray konsollarına gelen yükler deneysel olarak incelenmiştir.
Örnek asansör projesi referans alınarak yapılan analitik hesaplamalarda, incelenen T90/B kılavuz ray profilinin, güvenlik mekanizmasının devreye girmesi durumunda ve merkezden kaçık yükleme durumunda, asansör sistemindeki görevini izin verilen emniyet gerilme ve sehim değerlerinin altında güvenli bir şekilde yerine getirip getirmediği araştırılmıştır. Bununla birlikte kılavuz ray konsolları arasındaki mesafeler ve merkezden kaçık yükleme durumları değiştirilerek analitik hesaplar tekrarlanmış ve sonuçlar çizelge halinde verilmiştir.
Bu çalışmada ayrıca, komple kılavuz ray bağlantı sisteminin deneysel gerilme analizi için tasarlanan deney düzeneğinde kullanılan ölçme donanımı, İTÜ Asansör Teknolojileri Laboratuvarı'nda mevcut test kulesindeki T90/B kılavuz ray ve bağlantı elemanlarına uygulanarak deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bu testte mevcut sensörler ve veri toplama sistemi kılavuz ray bağlantı elemanlarına bağlanarak, asansör test kabininin değişik yükleme durumları incelenerek bağlantı elemanlarından gerçek veriler elde edilmiştir. Yapılan tez çalışması sonunda, Merz'in çıkarımları (sonuçları) deneysel olarak ispatlanmıştır.
Testler, mühendis ve teknisyenlerin eğitimlerinin yanısıra, asansör ekipmanlarının özellikle asansör kılavuz raylarının ve emniyet freni mekanizmalarının testlerinde kullanılan ve İTÜ Asansör Teknolojileri Labaoratuvarı'nda mevcut 7,3 m yüksekliğindeki test kulesinde gerçekleştirilmiştir. Testlerde amaç asansör kabininin farklı yükleme durumları altında kılavuz ray bağlantı elemanlarına ve mesnetlere gelen kuvvetlerin deneysel olarak incelenmesi ve sonuçların yorumlanmasıdır.
Yapılan testlerde 8 kişilik asansör kabininin boş ve yüklü (%100 dolu) durumları için araştırılmıştır. Boş ve yüklü asansör kabin durumlarını temin etmek için kabin sepetlerine çelik döküm ağırlıklar kullanılmıştır. Bu deneyde kullanılan kılavuz rayların test kulesine yapılan bağlantılarında St37 malzemeden imal edilmiş açılı konsol elemanlarından yararlanılmıştır. Testlerde sonuçlar kılavuz ray bağlantı elemanları (bağlantı tırnakları) üzerine yerleştirilen bilezik tipi (donut) yük hücreleri ile alınmıştır.
Ayrıca sismik bölgelerde kurulacak asansör sistemleri için kılavuz ray bağlantı sistemlerinde kullanılan konsol ve bağlantı elemanları ile ilgili olarak yapılan incelemeler doğrultusunda tavsiyelerde bulunulmuştur.
Malzemelerin ve yapısal sistemlerin yük altındaki davranışı mühendisliğin en önemli konularından biridir. Söz konusu malzemenin veya yapısal sistemin servis ömrü boyunca tahmin edilen yük altında arıza yapmayacak şekilde tasarlanması hayati önem taşımaktadır. Yapısal sistemlerin analizi karmaşıktır ancak modern yapısal sistemlerin optimizasyonu ve tasarımı için önemli bir basamaktır.
Bu asansör teknik sisteminin ve bunları oluşturan elemanların işe yaramama durumları rasyonel bir şekilde ele alınmış ve konstrüktif açıdan bir perspektif sağlamaya çalışılmıştır.
Literatürde bu konuda, özellikle komple ray bağlantı sistemi ile ilgili olarak, yeterli sayıda ve kapsamda deneysel çalışma mevcut değildir. Bu çalışmada, daha önce yapılan bazı çalışmalar temel alınarak var olan eksikliklerin kapatılması hedeflenmiştir.

Abstract:
With the increase of urbanization and high-rise buildings, the importance of elevators has increased in our daily lives and the elevators have become an essential transportation vehicle, which are used for vertical transportation.
Elevator systems are composed of many elements. Guide rails which are used in elevator systems in terms of providing safe and comfortable travel, rail brackets and steel clips which are used for fixing guide rails to shaft wall and provide the linearity of the guide rails, are the essential elements of the complete rail fastening system.
Guide rails are, for safety reasons, the most important element of elevator systems. The basic functions of the guide rails and rail fasteners in the elevator system are to guide the elevator car and counterweight in their vertical travel, to minimize the horizontal movement of the car as much as possible, to prevent tilting of the car due to eccentric load, and also to provide safe stance and to stop the car with parachute system which is activated in case of danger.
Forces occur during the elevator car travel and in the event of activation of parachute system on the guide rails and rail fasteners. When guide rails are not mounted properly, especially during the operation of the safety brake, guide rail brackets will be subjected to very high loads. These forces on the guide rails and rail fasteners lead to bending and buckling (or tensile) stresses.
Caused by environmental factors or in case of safety gear operation, the dynamic loads on the guide rails which come from guide shoes of elevator cabin, is to be absorbed by the system or with minimum projected damage is to overcome the extreme situation by the system, is aimed.
Review of literature about the topic shows that studies related with stress and deflection analysis of guide rails, brackets and steel clips generally remained limited to the computer environment. However, in this study, numerical calculations were made according to TS EN 81-1-A3 standards for different loading states and different use cases of the guide rails. Next, stresses and deformations occurring on the guide rails, brackets and steel clips, are examined by experiments carried out in the laboratory and the results are interpreted.
In this study, firstly, the elevator definitions, types, and elevator equipment are described in detail, and guide rail stress calculations are given in the case of operation of the security mechanism. Then the sensor is used to measure and control the features and the basic principles are described. The theoretical principles of fasteners are given in detail and the subject of the finite element method is briefly mentioned. Finally, studies, analyses and tests on guide rails and complete rail fastening system are described in detail.
Idea of examining the behavior of elevator brackets and its connections under static and dynamic loads with an experimental study emerged from knowledge that obtained as a result of experimental stress analysis of elevator guide rails and finite element modeling and simulation studies in the Elevator (Lift) Technologies Laboratory, ITU Faculty of Mechanical Engineering, and an experimental set that is submitted by Dr. Michael from HILTI firm in the comprehensive articles. Those parts that make up the basic elements of the elevator system, examination of the behavior of the different load cases, monitoring and new constructive measures to be taken to investigate an experimental set was designed and installed for the purpose. Experiments to be made by using this experimental set, with the basic elements of the elevator system is aimed to obtain tangible concrete data.
For an experimental study on the guide rail brackets and its connections, possibilities within the experimental set system was designed and established with the support and contributions of the sponsor companies. The experimental set, designed, which was tried to have the qualities that will allow for compliance reports and research and investigation to be made more comprehensive in the future on a variety of guide rail brackets and its connections.
This experimental set system consists of four main structures. These are carrier structural frame that is used to connect the elements to be tested in experimental studies, hydraulic power unit that provides variable loads to be applied, control-drive unit and sensors.
The carrier structural frame, is used to connect the experimental elements, which is made of St37 material, is a structure formed by the methot of welding using profiles from T90 guide rails. Finite element analysis method was used at the design stage of the carrier structural frame.
Hydraulic power unit designed to simulate elevator car loads applied during operation of an elevator system, namely designed for the application of tensile and shear loads of an elevator system directly on the guide rail unit.
Control-drive unit ensures that desirable the necessary load combinations to apply to the system during testing and resources are directed to the required units by checking the hydroulic hardware elements. It is used a specially crafted application program Windows based pc to do this.
There are two types of sensors used in the experimental set. These are load measurement sensors and displacement sensors. And load measurement sensors are divided into two categories, which these are tension and compression load cell and donut load cell. Load measurement sensors that will arise during the test loads to be applied and adjusted, is used to measure and record. Bracket connection system will make displacements or relative movements under the loads applied during tests. DC/DC displacement movement sensors, are used to measure and to record the relative movement, are placed between upper bracket and structural frame table.
Model 9205 USB sensor interface device is used to transfer data from sensors to the PC environment. Model 9205 USB sensor interface device has 16-bit resolution and allows up to 2500 measurements per second. DigiVision software, that capable of 16 measurements at the same time, is used to collect and to record data from sensors. This 16 interface output curves can be viewed simultaneously.
Also in this study, elevator guide rails and rail brackets examined with reference to an example project of an elevator. Stress and deflection calculations guide rails were performed by the analytical method. Loads on rail brackets and its connections, that for fixing guide rails to wall of the elevator shaft, studied experimentally.
In the analytical calculations with reference to the elevator project example, T90/B guide rail profile examined, was investigated under allowable stress and deflection values of safety at the task of elevator system in the event of activation of parachute system on the guide rails and in the case of eccentric loading. At the same time, analytical calculations were repeated by changing the distances between the guide rail brackets and by changing eccentric loading conditions. Thus the results are given in a table.
In this study experimental studies were also conducted using the measurement equipment, which is used in experimental set was designed for experimental stress analysis of complete guide rail fastening systems, was connected to the T90/B guide rails and its fasteners at the test tower in the Elevator (Lift) Technologies Laboratory, ITU Faculty of Mechanical Engineering. In this test, available sensors and data acquisition system connected to the guide rail fasteners, then from the connection elements the real data were obtained by examining different loading conditions of the elevator test cabin. At the end of the thesis study, Merz's inferences (results) has been proved experimentally.
Tests were carried out in the test tower, 7.3 m high, especially is used for testing elevator equipment, elevator guide rails and the safety brake mechanisms, as well as training of engineers and technicians available in the ITU Elevator Technologies Laboratory. The purpose of the tests is to investigate the forces from the guide rail fasteners and brackets under different loading conditions of elevator cabin and interpret the results as experimentally.
In the test, 8-person elevator cabin with empty and loaded (100% full) cases were investigated. Steel casting weights were used in the elevator cabin frame to ensure empty and full status. Angular brackets elements were used in the connections of the guide rails in this experiment. And angular brackets elements, made of St37 material, were utilized at the test tower. Test results were taken from the ring type (donut) load cells placed on guide rail fasteners (steel clips).
In addition to the guide rail connection system for elevator systems to be established in seismic regions and connection elements to be used in connection with brackets recommendations were made in accordance with the views.
One of the most important topics in engineering is materials and structural systems behavior under load. Throughout the service life of the structural system designed to not break down under estimated load is vital importance. Structural systems analysis is complex, but important step for optimization and design of modern structural systems.
Elevator technical system and its components? inefficiency situations are discussed in a rational way and a constructive point of view is attempted to provide.
In the literature on this issue, particularly with respect to the complete rail fastening system, experimental study is not available in sufficient number and scope. This study, based on some previous studies, aimed to close the existing gaps.