Краткое содержание
Землетрясения прежде приводили к значительному повреждению лифтов, причем в большинстве сообщений об этих катаклизмах содержалась информация о застрявших в лифте пассажирах. Соответственно, приняты защитные меры, чтобы улучшить работу лифта при землетрясениях и других стихийных бедствиях. Однако, даже после внедрения ряда усовершенствований в конструкцию и систему управления новых и уже действующих систем, лифты все еще получают повреждения при землетрясениях.
В данной статье, проводя сравнение лифтов с точки зрения их прочности и безопасности в случае повышенной сейсмической активности, авторы дают описание ручной системы самоспасения, которой в аварийных ситуациях могут воспользоваться застрявшие в лифте пассажиры.
Обсуждается использование лифта в качестве убежища в случае опасности землетрясения.
—
1. Введение
Землетрясение — одно из самых разрушительных стихийных бедствий. Хотя момент начала землетрясения обычно непредсказуем, сейсмически опасные районы и возможная сила толчков известны очень хорошо. Например, согласно опубликованным в мае 2000 года данным, вероятность сильного землетрясения в Стамбуле в течение ближайших 30 лет составляет 62+15%, а в течение ближайших 10 лет[1] — 32+12%. В настоящее время вероятность землетрясения в столице Турции еще выше. Планировщики и инженеры используют такую информацию, чтобы принять меры для предотвращения крупной катастрофы.
Здания в сейсмических районах должны проектироваться так, чтобы они могли выдержать ожидаемые землетрясения. Опыт прошлых катаклизмов показывает, что при разной силе землетрясения повреждаются даже соседние здания. Это происходит из-за разной высоты зданий, различий в конструкции, качестве постройки и динамических свойствах. Общим правилом является строительство малоэтажных зданий в сейсмических районах.
Инженеры-строители не ждут, что здание останется в идеальном состоянии после крупного землетрясения. Задача в том, чтобы они оставались стоять, чтобы жители могли безопасно покинуть их и чтобы строительство таких зданий не было слишком дорогостоящим.
Философия строительства зданий, выдерживающих землетрясения без повреждений, традиционно относится лишь к стратегическим конструкциям типа атомных электростанций. Основная идея при строительстве большинства зданий — это возможность вернуться и отремонтировать их после серьезного землетрясения. Однако после землетрясений определенной, заранее заданной силы, здания должны оставаться целыми, а электрические системы, газопровод, водоснабжение, лифты, эскалаторы и другое оборудование — оставаться в рабочем состоянии.
Следовательно, принимая предупредительные и защитные меры против сейсмических явлений, мы должны помнить, что выбор технологии и оборудования, используемого в зданиях, имеет первостепенное значение[2].
Лифты в зданиях — это один из наиболее дорогостоящих видов оборудования, выполняющий очень важную функцию. Они имеют механические и электрические компоненты, которые, как известно, подвержены повреждениям при землетрясениях. Помимо необходимости избежать дорогостоящего ремонта и экономических последствий, особый интерес представляет возможность сохранить функциональность лифтов на таких важных объектах, как, например, больницы, во время и, особенно, после сильного землетрясения.
На карте районов сейсмической опасности в США и во всем мире, показано не только то, что Земной шар подвержен серьезной опасности землетрясений, но и то, что районы потенциального риска густо заселены. Иными словами, большинство лифтов на Земле должно быть устойчиво к землетрясениям. В частности, на карте США ясно видно, что специальные лифты, устойчивые к движению земной поверхности, требуются на более 50% территории этой страны.
—
2. Лифт, устойчивый к землетрясениям
В целом, от лифта, называемого «лифтом, устойчивым к землетрясениям» для сейсмических районов, требуется наличие двух дополнительных функций.
2.1. Высокая прочность. Предполагается, что лифты, устойчивые к землетрясениям, должны выдерживать воздействие сейсмических сил заданной величины и оставаться в рабочем состоянии до тех пор, пока не будут завершены спасательные работы по освобождению пассажиров, которые могли застрять в лифтах.
В результате ряда исследований после землетрясения на Аляске в 1964 году стандарты проектирования лифтов претерпели существенные изменения. Хотя конструкция систем управления новых и уже действующих установок была усовершенствована и улучшена, лифты все еще получали слишком серьезные повреждения даже при землетрясениях умеренной силы (от 6 до 7,1 баллов по шкале Рихтера)[3]. Сильнейшие землетрясения могут иметь силу, превышающую 8,0 баллов, и можно предположить, что во время грядущих землетрясений будут получены еще более значительные повреждения, чем ожидалось ранее. Ниже описано большинство наблюдаемых повреждений при землетрясении:
Противовес сходит с направляющих. Противовес — самый тяжелый компонент лифта. Из-за большой массы он создает большую силу инерции, действующую на направляющие, что приводит к повреждениям или схождению противовеса с направляющих. Следовательно, конструкция направляющих должна быть усилена так, чтобы выдерживать дополнительную горизонтальную ударную нагрузку.
Раскачивающийся противовес сталкивается с кабиной. Сошедший с направляющих и раскачивающийся в шахте противовес может столкнуться с кабиной и представляет собой одну из самых распространенных опасностей. Чтобы предотвратить отрыв противовеса от направляющих, можно использовать коробчатые кронштейны, которые ограничивают амплитуду раскачивания противовеса. Другой защитной мерой служит установка электрического детектора, чтобы остановить лифт, если противовес сойдет с направляющих.
Поломка или повреждение кронштейнов направляющих. Кронштейны направляющих, их крепления и опоры, например, балки и стены здания, должны быть способны выдерживать воздействие горизонтальных сил. Использование промежуточных связующих кронштейнов для соединения между собой двух направляющих, предотвращает возможность схождения роликовых направляющих и повышает жесткость системы. В районах повышенной опасности землетрясений, в связи с большим смещением, изолирующие кронштейны, допускающие смещение в пределах самого кронштейна, могут обеспечить лучшую защиту системы. Также на кронштейнах можно установить электрический детектор для обнаружения неправильного положения кронштейнов.
Смещение механизмов и повреждения в машинном помещении. Обнаружено, что противовес часто сходит с направляющих, когда он стоит высоко в шахте, даже если кабина не движется во время землетрясения. Это происходит из-за того, что верхние этажи раскачиваются с большей амплитудой, чем первый этаж. В связи с этим, установка привода и его оборудования наверху здания делает систему более уязвимой. В таких системах нужно уделять дополнительное внимание креплению привода и его компонентов, чтобы гарантировать достаточную прочность, способную выдержать большие инерциальные силы.
Роликовые направляющие ломаются или ослабевают. Во избежание сильной деформации роликовых направляющих и для предотвращения схождения роликовых направляющих или башмаков с направляющих под роликовыми направляющими необходимо установить ограничительные пластины.
Анкерные болты вырываются из стен шахты лифта. Анкерные крепления в поперечных балках и опорах должны выдерживать силу в 1 g, действующую горизонтально. Крепление механизма на направляющих или в шахте лифта потребует дополнительных усилий для достижения необходимого уровня безопасности.
Исследование наиболее распространенных поломок и повреждений позволяет прийти к выводу, что большинство проблем проистекает от наличия противовеса. Следовательно, в лифтах без противовеса нет большинства проблем изменения конструкции, следовательно, они представляют собой экономичное и безопасное решение для лифта, устойчивого к землетрясениям. Чтобы улучшить сейсмические характеристики системы с противовесом, движущимся по направляющим, исследователи изучали несколько защитных схем. Одним из простейших подходов является повышенная амортизация системы за счет установки дополнительных дискретных фрикционных демпферов. Использование данного подхода ограничено, поскольку не хватает места для установки этих устройств. Другой метод заключается в том, чтобы превратить верхнюю часть грузов в настраиваемый амортизирующий груз, поглощающий вибрации. Эффективность пассивного настраиваемого амортизирующего груза можно дополнительно увеличить за счет использования его в активном режиме путем установки исполнительного механизма между амортизирующим грузом и рамой противовеса.
Перечисленные защитные методы можно использовать, чтобы не допустить схождения противовеса с направляющих. Однако эти методы требуют больших расходов, не гарантируют отсутствия опасности, связанной с противовесом, и не могут конкурировать с системами, не имеющими противовеса. В отчете по землетрясению в Сычуане, которое произошло в мае 2008 года, сказано, что 23,2% повреждений лифтов относилось к системам с противовесом. В этот процент не входят повреждения, нанесенные противовесом, который сошел с направляющих.
В общем случае, в гидравлическом лифте нет противовеса, и доказано, что он является более безопасной конструкцией, особенно для районов с высокой опасностью землетрясений. Кроме того, гидравлический лифт, поскольку у него нет противовеса, дешевле построить, установить и обслуживать. Во время землетрясения в Сиэтле в феврале 2001 года в разной степени пострадало 11% лифтов с канатоведущим шкивом и лишь 1% гидравлических лифтов. Этот факт должен заставить нас задуматься еще раз о риске установки лифтов с канатоведущим шкивом в районах, подверженных стихийным бедствиям.
Лифты без машинного помещения, которые представлены как энергосберегающий вариант для рынка малоэтажных зданий, меньше всего подходят для сейсмических регионов. Это объясняется не только тем, что лифты без машинного помещения имеют противовес, но и тем, что привод ненадежно закреплен в шахте, обычно в пространстве наверху шахты.
Более высокие инерциальные силы и большее смещение верха здания повышают стоимость мер, необходимых для улучшения характеристик систем без машинного помещения. Такие уязвимые системы не могут гарантировать высокой надежности и безопасности в сейсмических районах.
2.2. Легкий и безопасный способ спасения. Предлагается сейсмический выключатель, обнаруживающий первоначальные колебания землетрясения (Р колебания), что позволяет подвести лифт к ближайшему этажу в направлении удаления от противовеса и отключить его, если придут более разрушительные ударные колебания — колебания). Время между двумя видами колебаний составляет от 7 до 30 секунд. Однако, если эпицентр землетрясения находится очень близко к зданию, то контролируемое отключение может остаться незавершенным или из-за сбоя в системе пассажиры могут застрять в лифте.
Если пассажиры застряли в лифте, устойчивом к землетрясению, должна быть предусмотрена легкая и безопасная процедура их освобождения во время и после землетрясения. После землетрясения состояние застрявших в кабине пассажиров может потребовать неотложной спасательной операции. Кроме того, землетрясение может повредить электрическую систему, газопровод и водопровод здания — возникнет опасность взрыва, пожара и наводнения. Все это может еще больше повысить смертность. Таким образом, застрявших пассажиров необходимо освободить немедленно, поскольку после основного землетрясения остается вероятность последующих толчков, в шахту может проникнуть дым от пожара, могут возникнуть другие опасные ситуации. В этих условиях нереально дожидаться, пока пожарные освободят пассажиров, или надеяться, что обслуживающий лифты персонал ответит на все вызовы с просьбой о спасении. В связи с этим, усовершенствование устойчивых к землетрясениям лифтов должно предусматривать простой метод освобождения пассажиров, застрявших в кабине.
В моделях без машинного помещения добраться до механизма лифта сложно и небезопасно. В основном, они полагаются на спасательные системы, работающие от батареи, поскольку ручными спасательными системами пользоваться трудно. Кроме того, для каждого типа лифта без машинного помещения требуется своя экспертиза, чтобы помочь выбраться застрявшим людям. Если кабина застряла так, что ее невозможно сдвинуть с места, могут потребоваться небезопасные методы освобождения людей. При этом существует вероятность серьезных несчастных случаев во время спасательной операции. К тому же, нелогично и небезопасно рассчитывать на то, что в непростых условиях пережившие бедствие люди, путаясь в мыслях, будут выполнять сложные операции, спасая других.
Гидравлические лифты, напротив, представляют собой безотказные системы, которые уже более 50 лет доказывают свои достоинства в малоэтажных зданиях. Это объясняется самим принципом их конструкции и непосредственной опорой на фундамент здания. Помимо работающей от батареи спасательной системы, в них предусмотрена простая ручная система, позволяющая опустить кабину на этаж, нажав кнопку ручного спуска кабины в машинном помещении. Если предусмотреть небольшой дополнительный ручной насос, при необходимости кабину можно поднять и на следующий этаж.
—
3. Ручная система самоспасения
Когда речь идет о землетрясении, важно правильно оценить физиологию людей во время и после толчков. Доминирующим чувством становится страх, люди не хотят входить в здания. Когда во время бедствия нужна срочная эвакуация, застрявшим в лифте пассажирам иногда приходится надеяться только на себя. А значит, следующим шагом в усовершенствовании лифтов должны стать средства, позволяющие застрявшим пассажирам самим осуществить спасательную операцию в опасных ситуациях. Такая система должна:
♦ быть безопасной;
♦ быть очень простой при использовании;
♦ работать в обоих направлениях (вверх и вниз);
♦ быть механической на случай отсутствия питания.
Исходя из указанных выше целей, для гидравлических лифтов предлагается ручная система самоспасения. Ее можно использовать для систем как прямого, так и косвенного действия. Однако при использовании ее для гидравлической системы прямого действия убираются шкив, канаты и парашютная система, что уменьшает сложность и делает систему еще более надежной.
Использование для гидравлической системы прямого действия
Система самоспасения состоит из ручного опускающего клапана и ручного насоса, которые установлены в стенке кабины. В предлагаемой системе плунжер гидроцилиндра не сплошной, и можно с помощью труб соединить ручной опускающий клапан с верхом плунжера, чтобы получить доступ к гидравлической линии. В случае разрыва трубы клапан прерывания, отрегулированный на закрытие со скоростью 0,15 м/с, также крепится на плунжере гидроцилиндра. В аварийной ситуации застрявшие пассажиры могут разбить стекло в раме системы самоспасения в кабине лифта и открыть самозакрывающуюся ручку ручного спуска кабины, чтобы опустить ее с фиксированной скоростью 5-7 см/с (см. рис. 6). Таким образом, масло из цилиндра будет сливаться в небольшой резервуар под кабиной.
Если же, наоборот, лифт нужно поднять на следующий этаж, молоток можно использовать в качестве рычага насоса, чтобы поднять лифт. Для давления в цилиндре в 40 бар требуется примерно 18 килограмм-силы, приложенных к насосу. Масло в сливном резервуаре поддерживается на достаточном уровне для того, чтобы кабину можно было поднять минимум на один этаж. Когда лифт ставится на парковку на нижнем этаже, ненужное масло из этого резервуара автоматически сливается в поддон, соединенный с главным гидравлическим силовым устройством. Это происходит с помощью сопла, открывающегося при касании. Непредусмотренное использование опускающей ручки во время движения несколько понижает или повышает скорость лифта при, соответственно, подъеме или спуске, в зависимости от регулировки скорости позиционирования, которая обычно составляет порядка 0,05 м/с.
Использование для гидравлической системы косвенного действия
В системе косвенного действия концептуальная основа конструкции остается той же, за исключением соединения между цилиндром и ручным опускающим клапаном. Здесь соединение осуществляется между прерывающим клапаном цилиндра и ручным опускающим клапаном с помощью шланга диаметром 1/8 дюйма, длина которого достаточна для подъема кабины лифта на верхний этаж. Рядом с основным прерывающим клапаном цилиндра устанавливается небольшой прерывающий клапан, который закрывается со скоростью 0,15 м/с. Длинный шланг направляется так, чтобы лечь вокруг конуса в приямке. Когда лифт идет вверх, шланг тянется за кабиной, а когда он идет вниз, шланг ложится кольцами вокруг конуса. Соединение колец шланга эластичными резиновыми лентами также может уложить его кольцами при спуске кабины.
—
4. Использование лифта в качестве убежища
Непрочное здание, которое, вероятнее всего, разрушится при землетрясении, не представляет практического интереса при исследовании сейсмической реакции лифта. Однако его нельзя и игнорировать полностью.
Если планируется использовать лифты для эвакуации людей из высотных зданий при пожарах, то их можно использовать для этой цели и при землетрясениях. Безопасный при землетрясении лифт должен быть спроектирован так, чтобы он был достаточно прочен для использования в качестве убежища. Это осуществимо с помощью предложенной в предыдущих работах несущей конструкции для лифта, устойчивого к землетрясениям[1]. В такой системе направляющие лифта и двери шахты, включая сейсмические изоляторы, поддерживает несущая конструкция. Крепление такой конструкции между верхним и нижним этажами шахты лифта позволит лифту подниматься и спускаться внутри несущей конструкции, когда она искривляется из-за горизонтального смещения во время землетрясения[1]. Строительство несущей конструкции не только обеспечит более безопасное движение лифта во время землетрясений, но и укрепит непрочные и старые здания от разрушения. Кроме того, необходимо защитить кабину лифта от падающих предметов.
Поскольку сейсмоопасные районы, в основном, застраиваются малоэтажными зданиями, гидравлические лифты были бы наиболее подходящим типом системы для использования в качестве убежища, так как в них нет противовеса и они обеспечивают более высокую безопасность.
—
5. Выводы
Большинство повреждений вызывает противовес, ходящий по направляющим. Для улучшения сейсмических характеристик систем с противовесом, движущимся по направляющим, необходимо выполнить дополнительные проектные требования и принять защитные меры. Конечная конструкция, в которую войдет большее количество компонентов, усложнится и станет более дорогой, но, тем не менее, останется менее безопасной для сейсмических районов, чем системы без противовеса.
В общем случае, для гидравлических лифтов не требуется противовес, они опираются на фундамент здания и, соответственно, менее восприимчивы к сейсмическим колебаниям. Это более экономичный и наиболее безопасный вариант для сейсмических районов. Спасательные операции для них выполняются проще и не требуют экспертизы.
Ручная система самоспасения предназначена для использования пассажирами, когда необходимо немедленное освобождение или когда надежда на помощь извне очень мала. Такая система еще больше увеличивает безопасность гидравлического лифта.
Лифты без машинного помещения кажутся приемлемыми для идеальных условий работы без каких-либо аномалий. Установка таких систем в сейсмических районах явно рискованна. При стихийных бедствиях лифты без машинного помещения приводят не только к гибели большего числа людей, но и к большим повреждениям и расходам на восстановление из-за подвесного двигателя в сборе и наличия противовеса в шахте.
Кроме того, возможно использование лифта в качестве убежища, о чем следует дополнительно подумать в будущем.
Библиография
1. Озкирим М, Имрак Е. Предохранительные меры для лифтов в сейсмически опасной зоне Стамбула // Материалы конгресса Elevcon 2004. — С. 183.
2. Селик Ф. Безопасность лифтов в сейсмических районах //AsansorDunyasi. — 2005. — Март-апрель.
3. Датч Гален. Землетрясения и лифты // Elevator World. — 2004. — Май. — С. 85.
4. Асвестипулос Л, Баликцис Л. Лифт, устойчивый к землетрясениям // Материалы конгресса Elevcon 2006. — С. 10.
5. Ду Пингу. Статистические данные и анализ повреждений лифтов в Сиане // Elevator World India. — 2008. — 4-й квартал. — С. 72.