Praca
Największe zagrożenie sejsmiczne i najwyższe prawdopodobieństwo wystąpienia trzęsień ziemi występuje zwykle w rejonach położonych w pobliżu granic płyt tektonicznych. W Europie do państw najbardziej narażonych na zjawiska sejsmiczne należą Włochy, Grecja, Turcja, Cypr i Islandia. W poszczególnych krajach występują także regiony w różnym stopniu narażone na ryzyko wstrząsów. Zapobieganie skutkom trzęsień ziemi i przestrzeganie norm europejskich w zakresie projektowania i budowy systemów magazynowych mają fundamentalne znaczenie dla zapewnienia odporności regałów na wstrząsy.
W odróżnieniu od obiektów budowlanych regały magazynowe są projektowane ze szczególnym uwzględnieniem wytrzymałości na duże obciążenia. Stabilność składowanych ładunków gwarantują połączenia słupów i belek oraz ramy składające się ze słupów i stężeń.
Elementy konstrukcyjne regałów to bardzo wytrzymałe profile z blachy stalowej o grubości od 1,8 mm do 3,0 mm. Podlegają one zjawisku wyboczenia, czyli utraty stateczności ogólnej i miejscowej, oraz, zwłaszcza w przypadku słupów, zwichrzenia. Przewidzenie zachowania się konstrukcji regału jest zadaniem bardzo skomplikowanym. Jego zaprojektowanie wymaga badań i testów umożliwiających poznanie własności mechanicznych elementów regału i ich połączeń.
Projektowanie regałów odpornych na wstrząsy sejsmiczne
Zaprojektowanie regałów przeznaczonych do magazynów zlokalizowanych w rejonach o wysokim zagrożeniu sejsmicznym jest trudniejsze niż w przypadku regałów, które nie wymagają uwzględnienia tego czynnika. Muszą one wytrzymać działanie poziomych i pionowych sił dynamicznych oraz mechanizmów powodujących ich całkowite lub częściowe zawalenie się. Regały muszą także uniemożliwiać upadek palet, gdy dojdzie do trzęsienia ziemi. 
Upadek palety z wysokości może mieć poważne konsekwencje dla życia i zdrowia znajdujących się w pobliżu ludzi oraz spowodować uszkodzenie składowanych towarów i samej konstrukcji regału, nie wspominając o skutkach finansowych przewyższających koszt samych regałów i ich zabezpieczenia przed wstrząsami sejsmicznymi.
W Europie jeszcze kilka lat temu nie istniały normy dotyczące projektowania regałów odpornych na wstrząsy sejsmiczne, dlatego projektanci korzystali z wytycznych Rack Manufacturers Institute (RMI).
Jest to północnoamerykańskie stowarzyszenie producentów regałów magazynowych, którego celem jest propagowanie dobrych praktyk w tej branży, w tym informacji dotyczących obliczeń sejsmicznych.
Poza tymi wytycznymi projektanci regałów magazynowych opierali się także na normie Eurokod 8 Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN, Comité européen de normalisation), dotyczącej projektowania konstrukcji poddanych oddziaływaniom sejsmicznym, zwłaszcza budynków.
Zachowanie się konstrukcji regałów stalowych różni się jednak od konstrukcji budynków. Dlatego wiele układów konstrukcyjnych stosowanych w przypadku regałów nie znajdowało pełnego omówienia w tych normach.
Aby rozwiązać ten problem, Europejskie Stowarzyszenie Producentów Regałów (ERF, European Racking Federation), którego członkami są najwięksi producenci systemów magazynowych w Europie, w tym między innymi Mecalux, opracowało zalecenia dotyczące projektowania regałów odpornych na wstrząsy sejsmiczne. Zalecenia te stały się podstawą normy PN-EN 16681 przyjętej przez Komisję Europejską w 2016 roku.
Ta obowiązująca w Unii Europejskiej norma projektowa pozwala ujednolicić kryteria, jakie powinni spełniać europejscy producenci przy projektowaniu konstrukcji regałowych, co przekłada się na dużo większe bezpieczeństwo regałów. Normy tej muszą przestrzegać oczywiście także producenci amerykańscy i azjatyccy, którzy chcą swoje regały wprowadzać do obrotu w Europie.
Programy badawcze
Prace badawcze nad zachowaniem się regałów metalowych pod wpływem ruchów sejsmicznych są prowadzone dopiero od niedawna. Pierwsze badania przeprowadzono bowiem w Stanach Zjednoczonych po trzęsieniu ziemi, które miało miejsce o świcie 17 stycznia 1994 roku w Northridge, dzielnicy Los Angeles.
Po ostatnich trzęsieniach ziemi na naszym kontynencie – jak to, które w 1999 roku poczyniło ogromne spustoszenia w Turcji – aby usunąć braki w zakresie badań dotyczących zachowania dynamicznego regałów metalowych podczas ruchów sejsmicznych, Komisja Europejska wspierała trzy programy badawcze:
- Program Free Access to Large Scale Testing Facilities, prowadzony w 2002 roku w ramach współpracy Unii Europejskiej i włoskiego ministerstwa edukacji.
- Program Storage Racks in Seismic Areas (SEISRACKS), prowadzony za pośrednictwem Funduszu Badawczego Węgla i Stali od grudnia 2004 roku do czerwca 2007 roku. Podstawowymi celami tego programu było poznanie zachowania się regałów i opracowanie norm sejsmicznych.
W obu programach badano zachowanie się łączników wykorzystywanych w regałach i przeprowadzono testy na dużą skalę (z zastosowaniem parcia poziomego lub stołów wibracyjnych), które miały na celu poznanie między innymi interakcji zachodzących między paletami i regałami.
Stół wibracyjny, symulując ruchy podłoża wywoływane trzęsieniem ziemi, wprowadza w drgania elementy poddawane testom, aby zbadać odporność sejsmiczną konstrukcji.
Rezultatem wiedzy zdobytej dzięki tym testom i badaniom było opracowanie w 2008 roku normy FEM 10.2.08.
- Program Seismic Behaviour of Steel Storage Pallet Racking Systems (SEISRACKS 2), prowadzony w 2011 roku. Jego celem było zbadanie zachowania pozapłaszczyznowego belek nośnych, połączeń belek ze słupami oraz całej konstrukcji.
Obliczenia 2D obejmowały obciążenia ruchowe podłużne (równolegle do korytarzy) i obciążenia ruchowe poprzeczne (prostopadle do korytarzy). Belki były zatem poddawane jedynie obciążeniom podłużnym.
Dzięki temu programowi dostrzeżono konieczność zbadania ruchu poziomego w przypadku belek, kiedy jednostka ładunkowa przemieszcza się w trakcie wstrząsu do przodu i do tyłu.
Norma europejska
W 2016 roku została przyjęta norma PN-EN 16681 (Stalowe statyczne systemy składowania – Regały paletowe o zmiennej konfiguracji – Zasady projektowania dla obszarów zagrożonych sejsmicznie), której ostateczny kształt oparty jest na normie FEM 10.2.08, na uwagach otrzymywanych w trakcie jej stosowania oraz na wynikach programów badawczych.
Zgodnie z normą PN-EN 16681 regały stosowane na obszarach zagrożonych sejsmicznie powinny być projektowane i konstruowane w taki sposób, aby spełniały w odpowiednim stopniu następujące wymogi:
1. Brak ryzyka zawalenia.
- Regał magazynowy powinien być zaprojektowany i skonstruowany tak, aby wskutek wstrząsu sejsmicznego nie doszło do jego częściowego lub całkowitego zawalenia się, naruszenia konstrukcji ani ograniczenia nośności resztkowej.
- Należy zatem sprawdzić, czy konstrukcja odznacza się odpowiednią wytrzymałością i ciągliwością.
2. Minimalizacja szkód.
- Należy dokonać oceny stopnia uszkodzenia elementów konstrukcyjnych przed ponownym wprowadzeniem regału do użytku po trzęsieniu ziemi.
3. Ruch ładunków.
Przyspieszenia sejsmiczne mogą powodować ślizganie się palet po belkach, gdy dojdzie do przekroczenia współczynnika tarcia statycznego między paletą a belką. Skutki tych zjawisk są następujące:
- Ograniczenie oddziaływania sejsmicznego na regał wskutek rozpraszania energii i zmniejszenia oddziaływania poziomego, które może być przenoszone z palety na regał;
- Spadanie jednostek ładunkowych mogące spowodować obrażenia osób i uszkodzenia sprzętu, a także częściowe bądź całkowite zawalenie się regałów.
Zgodnie z normą PN-EN 16681 do obliczeń stosuje się analizę modalno-spektralną (MRSA, Modal Response Spectrum Analysis).
Projektowanie konstrukcji odpornych na wstrząsy wymaga przede wszystkim wiedzy na temat ruchu zachodzącego w podłożu podczas trzęsienia ziemi. Jest to ruch postępowy w różnych kierunkach połączony z ruchem obrotowym wokół różnych osi.
Obciążenia sejsmiczne określa się zwykle na podstawie akcelerogramów. Akcelerogram to graficzny zapis składowych poziomych i pionowych przyspieszeń drgań gruntu w funkcji czasu na skutek trzęsienia ziemi w danym miejscu.
Analiza modalno-spektralna
Jest to metoda mająca na celu określenie zbioru oddziaływań poziomych na regały absorbowanych między innymi przez słupy, belki, stężenia lub łączniki. Metoda ta polega na oszacowaniu odpowiedzi konstrukcji w funkcji częstotliwości zamiast w funkcji czasu. W tym celu istotna jest przede wszystkim znajomość z jednej strony sztywności i naturalnego zachowania konstrukcji, a z drugiej – spektrum odpowiedzi każdego miejsca.
Spektrum odpowiedzi odzwierciedla przyspieszenie drgań gruntu (akcelerogram) w dziedzinie częstotliwości. Parametry będą się różnić w zależności od rodzaju wstrząsu, od dokładnego położenia obiektu względem epicentrum i od składu gruntu.
Spektrum przedstawia reakcję wzorcowego układu na przyspieszenie w dziedzinie częstotliwości. Dlatego pozwala poznać odpowiedź konstrukcji na częstotliwość wzbudzenia. Na przykład jeśli częstotliwość własna regału wynosi T1, na podstawie spektrum można uzyskać siły dla tej częstotliwości.
Przy ocenie zachowania regału konieczne jest uprzednie przeprowadzenie obliczenia modalnego (aby uzyskać drgania swobodne i ich częstotliwości), które obejmuje:
- zachowanie się łączników (sztywność),
- masę regału wraz ze składowanymi na nim ładunkami,
- współczynnik wykorzystania regału (sposób rozmieszczenia palet, ewentualne puste poziomy, umiejscowienie najcięższych palet itp.),
- zmniejszenie sztywności układu w zależności od obciążenia.
Za pomocą wszystkich tych danych norma określa, jaki wpływ na regały ma większość najbardziej znaczących parametrów (rodzaj obciążenia, stopień wykorzystania regału, rodzaj ładunku itp.). W przypadku regału należy uwzględnić także inne parametry mogące mieć wpływ na spektrum odpowiedzi. Są to:
- siła wstrząsu,
- liczba poziomów ładunkowych,
- masa całkowita,
- elastyczność konstrukcji,
- maksymalna siła pozioma, jaka może być przenoszona między ładunkiem i regałem,
- zmniejszenie oddziaływania sejsmicznego na podstawie testów ze stołami wibracyjnymi.
Obliczenie modalne pozwala poznać oddziaływania sejsmiczne dla każdego kierunku. Następnie wyniki dla obu kierunków łączy się ze sobą, aby uzyskać wartości odpowiedzi dla oddziaływań sejsmicznych.
Po uzyskaniu wartości odpowiedzi dla oddziaływań sejsmicznych łączy się według określonych zasad wartości dla drgań poziomych i pionowych oraz wartości wagi regału i jednostek ładunkowych.
Na tej podstawie wiadomo, jakie siły muszą wytrzymać elementy regału, i sprawdza się, czy w istocie są one na działanie tych sił odporne. Następnie sprawdza się, czy jednostki ładunkowe się nie przewracają i nie ześlizgują.
Metoda modalno-spektralna jest zalecana w obliczeniach oddziaływań sejsmicznych, ponieważ spektrum sejsmiczne łatwo uogólnić i znormalizować. Spektra odzwierciedlają drgania sejsmiczne występujące w określonym miejscu bez konieczności przeprowadzania licznych kombinacji na podstawie obliczeń różnych akcelerogramów, co pozwala skrócić czas wykonywania obliczeń i uzyskać miarodajne wyniki. Dla wstrząsów o mniejszej sile można posłużyć się metodą siły bocznej (LFMA, Lateral Force Method of Analysis), która polega na symulowaniu wstrząsu poprzez zastosowanie zastępczych sił poziomych.
Mecalux i wstrząsy sejsmiczne
Mecalux posiada fachową wiedzę i bogate doświadczenie w projektowaniu regałów przeznaczonych do magazynów zlokalizowanych na obszarach zagrożonych sejsmicznie. Firma zbudowała tego typu obiekty w Turcji, we Włoszech i w Chile. Ten ostatni to jeden z najbardziej narażonych na trzęsienia ziemi krajów naszej planety z uwagi na jego położenie w okołopacyficznym pasie sejsmicznym. Powoduje to, że jest swoistym naturalnym laboratorium do prowadzenia badań nad aktywnością sejsmiczną Ziemi.
Dział inżynieryjny firmy Mecalux skupia zespół specjalizujący się w projektowaniu regałów odpornych na oddziaływania sejsmiczne. W takich projektach stosuje się materiały najlepszej jakości, najnowocześniejsze technologie produkcji i programy symulacyjne do obliczania konstrukcji regałów.
Metoda stosowana przez Mecalux polega na generowaniu trójwymiarowego modelu konstrukcji z użyciem oprogramowania wykorzystującego analizę elementów skończonych. Do modelu tego wprowadza się zbiór danych, takich jak rodzaj materiałów, wymiary profili, spektrum odpowiedzi, cechy ładunków itp.
Symulacja konstrukcji ma zasadnicze znaczenie dla sprawdzenia wytrzymałości regałów na wstrząsy sejsmiczne.
Mecalux to wiodący na arenie międzynarodowej producent systemów magazynowych wyróżniających się wysoką jakością i bezpieczeństwem. Firma ma świadomość, że właściwy projekt regałów odpornych na wstrząsy sejsmiczne zapewnia bezpieczeństwo konstrukcji, składowanych na nich towarów, a przede wszystkim obsługujących je ludzi.