Seismische Berechnungen für Regalanlagen in Europa

04/09/2017

Die höchsten Werte für das Erdbebenrisiko und die Wahrscheinlichkeit von Erdbeben gibt es normalerweise in Regionen, die an den Rändern der Kontinentalplatten der Erde liegen. Die Länder mit dem größten Erdbebenrisiko in Europa sind Italien, Griechenland, die Türkei, Zypern und Island. Innerhalb jedes Landes gibt es wiederum Gebiete, in denen ein höheres Risiko besteht als in anderen. Die Prävention und die Einhaltung der europäischen Normen für die Bemessung und den Bau von Lagersystemen sind die Voraussetzung für die Erdbebensicherheit von Regalanlagen.

Im Unterschied zu üblichen Baustrukturen sind Regalanlagen speziell dafür ausgelegt, große Lasten zu tragen. Die Stabilität der gelagerten Ware wird durch Verbindungen zwischen den Rahmenständern und den Längsträgern sowie durch die Gitterstruktur, die als Rahmen bezeichnet wird, gewährleistet.

Die Bestandteile der Regalanlagen bestehen aus Stahlprofilen mit hoher Festigkeit mit einer Dicke zwischen 1,8 und 3,0 mm. Bei ihnen besteht das Risiko eines vollständigen oder teilweisen Einknickens und, vor allem bei den Rahmenständern, einer Stauchung. Die Vorhersage des strukturellen Verhaltens der Regalanlagen ist äußerst kompliziert und aus diesem Grund sind bei der Bemessung Untersuchungen notwendig, um die mechanischen Eigenschaften der Bestandteile und Verbindungen kennenzulernen.

 

Erdbebensichere Bemessung von Regalanlagen

Die Bemessung von Regalanlagen, die für Gebiete mit einem erhöhten Erdbebenrisiko bestimmt sind, gestaltet sich erheblich schwieriger als bei Regalanlagen für andere Gebiete. Der Grund dafür besteht darin, dass sie nicht nur dynamische Kräfte (sowohl horizontale als auch vertikale) aushalten und vollständigem und teilweisen Einsturz widerstehen müssen, sondern außerdem auch verhindern müssen, dass bei einem Erdbeben Paletten herunterfallen.

Das Herunterfallen von Paletten kann zu ernsthaften Sach- und Personenschäden führen und zudem das Tragwerk der Regale selbst beschädigen, ganz zu schweigen von den wirtschaftlichen Verlusten für den Eigentümer des Lagers, die höher sind als die Kosten der Regalanlage und der Verstärkung für die Erdbebensicherheit.

In Europa gab es bis vor einigen Jahren keine offizielle Dokumentation über die Bemessung von erdbebensicheren Regalanlagen und die Bemessungstechniker bezogen sich auf die Anweisungen des Rack Manufacturers Institute (RMI). Dies ist ein nordamerikanischer Handelsverband, in dem Unternehmen zusammengeschlossen sind, die sich mit der Materialhandhabung befassen, und zu den Zielen der bewährten Verfahren des Sektors gehören Informationen darüber, wie die Erdbebenbelastung erfasst wird. Neben diesen Anweisungen bezogen sich die Bemessungstechniker ebenfalls auf den Eurocode 8 des CEN (Europäisches Komitee für Normung), der die Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben (insbesondere für Gebäude) behandelt.

Regalanlagen sind jedoch besondere Metallstrukturen, deren Verhalten sich vom Verhalten von Bauwerken unterscheidet. Daher wurden viele der bei Regalen verwendeten strukturellen Konfigurationen nicht komplett von diesen Normen erfasst.

Um dieses Problem zu lösen, verfasste die Europäische Regalvereinigung (ERF) – ein Verband, in dem die wichtigsten Hersteller Europas, einschließlich Mecalux, zusammengeschlossen sind – Empfehlungen für die erdbebensichere Bemessungen von Regalanlagen, die 2016 in die von der Europäischen Union genehmigten Norm EN 16681 einflossen.

Diese europäische Bemessungsnorm erlaubt die Vereinheitlichung der Kriterien, die europäische Hersteller beim Bau ihrer Regalanlagen einhalten müssen, wodurch die Sicherheit der Strukturen erheblich verbessert wird. Natürlich müssen die Produkte amerikanischer und asiatischer Hersteller ebenfalls diese Normen erfüllen, wenn sie sie auf dem europäischen Markt vertreiben wollen.

 

Forschungsprogramme

Forschungsprojekte zum Verhalten von Metallregalen bei Erdbebenbewegungen werden erst seit Kurzem durchgeführt. Tatsächlich wurden die ersten Studien in den USA nach dem Erdbeben in Northbridge (Los Angeles) am 17. Januar 1994 durchgeführt.

Nach den letzten in Europa aufgetretenen Erdbeben – wie das von 1999 in der Türkei, das verheerende Folgen und große wirtschaftliche Auswirkungen hatte – und auch um das Fehlen von Studien über das dynamische Verhalten von Metallregalen während Erdbebenbewegungen auszugleichen, förderte die Europäische Kommission drei Forschungsprogramme:

  1. Das Programm Free Access To Large Scale Testing Facilities, 2002, in Zusammenarbeit mit der Europäischen Union und dem italienischen Bildungsministerium.
     
  2. Das Programm Storage Racks in Seismic Areas (SEISRACKS), über den Forschungsfonds für Kohle und Stahl, das 2004 begonnen und 2007 beendet wurde. Die Hauptziele dieses Programms bestanden darin, das Verhalten von Regalanlagen zu erforschen und spezielle Normen für ihre Erdbebensicherheit zu entwickeln.

    Bei beiden Programmen wurde das Verhalten der Verbindungen von Regalanlagen beurteilt. Dazu wurden großangelegte Versuche durchgeführt (durch Horizontalschub oder auf einem Vibrationstisch), um unter anderem die Wechselwirkung zwischen Paletten und Regalen zu überprüfen.

    Der Vibrationstisch ist in der Lage, Schwingungen auf die Versuchsobjekte auszuüben, um die Erdbebensicherheit der Strukturen zu prüfen, indem er die gleichen Erdbewegungen simuliert, die bei einem Erdbeben auftreten.

    Als Ergebnis dieser Studien und der während der Forschung gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Kodex für Palettenregale aus Metall verfasst, die 2008 veröffentlichte Vornorm FEM 10.2.08.
     
  3. Das Programm Seismic Behaviour of Steel Storage Pallet Racking Systems (SEISRACKS 2) im Jahre 2011. Der Zweck dieser Studie bestand darin, das Verhalten außerhalb der Ebene der Längsträger, der Verbindungen zwischen Längsträgern und Rahmenständern und der gesamten Struktur zu erforschen.

    Bei den 2D-Berechnungen der Regale wurden Längsberechnungen (parallel zu den Gängen) und Querberechnungen (senkrecht zu den Gängen) durchgeführt. Infolgedessen waren die Längsträger nur in Längsrichtung beteiligt. Dank dieses Programms wurde die Notwendigkeit berücksichtigt, die Bewegung der Längsträger in der Horizontalen zu untersuchen, wenn sich die Ladeeinheit während eines Erdbebens nach vorne und hinten bewegt.
     

 

Europäische Normen

2016 wurde die Norm EN 16681 verabschiedet (Ortsfeste Regalsysteme aus Stahl. Verstellbare Palettenregale. Leitsätze für die erdbebensichere Bemessung), deren endgültige Definition auf der FEM 10.2.08, den nach ihrer Anwendung erhaltenen Kommentaren und den Ergebnissen von Forschungsprogrammen basierte.

Gemäß dieser Norm müssen Regalanlagen in erdbebengefährdeten Gebieten so bemessen und gebaut sein, dass sie die folgenden Anforderungen mit einem angemessenen Grad von Sicherheit erfüllen:

1. Anforderung der Einsturzsicherheit

  • Die Struktur muss so bemessen und konstruiert sein, dass sie Erdbeben übersteht, ohne teilweise oder generell einzustürzen, wobei die strukturelle Unversehrtheit und eine Rest-Tragfähigkeit nach einem Erdbeben aufrechterhalten werden.
  • Daher ist zu überprüfen, ob die Struktur die vorgeschriebene Widerstandsfähigkeit und Verformbarkeit aufweist.

2. Anforderung der Schadensbegrenzung

  • Bevor eine Regalanlage nach einem Erdbeben wieder verwendet wird, ist eine Bewertung des Ausmaßes der Schäden an den Strukturelementen vorgeschrieben.

3. Bewegung der Ladeeinheiten
Beschleunigungen bei Erdbeben können zu einem Verrutschen der Paletten auf den Längsträgern führen, wenn der statische Reibungskoeffizient zwischen Palette und Längsträger überschritten wird. Diese Vorgänge haben folgende Konsequenzen:

  • Die Verringerung der seismischen Belastung des Regals aufgrund der Ableitung der Energie und der Beschränkung der horizontalen Belastung, die von der Palette auf das Regal übertragen werden kann.
  • Das Herabfallen von Ladeeinheiten kann zum teilweisen oder vollständigen Einsturz der Regalanlage bzw. zu Verletzungen von Personen und Schäden an Ausrüstungsgegenständen in der Nähe führen.

 

Die Norm EN 16681 schreibt außerdem vor, die Modale Antwortspektrum-Analyse (MRSA; Modal Response Spectrum Analysis) als Referenz-Berechnungsmethode zu verwenden. Zur Bemessung von erdbebensicheren Strukturen ist zunächst die Kenntnis der, durch das Erdbeben, verursachten Bodenbewegungen erforderlich; diese Bewegungen bestehen aus Seitwärtsbewegungen in jeder Richtung, kombiniert mit Drehungen um jede beliebige Achse.

In der Technik wird die Erdbebenbelastung durch ein Akzelerogramm definiert. Dabei handelt es sich um ein Schaubild der Beschleunigung des Erdreichs im Zeitverlauf, das die Komponenten der durch ein Erdbeben an einem bestimmten Ort verursachten Beschleunigung in horizontaler und vertikaler Richtung darstellt.

 

Modale Antwortspektrum-Analyse

Die MRSA ist eine Untersuchung, bei der die Gesamtheit der Horizontalbelastungen ermittelt wird, die auf die Ebenen der Regalanlage wirken und u. a. durch Rahmen, Längsträger, Versteifungen oder deren Verbindungen absorbiert werden müssen.

Sie besteht darin, die Reaktion der Struktur im Frequenzbereich statt im Zeitbereich zu ermitteln. Dazu ist es zunächst unerlässlich, einerseits die Stabilität und das natürliche Verhalten der Struktur und andererseits das Bemessungsspektrum jedes Standorts zu kennen.

Das Bemessungsspektrum ist die Darstellung der Beschleunigung des Erdreichs (Akzelerogramm) im Frequenzbereich. Die Parameter unterscheiden sich je nach Art des Erdbebens, dem genauen Standort der Installation in Bezug auf das Epizentrum sowie der Zusammensetzung des Erdreichs.

Das Spektrum stellt die Reaktion eines idealisierten Systems auf eine Beschleunigung im Frequenzbereich dar. Es ermöglicht daher, die Reaktion der Struktur auf eine Erregerfrequenz zu ermitteln. Wenn eine Regalanlage beispielsweise eine natürliche Frequenz (T1) hat, lassen sich die Kräfte für diese Frequenz aus dem Spektrum ableiten. Bei der Beurteilung des Verhaltens der Regalanlage muss vorher eine Modalanalyse durchgeführt werden (bei der man die natürlichen Modi der Vibration und ihre Frequenzen ermittelt), die Folgendes berücksichtigt:

  • Das Verhalten der Verbindungen (die Stabilität).
  • Die Masse des Produkts (die Regalanlage mit Last).
  • Den Belegungsfaktor der Regalanlage (wie die Paletten angeordnet sind, ob leere Ebenen vorhanden sind, wo sich die schwersten Paletten befinden ...).
  • Die Verringerung der Stabilität des Systems abhängig von der Last.

Mit allen diesen Daten führt die Norm auf, wie die meisten der wichtigsten und einflussreichsten Parameter (unter anderem Art der Last, Belegungsgrad der Regalanlage, Art der Ladeeinheit) sich auf die Regalanlagen auswirken, und standardisiert die Auswirkungen. Da es sich hier um Regale handelt, sind noch weitere Parameter zu berücksichtigen, die das Bemessungsspektrum verändern können, z. B.:

  • Stärke des Erdbebens.
  • Anzahl der Regalebenen.
  • Gesamtmasse.
  • Flexibilität der Struktur.
  • Maximale Horizontalkraft, die zwischen Last und Regalanlage übertragen werden kann.
  • Verringerung der Erdbebenbelastung, basierend auf Prüfungen mit Vibrati-onstischen.

Nach dieser Modalanalyse ist die individuelle Erdbebenbelastung für jede Richtung bekannt. Anschließend werden die Wirkungen in beiden Richtungen kombiniert, um die Bemessungswerte für die Erdbebenbelastung zu erhalten.

Nach der Ermittlung der Bemessungswerte für die Erdbebenbelastung müssen die Kombinationsregeln angewandt werden, bei der die Werte für die horizontale und vertikale Belastung sowie das Gewicht der Regalanlage und der Ladeeinheiten miteinander kombiniert werden. Daraus erhält man die Kräfte (die auf die Bestandteile der Regalanlage einwirken) und es wird überprüft, ob diese in der Lage sind, ihnen standzuhalten. Anschließend wird überprüft, ob die Ladeeinheiten nicht umstürzen oder sich verschieben.

Die MRSA ist das empfohlene Verfahren zur Berechnung der Erdbebenbelastung, da die Erdbebenspektren einfach zu verallgemeinern und zu normieren sind. Die Spektren spiegeln das Erdbebenverhalten an einem bestimmten Ort wider. Dadurch ist es nicht nötig, verschiedene Kombinationen anhand von evolutionären Berechnungen von verschiedenen berechneten Akzelerogrammen durchzuführen, was die Rechenzeit verkürzt und zu sicheren Ergebnissen führt.

Bei Erdbeben geringerer Stärke kann die Querkraftberechnungsmethode (LFMA) verwendet werden, die in der Simulierung eines Erdbebens durch einen Satz gleichwertiger Horizontalkräfte besteht.
 

Erdbebensicherheit bei Mecalux

Mecalux verfügt über die erforderlichen Kenntnisse und eine breite Erfahrung in Gebieten mit erhöhter Erdbebengefahr. In dieser Hinsicht sind seine erdbebensicheren Installationen in der Türkei, in Italien und besonders in Chile hervorzuheben, dem Land, in dem aufgrund seiner geografischen Lage am pazifischen Feuergürtel das höchste Erdbebenrisiko besteht und das als natürliches Labor zur wissenschaftlichen Erforschung dieses Phänomens gilt.

Innerhalb seiner technischen Abteilung verfügt das Unternehmen über ein Team, das auf die Bemessung von erdbebensicheren Regalanlagen spezialisiert ist. Zu diesem Zweck setzt es Materialien von höherer Qualität ein, informiert sich ständig über die neuesten technischen Innovationen und wendet Programme zur statischen Berechnung an, die auf Simulationen basieren.

Die Methode von Mecalux besteht in der Erzeugung eines dreidimensionalen Modells der Struktur mithilfe von Finite-Elemente-Programmen. Bei diesen werden eine Reihe von Daten eingegeben, wie Materialarten, Abmessungen der Profile, Bemessungsspektrum, Eigenschaften der Ladeeinheiten usw. Daneben ist die Simulation der Struktur von überragender Bedeutung, um die Erdbebensicherheit der Regalanlagen zu überprüfen.

Mecalux ist der führende internationale Hersteller von Lagerlösungen, der sich durch seine Qualitäts- und Sicherheitsstandards hervorhebt. Er widmet sich der Entwicklung von erdbebensicheren Regalanlagen, mit dem Ziel, die Integrität der Strukturen, der gelagerten Produkte und vor allem das Leben der Personen zu sichern.