Funiculador articulado: The Sky Subway

por Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara y Peter Severin

A medida que aumenta la altura de los edificios, también lo hace el número de ascensores, huecos de ascensores, el uso de energía asociado y los tiempos de espera y viaje de los pasajeros. La pérdida de espacio de piso rentable / vendible y el aumento de los costos de energía desafían la viabilidad de los edificios de gran altura. Este artículo explora una solución nueva e innovadora para el transporte vertical, el funiculador articulado. El funiculador articulado es un sistema continuo y conectado de "trenes" que mueve a las personas en masa - un "Sky Subway". Los trenes se encuentran horizontalmente en niveles de piso específicos designados como "estaciones" y la transición de alineaciones horizontales a verticales entre las estaciones, aunque los vagones del tren y los pasajeros permanecen horizontales en una posición de pie. El funiculador articulado capta la energía del frenado de los trenes y la almacena. La energía almacenada se utiliza luego para acelerar el funiculador articulado. El funiculador articulado requiere solo dos ejes verticales, disminuye la cantidad de elevadores convencionales, aumenta los porcentajes de espacio de piso alquilable / vendible, reduce los tiempos de espera y viaje y es sostenible.

Vida vertical: un hecho de la vida

El número de rascacielos se ha triplicado en los últimos 30 años. En 1982, la cantidad de edificios de gran altura terminados fue de 2,091; en 1992 fue de 3,048; en 2002 fue 4,306; y había 7,409 en 2012. El número está aumentando rápidamente en todo el mundo.^{[ 1 ]}

El mundo ha experimentado un crecimiento urbano sin precedentes en las últimas décadas. En 2008, por primera vez, la población mundial se dividió equitativamente entre áreas urbanas y rurales. Había más de 400 ciudades con más de 1 millón de habitantes y 19 ciudades con más de 10 millones de habitantes. Las naciones desarrolladas estaban urbanizadas en un 74%, mientras que el 44% de los habitantes de los países menos desarrollados vivían en áreas urbanas. Sin embargo, la urbanización se está produciendo rápidamente en muchos países menos desarrollados. Se espera que el 70% de la población mundial esté urbanizada para 2050, y la mayor parte de ese crecimiento urbano ocurrirá en países menos desarrollados.^{[ 2 ]}

En 1950, el 79% de la población del Reino Unido vivía en ciudades, una cifra ya elevada, pero que aumentará al 92.2% para 2030. En otros lugares, el porcentaje de China aumentó del 13% al 40.4% entre 1950 y 2005 y es se prevé que aumente al 60.3% para 2030. Pero es Botswana el que ha experimentado la mayor afluencia. Se espera que el próximo año, el 61.2% de su población viva en áreas urbanas, sin embargo, en 1950, solo el 2.7% de la población de Botswana vivía en ciudades.^{[ 3 ]}

En China y el sudeste asiático, se están construyendo muchas megaciudades y el número de rascacielos aumenta constantemente: la vida vertical es y seguirá siendo una realidad. Los edificios de gran altura eficientes que ahorran energía y espacio tienen más demanda que nunca. El funiculador articulado y el mega marco tubular proporcionan una solución para satisfacer esta creciente demanda.

Repensar el transporte vertical

El rascacielos nació con la invención del ascensor en la década de 1850 y el ascensor eléctrico en la década de 1880. El concepto de transportar personas y mercancías entre niveles de piso fue innovador e impulsó el desarrollo del rascacielos. A medida que los edificios crecieron en altura, también lo hizo el número de ascensores y se introdujo el concepto de agrupar los ascensores en un vestíbulo central.

Los elevadores bancarios mejoraron la eficiencia y redujeron los tiempos de espera. Las velocidades de elevación aumentaron con el tiempo, pero el concepto original de una sola caja dentro de un eje vertical siguió siendo el mismo. En edificios altos y superpuestos, este concepto de transporte vertical requiere muchos ascensores y pozos, y esta demanda disminuye la cantidad de espacio sobrante de piso alquilable / vendible. Este inconveniente se ve agravado por tiempos de espera / viaje más largos y un mayor consumo de energía. Parece que a medida que aumenta la altura de los edificios, es necesario repensar el concepto actual de transporte vertical.

Es evidente que los edificios altos y supertodos son análogos a las ciudades verticales. En una ciudad horizontal, es común tener residencias, oficinas, hoteles, centros comerciales, cines, hospitales y similares, y es común y lógico utilizar autobuses y subterráneos como medio de transporte. La misma lógica y sentido común se aplica a las ciudades verticales, y si los ascensores son autobuses, el funiculador articulado es el metro.

Concepto de funicular articulado

El funiculador articulado (Figura 1) es una serie de trenes separados por cierta distancia, por ejemplo, cada 250 m. Los trenes se encuentran horizontalmente en niveles de piso específicos designados como "estaciones". Los trenes pasan de alineaciones horizontales en las estaciones a alineaciones verticales entre las estaciones, aunque los pasajeros permanecen de pie. Los trenes ascienden y descienden por vías que serpentean de un lado al otro del edificio. Como se muestra en la Figura 1, a medida que las vías ascendentes se desplazan hacia la derecha, hacia arriba y hacia la izquierda; las pistas con destino hacia abajo atraviesan la izquierda, abajo y derecha. Las pistas pasan juntas en la parte inferior y superior del edificio y forman un bucle continuo. El funiculador articulado se detiene en todas las estaciones de subida y bajada simultáneamente, descarga y carga a los pasajeros y avanza hacia arriba y hacia abajo hasta las siguientes estaciones. Los pisos intermedios entre estaciones son atendidos por ascensores convencionales.

Concepto de tren

El funiculador articulado es una serie de trenes hechos de vagones que albergan los vagones de pasajeros y los bastidores de los vagones. El funiculador articulado está diseñado para que los pasajeros permanezcan de pie, aunque la alineación del tren cambie de horizontal a vertical. Esto significa que los carros deberán inclinarse dentro de los bastidores del carro. Además, el funiculador articulado debe moverse de tal manera que permita las alineaciones de transición en la parte superior e inferior de los edificios.

Los estudios de movimiento de las transiciones en la parte superior e inferior de los edificios (Figura 2) muestran que un vagón de pasajeros podría experimentar una rotación alrededor de tres ejes: cabeceo, balanceo y guiñada (Figura 3). El estudio de movimiento concluye: 1) los vagones deberán inclinarse para que los pasajeros permanezcan de pie, 2.) los vagones deberán rodar y girar para facilitar la transición en la parte curva de las alineaciones y 3.) los vagones necesitará (solo) rodar para facilitar la transición en las porciones verticales de las alineaciones. El concepto para facilitar estos movimientos es tener un carro de pasajeros en forma de cubo (cuboide) dentro de un marco de carro esférico. Un carro cuboide podría cabecear, rodar y guiñar dentro de un marco esférico.

Parece más sencillo implementar el movimiento de transición en las porciones verticales de las alineaciones que en las curvas. Esto elimina la necesidad de que los carros giren. También tiene sentido tomar el movimiento de balanceo entre los vagones del tren, en lugar de en los vagones. Esto podría hacerse con mecanismos de acoplamiento entre los vagones del tren que giran. El resultado es un tren con bastidores de vagones en forma de barril con vagones cuboides (Figura 3). La progresión natural es formar y dar forma a los trenes para que la aerodinámica reduzca la resistencia (Figura 4). Cada vagón de tren tiene ocho juegos de ruedas y rueda sobre cuatro vías.

Una altura y un ancho del bastidor del carro de 2.2 m dan como resultado un diámetro del bastidor del carro de 3.11 m según la geometría, y se muestra un diámetro exterior total del bastidor del carro de 3.5 m. También se muestra una longitud total de bastidor de 3.5 m que da como resultado una sección transversal de tren cuadrada.

Estrategias de movimiento

Los requisitos de cabeceo y balanceo para configuraciones de lazo simple, doble y triple se muestran en la Figura 5.

Estrategias de aceleración y velocidad

La aceleración más rápida recomendada en las piernas verticales es de 1 g. Esto daría como resultado un entorno de 0 g en las aceleraciones de caída y desaceleraciones de subida, y un entorno de 2 g en las deceleraciones de caída y aceleraciones de subida (Figura 6). Las aceleraciones superiores a 1 g "separarían" a los pasajeros de los pisos y requerirían restricciones. Con aceleraciones y desaceleraciones de 1 g, se necesitarían 10.1 s. para atravesar los 250 m entre las estaciones en nuestro ejemplo, y el tren alcanzaría una velocidad máxima de 178 km / h. La Figura 6 muestra los tiempos mínimos y las velocidades máximas para un rango de longitudes de subida / bajada. Es obvio que un entorno de 1 g excedería el nivel de comodidad de algunos pasajeros, por lo que sería necesario realizar estudios para determinar la aceleración máxima utilizable.

El tiempo de ciclo entre trenes se puede aproximar para el ejemplo de 250 m. Se estima que la descarga y carga de los trenes en las estaciones podría demorar entre 20 y 30 s. También tardaría unos 5 s. para que los trenes se muevan desde las estaciones y se coloquen verticalmente antes de las aceleraciones de subida / bajada. Esto, más los 10 s. subida / bajada, se suma a un tiempo de ciclo estimado de 1 min. entre trenes en horas pico de uso. Los movimientos de trenes y los tiempos de ciclo se pueden reducir en horas de menor actividad.

Piñones de potencia / frenado

El funiculador articulado es una serie de trenes conectados con cables. Los cables se extienden entre los trenes y se enrollan alrededor de engranajes, donde las alineaciones pasan de la horizontal en las estaciones a las subidas / caídas verticales (Figura 7). Los engranajes se unen a los cables y sirven tanto para frenar como para alimentar el sistema. Los engranajes están conectados a generadores / motores que capturan energía mientras frena y alimentan el sistema mientras se conduce.

Frenado dinámico, almacenamiento de energía y extracción de energía

Cuando las cargas útiles descendentes son más pesadas que las ascendentes, el funiculador articulado captura la energía del frenado de los trenes (frenado dinámico) y la almacena. La energía almacenada se utiliza luego para acelerar el funiculador articulado cuando las cargas útiles ascendentes son más pesadas que sus contrapartes descendentes. La captura y reutilización de energía hace que el funiculador articulado sea sostenible. Por ejemplo, a medida que se acerca la hora del almuerzo, la mayoría de los pasajeros viajarán por el edificio, y la energía necesaria para frenar el funiculador articulado se almacenará y utilizará para que los pasajeros retrocedan en el edificio después del almuerzo.

Edificio de prototipos

Para explicar mejor el funiculador articulado, se muestra un edificio prototipo y su superestructura (Figura 8). Las dimensiones en planta del edificio son 40 X 45 m, con una altura de 620 m (alrededor de 120 pisos). Esta configuración tiene un factor de esbeltez de 1 / 15.5 en la dirección corta y 1 / 13.8 en la dirección larga. El edificio cuenta con cuatro estaciones funiculadoras articuladas, una a nivel del suelo, una a una altura de 168 m, una a una altura de 353 my otra a una altura de 538 m.

Concepto de estación

Las estaciones para el funiculador articulado tienen 10 m de ancho (línea central de pared a línea central de pared) y tres pisos de profundidad (Figura 9). Los pasajeros entran y salen de los trenes desde el piso medio. Desde allí, los pasajeros tienen acceso a las escaleras mecánicas para subirlos un piso (donde pueden llegar a los ascensores para subirlos) o bajar un piso (donde pueden llegar a los ascensores para bajarlos). Las puertas a través de las estaciones en los pisos superior e inferior brindan acceso al lado opuesto del edificio. Los engranajes y los generadores / motores se alojarán dentro de las estaciones.

Compatibilidad estructural

El funiculador articulado se presta a un sistema estructural eficiente bien adaptado a rascacielos altos y delgados y hormigón de alta resistencia. Tiene sentido utilizar los pasillos verticales que albergan el funiculador articulado como superestructura, lo que es común con los núcleos centrales. Las patas verticales tienen 6 m de ancho (línea central de pared a línea central de pared) y 10 m de largo. Esto proporciona unas dimensiones interiores libres de 8.5 x 4.5 m (paredes de 1.5 m de espesor) y se ajusta a las secciones transversales del tren de 3.5 x 3.5 m. También tiene sentido utilizar las estaciones horizontales como superestructura, lo que es común con los estabilizadores. La combinación de los tubos verticales y horizontales forma un mega marco tubular. Los mega tubos transversales se colocan en elevaciones intermedias entre las estaciones y en la parte superior del edificio para el desempeño estructural. Estos tubos transversales intermedios se encuentran en las siguientes elevaciones: 78, 264, 449 y 615 m. Se utiliza el mismo sistema estructural en la dirección perpendicular, y la simetría da lugar al megacuadro tubular 3D (Figura 8). Todas las cargas del piso se transfieren a las cuatro patas verticales en la estación y niveles de estabilizadores con diagonales.

La longitud del funiculador articulado es función del número de vagones en los trenes. Esta longitud establece el ancho mínimo del edificio en la dirección de las estaciones y ubica un conjunto de patas verticales del mega marco entubado.

El mega marco tubular se presta a una variedad de formas y tamaños de placas de piso. La Figura 10 ilustra tres formas genéricas y tabula las relaciones de espacio de piso utilizables. El funiculador articulado ocupa la mitad del área de dos de las patas verticales, y se espera que la otra mitad de estos ejes se utilice como espacio para conductos. Tiene sentido alojar los ascensores, escaleras y conductos convencionales en las dos patas restantes. Colocar todo el transporte vertical y los conductos dentro de las cuatro patas de la estructura deja el resto de la placa del piso completamente abierta y da como resultado una alta relación entre el piso y el espacio utilizable.

Plan de transporte vertical

El plan de transporte vertical es una combinación de un funiculador articulado con tres bucles y cuatro estaciones, y elevadores convencionales que corren entre las estaciones (Figura 11). Los pasajeros tienen tres opciones de movimiento. Pueden llevar el funiculador articulado a una estación y subir en ascensores convencionales, montar en el funiculador articulado hasta una estación y bajar en ascensores convencionales o montar en ascensores convencionales. La tercera opción puede requerir una transferencia de un recorrido de elevación a otro. Se espera que estas múltiples opciones de movimiento aumenten el volumen de flujo de pasajeros y reduzcan la congestión.

Hay 35 pisos habitables y dos pisos mecánicos, con 160 m entre estaciones. Por lo tanto, se espera que se necesiten alrededor de seis ascensores entre las estaciones y cuatro por encima de la estación más alta. Esto da como resultado un total de 22 ascensores para el edificio.

Rendimiento Estructural

El mega marco tubular es una estructura eficiente, porque casi todas las cargas son transportadas por las cuatro patas verticales colocadas en las caras exteriores del edificio.

La superestructura tiene siete zonas verticales y los espesores de las paredes van desde 1.5 m en la base hasta 0.3 m en la corona. Las ejecuciones de análisis estructural que utilizan el software de diseño de edificios integrado ETABS y una velocidad del viento de 83 mph (37.1 mps) indican que se requiere una resistencia del hormigón de 60-70 MPa con proporciones mínimas de refuerzo.

Las formas y períodos de los primeros cinco modos se muestran en la Figura 12. El modo 1 está en la dirección de 40 m, el modo 2 está en la dirección de 45 m, el modo 3 está en la dirección de 40 m, el modo 4 está en la dirección de 45 m. -m dirección, y el modo 5 está girando.

Las velocidades del viento de 77.5 mps (34.6 mph) dan como resultado relaciones de deriva entre pisos máximas de aproximadamente H / 360 en la dirección de 40 my H / 540 en la dirección de 45 m utilizando un módulo de elasticidad de 50 GPa.

Programas de arquitectura

La eliminación del núcleo central crea el potencial para programas nuevos y emocionantes que aún no se han incorporado a rascacielos altos y delgados. Debido a que las placas del piso están abiertas, es posible programar salas de conciertos, salas de conferencias, teatros y piscinas en el cuerpo del edificio.

El mega marco tubular ofrece configuraciones arquitectónicas flexibles y puede admitir muchas formas y formas (Figura 13).

Conclusión

La vida vertical es y sigue siendo un hecho de la vida urbana; por lo tanto, se necesitan soluciones eficientes y sostenibles para rascacielos altos y delgados. El objetivo del funiculador articulado y el mega marco tubular es aumentar la eficiencia y la sostenibilidad y ayudar en el desarrollo de rascacielos altos y delgados. El funiculador articulado y el mega marco tubular ofrecen:

• Número reducido de ejes de elevación
• Número reducido de ascensores
• Mayor velocidad de transporte de pasajeros
• Reducción de los costos de energía del transporte vertical debido a la captura y reutilización de energía.
• Aumento de FAR rentables / vendibles
• Costos inmobiliarios reducidos debido a tamaños de placa de piso más pequeños en la base de los edificios
• Un sistema estructural eficiente que puede soportar ratios de esbeltez de 1 / 15.5

Las altas velocidades, los grandes volúmenes de pasajeros y la energía reciclable hacen del funiculador articulado el camino del futuro. ¡Es hora de que una nueva generación de sistemas de elevación dé un paso adelante!

Referencias
[1] Skyscrapercity, skyscrapercity.com [Consultado en abril de 2012]
[2] Population Reference Bureau, prb.org [Consultado en abril de 2012]
[3] Guardian, www.guardian.co.uk / news / data blog / 2009 / aug / 18 / percent-Population-living-cities [Consultado en abril de 2012]
[4] Carpeta, G. 101 de los edificios más altos del mundo, publicación de imágenes, 2006.
[5] Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano (CTBUH), CTBUH Skyscraper Center.
skyscrapercenter.com [Consultado en abril de 2012]
[6] Sarkisian, M. Jin Mao Tower's Influence on New Innovative Tall Buildings, CTBUH, 2006.
[7] Xia, J., Poon, D. & Mass, DC Estudio de caso: Torre de Shanghai. Revista CTBUH, Número II, 2010, pág. 12-18.

Reimpresión de Ascensores. Presentado originalmente en el 9 ° Congreso Mundial de CTBUH 2012 en Shanghai y publicado por primera vez en el libro Asia ascendente: la era de la ciudad de los rascacielos sostenibles bajo el título "Funiculador articulado y megaestructura tubular".