Funicolare articolato: la metropolitana del cielo

di Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara e Peter Severin

Con l'aumento dell'altezza degli edifici, aumentano anche il numero di ascensori, vani ascensore, il consumo di energia associato e i tempi di attesa e di viaggio dei passeggeri. La perdita di superficie affittabile/vendibile e l'aumento dei costi energetici mettono a dura prova la fattibilità dei grattacieli. Questo articolo esplora una nuova e innovativa soluzione per il trasporto verticale, il funicolare articolato. Il funicolare articolato è un sistema continuo e connesso di “treni” che muove le persone in massa – una “metropolitana del cielo”. I treni giacciono orizzontalmente a livelli di pavimento specifici designati come "stazioni" e passano da allineamenti orizzontali a verticali tra le stazioni, sebbene le carrozze del treno e i passeggeri rimangano orizzontali in posizione eretta. Il funicolare articolato cattura l'energia dalla frenata dei treni e la immagazzina. L'energia immagazzinata viene quindi utilizzata per accelerare il funicolare articolato. Il funicolare articolato richiede solo due vani verticali, diminuisce la quantità di ascensori convenzionali, aumenta le percentuali di superficie affittabile/vendibile, riduce i tempi di attesa e di viaggio ed è sostenibile.

Vita verticale: un dato di fatto

Il numero di grattacieli è triplicato negli ultimi 30 anni. Nel 1982, la quantità di grattacieli completati era 2,091; nel 1992 erano 3,048; nel 2002 erano 4,306; e nel 7,409 erano 2012. Il numero sta aumentando rapidamente in tutto il mondo.^[1]

Il mondo ha registrato una crescita urbana senza precedenti negli ultimi decenni. Nel 2008, per la prima volta, la popolazione mondiale è stata equamente divisa tra aree urbane e rurali. C'erano più di 400 città con più di 1 milione di abitanti e 19 città con più di 10 milioni di abitanti. Le nazioni sviluppate erano urbanizzate per circa il 74%, mentre il 44% degli abitanti dei paesi meno sviluppati viveva in aree urbane. Tuttavia, l'urbanizzazione sta avvenendo rapidamente in molti paesi meno sviluppati. Si prevede che il 70% della popolazione mondiale sarà urbanizzata entro il 2050 e la maggior parte di questa crescita urbana avverrà nei paesi meno sviluppati.^[2]

Nel 1950, il 79% della popolazione del Regno Unito viveva nelle città – una cifra già elevata, ma destinata a salire al 92.2% entro il 2030. Altrove, la percentuale della Cina è passata dal 13% al 40.4% tra il 1950 e il 2005 ed è si prevede che salirà al 60.3% entro il 2030. Ma è il Botswana che ha registrato l'afflusso maggiore. L'anno prossimo si prevede che il 61.2% della sua popolazione vivrà in aree urbane, ma nel 1950 solo il 2.7% degli abitanti del Botswan viveva nelle città.^[3]

In Cina e nel sud-est asiatico si stanno costruendo molte mega città e il numero di grattacieli è in costante aumento: la vita verticale è e continuerà ad essere un dato di fatto. Grattacieli efficienti che risparmiano energia e spazio sono più richiesti che mai. Il funicolare articolato e il mega telaio tubolare forniscono una soluzione per soddisfare questa crescente domanda.

Ripensare il trasporto verticale

Il grattacielo è nato con l'invenzione dell'ascensore nel 1850 e dell'ascensore elettrico nel 1880. Il concetto di trasporto di persone e merci tra i piani è stato innovativo e ha dato impulso allo sviluppo del grattacielo. Man mano che gli edifici crescevano in altezza, aumentava anche il numero di ascensori e fu introdotto il concetto di raggruppare gli ascensori in un atrio centrale.

Gli ascensori bancari hanno migliorato l'efficienza e ridotto i tempi di attesa. Le velocità di sollevamento sono aumentate nel tempo, ma il concetto originale di una singola scatola all'interno di un vano verticale è rimasto lo stesso. Negli edifici alti e super alti, questo concetto di trasporto verticale richiede molti ascensori e vani, e questa richiesta riduce la quantità di spazio residuo affittabile/vendibile. Questo inconveniente è aggravato da tempi di attesa/viaggio più lunghi e da un maggiore consumo di energia. Sembra che all'aumentare dell'altezza degli edifici, l'attuale concetto di trasporto verticale debba essere ripensato.

È evidente che gli edifici alti e super alti sono analoghi alle città verticali. In una città orizzontale è comune avere residenze, uffici, hotel, centri commerciali, cinema, ospedali e simili, ed è comune e logico utilizzare autobus e metropolitana come mezzi di trasporto. La stessa logica e buon senso vale per le città verticali, e se gli ascensori sono autobus, il funicolare articolato è la metropolitana.

Concetto di funicolare articolata

Il funicolare articolato (Figura 1) è una serie di treni separati da una certa distanza, ad esempio ogni 250 m. I treni giacciono orizzontalmente a livelli di pavimento specifici designati come "stazioni". I treni passano da allineamenti orizzontali nelle stazioni a allineamenti verticali tra le stazioni, sebbene i passeggeri rimangano in posizione eretta. I treni salgono e scendono su binari che serpeggiano da un lato all'altro dell'edificio. Come mostrato nella Figura 1, quando i binari in salita si incrociano a destra, in alto ea sinistra; le tracce in discesa attraversano a sinistra, in basso ea destra. I binari passano insieme nella parte inferiore e superiore dell'edificio e formano un ciclo continuo. Il funicolare articolato si ferma contemporaneamente in tutte le stazioni di salita e discesa, scarica e carica i passeggeri e procede su e giù verso le stazioni successive. I piani intermedi tra le stazioni sono serviti da ascensori convenzionali.

Concetto di treno

Il funicolare articolato è una serie di treni costituiti da vagoni ferroviari che ospitano le carrozze passeggeri e i telai delle carrozze. Il funicolare articolato è progettato in modo che i passeggeri rimangano in piedi, anche se l'allineamento del treno passa da orizzontale a verticale. Ciò significa che i carrelli dovranno essere inclinati all'interno dei telai dei carrelli. Inoltre, il funicolare articolato deve muoversi in modo tale da consentire gli allineamenti di transizione alla sommità e alla base degli edifici.

Gli studi sul movimento delle transizioni nella parte superiore e inferiore degli edifici (Figura 2) mostrano che una carrozza passeggeri potrebbe subire una rotazione attorno a tre assi: beccheggio, rollio e imbardata (Figura 3). Lo studio del movimento conclude: 1) le carrozze dovranno beccheggiare affinché i passeggeri rimangano in piedi, 2.) le carrozze dovranno rollare e imbarcare per facilitare il passaggio nella porzione curva degli allineamenti e 3.) le carrozze bisognerà (solo) rollare per facilitare il passaggio nelle porzioni verticali degli allineamenti. Il concetto per facilitare questi movimenti è quello di avere una carrozza passeggeri a forma di cubo (cuboide) all'interno di un telaio di carrozza sferica. Un carrello cuboide potrebbe beccheggiare, rotolare e imbardare all'interno di un telaio sferico.

Sembra più semplice implementare il movimento di transizione nelle porzioni verticali degli allineamenti, piuttosto che nelle curve. Ciò elimina la necessità per i carrelli di imbardare. Ha anche senso prendere il movimento di rollio tra i vagoni del treno, invece che nei vagoni. Questo potrebbe essere fatto con meccanismi di accoppiamento tra i vagoni del treno che ruotano. Il risultato è un treno con telai di carrozza a forma di botte con carrozze cuboidi (Figura 3). La progressione naturale è quella di formare e modellare i treni per l'aerodinamica per ridurre la resistenza (Figura 4). Ogni vagone del treno ha otto serie di ruote e rotola su quattro binari.

Un'altezza e una larghezza del telaio del carrello di 2.2 m determinano un diametro del telaio del carrello di 3.11 m in base alla geometria e viene mostrato un diametro esterno del telaio del carrello totale di 3.5 m. Viene mostrata anche una lunghezza totale del telaio di 3.5 m che dà come risultato una sezione trasversale quadrata del treno.

Strategie di movimento

I requisiti di beccheggio e rollio per le configurazioni a anello singolo, doppio e triplo sono mostrati nella Figura 5.

Strategie di accelerazione e velocità

L'accelerazione più veloce consigliata sulle gambe verticali è di 1 g. Ciò comporterebbe un ambiente di 0 g per le accelerazioni di caduta e di salita e un ambiente di 2 g per le decelerazioni di caduta e le accelerazioni di salita (Figura 6). Accelerazioni superiori a 1 g “separerebbero” i passeggeri dai piani e richiederebbero restrizioni. Con accelerazioni e decelerazioni di 1 g, ci vorrebbero 10.1 s. per percorrere i 250 m tra le stazioni del nostro esempio, e il treno raggiungerebbe una velocità massima di 178 km/h. La Figura 6 mostra i tempi minimi e le velocità massime per un intervallo di lunghezze di salita/discesa. È ovvio che un ambiente di 1 g supererebbe il livello di comfort di alcuni passeggeri, quindi dovrebbero essere condotti studi per determinare l'accelerazione massima utilizzabile.

Il tempo di ciclo tra i treni può essere approssimato per l'esempio di 250 m. Si stima che lo scarico e il carico dei treni nelle stazioni potrebbero richiedere 20-30 s. Ci vorranno anche circa 5 s. affinché i treni si muovano dalle stazioni e si posizionino verticalmente prima delle accelerazioni di salita/discesa. Questo, più il 10-s. salita/discesa, si somma ad un tempo di ciclo stimato di 1 min. tra i treni negli orari di punta. I movimenti dei treni e i tempi di ciclo possono essere ridotti per le ore non di punta.

Ingranaggi di potenza/freno

Il funicolare articolato è una serie di treni collegati con cavi. I cavi si estendono tra i treni e sono avvolti attorno a ruote dentate, dove gli allineamenti passano dall'orizzontale nelle stazioni alle salite/discese verticali (Figura 7). Gli ingranaggi si attaccano ai cavi e servono sia per frenare che per alimentare il sistema. Gli ingranaggi sono collegati a generatori/motori che cattureranno energia durante la frenata e alimenteranno il sistema durante la guida.

Frenata dinamica, accumulo di energia ed estrazione di potenza

Quando i carichi utili in discesa sono più pesanti di quelli in salita, il funicolare articolato cattura l'energia dalla frenatura dei treni (frenata dinamica) e la immagazzina. L'energia immagazzinata viene quindi utilizzata per accelerare il funicolare articolato quando i carichi utili in salita sono più pesanti delle loro controparti in discesa. La cattura e il riutilizzo dell'energia rende sostenibile il funicolare articolato. Ad esempio, con l'avvicinarsi dell'ora di pranzo, la maggior parte dei passeggeri percorrerà l'edificio e l'energia necessaria per frenare il funicolare articolato verrà immagazzinata e utilizzata per alimentare i passeggeri di nuovo nell'edificio dopo pranzo.

Costruzione del prototipo

Per spiegare ulteriormente il funicolare articolato, vengono mostrati un edificio prototipo e la sua sovrastruttura (Figura 8). Le dimensioni in pianta dell'edificio sono 40 X 45 m, con un'altezza di 620 m (circa 120 piani). Questa configurazione ha un fattore di snellezza di 1/15.5 nella direzione corta e 1/13.8 nella direzione lunga. L'edificio è dotato di quattro stazioni funicolari articolate, una a piano terra, una a quota 168 m, una a quota 353 me una a quota 538 m.

Concetto di stazione

Le stazioni per il funicolare articolato sono larghe 10 m (dall'asse della parete all'asse della parete) e profonde tre piani (Figura 9). I passeggeri entrano ed escono dai treni dal piano intermedio. Da lì, i passeggeri hanno accesso alle scale mobili per portarli su un piano (dove possono raggiungere gli ascensori per portarli su) o giù di un piano (dove possono raggiungere gli ascensori per portarli giù). Le porte attraverso le stazioni ai piani superiore e inferiore consentono l'accesso al lato opposto dell'edificio. All'interno delle stazioni saranno alloggiati gli ingranaggi ed i generatori/motori.

Compatibilità strutturale

Il funicolare articolato si presta ad un efficiente sistema strutturale ben adattato a grattacieli alti e sottili e calcestruzzo ad alta resistenza. Ha senso utilizzare i corridoi verticali che ospitano il funicolare articolato come sovrastruttura, comune ai nuclei centrali. Le gambe verticali sono larghe 6 m (dall'asse della parete all'asse della parete) e lunghe 10 m. Questo dà 8.5 x 4.5 m all'interno di dimensioni libere (pareti di 1.5 m di spessore) e si adatta alle sezioni trasversali del treno di 3.5 x 3.5 m. Ha anche senso utilizzare le stazioni orizzontali come sovrastruttura, cosa comune con gli stabilizzatori. La combinazione dei tubi verticali e orizzontali forma un mega telaio tubolare. I mega tubi trasversali sono posizionati a quote intermedie tra le stazioni e nella parte superiore dell'edificio per le prestazioni strutturali. Questi tubi trasversali intermedi si trovano alle seguenti elevazioni: 78, 264, 449 e 615 m. Lo stesso sistema strutturale viene utilizzato nella direzione perpendicolare e la simmetria dà origine al mega telaio tubolare 3D (Figura 8). Tutti i carichi del pavimento vengono trasferiti alle quattro gambe verticali in corrispondenza della stazione e dei livelli stabilizzatori con diagonali.

La lunghezza del funicolare articolato è funzione del numero di carrozze dei treni. Questa lunghezza imposta la larghezza minima dell'edificio in direzione delle stazioni e individua una serie di gambe verticali del mega telaio tubolare.

Il mega telaio tubolare si presta a una varietà di forme e dimensioni del pianale. La Figura 10 illustra tre forme generiche e tabula i rapporti di spazio utilizzabile. Il funicolare articolato occupa metà dell'area di due delle gambe verticali e si prevede che l'altra metà di questi pozzi sarà utilizzata come spazio per i condotti. Ha senso alloggiare gli ascensori, le scale e le condutture convenzionali nelle due gambe rimanenti. Il posizionamento di tutto il trasporto verticale e delle condutture all'interno delle quattro gambe della struttura lascia il resto della piastra del pavimento completamente aperto e si traduce in un elevato rapporto spazio utile tra pavimento.

Piano di trasporto verticale

Il piano di trasporto verticale è una combinazione di un funicolare articolato con tre anelli e quattro stazioni e ascensori convenzionali che corrono tra le stazioni (Figura 11). I passeggeri hanno tre opzioni di movimento. Possono guidare il funicolare articolato fino a una stazione e prendere gli ascensori convenzionali, guidare il funicolare articolato verso una stazione e portare gli ascensori convenzionali verso il basso o guidare gli ascensori convenzionali. La terza opzione può richiedere un trasferimento da una corsa all'altra. Si prevede che queste molteplici opzioni di movimento aumenteranno il volume del flusso di passeggeri e ridurranno la congestione.

Ci sono 35 piani abitabili e due piani meccanici, con 160 m tra le stazioni. Si prevede quindi che saranno necessari circa sei ascensori tra le stazioni e quattro sopra la stazione più alta. Ciò si traduce in un totale di 22 ascensori per l'edificio.

Prestazioni strutturali

Il mega telaio tubolare è una struttura efficiente, perché quasi tutti i carichi sono trasportati dalle quattro gambe verticali poste sulle facciate esterne dell'edificio.

La sovrastruttura ha sette zone verticali e gli spessori delle pareti passano da 1.5 m alla base a 0.3 m alla corona. L'analisi strutturale eseguita utilizzando il software di progettazione degli edifici integrato ETABS e una velocità del vento di 83 mph (37.1 mps) indicano che è necessaria una resistenza del calcestruzzo di 60-70 MPa con rapporti di rinforzo minimi.

Le forme e i periodi delle prime cinque modalità sono mostrati nella Figura 12. La modalità 1 è nella direzione di 40 m, la modalità 2 è nella direzione di 45 m, la modalità 3 è nella direzione di 40 m, la modalità 4 è nella direzione di 45 m. -m direzione e la modalità 5 sta ruotando.

Una velocità del vento di 77.5 mph (34.6 mps) determina rapporti massimi di deriva tra i piani di circa H/360 nella direzione di 40 m e H/540 nella direzione di 45 m utilizzando un modulo di elasticità di 50 GPa.

Programmi di architettura

La rimozione del nucleo centrale crea il potenziale per nuovi ed entusiasmanti programmi che non sono ancora stati incorporati in grattacieli alti e sottili. Poiché le piastre del pavimento sono aperte, è possibile programmare sale da concerto, sale conferenze, teatri e piscine nel corpo dell'edificio.

Il mega telaio tubolare offre configurazioni architettoniche flessibili e può supportare molte forme e forme (Figura 13).

Conclusione

La vita verticale è e continua ad essere un fatto della vita urbana; sono quindi necessarie soluzioni efficienti e sostenibili per grattacieli alti e sottili. L'obiettivo del funicolare articolato e del mega telaio tubolare è aumentare l'efficienza e la sostenibilità e favorire lo sviluppo di grattacieli alti e sottili. Il funicolare articolato e il mega telaio tubolare offrono:

• Ridotto numero di vani ascensore
• Ridotto numero di ascensori
• Maggiore velocità di trasporto passeggeri
• Costi energetici di trasporto verticale ridotti grazie alla cattura e al riutilizzo dell'energia
• Maggior FAR affittabili/vendibili
• Costi immobiliari ridotti grazie alle dimensioni ridotte dei solai alla base degli edifici
• Un efficiente sistema strutturale in grado di supportare rapporti di snellezza di 1/15.5

Le alte velocità, i grandi volumi di passeggeri e l'energia riciclabile fanno del funicolare articolato la via del futuro. È tempo che una nuova generazione di sistemi di sollevamento faccia un passo avanti!

Referenze
[1] Skyscrapercity, grattacielocity.com [Accesso ad aprile 2012]
[2] Ufficio di riferimento per la popolazione, prb.org [Accesso ad aprile 2012]
[3] Guardian, www.guardian.co.uk/news/data blog/2009/aug/18/percentage-population-living-cities [Accesso aprile 2012]
[4] Binder, G. 101 of the World's Tallest Buildings, Images Publishing, 2006.
[5] Consiglio sugli edifici alti e l'habitat urbano (CTBUH), CTBUH Skyscraper Centre.
Grattacielocenter.com [Accesso ad aprile 2012]
[6] Sarkisian, M. Jin Mao Tower's Influence on China's New Innovative Tall Buildings, CTBUH, 2006.
[7] Xia, J., Poon, D. & Mass, DC Case Study: Shanghai Tower. Rivista CTBUH, Numero II, 2010, p. 12-18.

Ristampato da Ascensori. Presentato originariamente al CTBUH 9th World Congress 2012 a Shanghai e pubblicato per la prima volta nel libro Asia in ascesa: l'era della città dei grattacieli sostenibile sotto il titolo "Funicolatore articolato e mega telaio tubolare".