Funiculador Articulado: O Metrô Aéreo

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

À medida que a altura dos edifícios aumenta, também aumentam o número de elevadores, poços de elevador, o consumo de energia associado e os tempos de espera e deslocamento dos passageiros. A perda de espaço útil para aluguel/venda e o aumento dos custos de energia desafiam a viabilidade dos edifícios altos. Este artigo explora uma solução nova e inovadora para o transporte vertical: o funicular articulado. O funicular articulado é um sistema contínuo e conectado de "trens" que transporta pessoas. em massa – um “Metrô Suspenso”. Os trens ficam na horizontal em níveis específicos do piso, designados como “estações”, e fazem a transição de alinhamentos horizontais para verticais entre as estações, embora os vagões e os passageiros permaneçam na horizontal, em pé. O funicular articulado captura a energia da frenagem dos trens e a armazena. A energia armazenada é então usada para acelerar o funicular articulado. O funicular articulado requer apenas dois poços verticais, diminui a quantidade de elevadores convencionais, aumenta a porcentagem de área útil para locação/venda, reduz os tempos de espera e de viagem e é sustentável.

Vida vertical: um fato da vida

O número de edifícios altos triplicou nos últimos 30 anos. Em 1982, havia 2,091 edifícios altos concluídos; em 1992, 3,048; em 2002, 4,306; e em 2012, 7,409. Esse número está aumentando rapidamente em todo o mundo.

O mundo vivenciou um crescimento urbano sem precedentes nas últimas décadas. Em 2008, pela primeira vez, a população mundial estava dividida igualmente entre áreas urbanas e rurais. Havia mais de 400 cidades com mais de 1 milhão de habitantes e 19 cidades com mais de 10 milhões de habitantes. Nos países desenvolvidos, cerca de 74% da população era urbanizada, enquanto nos países menos desenvolvidos, 44% viviam em áreas urbanas. Contudo, a urbanização está ocorrendo rapidamente em muitos países menos desenvolvidos. Prevê-se que 70% da população mundial estará urbanizada até 2050, e a maior parte desse crescimento urbano ocorrerá em países menos desenvolvidos.

Em 1950, 79% da população do Reino Unido vivia em cidades – um número já expressivo, mas que deverá subir para 92.2% até 2030. Na China, a percentagem aumentou de 13% para 40.4% entre 1950 e 2005 e prevê-se que chegue a 60.3% até 2030. Mas foi o Botswana que registou o maior fluxo migratório. No próximo ano, prevê-se que 61.2% da sua população viva em áreas urbanas, enquanto que, em 1950, apenas 2.7% dos botsuanenses viviam em cidades.

Na China e no Sudeste Asiático, muitas megacidades estão sendo construídas, e o número de arranha-céus aumenta constantemente: a vida vertical é e continuará sendo uma realidade. Edifícios altos e eficientes, que economizam energia e espaço, são mais requisitados do que nunca. O funicular articulado e a megaestrutura tubular oferecem uma solução para atender a essa crescente demanda.

Repensando o transporte vertical

O arranha-céu nasceu com a invenção do elevador na década de 1850 e do elevador elétrico na década de 1880. O conceito de transportar pessoas e mercadorias entre os andares foi inovador e impulsionou o desenvolvimento do arranha-céu. À medida que os edifícios cresciam em altura, o mesmo acontecia com o número de elevadores, e o conceito de agrupá-los em um saguão central foi introduzido.

Os elevadores de plataforma melhoraram a eficiência e reduziram os tempos de espera. A velocidade dos elevadores aumentou com o tempo, mas o conceito original de uma única cabine dentro de um poço vertical permaneceu o mesmo. Em edifícios altos e superaltos, esse conceito de transporte vertical exige muitos elevadores e poços, e essa demanda diminui a quantidade de espaço disponível para locação/venda. Essa desvantagem é agravada por tempos de espera/deslocamento mais longos e maior consumo de energia. Parece que, à medida que a altura dos edifícios aumenta, o conceito atual de transporte vertical precisa ser repensado.

É evidente que edifícios altos e superaltos são análogos a cidades verticais. Numa cidade horizontal, é comum haver residências, escritórios, hotéis, centros comerciais, cinemas, hospitais e similares, e é comum e lógico usar ônibus e metrô como meio de transporte. A mesma lógica e bom senso se aplicam às cidades verticais, e se os elevadores são os ônibus, o funicular articulado é o metrô.

Conceito de funicular articulado

O funicular articulado (Figura 1) consiste em uma série de trens separados por uma certa distância – por exemplo, a cada 250 m. Os trens ficam dispostos horizontalmente em andares específicos, designados como “estações”. Os trens transitam de alinhamentos horizontais nas estações para alinhamentos verticais entre elas, embora os passageiros permaneçam em pé. Os trens sobem e descem em trilhos que serpenteiam de um lado ao outro do edifício. Como mostrado na Figura 1, enquanto os trilhos de subida percorrem os sentidos para a direita, para cima e para a esquerda, os trilhos de descida percorrem os sentidos para a esquerda, para baixo e para a direita. Os trilhos se encontram na parte inferior e superior do edifício, formando um circuito contínuo. O funicular articulado para simultaneamente em todas as estações de subida e descida, embarca e desembarca passageiros e segue para as próximas estações. Os andares intermediários entre as estações são servidos por elevadores convencionais.

Conceito de trem

O funicular articulado é uma série de trens compostos por vagões que abrigam os vagões de passageiros e suas estruturas. O funicular articulado é projetado para que os passageiros permaneçam em pé, mesmo quando o alinhamento do trem muda de horizontal para vertical. Isso significa que os vagões precisam se inclinar dentro de suas estruturas. Além disso, o funicular articulado precisa se mover de forma a permitir a transição de alinhamento nos topos e bases dos edifícios.

Estudos de movimento das transições no topo e na base dos edifícios (Figura 2) mostram que uma carruagem de passageiros pode sofrer rotação em torno de três eixos: inclinação, rolamento e guinada (Figura 3). O estudo de movimento conclui que: 1) as carruagens precisarão inclinar-se para que os passageiros permaneçam em pé; 2) as carruagens precisarão rolar e guinar para facilitar a transição na porção curva dos alinhamentos; e 3) as carruagens precisarão (apenas) rolar para facilitar a transição nas porções verticais dos alinhamentos. O conceito para facilitar esses movimentos é ter uma carruagem de passageiros em forma de cubo (paralelo) dentro de uma estrutura esférica. Uma carruagem paralelepípeda poderia inclinar-se, rolar e guinar dentro de uma estrutura esférica.

Parece mais simples implementar o movimento de transição nas porções verticais dos alinhamentos, em vez de nas curvas. Isso elimina a necessidade de os vagões girarem. Também faz sentido realizar o movimento de rolamento entre os vagões, em vez de dentro dos próprios vagões. Isso poderia ser feito com mecanismos de acoplamento entre os vagões que giram. O resultado é um trem com estruturas de vagões em forma de barril e vagões cúbicos (Figura 3). A progressão natural é moldar e dar forma aos trens para otimizar a aerodinâmica e reduzir o arrasto (Figura 4). Cada vagão possui oito conjuntos de rodas e se desloca sobre quatro trilhos.

Com uma altura e largura de 2.2 m para a estrutura da carruagem, o diâmetro da mesma, calculado de acordo com a geometria, é de 3.11 m, resultando em um diâmetro externo total de 3.5 m. O comprimento total da estrutura, também de 3.5 m, resulta em uma seção transversal quadrada do trem.

Estratégias de Movimento

Os requisitos de inclinação e rotação para configurações de loop simples, duplo e triplo são mostrados na Figura 5.

Estratégias de aceleração e velocidade

A aceleração máxima recomendada nos trechos verticais é de 1 g. Isso resultaria em um ambiente de 0 g nas acelerações de descida e desacelerações de subida, e um ambiente de 2 g nas desacelerações de descida e acelerações de subida (Figura 6). Acelerações superiores a 1 g "separariam" os passageiros do piso e exigiriam o uso de cintos de segurança. Com acelerações e desacelerações de 1 g, levaria 10.1 s para percorrer os 250 m entre as estações em nosso exemplo, e o trem atingiria uma velocidade máxima de 178 km/h. A Figura 6 mostra os tempos mínimos e as velocidades máximas para uma variedade de comprimentos de subida/descida. É óbvio que um ambiente de 1 g excederia o nível de conforto de alguns passageiros, portanto, estudos para determinar a aceleração máxima utilizável precisariam ser realizados.

O tempo de ciclo entre trens pode ser aproximado para o exemplo de 250 m. Estima-se que o carregamento e descarregamento dos trens nas estações levem de 20 a 30 segundos. Os trens também levariam cerca de 5 segundos para se deslocarem das estações e se posicionarem verticalmente antes das acelerações de subida/descida. Isso, somado aos 10 segundos de subida/descida, resulta em um tempo de ciclo estimado de 1 minuto entre trens nos horários de pico. Os deslocamentos dos trens e os tempos de ciclo podem ser reduzidos nos horários de menor movimento.

Engrenagens de potência/frenagem

O funicular articulado é uma série de trens conectados por cabos. Os cabos se estendem entre os trens e são enrolados em engrenagens, onde o alinhamento passa da horizontal nas estações para as subidas/descidas verticais (Figura 7). As engrenagens se conectam aos cabos e servem tanto para frear quanto para alimentar o sistema. As engrenagens são conectadas a geradores/motores que capturam energia durante a frenagem e alimentam o sistema durante o movimento.

Frenagem dinâmica, armazenamento de energia e extração de energia

Quando as cargas que descem são mais pesadas do que as que sobem, o funicular articulado captura a energia da frenagem dos trens (frenagem dinâmica) e a armazena. A energia armazenada é então usada para acelerar o funicular articulado quando as cargas que sobem são mais pesadas do que as que descem. A captura e reutilização de energia tornam o funicular articulado sustentável. Por exemplo, conforme a hora do almoço se aproxima, a maioria dos passageiros desce do edifício, e a energia necessária para frear o funicular articulado será armazenada e usada para alimentar os passageiros que sobem o edifício após o almoço.

Protótipo de construção

Para melhor explicar o funicular articulado, são apresentados um edifício protótipo e sua superestrutura (Figura 8). As dimensões da planta do edifício são 40 x 45 m, com uma altura de 620 m (cerca de 120 andares). Essa configuração apresenta um fator de esbeltez de 1/15.5 na direção transversal e 1/13.8 na direção longitudinal. O edifício possui quatro estações de funicular articulado: uma ao nível do solo, uma a 168 m de altitude, uma a 353 m de altitude e uma a 538 m de altitude.

Conceito de estação

As estações do funicular articulado têm 10 m de largura (de centro a centro das paredes) e três andares de profundidade (Figura 9). Os passageiros entram e saem dos trens pelo andar intermediário. De lá, os passageiros têm acesso a escadas rolantes para subir um andar (onde podem pegar elevadores para subir) ou descer um andar (onde podem pegar elevadores para descer). Portas nas estações, nos andares superiores e inferiores, dão acesso ao lado oposto do edifício. As engrenagens e os geradores/motores ficarão alojados dentro das estações.

Compatibilidade Estrutural

O funicular articulado se presta a um sistema estrutural eficiente, bem adaptado a arranha-céus altos e esguios e ao concreto de alta resistência. Faz sentido utilizar os corredores verticais que abrigam o funicular articulado como superestrutura, prática comum em núcleos centrais. Os segmentos verticais têm 6 m de largura (de centro a centro das paredes) e 10 m de comprimento. Isso resulta em dimensões internas livres de 8.5 x 4.5 m (paredes com 1.5 m de espessura), compatíveis com as seções transversais dos trens de 3.5 x 3.5 m. Também faz sentido utilizar as estações horizontais como superestrutura, prática comum em estruturas com pontes laterais. A combinação dos tubos verticais e horizontais forma uma megaestrutura tubular. Megatubos transversais são posicionados em cotas intermediárias entre as estações e no topo do edifício para garantir o desempenho estrutural. Esses tubos transversais intermediários estão localizados nas seguintes cotas: 78, 264, 449 e 615 m. O mesmo sistema estrutural é utilizado na direção perpendicular, e a simetria dá origem à megaestrutura tubular 3D (Figura 8). Todas as cargas do piso são transferidas para as quatro pernas verticais nos níveis da estação e dos tirantes com diagonais.

O comprimento do funicular articulado é função do número de vagões nos trens. Esse comprimento define a largura mínima do edifício na direção das estações e localiza um conjunto das pernas verticais da megaestrutura tubular.

A megaestrutura tubular permite uma variedade de formatos e tamanhos de laje. A Figura 10 ilustra três formatos genéricos e apresenta as taxas de área útil em forma de tabela. O funicular articulado ocupa metade da área de duas das colunas verticais, e espera-se que a outra metade dessas colunas seja utilizada como espaço para dutos. Faz sentido, portanto, acomodar os elevadores convencionais, escadas e dutos nas duas colunas restantes. Ao posicionar todo o sistema de transporte vertical e os dutos dentro das quatro colunas da estrutura, o restante da laje fica completamente livre, resultando em altas taxas de área útil.

Plano de Transporte Vertical

O plano de transporte vertical é uma combinação de um funicular articulado com três circuitos e quatro estações, e elevadores convencionais que ligam as estações (Figura 11). Os passageiros têm três opções de deslocamento. Podem utilizar o funicular articulado até uma estação e, em seguida, subir pelos elevadores convencionais; podem utilizar o funicular articulado até uma estação e, em seguida, descer pelos elevadores convencionais; ou podem utilizar os elevadores convencionais. A terceira opção pode exigir uma baldeação entre os diferentes circuitos de elevadores. Espera-se que essas múltiplas opções de deslocamento aumentem o fluxo de passageiros e reduzam o congestionamento.

O edifício possui 35 andares habitáveis ​​e dois andares técnicos, com 160 m de distância entre as estações. Portanto, estima-se que serão necessários cerca de seis elevadores entre as estações e quatro acima da estação mais alta. Isso resulta em um total de 22 elevadores para o edifício.

Desempenho Estrutural

A megaestrutura tubular é uma estrutura eficiente, pois quase todas as cargas são suportadas pelas quatro colunas verticais fixadas nas faces externas do edifício.

A superestrutura possui sete zonas verticais, e a espessura das paredes varia de 1.5 m na base a 0.3 m no topo. Análises estruturais realizadas com o software integrado de projeto de edifícios ETABS e uma velocidade do vento de 83 mph (37.1 m/s) indicam que é necessária uma resistência do concreto de 60-70 MPa com taxas mínimas de armadura.

As formas e os períodos dos cinco primeiros modos são mostrados na Figura 12. O Modo 1 está na direção de 40 m, o Modo 2 na direção de 45 m, o Modo 3 na direção de 40 m, o Modo 4 na direção de 45 m e o Modo 5 é de torção.

Velocidades de vento de 77.5 mph (34.6 m/s) resultam em taxas máximas de deslocamento entre andares de cerca de H/360 na direção de 40 m e H/540 na direção de 45 m, utilizando um módulo de elasticidade de 50 GPa.

Programas Arquitetônicos

A remoção do núcleo central cria a possibilidade de novos e empolgantes programas que ainda não foram incorporados em arranha-céus altos e esguios. Como os pavimentos são abertos, é possível programar salas de concerto, salas de conferência, teatros e piscinas no corpo do edifício.

A megaestrutura tubular oferece configurações arquitetônicas flexíveis e pode suportar muitas formas e formatos (Figura 13).

Conclusão

A vida vertical é e continua sendo uma realidade da vida urbana; portanto, soluções eficientes e sustentáveis ​​para arranha-céus altos e esbeltos são necessárias. O objetivo do funicular articulado e da megaestrutura tubular é aumentar a eficiência e a sustentabilidade, auxiliando no desenvolvimento de arranha-céus altos e esbeltos. O funicular articulado e a megaestrutura tubular oferecem:

• Número reduzido de poços de elevador
• Número reduzido de elevadores
• Aumento da velocidade de transporte de passageiros
• Redução dos custos de energia no transporte vertical devido à captura e reutilização de energia.
• Aumento do FAR (área útil locável/vendável)
• Redução dos custos imobiliários devido à menor dimensão das plantas dos andares na base dos edifícios.
• Um sistema estrutural eficiente que pode suportar índices de esbeltez de 1/15.5.

Altas velocidades, grande volume de passageiros e energia renovável fazem do funicular articulado o futuro dos elevadores. Chegou a hora de uma nova geração de sistemas de elevadores dar um passo à frente!

Referências
[1] Skyscrapercity, skyscrapercity.com [Acessado em abril de 2012]
[2] Population Reference Bureau, prb.org [Acessado em abril de 2012]
[3] Guardian, www.guardian.co.uk/news/data blog/2009/aug/18/percentage-population-living-cities [Acessado em abril de 2012]
[4] Binder, G. 101 dos edifícios mais altos do mundo, Images Publishing, 2006.
[5] Conselho de Edifícios Altos e Habitat Urbano (CTBUH), Centro de Arranha-céus CTBUH.
skyscrapercenter.com [Acessado em abril de 2012]
[6] Sarkisian, M. A influência da Torre Jin Mao nos novos edifícios altos inovadores da China, CTBUH, 2006.
[7] Xia, J., Poon, D. & Mass, DC Estudo de Caso: Torre de Xangai. CTBUH Journal, Edição II, 2010, p. 12-18.

Reproduzido da ElevadoresApresentado originalmente no 9º Congresso Mundial do CTBUH em Xangai, em 2012, e publicado pela primeira vez no livro. Ásia em Ascensão – A Era das Cidades Sustentáveis ​​com Arranha-céus sob o título “Funiculador articulado e a mega estrutura tubular”.