Elevador mais rápido – Uma competição em alta tecnologia

Como a corrida pela velocidade e altura nas indústrias de elevadores e construção contribuiu para a solução de muitos problemas e predeterminou a construção de edifícios a uma milha de altura.

Nas últimas duas décadas, temos observado uma tendência crescente na construção de edifícios altíssimos servidos por elevadores super-rápidos ou mesmo ultra-rápidos. Inicialmente, apresentamos uma visão geral desses edifícios e elevadores, seguida de uma análise das tecnologias avançadas associadas à implementação dessas instalações. Aparentemente, trata-se de uma competição acirrada entre os fabricantes de elevadores para alcançar o ápice tecnológico.

Por que a velocidade eleva

Ao longo do último século, observou-se uma tendência global de migração para cidades que crescem continuamente, transformando-se em áreas metropolitanas com um ou mais núcleos urbanos, frequentemente denominados distritos comerciais centrais (CBD). As características desses CBDs são a alta densidade populacional, o alto valor imobiliário e os bons sistemas logísticos, mas sempre com o problema de congestionamentos graves nos horários de pico. Como o CBD está superlotado de pessoas, está, naturalmente, superlotado de edifícios. A única maneira de aumentar a população de um CBD, pelo menos durante o horário comercial, é construir arranha-céus.

Pela Tabela 1, fica evidente a necessidade de elevadores mais rápidos para atender a esses edifícios, visto que as unidades percorrem distâncias maiores, tanto em elevadores expressos (com algumas paradas) quanto em elevadores que atendem a diferentes zonas. Como profissionais da área técnica, precisamos de uma análise mais quantitativa para entender o motivo. Portanto, vamos revisitar a famosa equação do tempo de ida e volta (RTT) de uma viagem típica de elevador durante o pico da manhã.

Um sistema de supervisão e controle de elevadores eficiente busca reduzir o RTT (tempo de trânsito) para aumentar a capacidade de atendimento (CA), pois são inversamente proporcionais. Na equação, P se refere ao número de passageiros dentro da cabine e t_p Refere-se ao tempo médio que cada passageiro leva para entrar ou sair do carro. P depende do tamanho do carro, que muitas vezes é limitado pela área do piso do edifício. t_s refere-se ao tempo de parada em relação a cada andar, consistindo no tempo de desempenho (T) menos o tempo para transitar por dois andares adjacentes na velocidade nominal (t)._vH refere-se ao maior número de paradas durante a viagem de ida e volta (apenas um dado estatístico), cujo valor aumenta com a altura do edifício. S é o número esperado de paradas durante a viagem de ida e volta, que é incontrolável a menos que o controle de alocação de chamadas por hall/destino seja acionado para agrupar passageiros com o mesmo destino, reduzindo significativamente S. Portanto, uma maneira eficaz de minimizar o RTT é fazer com que t_v menor, porque na equação, 2H é muito maior que (S + 1). Por definição, t_v = d_f/v, onde d_f é a distância entre andares e v é a velocidade nominal do elevador. Um valor maior de v (ou seja, uma velocidade maior) implica um valor menor de t._v.

Os recordes de velocidade apresentados na Tabela 2 já foram quebrados com a construção da Torre de Xangai (ELEVATOR WORLD, julho de 2013). Três dos 106 elevadores que servem a torre têm uma velocidade nominal de 1,080 m/min na subida, mas apenas 600 m/min na descida. Além disso, alguns dos elevadores de dois andares mais rápidos do mundo, com velocidade nominal de 600 m/min, foram instalados lá.

Em 21 de abril, a Hitachi anunciou que os elevadores mais rápidos do mundo, com velocidade de 1,200 m/min, serão instalados no Guangzhou CTF Finance Centre, um edifício de 530 metros de altura (EW, junho de 2014). Essas unidades percorrerão um vão de 440 metros de altura, do primeiro ao 95º andar, em aproximadamente 43 segundos. No entanto, esses são apenas dois dos 95 elevadores que atendem todo o edifício. Um arranha-céu é sempre um marco de uma megacidade, além de uma grande demonstração de poder por parte do proprietário; naturalmente, a instalação de elevadores ultrarrápidos em um edifício desse porte também demonstra o nível tecnológico do fabricante. Este artigo analisará as tecnologias desenvolvidas para viabilizar esses elevadores super ou ultrarrápidos.

Tração

Assim como o motor de um automóvel, o motor principal de um elevador é a máquina de acionamento/tração. Os elevadores de 1,010 m/min do Taipei 101 são acionados por um motor síncrono de ímã permanente (PMSM) de 650 kW com dois conjuntos de enrolamentos de estator e um conversor/inversor de grande capacidade, que pode suportar uma carga máxima no eixo de 77 T.[5] A máquina de acionamento/tração a ser instalada para o elevador de 1,200 m/min que atende o Guangzhou CTF Finance Centre também é do tipo PMSM. As máquinas de tração tradicionais são do tipo indução, mas para elevadores de altíssima velocidade, os enrolamentos passivos de gaiola de esquilo dentro do rotor precisam ser substituídos por ímãs permanentes de montagem superficial, enquanto os enrolamentos do estator se assemelham mais a um motor de indução trifásico padrão. Nesse caso, o campo magnético associado ao rotor é intrínseco; Não é produzido pelo campo magnético do estator e, portanto, possui uma eficiência muito maior devido à menor perda de cobre no rotor e à maior intensidade do campo magnético proveniente do rotor. Seu torque é, consequentemente, muito maior. Mais importante ainda, as relações potência/peso e torque/corrente são significativamente aumentadas, tornando os acionamentos de PMSM adequados para tais aplicações. Além disso, os acionamentos de PMSM podem operar em uma faixa de velocidade mais ampla com torque constante, algo necessário para elevadores. A razão pela qual um motor de altíssima potência é necessário para um elevador de altíssima velocidade reside nas seguintes equações simplificadas:

Aqui, J é o momento de inércia de todo o sistema em movimento; ω é a velocidade de rotação do rotor em rad/s, que é proporcional à velocidade do carro; T_D é o torque de acionamento fornecido pelo estator; T_L é o torque de carga, que inclui a resistência aerodinâmica; e P é a potência dissipada para acionar o rotor, que é quase equivalente à potência consumida pelo motor como um todo. Durante a operação, T_D é quase constante; portanto, P é proporcional a ω. Assim, durante a aceleração, quanto mais rápido o carro, maior o consumo de energia do motor. Em operação na velocidade nominal, a energia consumida é muito menor, porque T_D é igual apenas a T_L, embora P ainda dependa da velocidade.

Aerodinâmica e formato do carro

Assim como ocorre com trens que se movem em alta velocidade em túneis, o mesmo problema de aerodinâmica precisa ser enfrentado na engenharia de elevadores, mas a questão é, por vezes, mais séria devido à proporção relativamente menor entre a área da caixa do elevador e a área da cabina. O ruído aerodinâmico e a vibração excessiva (particularmente na faixa de 1 a 80 Hz, sensível ao ouvido humano) devido à força de arrasto exercida sobre a cabina em altíssima velocidade ascendente precisam ser mitigados. No início da década de 1990, duas equipes de pesquisa japonesas realizaram trabalhos experimentais preliminares para determinar o formato ideal da cabina.[4 e 8] Elas estudaram o ruído mecânico gerado no contato entre a cabina e os trilhos-guia, bem como o ruído devido ao fluxo de ar ao redor da cabina dentro de um poço estreito. Constatou-se que o ruído aerodinâmico aumentava proporcionalmente à quinta ou sexta potência da velocidade do ar ao redor da cabina; portanto, quanto maior a velocidade da cabina, maior o nível de ruído. Elas utilizaram uma abordagem em túnel de vento, na qual a cabina permanecia estacionária em meio ao ar em movimento.

O autor e seus parceiros de pesquisa realizaram uma série de simulações reais de carros em movimento, utilizando quatro modelos cilíndricos com diferentes formatos de topo e base (plano, esférico, cônico e parabólico), deslocando-se em um eixo cilíndrico com cerca de 10 m de altura e velocidades de até 780 m/min (Figura 1). Foram testadas duas proporções de bloco (razão entre a área da seção transversal do carro e a área do eixo) e diferentes proporções de abertura (razão entre a área das aberturas nas duas extremidades do eixo e a área do eixo). O sistema de estimativa de velocidade e pressão por velocimetria de imagem de partículas digitais (DPIV), uma técnica de medição óptica planar que mede a velocidade de partículas semeadas no ar (com tamanho entre 1 e 50 micrômetros) sobre um plano usando uma câmera CCD, foi adotado (Figura 2). A distribuição de pressão e velocidade do ar na frente do carro foi medida, e a conclusão descartou designs com topo e base planos para operação em altíssima velocidade. A preferência é por formatos parabólicos, seguidos por esféricos e cônicos. O teto e a base da cápsula aerodinâmica usada no Taipei 101 também têm formato parcialmente parabólico. Mas o carro precisava ser retangular para que o eixo retangular coubesse.

Além das considerações externas, o controle da pressão atmosférica e do ruído dentro da cabine é de extrema importância para o conforto dos passageiros. Há uma diferença de pressão atmosférica de 48 hPa entre o nível do solo e o 89º andar do Taipei 101. A cabine é hermética e todas as frestas são seladas com um barômetro interno controlado continuamente por um ventilador.[6] Durante uma subida, a variação da pressão dentro da cabine é limitada a 1.26 hPa/s com controle atmosférico, contra 2 hPa/s sem ele. Uma mudança rápida de pressão durante uma viagem de elevador em alta velocidade causa desconforto aos passageiros em termos de sensação de ouvido entupido e abafamento do som. Um método para medir o deslocamento e o movimento da membrana timpânica dos passageiros foi desenvolvido usando o método de sombreamento.[2] Concluiu-se que o tímpano geralmente se projeta para dentro durante a descida, e o limite do deslocamento médio do tímpano é de aproximadamente 2 mm quando a sensação de ouvido entupido se torna mais intensa. Por fim, ainda se ouve um chiado devido ao fluxo de ar ou ao ventilador em alta velocidade ao redor do carro, transmitido para o interior através do duto de ventilação. É necessário um sistema de cancelamento de ruído para manter o carro silencioso.

Vibração mecânica

Existem dois tipos de vibração mecânica: vertical e horizontal. A vibração vertical do elevador normalmente se deve à vibração lateral e ao movimento elástico durante a aceleração e desaceleração dos cabos de tração.[5] Um sistema servo e um cancelador de ondulação foram introduzidos para neutralizar a vibração causada pela elasticidade do cabo e pelas componentes de ondulação do torque do motor. A instalação de supressores contra a deflexão do cabo e o mecanismo de redução da velocidade da cabine durante a oscilação do edifício podem melhorar a vibração causada pelo movimento lateral dos cabos de tração. Além dos cabos de tração, a vibração dos cabos de compensação também é uma preocupação para aplicações de elevadores de altíssima velocidade, pois a oscilação de baixa frequência da estrutura do edifício pode excitar os cabos de compensação. O risco aumenta quando há ressonância entre a frequência natural dos cabos de compensação e a do edifício durante um terremoto ou tempo ventoso, resultando em grandes deslocamentos dos cabos, pois os cabos de compensação normalmente são submetidos a baixas tensões e frequentemente sofrem vibrações de baixa frequência e grande amplitude. As frequências naturais desses cabos aumentam com a diminuição do comprimento. Foram sugeridas duas soluções imperfeitas: um aumento no peso do conjunto da polia compensadora e um aumento na velocidade da cabine do elevador.

A vibração horizontal do elevador é causada por pequenas curvas, dobras e irregularidades nos trilhos-guia. Para compensar isso, foi desenvolvido um amortecedor de massa ativo (AMD, na sigla em inglês) que utiliza um sensor de aceleração para monitorar a vibração horizontal e um peso móvel acionado por um motor linear. Amortecedores de massa sintonizados (absorvedores harmônicos) são frequentemente instalados no topo de arranha-céus, programados para se moverem e neutralizarem as oscilações da estrutura do edifício causadas por vento e terremotos, por meio de molas, sistemas hidráulicos ou pêndulos. Um desses amortecedores está instalado no Taipei 101, entre os 87º e 88º andares, embora seja incomum a aplicação de um amortecedor desse tipo em uma cabine de elevador. Ao acionar o amortecedor de massa sintonizado, a vibração lateral pode ser reduzida em 2 a 3 cm/s.²Dito isso, the source É preciso lidar com a vibração lateral, e isso envolve um novo tipo de guia de rolos, de forma que a força geral do trilho guia seja totalmente absorvida por molas macias fixadas aos rolos, enquanto a força impulsiva seja absorvida por um contrapeso para diminuir a vibração em 25% a 10 Hz e 65% a 30 Hz.

Dispositivos de segurança

O sistema de frenagem de emergência de um elevador é seu principal dispositivo de segurança. Quando uma cabine totalmente carregada, em movimento descendente a uma velocidade 15% superior à nominal, é freada repentinamente, o sistema de segurança precisa absorver toda a energia cinética inicial instantânea (0.5 mv²).²) de todo o sistema mecânico, além da liberação adicional de energia potencial ao longo da distância de frenagem. Essa energia é dissipada nas sapatas de segurança do equipamento de segurança. Para o dispositivo de segurança do Taipei 101, a velocidade operacional projetada é de 1,275 m/min com um peso máximo aplicável de 22.7 T, enquanto a energia máxima de frenagem é de 13.7 MJ. A temperatura da superfície da sapata pode chegar a 1,000 °C, exigindo características especiais de resistência ao calor e ao desgaste. Ao mesmo tempo, será adotado um novo tipo de regulador, no qual esferas leves são montadas diretamente dentro da polia motriz, de modo que girem juntas para detectar uma situação de sobrevelocidade.

Em relação aos amortecedores hidráulicos, de acordo com a norma internacional, o curso mínimo possível deve ser pelo menos igual ao dobro da distância de parada por gravidade, correspondendo a 115% da velocidade nominal (ou seja, 0.135 v).², onde v é medido em m/s). Portanto, o curso de um amortecedor convencional para o elevador ultrarrápido do Taipei 101 deve ser 0.135 (1.15 * 600/60)² = 18 m, porque a velocidade de descida é reduzida para 600 m/min. Em vez de perfurar um poço profundo, utiliza-se um amortecedor de óleo telescópico de três estágios, o que permite reduzir o comprimento total em 40% (com base em uma velocidade máxima de impacto de 679 m/min e uma massa máxima aplicável de 11.4 T). Assim, obtém-se um comprimento total de 10 m com um curso de 6 m.

Conclusão

Neste momento, é difícil prever o limite máximo de velocidade no futuro. No entanto, voltemos à proposta de Frank Lloyd Wright, de 1956, para a construção de um edifício de 1 milha de altura, o Illinois, com 1,609 m de altura. Suponhamos que uma taxa de aceleração/desaceleração de 1.2 m/s², confortável e tolerável para passageiros comuns, seja usada no elevador que serve este edifício e que se deseje o menor tempo de percurso, do térreo ao telhado. A velocidade máxima atingida no meio do edifício, a 805 m do solo, seria de 44 m/s, e o tempo total de percurso seria de 73 s. Com base em dados do Conselho de Edifícios Altos e Habitat Urbano (CTBUH), a Kingdom Tower em Jeddah, Arábia Saudita, provavelmente será concluída em 2019 com 1,000 m de altura, enquanto o recorde mundial de altura de edifícios em 2000 era inferior a 500 m. Em outras palavras, o recorde mundial terá sido duplicado em 20 anos. Não podemos descartar a possibilidade de que o edifício de uma milha de altura seja construído por volta de 2030. Até lá, uma revolução no recorde de velocidade de elevadores será inevitável.

Referências
[1] Barney, GC e Dos Santos, SM Análise, projeto e controle do tráfego de elevadores, Peregrinus em nome da IEE, Londres, 1985.
[2] Funai, K.; Hayashi, Y.; Koizumi, T.; e Tsujiuchi, N. “Análise do comportamento da membrana timpânica e do desconforto da pressão auricular em elevadores de alta velocidade”, EW, abril de 2006.
[3] Kaczmarczyk, S. “A resposta dinâmica dos cabos de compensação de elevadores em edifícios altos”, EW, julho de 2009.
[4] Matsukura, Y.; Watanabe, E.; Sugiyama, Y.; e Kanamori, O. “Novas técnicas mecânicas para elevadores de super-alta velocidade”, Tecnologia de elevadores 4, Anais do ELEVCON, IAEE, 1992.
[5] Munakata, T.; Kohara, H.; Takai, K.; Sekimoto, Y.; Ootsubo, R.; e Nakagaki, S. “O elevador mais rápido do mundo”, EW, setembro de 2003.
[6] Nakagawa, T.; Nakamura, M.; Matsuo, S.; e Togashi, N. “A inspeção de elevadores de 1010 m/min no edifício Taipei 101 7 anos após o início da operação”, Elevator Technology 19, Anais do ELEVCON, IAEE, 2012.
[7] Shen, GX; So, A.; e Bai, HL “Trabalhos de pesquisa sobre elevadores de super-alta velocidade”, EW, abril de 2004.
[8] Teshima, N.; Miyasako, K.; e Matsuda, H. “Estudos experimentais e numéricos sobre elevadores de ultra-alta velocidade”, Tecnologia de elevadores 4, Anais do ELEVCON, IAEE, 1992.