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Tempo per un cambiamento

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Questo articolo è il seguito di "Funiculator articolato: la metropolitana del cielo" (ELEVATOR WORLD, agosto 2013) e il primo della serie Vision 21. …Editor

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

La sicurezza dell'ascensore meccanico è stata inventata da Elisha Graves Otis nel 1854 e nel 1857 il primo ascensore per passeggeri è stato costruito in un edificio di cinque piani. Nel 1900, Otis Brothers & Co. introdusse il primo ascensore di produzione. Da quel momento, il concetto di trasporto verticale negli edifici alti è rimasto lo stesso. Durante questo stesso periodo, l'industria aeronautica è passata dal nulla ai jet intercontinentali a due piani ad alta quota e ai bombardieri stealth, mentre il trasporto orizzontale è passato dalle carrozze trainate da cavalli agli autobus alimentati a gas naturale e ai treni proiettili a levitazione magnetica. L'elettronica è passata dal nulla ai personal computer, ai televisori ad alta definizione e ai telefoni cellulari 4G, mentre l'industria aerospaziale ha portato gli uomini sulla luna. Forse è giunto il momento di un approccio nuovo e innovativo al trasporto verticale negli edifici alti.

Compagnia di due; Tre è una folla

Il concetto di trasporto di persone e merci tra i livelli tramite ascensori era 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 raggruppamento degli ascensori in una lobby centrale. Il metodo ha migliorato l'efficienza e ridotto i tempi di attesa. La velocità dell'ascensore è aumentata nel tempo, ma è rimasto il concetto originale di una singola scatola all'interno di un vano verticale. Ne consegue che le pareti intorno agli ascensori potrebbero essere utilizzate come elemento strutturale primario per i carichi verticali e orizzontali, che portano al nucleo centrale.

Man mano che gli edifici aumentavano di altezza, il nucleo centrale divenne inadeguato a sostenere i carichi orizzontali e per aiutare furono impiegati sistemi strutturali aggiuntivi posizionati sul perimetro dell'edificio, ad esempio telai in acciaio e cemento, telai controventati e pareti in cemento. Incanalare più carichi sul perimetro dell'edificio aumenta la posizione dell'edificio e aumenta assiomaticamente l'efficienza nella resistenza ai carichi orizzontali. Gli ingegneri strutturisti dei grattacieli parlano spesso di modi sofisticati e ingegnosi per spostare più carichi sul perimetro dell'edificio, perché qualsiasi importo spostato aiuta. Tuttavia, questo obiettivo finale è difficile da realizzare finché esiste un nucleo centrale.

Il connubio tra ascensori convenzionali, nucleo centrale e telaio perimetrale è una sfida negli edifici alti. All'aumentare dell'altezza degli edifici, aumenta anche il numero di ascensori, che a sua volta aumenta la dimensione fisica del nucleo. Alla fine, il nucleo dell'ascensore occupa gran parte del piano dell'edificio. Tuttavia, la posizione del nucleo, non importa quanto grande, è inferiore alla lunghezza e alla larghezza dell'edificio e non è sufficiente per stabilizzare l'edificio da solo. Gli ingegneri strutturisti progettano sistemi complessi, come stabilizzatori, per spostare i carichi sul perimetro dell'edificio.

L'inadeguatezza del nucleo centrale come sistema strutturale negli edifici alti porta a sistemi strutturali aggiuntivi al perimetro dell'edificio. Questa evoluzione ha posto il trasporto verticale al centro dello sforzo progettuale e ha costretto i programmi architettonici e strutturali a seguirne l'esempio. A volte sembra che la coda stia scodinzolando. Forse una metodologia migliore e più efficiente sarebbe quella di mettere prima i programmi architetturali e strutturali, quindi progettare i sistemi di trasporto verticale per adattarli.

È tempo di porre fine a questo ménage à trois e formare una nuova relazione, che utilizzi sistemi strutturali che mettano tutti i carichi sul perimetro dell'edificio e un nuovo e innovativo sistema di trasporto verticale che si inserisca in quel sistema strutturale. Ogni ascensore convenzionale richiede i propri binari, cavi, motore e vano. È tempo di eliminare questa ridondanza e utilizzare un nuovo sistema di trasporto verticale che condivida gli stessi binari, cavi, motori e alberi. Il funicolare articolato e il mega telaio tubolare (EW, agosto 2013) portano soluzioni nuove e fantasiose al trasporto verticale e ai sistemi strutturali per i grattacieli. Le nuove idee non sono mai sbagliate quando l'obiettivo è far progredire la scienza.

Spingendo per livelli di efficienza più elevati nei grattacieli, il funicolare articolato e il mega telaio tubolare sono stati sviluppati insieme, poiché sono compatibili. Uno può essere utilizzato senza l'altro e il mega telaio tubolare può essere utilizzato solo con ascensori convenzionali. Sono presentati qui insieme, perché insieme hanno il potenziale per spingere la progettazione di edifici alti a livelli nuovi e più elevati di efficienza e sostenibilità.

Il funicolare articolato è un nuovo e innovativo sistema di trasporto verticale per edifici alti. È un sistema continuo e connesso di “treni” ad alta velocità che muove le persone in massa, una “metropolitana del cielo”. I treni sono separati da una certa distanza (ogni 100 m, ad esempio) e giacciono orizzontali a specifici livelli del pavimento designati come "stazioni". Queste stazioni sono separate, ad esempio, da ogni 100 m di altezza verticale dell'edificio.

I treni passano da allineamenti orizzontali a allineamenti verticali tra le stazioni, anche se i passeggeri rimangono in piedi. I treni salgono e scendono su binari che serpeggiano da un lato all'altro dell'edificio. I binari passano insieme nella parte inferiore e superiore dell'edificio e formano un ciclo continuo.

Il mega telaio tubolare è un nuovo e innovativo sistema strutturale per edifici alti. È costituito da grandi alberi cavi verticali, mega colonne e pareti stabilizzatrici. Le megacolonne si trovano lungo il perimetro dell'edificio e il loro numero varia a seconda della pianta dell'edificio. Forniscono tutto il supporto verticale e trasportano tutto il peso dell'edificio sul perimetro dell'edificio, rendendo il mega telaio tubolare uno dei sistemi strutturali per edifici alti più efficienti al mondo. Tutti i carichi vengono trasferiti alle megacolonne lungo la lunghezza dell'edificio. Le mega colonne sono collegate con pareti a livello del pavimento come necessario per la stabilità. Le megacolonne cave ospitano il funicolare articolato e ascensori convenzionali raggruppati che servono i piani tra le stazioni funicolari articolate.

Influenzare il futuro dei grattacieli

Il funicolare articolato e il mega telaio tubolare sono adatti per influenzare positivamente il futuro della progettazione, costruzione e funzionamento di edifici alti. Lo sviluppo del raggruppamento degli ascensori e delle tecnologie dei portali supera la necessità di organizzare tutti gli ascensori in un'area centrale poiché i passeggeri vengono indirizzati a specifici ascensori che condividono destinazioni simili. Non fa differenza se gli ascensori si trovano in un nucleo centrale o sono distribuiti lungo il perimetro dell'edificio. Ciò apre la strada allo smantellamento del nucleo centrale, l'elemento strutturale primario negli edifici alti, e al trasferimento del suo materiale nel perimetro dell'edificio dove è possibile realizzare efficienze strutturali.

L'aumento dell'efficienza strutturale ridurrà la quantità di materiale strutturale, che a sua volta ridurrà i costi dei materiali e accelererà la costruzione della sovrastruttura. Il mega telaio tubolare riduce il numero di componenti nella sovrastruttura. Ad esempio, il sistema di stabilizzazione necessita di un nucleo centrale, mega colonne, stabilizzatori, collegamenti stabilizzatori, capriate a nastro e controventatura orizzontale del pavimento. Il mega telaio tubolare richiede solo mega colonne e pareti. I sistemi di stabilizzazione hanno mega colonne sul perimetro dell'edificio che richiedono spazio. Poiché questo spazio è già utilizzato, lo spazio necessario per il mega telaio tubolare è scontato, il che aumenta l'efficienza dello spazio. Il mega telaio tubolare invita a piastre del pavimento più strette, rapporti di superficie utile più elevati, rapporti di snellezza più elevati e nuovi programmi architettonici mai prima possibili. Supporta le tecnologie degli ascensori convenzionali, sebbene possano essere necessari allineamenti di ascensori curvi e/o inclinati. Questo sembra fattibile con la comprensione e la tecnologia degli ascensori del 21° secolo.

Il funicolare articolato sfrutta l'area in pianta ridotta al minimo offerta dal mega telaio tubolare. I treni articolati a funicolare condividono gli stessi binari, alberi, cavi e motori, il che aumenta l'efficienza. La velocità del funicolare articolato dovrebbe facilitare l'evacuazione degli occupanti e aggiungere benefici in situazioni di emergenza.

Il funicolare articolato è adatto per edifici di tutte le altezze. Una configurazione a un ciclo funzionerebbe e trarrebbe vantaggio da un edificio alto 100 m. Man mano che la struttura diventa più alta, il concetto consente l'espansione di ulteriori stazioni alla città verticale. Questo è analogo a un'estensione della metropolitana in una città orizzontale. Questo tipo di strategia promuove l'occupazione anticipata e il flusso di cassa anticipato associato.

Prototipi e confronti di edifici

Per dimostrare le efficienze intrinseche del funicolare articolato e del mega telaio tubolare, sono stati realizzati un prototipo di edificio alto 620 m, un prototipo di 999 m di altezza, un prototipo di 800 m di altezza e un prototipo di 540 m di altezza. sviluppato. I prototipi vengono confrontati con gli edifici Burj Khalifa, Kingdom Tower, 1 Dubai, Ping An IFC e Guangzhou IFC. I confronti non cercano di eguagliare la bellezza e la grandezza di queste torri, ma, piuttosto, cercano di mostrare innovazioni che sembrano avere un senso. Le innovazioni sono state esaminate da un team di architetti, ingegneri, società di ascensori e altri di fama mondiale.

Il prototipo, alto 620 m, è rettangolare con quattro colonne scatolari e descrive le basi del funicolare articolato e del mega telaio tubolare. I concetti non sono del tutto nuovi, ma i tempi sono cambiati rispetto ai suggerimenti precedenti e gli edifici alti sono cresciuti in numero e altezza. Questa esplosione richiede innovazione se vogliamo gestire il ritmo. Il movimento dei passeggeri è gestito dal funicolare articolato e dagli ascensori convenzionali, tipico di tutti gli esempi. Il funicolare articolato scorre all'interno delle colonne cave, anch'esse tipiche. Vengono mostrate le stazioni ferroviarie orizzontali, sebbene siano possibili anche stazioni verticali.

Il prototipo alto 999 m è triangolare con tre colonne scatolate e dimostra gli estremi delle innovazioni in altezza e snellezza. Il funicolare articolato e gli ascensori convenzionali sono collocati all'interno delle grandi colonne cave situate al perimetro dell'edificio e accompagnano i passeggeri alla sommità dell'edificio. La funicolare articolata ispira compattezza nella forma, perché i treni condividono le stesse risorse. Questa compattazione allunga naturalmente l'edificio e sposta il piano più alto occupato nella parte superiore dell'edificio.

Il prototipo alto 800 m è scolpito con otto colonne scatolari e dimostra la praticità delle innovazioni. I piani aperti offrono programmi architettonici mai prima d'ora possibili, ad esempio, alti atri al piano terra, sale da concerto, centri congressi, grandi piscine e cinema. La speranza è quella di creare una vera città verticale con una varietà di programmi.

L'edificio prototipo alto 540 m è ellittico con otto colonne scatolari e dimostra la bellezza delle innovazioni. La bellezza architettonica cerca soluzioni efficienti e le piante ellittiche aiutano a portare la luce del giorno negli spazi interni. L'edificio appare molto leggero, in parte a causa di un rapporto di snellezza.

L'edificio prototipo, alto 225 m, è composto da tre torri inclinate che si sostengono a vicenda e dimostra la forza e la flessibilità del mega telaio tubolare. L'assenza del nucleo centrale favorisce nuove forme edilizie e programmi architettonici.

Curve e inclinazioni presentano sfide con gli scenari di soli ascensori convenzionali. Il mega telaio tubolare supporta gli ascensori convenzionali senza il funicolare articolato nella maggior parte delle situazioni. Il prototipo di 800 m di altezza, il prototipo di 620 m di altezza, il prototipo di 540 m di altezza e i prototipi di 225 m di altezza sono esempi. Tuttavia, questi edifici richiederebbero allineamenti di ascensori inclinati e/o curvi, che oggi non sono spesso utilizzati. La linea retta verticale è una solida forma geometrica, ma se il nostro futuro è limitato a questo, siamo nei guai. È il 21° secolo, dopotutto.

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Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara e Peter Severin

Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara e Peter Severin

Fritz King è uno sviluppatore aziendale per strutture grandi e complesse presso Tyréns AB, uno studio di ingegneria svedese. King ha 30 anni di esperienza internazionale nell'analisi, progettazione e costruzione di strutture complesse in acciaio e calcestruzzo. La sua esperienza include grattacieli, centrali elettriche e arene. Ha una laurea in ingegneria architettonica presso l'Università del Colorado e un master in ingegneria strutturale presso la Cornell University.

Mats Lundström è un ingegnere strutturale presso Tyréns AB e ha conseguito un master in ingegneria strutturale presso l'Università di Lund in Svezia. Lundström ha esperienza con una varietà di edifici in Svezia, tra cui diversi grattacieli (25-50 piani), l'Arena di Stoccolma e un nuovo sistema di costruzione modulare in fase di sviluppo per abitazioni multi-unità da sei a otto piani in legno prefabbricato.

Sirpa Salovaara ha 20 anni di esperienza in questioni sociali e culturali, avendo lavorato per l'Università di Stoccolma, Berlitz International e l'Ambasciata dell'Ufficio del Turismo Egiziano. La sua specialità è l'implementazione di idee nelle realtà della società. Fornisce un collegamento tra ingegneri, inventori, autori e mercati guidati dalla sociologia e assiste gli imprenditori nello sviluppo e nell'implementazione di idee proprietarie.

Peter Severin è un ingegnere strutturale presso Tyréns AB. Ha un master in ingegneria strutturale presso il Royal Institute of Technology di Stoccolma e ha lavorato su diversi grattacieli in acciaio e cemento armato.

Mondo Ascensore | Copertina ottobre 2013

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