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28 elevatori 2013 - marzo / aprile • march / april

1. ABSTRACTAs building heights increase, so does the number of elevators, elevator shafts, associated energy usage and the elevator wait and travel times. The loss of rentable/sellable floor space and escalating energy costs challenges the viability of high-rise buildings. This paper explores a new and innovative solution to vertical transportation, the Articulated Funiculator. The Articulated Funiculator is a continuous and connected system of “trains” that moves people in masse, a “Sky Subway.” The trains lie horizontal at specific floor levels designated as “sta-tions” and transition from horizontal alignments at the stations to vertical alignments between the stations, albeit the train cars and passengers remain horizontal in a standing position. The Articulated Funiculator captures the energy from the braking of the trains and stores it. The stored energy is then used to accelerate the Articulated Funiculator. The Articulated Funicu-lator requires only two vertical shafts, decreases the amount of conventional elevators, increases rentable/sellable floor space percentages, reduces wait and travel times and is sustainable making it the way of the future.

Key words: Articulated Funiculator, Vertical Transportation, Sustainable, Dynamic Braking, Tubed Mega Frame.

2. VERTICAL LIVING: A FACT OF LIFE The number of high-rise buildings has tripled in the past 30 years. In 1982 the amount of completed high-rise buildings was 2,091, in 1992 it was 3,048, in 2002 it was 4,306 and this year, 2012, we have 7,409 and the number is increasing rapidly all over the world. (Skyscrapercity, 2012)The world has experienced unprecedented urban growth in recent decades. In 2008, for the first time, the world's population was evenly split between urban and rural areas. There were more than 400 cities with over 1 million inhabitants and 19 cities over 10 million. Developed nations were about 74 % urbanized while 44% of the inhabitants of less developed countries lived in urban areas. However, urbanization is occurring rapidly in many less developed countries. It is expected that 70% of the world population will be urbanized by 2050 and most of that urban growth will occur in less developed countries. (Population Reference Bureau, 2012) In 1950, 79% of the population of the UK lived in cities, already a large figure, but one which is set to rise to 92.2% by 2030. Elsewhere, China's percentage rose from 13% to 40.4% between

1. SOMMARIOCon l’aumentare delle altezze degli edifici, aumenta anche il numero di ascensori, vani elevatore, uso di energia associato e i tempi di attesa e viaggio degli elevatori. La perdita di superfici affittabili/vendibili e l’aumento dei costi energetici mette alla prova la viabilità all’interno dei grattacieli. Questo articolo esplora una soluzione nuova e innovativa al trasporto verticale, l’Articulated Funiculator. L’Articulated Funiculator è un impianto continuo e connesso di “treni” che spostano persone in massa, una “Metropolitana del cielo”. I treni sono disposti orizzontal-mente su piani specifici designati come “stazioni” e transitano da allineamenti orizzontali nelle stazioni ad allineamenti verticali tra stazioni, sebbene le cabine dei treni e i passeggeri restino orizzontali e in piedi. L’Articulated Funiculator ricava l’energia dai freni dei treni e la immagazzina. L’energia immagazzinata viene poi utilizzata per accelerare l’Articulated Funiculator. L’Ar-ticulated Funiculator richiede solo due vani verticali, diminuisce la quantità di elevatori tradizionali, aumenta la percentuale di superfici affittabili/vendibili, riduce i tempi di attesa e viaggio ed è sostenibile, risultando quindi ideale per il futuro.

Parole chiave: Articulated Funiculator, trasporto verticale, sostenibile, frenata dinamica, Megatelaio a canale.

2. ABITARE IN VERTICALE: UN DATO DI FATTO Il numero di edifici alti si è triplicato negli ultimi 30 anni. Nel 1982 la quantità di grattacieli completati era pari a 2.091, nel 1992 era 3.048, nel 2002 era 4.306 e nel 2012, siamo arrivati a 7.409 e il numero è in rapido aumento in tutto il mondo. (Sky-scrapercity, 2012)A livello mondiale, si è assistito a una crescita urbana senza precedenti negli ultimi decenni. Nel 2008, per la prima volta, la popolazione mondiale era equamente suddivisa tra aree urbane ed aree rurali. C’erano più di 400 città con oltre 1 milione di abitanti e 19 città con oltre 10 milioni. I paesi sviluppati erano per circa il 74 % urbanizzati mentre il 44% degli abitanti dei paesi meno sviluppati viveva in aree urbane. Tuttavia, l’urbanizzazione si sta rapidamente verificando in molti paesi meno sviluppati. Si prevede che il 70% della popolazione mondiale sarà urbanizzata entro il 2050 e la maggior parte della crescita urbana si verificherà nei paesi meno sviluppati. (Population Reference Bureau, 2012) Nel 1950, il 79% della popolazione del Regno Unito viveva in città, già un grande numero, ma che si prevede salirà sino al 92,2% entro il 2030. In altre zone, la percentuale della Cina è passata

Articulated Funiculator

Articulated Funiculator

Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara, Peter Severin

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the years 1950-2005 and is predicted to rise to 60.3% by 2030. But it's Botswana that has experienced the largest influx. Next year, 61.2% of its population are expected to live in urban areas yet back in 1950 only 2.7% of Botswanans lived in cities. (Guardian, 2012)In China and South East Asia many mega cities are being built and the number of skyscrapers is constantly increasing: vertical living is and will continue to be a fact of life. Efficient high-rise buildings that save energy and space are in demand more than ever before. The Articulated Funiculator and the tubed mega frame is one solution to meet this growing demand.

Table 1 - Overview of current tall buildings. Usable floor area ratio is defined as the floor plate area minus the core area minus jumbo columns.

dal 13% al 40,4% negli anni 1950-2005 e si prevede salirà al 60,3% entro il 2030. Ma è il Botswana che ha sperimentato il più ampio influsso. Il prossimo anno, si prevede che il 61,2% della sua popolazione vivrà in aree urbane ma nel 1950 solo il 2,7% degli abitanti del Botswana vivevano in città. (Guardian, 2012)In Cina e nella zona sud-orientale dell’Asia sono in costruzione molte megacittà e il numero di grattacieli è in costante crescita: l’abitare in verticale è e continuerà ad essere un dato di fatto. I grattacieli efficienti che risparmiano energia e spazio sono richiesti come mai prima d’ora. L’Articulated Funiculator e il mega telaio a canale sono una soluzione per rispondere alla crescente domanda.

Tabella 1 - Panoramica degli attuali grattacieli. Il rapporto della superficie utilizzabile è definito come l’area di piano meno l’area centrale meno le colonne di grandi dimensioni.

Nome / Name Città / City Altezza Height (m)

Piani Floors

Completam.Compleated

Numero totale di ascensoriTotal number of elevators

Velocità dell’ ascensore di sommitàTop elevator speed (m/s)

Larghezza dell’edificioBuilding width (m)

Largh.del nucleoCore width (m)

Piastra di baseFloor plate (m2)

AreacentraleCore area (m2)

Rapporto dell’area utilizzabile Useble floor area ratio

Fattore di snellezza dell’edificioBuilding slenderness factor

Ping An IFC Shenzhen 660 115 2015 76 10 56 30 2925 964 0,670 1/12

Shanghai Tower Shanghai 632 121 2014 106 18 65 30 2463 996 0,596 1/10

Chicago Spire Chicago 610 150 - 60 28 2400 975 0,594 1/10

Taipei 101 Taipei 508 101 2004 61 16,8 56 30 3190 1084 0,660 1/9

Shanghai World Financial Center Shanghai 492 101 2008 91 10 58 30 3334 882 0,735 1/9

International Commerce Centre

Hong Kong 484 108 2010 83 9 52 28 2555 792 0,690 1/10

Petronas Towers Kuala Lumpur 452 88 1998 39 7 56 23 2356 600 0,745 1/8

Jin Mao Tower Shanghai 421 88 1999 61 9 54 27 2356 602 0,744 1/8

Two International Finance Centre Hong Kong 412 88 2003 62 10,6 55 26 2196 675 0,693 1/8

CITIC Plaza Gunagnzhou 390 80 1996 36 - 47 24 2190 598 0,727 1/8

Taken from (Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 2012), (Binder, 2006), (Sarkisian, et al., 2006), (Xia, et al., 2010)Aree e misure ricavate dalle piante dei piani. / The areas and measurements are scaled from the floor plans.

3. RETHINKING VERTICAL TRANSPORTATIONThe skyscraper was born with the invention of the elevator in the 1850s and the electric elevator in 1880s. The concept of tran-sporting people and goods between floor levels was innovative and propelled the development of the skyscraper. As buildings grew in height, so did the number of elevators and the concept of clumping the elevators into a central lobby was introduced. Banking elevators improved efficiency and reduced wait times. Elevator speeds increased over time but the original concept of a single box inside a vertical shaft remained the same. In tall and super tall buildings this concept of vertical transportation requires many elevators and shafts and this demand diminishes the amount of leftover rentable/sellable floor space. This draw-back is compounded by longer wait/travel times and higher energy consumption. It appears that as the height of buildings increase the current concept of vertical transportation needs to be rethought. It is apparent that tall and super tall buildings are analogous to vertical cities. In a horizontal city it is common to have residences, offices, hotels, shopping malls, movie theaters, hospitals and the like and it is common and logical to use buses and subways as

3. RIVEDERE IL TRASPORTO VERTICALEIl 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 diversi livelli di piano era innovativo e promosse lo sviluppo del grattacielo. Con il crescere in altezza degli edifici, lo stesso risultato si è avuto per il numero di ascensori e venne introdotto il concetto di riunire gli ascensori in un atrio centrale. Le batterie di ascensori hanno migliorato l’efficienza e ridotto i tempi di attesa. La velocità degli ascensori è aumentata nel tempo ma il concetto originale di una singola cabina all’interno di un vano verticale è rimasto invariato. Negli edifici alti e super-alti questo concetto di trasporto verticale richiede molti ascensori e vani e questa esigenza diminuisce la quantità di superficie vendibile/affittabile rimanente. L’inconveniente è composto da tempi di attesa/viaggio più lunghi e ha un consumo di energia superiore. Sembra che con il crescere dell’altezza degli edifici, l’attuale idea di esigenze di trasporto verticale debba essere rivista. Sembra che edifici alti e super-alti siano analoghi a città verticali. In una città orizzontale è normale avere residenze, uffici, hotel, centri commerciali, cinema, ospedali e strutture simili ed è un fatto diffuso e logico utilizzare autobus e metropolitane come mezzo

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a means of transportation. The same logic and common sense applies to vertical cities and if elevators are buses then the Articulated Funiculator is the subway.

4. ARTICULATED FUNICULATOR CONCEPTThe Articulated Funiculator (Figure 1) is a series of trains sepa-rated by some distance, for example every 250 meters. The trains lie horizontal at specific floor levels designated as “stations” and these stations are separated by, for example, every 250 meters of vertical building height. The trains transition from horizontal alignments at the stations to vertical alignments between the stations, albeit the passengers remain in a standing position. The trains ascend and descend on tracks that snake from one side of the building to the other. As shown in Figure 1, as the up-bound tracks traverse right, up and left, the down-bound tracks traverse left, down and right. The tracks transition together at the bottom and top of the building and make a continuous loop. The Articulated Funiculator stops at all up-bound and down-bound stations simultaneously, unloads and loads passengers, and proceeds up and down to the next stations. Intermediate floors between stations are serviced by conventional elevators.

di trasporto. La stessa logica si applica alle città verticali e se gli ascensori possono essere paragonati a degli autobus, allora l’Ar-ticulated Funiculator può essere assimilato a una metropolitana.

4. CONCETTO DI ARTICULATED FUNICULATORL’Articulated Funiculator (Figura 1) è una serie di treni separati da una certa distanza, ad esempio ogni 250 metri. I treni sono disposti orizzontalmente su specifici livelli designati come “sta-zioni” e queste stazioni sono separate, ad esempio, ogni 250 metri di altezza verticale dell’edificio. I treni passano dalle stazioni con allineamento orizzontale alle stazioni con allineamento verticale, sebbene i passeggeri restino in posizione verticale. I treni salgono e scendono sui binari che serpenteggiano da un lato dell’edificio all’altro. Come illustrato nella Figura 1, poiché i binari in salita attraversano a destra, in alto e a sinistra, i binari diretti in basso attraversano a sinistra, in basso e a destra. Il punto di passaggio dei binari nella parte alta e bassa dell’edificio è uguale e creano un circolo continuo. L’Articulated Funiculator ferma a tutte le stazioni in salita e in discesa simultaneamente, scarica e carica i passeggeri e procede verso l’alto o il basso verso le stazioni successive. I piani intermedi tra le stazioni sono serviti da elevatori tradizionali.

Figura 1 – Schizzi progettuali dell’Articulated FuniculatorFigure 1 – Articulated Funiculator concept sketches

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5. TRAIN CONCEPTThe Articulated Funiculator is a series of trains made of train cars and the train cars house the passenger carriages and the carriage frames. The Articulated Funiculator is designed so that the passengers remain standing even though the train alignment transitions from horizontal to vertical. This means that the carriages will need to pitch inside the carriage frames. In addition, the Articulated Funiculator needs to move in such a way as to allow for the transition alignments at the tops and bottoms of buildings.Movement studies of the transi-tions at the top and bottom of the buildings (Figure 2) shows that a passenger carriage could expe-rience rotation around three axes, pitch, roll and yaw (Figure 3). The motion study concludes: 1.) that the carriages will need to pitch in order for the passengers to remain standing, 2.) the carriages will need to roll and yaw to facilitate the transition in the curved portion

of the alignments, and 3.) the carriages will need to (only) roll to facilitate the transition in the vertical portions of the alignments. The concept to facilitate these motions is to have a cube (cuboid) shaped passenger carriage inside a spherical carriage frame. A cuboid carriage could pitch, roll and yaw inside a spherical frame.It seems simpler to implement the transition motion in the vertical portions of the alignments rather than in the curves. This eliminates the need for the carriages to yaw. It also makes sense to take the roll motion between the train cars instead of in the carriages. This could be done with coupling mechanisms between the train cars that swivel. The result is a train with barrel shaped carriage frames with cuboid carriages (Figure 3). The natural progression is to form and shape the trains for aerodynamics to reduce drag (Figure 4). Each train car has 8 sets of wheels and rolls on four tracks.

5. PROGETTO DEI TRENIL’Articulated Funiculator consiste in una serie di treni composti da cabine che contengono le carrozze passeggeri e i telai delle carrozze. L’Articulated Funiculator è progettato in modo che i passeggeri restino in piedi anche se il treno passa dall’allineamento orizzontale al verticale.Ciò significa che le carrozze dovranno inclinarsi all’interno dei telai. Inoltre, l’Articulated Funiculator deve muoversi in modo da consentire gli allineamenti di transizione nella parte alta e bassa degli edifici.Gli studi sul movimento delle transi-zioni in alto e in basso nell’edificio (Figura 2) mostrano che una carrozza passeggeri potrebbe subire una rota-zione su tre assi, inclinarsi, rotolare ed effettuare un’imbardata (Figura 3). Lo studio sul movimento conclude: 1) che le carrozze dovranno inclinarsi in modo da permettere ai passeggeri di restare in piedi, 2) le carrozze dovranno rotolare ed eseguire un’imbardata per facilitare la transizione nella parte curva degli allineamenti e 3) le carrozze dovranno (solo) rotolare per facilitare la transi-zione nelle porzioni verticali degli allineamenti. Il progetto per facilitare questi movimenti consiste nel disporre di una carrozza passeggeri a forma di cubo (cuboide) all’interno di un telaio sferico della carrozza. Una carrozza cuboide potrebbe inclinarsi, 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 di imbardate alle carrozze. È anche sensato che il movimento di rotolamento si verifichi tra le cabine del treno invece delle carrozze. Ciò potrebbe essere realizzato con meccanismi di accoppiamento tra le cabine che ruotano. Il risultato è un treno con telai di carrozze a forma di fusto con carrozze cuboide (Figura 3). La progressione naturale deve dare forma ai treni in modo che l’aerodinamicità riduca l’attrito (Figura 4). Ogni cabina ha otto set di ruote e scorre sui binari.

Figura 2 – Studio del movimento delle transizioniFigure 2 – Movement study of the transitions

Figura 3 – Diagrammi di inclinazione, rotolamento e imbardatura dell’Articulated FuniculatorFigure 3 – Articulated Funiculator pitch, roll and yaw diagrams

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A carriage frame height and width of 2.2 meters results in a carriage frame diameter of 3.11 meters based on geometry and a total carriage frame outer diameter of 3.5 meters is shown. A total frame length of 3.5 meters is also shown and results in a square train cross-section.

6. MOVEMENT STRATEGIESPitch and roll requirements for single, double and triple loop configurations are shown in Figure 5.

Un’altezza di telaio per la carrozza e una larghezza di 2,2 metri portano a un diametro del telaio pari a 3,11 metri in base alla geo-metria e viene illustrato un diametro esterno totale della carrozza di 3,5 metri. È anche mostrata una lunghezza totale del telaio di 3.5 metri che risulta in una sezione trasversale quadrata del treno.

6. STRATEGIE DI MOVIMENTOI requisiti di inclinazione e rotolamento per le configurazioni a loop singolo, doppio e triplo sono illustrate nella Figura 5.

Figura 4 – Progetto treni Articulated FuniculatorFigure 4 – Articulated Funiculator train concepts

Figura 5 – Requisiti di inclinazione e imbardata per configurazioni a loop singolo, doppio e triploFigure 5 – Pitch and roll requirements for single, double and triple loop configurations

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7. ACCELERATION AND VELOCITY STRATEGIESThe recommended fastest acceleration on the vertical legs is 1g. This would result in a 0g environment on the fall accelerations and the rise decelerations and a 2g environment on the Fall de-celerations and the Rise accelerations (Figure 6). Accelerations larger than 1g would separate the passengers from the floors and

necessitate restraints. With 1g accelerations and decelerations it would take 10.1 seconds to tra-verse the 250 meters between the stations in our example and the train would reach a maximum speed of 178 kilometers per hour. Figure 6 shows minimum times and maximum velocities for a range of rise/fall lengths. It is obvious that a 1g environment would exceed the comfort level of some passengers so studies would need to be conducted to determine the maximum usable acceleration.The cycle time between trains can be approximated for the 250 meter example. It is estimated that unloading and loading of the trains at the stations could take between 20 and 30

seconds. It would also take about 5 seconds for the trains to move from the stations and position vertically before the rise/fall accelerations. This, plus the 10 second rise/fall, adds up to an estimated cycle time of 1 minute between trains at peak usage times. Train movements and cycle times can be reduced for off peak times.

Table 2: Velocity

Rise/Fall (m) Time (s) Max Velocity (km/h)

200 9.03 159225 9.58 169250 10.10 178275 10.59 187300 11.06 195350 11.95 211400 12.77 225450 13.55 239500 14.28 252

8. POWER/BRAKING COGSThe Articulated Funiculator is a series of trains connected together with cables. The cables span between the trains and are looped around cogs where the alignments transition from horizontal at the stations to the vertical rises/falls (Figure 7). The cogs attach to the cables and serve to both brake and power the system. The cogs are connected to generators/motors that will capture energy while braking and power the system while driving.

7. STRATEGIE DI ACCELERAZIONE E VELOCITÀL’accelerazione più rapida consigliata sulle sezioni verticali è pari a 1g. Ciò risulterebbe in un ambiente 0g sulle accelerazioni di caduta e sulle decelerazioni di salita e un ambiente 2g sulle decelerazioni di caduta e accelerazioni di salita (Figura 6). Le accelerazioni superiori a 1g farebbero staccare i passeggeri dal pavimento e necessitano di limitazioni. Con accelerazioni e decelerazioni di 1g, sarebbero necessari 10,1 se-condi per attraversare i 250 metri tra le stazioni del nostro esempio e il treno raggiungerebbe una ve-locità massima di 178 km all’ora. La Figura 6 mostra tempi minimi e velocità massime per una gam-ma di distanze di salita/discesa. È ovvio che un ambiente di 1g supererebbe i livelli di comfort di alcuni passeggeri quindi sarebbe necessario condurre degli studi per determinare l’accelerazione massima utilizzabile.Il ciclo tra i treni può essere approssimato per un esempio di 250 metri. Si stima che il carico e lo scarico dei treni alle stazioni potrebbe richiedere tra i 20 e i 30 secondi. Sarebbero anche necessari 5 secondi perché i treni lascino le stazioni e si posizionino verticalmente prima delle accelerazioni di salita/discesa. Questo, che si aggiunge ai 10 secondi di salita/discesa, porta a un ciclo stimato di 1 minuto tra i treni nei tempi di uso di picco. I movimenti dei treni e i cicli possono essere ridotti per i tempi di picco basso.

Tabella 2: Velocità

Salita/Discesa (m) Tempo (s) Velocità Max (km/h)

200 9.03 159225 9.58 169250 10.10 178275 10.59 187300 11.06 195350 11.95 211400 12.77 225450 13.55 239500 14.28 252

8. CREMAGLIERE DI ALIMENTAZIONE/FRENATAL’Articulated Funiculator è una serie di treni collegati con cavi. I cavi collegano le cabine e sono arrotolati intono alle cremagliere dove gli allineamenti passano dalle salite/discese orizzontali alle stazione a quelle verticali (Figura 7). Le cremagliere sono attac-cate ai cavi e servono sia a frenare sia ad alimentare il sistema. Le cremagliere sono collegate ai generatori/motori che catturano l’energia di frenata e alimentano il sistema durante l’azionamento.

Figura 6 – Accelerazione, Velocità e Strategie temporaliFigure 6 – Accelerations, velocities and time strategies

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9. DYNAMIC BRAKING, ENERGY STORAGE AND POWER EXTRACTIONWhen the down-bound payloads are heavier than the up-bound the Articulated Funiculator captures the energy from braking the trains, dynamic braking, and stores it. The stored energy is then used to accelerate the Articulated Funiculator when the up-bound payloads are heavier than the down-bound. The capture and reuse of energy makes the Articulated Funiculator sustainable. For example, as lunchtime approaches most pas-sengers will travel down the building and the energy needed to brake the Articulated Funiculator will be stored and used to power passengers up the building after lunch.

10. PROTOTYPE BUILDINGTo further explain the Articulated Fu-niculator a prototype building is shown. The building has plan di-mensions of 40 meters by 45 meters and a height of 620 meters and has about 120 floors. This configura-tion has a slenderness factor of 1/15.5 in the short direction and 1/13.8 in the long. The building has four Ar-ticulated Funiculator stations, one at ground level, one at elevation 168 meters, one at elevation 353 meters and one at elevation 538 meters (Figure 8).

9. FRENATA DINAMICA, IMMAGAZZINAMENTODI ENERGIA ED ESTRAZIONE DI ENERGIAQuando i carichi in discesa sono più pesanti dei carichi in salita, l’Articulated Funiculator cattura l’energia dalla frenata dinamica e la immagazzina. L’energia immagazzinata viene poi utilizzata per accelerare l’Articulated Funiculator quando i carichi in salita sono più pesanti di quelli in discesa. La cattura e il riutilizzo dell’energia rende sostenibile l’Articulated Funiculator. Ad esempio, con l’avvicinarsi dell’ora di pranzo molti passeggeri viaggiano in discesa nell’edificio e l’energia necessaria a frenare l’Articulated Funiculator viene immagazzinata e utilizzata per riportare i passeggeri in salita dopo l’ora di pranzo.

10. EDIFICIO PROTOTIPOPer spiegare ulterior-mente l’Articulated Funiculator viene mostrato un edificio prototipo. L’edificio ha una dimensione in pianta di 40 metri per 45 e un’altezza di 620 metri e circa 120 piani. Questa configurazione ha un fattore di snellezza di 1/15,5 nella direzio-ne minore e di 1/13,8 in quella maggiore. L’edificio ha quattro stazioni di Articula-ted Funiculator, una al piano terra, una a 168 metri, una a 353 metri e una a 538 metri (Figura8).

Figura 7 – Cremagliera di alimentazione/frenataFigure 7 – Power/braking cogs

Figura 8 – Prototipo edificio e SuperstrutturaFigure 8 – Prototype building and superstructure

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11. STATION CONCEPTThe stations for the Articulated Funiculator are 10 meters wide, wall centerline to wall centerline, and 3 stories deep (Figure 9). Passengers enter and exit the trains from the middle story. From there, passengers have access to escalators that move them either up one floor to access conventional elevators that go up or down one floor to access conventional elevators that go down. There are doors through the stations on the upper and lower floors that provide access to the opposite side of the building. The cogs and the generators/motors will be housed inside the stations.

11. PROGETTO DELLE STAZIONILe stazioni dell’Articulated Funiculator sono larghe 10 metri, dalla linea mediana di una parete all’altra, e profonde tre piani (Figura 9). I passeggeri entrano ed escono dai treni dal piano centrale. Da lì, i passeggeri hanno accesso alle scale mobili che li portano al piano superiore per accedere agli ascensori tradizionali che scendono e salgono di un piano per accedere agli ascensori tradizionali che scendono. Le stazioni ai piani superiori e inferiori hanno porte che permettono l’accesso al lato opposto dell’edificio. Le cremagliere e i generatori/motori sono ospitate all’interno delle stazioni.

Figura 9 – Rendering stazioni dell’Articulated FuniculatorFigure 9 – Articulated Funiculator train station renditions

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12. STRUCTURAL COMPATIBILITYThe Articulated Funiculator lends itself to an efficient structural system well adapted to tall thin skyscrapers and high strength concrete. It makes sense to use the vertical corridors that house the Articulated Funiculator as the super structure as is common with central cores. The vertical legs are 6 meters wide, wall centerline to wall centerline, and 10 meters long. This gives 8.5 meters by 4.5 meters inside clear dimensions (1.5 meter thick walls) and fits the 3.5 meter by 3.5 meter train cross-sections. It also makes sense to use the horizontal stations as the super structural as is common with outriggers. The combination of the vertical and horizontal tubes forms a tubed mega frame. Mega cross tubes are placed at intermediate elevations between the stations and at the top of the building for structural performance. These intermediate cross tubes are at elevations 78 meters, 264 meters, 449 meters and 615 meters. The same structural system is used in the perpendicular direction and the symmetry gives rise to the 3-D tubed mega frame (Figure 8). All of the floor loads are transferred to the four vertical legs at station and outrigger levels with diagonals.The length of the Articulated Funiculator is a function of the number of cars in the trains and this length sets the minimum width of the building in the direction of the stations and locates one set of the vertical legs of the tubed mega frame.The tubed mega frame lends itself to a variety of floor plate shapes and sizes. Figure 10 illustrates three generic shapes and tabulates usable floor space ratios. Usable floor area ratio is defined as the floor plate area minus the core area minus jumbo columns. The Articulated Funiculator occupies half the area of two of the vertical legs and it is expected that the other half of these shafts will be used as duct space. It makes sense to house the conventional elevators, stairs and ductwork in the remaining two legs. Placing all of the vertical transporta-tion and ductwork inside the four legs of the structure leaves the rest of the floor plate completely open and results in high usable floor space ratios.

Table 3 - ???

Floor plate

Lenght (m)

Width (m)

Floor plate (m2)

Core area (m2)

Ratio

A 40 40 1600 308 0,808

A 45 40 1800 308 0,829

A 45 45 2025 308 0,848

A 40 50 2000 308 0,846

A 45 50 2250 308 0,863

A 50 50 2500 308 0,877

B 40 40 1180 308 0,739

B 45 40 1310 308 0,768

B 45 45 1450 308 0,787

B 40 50 1435 308 0,785

B 45 50 1560 308 0,806

B 50 50 1740 308 0,823

C 40 40 1420 308 0,783

C 45 40 1560 308 0,802

C 45 45 1780 308 0,827

C 40 50 1700 308 0,819

C 45 50 1930 308 0,840

C 50 50 2175 308 0,858

12. COMPATIBILITÀ STRUTTURALEL’Articulated Funiculator è destinato a un sistema strutturale ben adatto a grattacieli sottili ed elevate strutture in cemento armato. È sensato utilizzare i corridoi verticali che ospitano l’Articulated Funiculator come la superstruttura è comune con fulcri centrali. Le sezioni verticali sono ampie 6 metri, dalla parte mediana di un muro all’altro e sono lunghe 10 metri. Ciò crea delle dimen-sioni interne con spazi di 8,5 metri per 4,5 (con pareti spesse di 1,5 metri) e ospitano le sezioni trasversali dei treni di 3,5 metri per 3,5. È anche sensato utilizzare le stazioni orizzontali come superstruttura come è comune per gli stabilizzatori. La combi-nazione di canali verticali e orizzontali forma un megatelaio a canale. Dei megacanali trasversali sono collocati ad altezze intermedie tra le stazioni e in cima all’edificio per le prestazioni strutturali. Questi canali trasversali intermedi si trovano ad altezze di 78 metri, 264 metri, 449 metri e 615 metri. Lo stesso sistema strutturale viene utilizzato nella direzione perpendicolare e la simmetria dà vita a un megatelaio a canale 3D (Figura 8). Tutti i carichi dei piani sono trasferiti alle quattro sezioni verticali a livello di stazioni e stabilizzatori con delle diagonali.La lunghezza dell’Articulated Funiculator è in funzione del nu-mero di cabine nei treni e tale lunghezza stabilisce la larghezza minima dell’edificio nella direzione delle stazioni e posiziona un set delle sezioni verticali del magatelaio a canale.Il megatelaio a canale si presta per una varietà di forme e dimensioni di superfici. La Figura 10 illustra tre forme generiche e dispone in tavole i rapporti della superficie di piano utilizzabile. Il rapporto della superficie di piano utilizzabile è definito come area di piano meno l’area centrale meno le colonne di grandi dimensioni. L’Articula-ted Funiculator occupa metà dell’area di due sezioni verticali e si prevede che l’altra metà di questi vani venga utilizzata come spazio per canaline. È anche sensato alloggiare gli ascensori tradizionali, le scale e le canaline nelle restanti due sezioni. Collocare tutti i sistemi di trasporto verticale e le canaline all’interno delle quattro sezioni consente di lasciare il resto della superficie completamente aperto e consente un elevato uso di superfici utilizzabili.

Tabella 3 - ???

Piastra di base

Lunghezza (m)

Larghezza (m)

Piastra di base (m2)

Area del nucleo (m2)

Rapporto

A 40 40 1600 308 0,808

A 45 40 1800 308 0,829

A 45 45 2025 308 0,848

A 40 50 2000 308 0,846

A 45 50 2250 308 0,863

A 50 50 2500 308 0,877

B 40 40 1180 308 0,739

B 45 40 1310 308 0,768

B 45 45 1450 308 0,787

B 40 50 1435 308 0,785

B 45 50 1560 308 0,806

B 50 50 1740 308 0,823

C 40 40 1420 308 0,783

C 45 40 1560 308 0,802

C 45 45 1780 308 0,827

C 40 50 1700 308 0,819

C 45 50 1930 308 0,840

C 50 50 2175 308 0,858

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13. VERTICAL TRANSPORTATION PLANThe vertical transportation plan is a combi-nation of one Articulated Funiculator with three loops and four stations and conventio-nal elevators that run between the stations as described in Figure 11. Passengers have three options for movement. They can ride the Articulated Funiculator to a station and take conventional elevators up, ride the Articulated Funiculator to a station and take conventional elevators down or ride the conventional elevators. The third option may require a transfer from one elevator run to another. It is expected that these multiple movement options will increase the volume of passenger flow and reduce congestion.There are 35 inhabitable floors and 2 me-chanical floors and 160 meters between stations. It is therefore expected that about 6 elevators will be needed between the stations and 4 above the highest station. This results in a total of 22 elevators for the building.

14. STRUCTURAL PERFORMANCEThe tubed mega frame is an efficient structure because almost all of the loads are carried by the four vertical legs that are set at the exterior faces of the building.The super structure has seven vertical zones and the wall thicknesses step from 1.50 meters at the base to 0.30 meters at the crown. Structural analy-sis runs using ETABS and a wind speed of 83 mph (37.1 m/s) indicates that a concrete strength of 60-70 MPa with minimal reinforcing ratios.The first five modes shapes and periods are shown in Figure 12. Mode 1 is in the 40 meter direction, mode 2 is in the 45 meter direction, mode 3 is in the 40 meter direction, mode 4 is in the 45 meter direction and mode 5 is twisting.

13. PIANO DI TRASPORTO VERTICALEIl piano di trasporto verticale è una combi-nazione di un Articulated Funiculator con tre loop e quattro stazioni e ascensori tradizionali che corrono tra le stazioni, come descritto nella Figura 11. I passeggeri hanno tre opzioni per lo spostamento. Possono avvalersi dell’Articula-ted Funiculator sino a una stazione e accedere a un ascensore tradizionale che sale, prendere l’Articulated Funiculator sino a una stazione e prendere un ascensore tradizionale che scende o utilizzare gli ascensori tradizionali. La terza opzione può richiedere un trasferimento da un ascensore a un altro. Si prevede che queste molteplici opzioni di spostamento aumentino il volume del flusso di passeggeri e riducano le congestioni.Vi sono 35 piani abitabili e 2 piani meccanici e 160 metri tra le stazioni. Pertanto ci si aspetta che saranno necessari circa 6 ascensori tra le stazioni e 4 sopra la stazione più alta. Ciò porta a un totale di 22 ascensori per l’edificio.

14. PRESTAZIONI STRUTTURALIIl megatelaio a canale è una struttura effi-ciente perché tutti i carichi sono sostenuti da quattro sezioni verticali che sono collocate sui lati esterni dell’edificio.La superstruttura ha sette zone verti-cali e lo spessore del muro passa da 1,50 metri alla base a 0,30 metri in cima. L’analisi strutturale eseguita con ETABS e la velocità del vento di 83 miglia orarie (37,1 m/s) indica un cemento con resistenza di 60-70 MPa con rinforzi minimi.Le prime cinque forme e i periodi sono illustrati nella Figura 12. La Modalità 1 è nella direzione di 40 metri, la modalità 2 è nella direzione di 45 metri, la modalità 3 è nella direzione di 40 metri, la modalità 4 è nella direzione di 45 metri e la modalità 5 è serpeggiante.

Figura 10 – Opzioni per pianta e rapporti per superficie utilizzabileFigure 10 – Floor plate options and usable floor plate ratios

Figura 11 – Piano di trasporto verticaleFigure 11 – Vertical transportation plan

Figura 12 – Forme per Prototipo edificioFigure 12 – Prototype building mode shapes

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Wind speeds of 77.5 mph (34.6 m/s) result in maximum inter-story drift ratios of about H/360 in the 40 meter direction and H/540 in the 45 meter direction using a modulus of elasticity of 50.0 GPa.

15. ARCHITECTURAL PROGRAMSThe removal of the central core creates the potential for new and exciting pro-grams that have not yet been incorpora-ted into tall thin skyscrapers. Because the floor plates are open it is possible to program concert halls, conference rooms, theaters and swimming pools into the body of the building.The tubed mega frame offers flexible architectural configurations and can support many forms and shapes as illustrated in Figure 13.

16. CONCLUSIONVertical living is and continues to be a fact of urban life and thus efficient and sustainable solutions for tall thin skyscrapers are needed. The goal of the Articulated Funiculator and the tubed mega frame is to increase efficiency and sustainability and to assist in the development of tall thin skyscrapers. The Articulated Funiculator and the tubed mega frame offers:• Reduced number of elevator shafts.• Reduced number of elevators.• Increased speed of passenger conveyance.• Reduced vertical transportation energy costs due to energy

capture and reuse.• Increased rentable/sellable floor area ratios.Reduced real estate costs due to smaller floor plate sizes at the base of the buildings.An efficient structural system that can support slenderness ratios of 1/15.5.Lightening speeds, large passenger volumes and recyclable energy makes the Articulated Funiculator the way of the future. It is time for a new generation of elevator systems to take a step forward!

17. AUTHORSFritz King is a Business Developer for Large and Complex Structures at Tyrens AB, an 1100 person Swedish engineering firm. Mr. King has 30 years of international experience in the analysis, design and construction of complex steel and concrete structures. His experience includes high-rise buildings, power plants and arenas. He has a Bachelors degree in Architectural Engineering from the University of Colorado and a Masters degree in Structural Engineering from Cornell University. Mats Lundström is a Structural Engineer at Tyréns AB and holds a Masters degree in Structural Engineering from Lund University in Sweden. Mr. Lundström has experience with a variety of buildings in Sweden including several high-rises (25-50 stories), the Stockholm Arena and developing a new modular building system for 6 to 8-story multi-dwellings in prefabricated timber.

Velocità del vanto pari a 77,5 miglia orarie (34,6 m/s) comportano fattori di deviazione massima interpiano di circa H/360 nella direzione di 40 metri e di H/540 nella direzione di 45 metri, utilizzando un modulo di elasticità di 50,0 GPa.

15. PROGRAMMI ARCHITETTONICILa rimozione della parte centrale crea la possibilità di nuovi e interessanti programmi che non sono stati ancora incorporati nei grattacieli sottili. Poiché le piante delle superfici sono aperte è possibile programmare sale da concer-to, sale conferenza, cinema e piscine all’interno dell’edificio.Il megatelaio a canale offre configu-razioni architettoniche flessibili e può supportare molte forme come illustrato nella Figura 13.

16. CONCLUSIONIVivere in verticale è e continua a essere un fatto nella vita di città e così risultano necessarie soluzioni efficienti e sostenibili per i grattacieli snelli. L’obiettivo dell’Articulated Funiculator e del megatelaio a canale consiste nell’aumentare l’efficienza e la sostenibilità e supportare lo sviluppo di grattacieli sottili. L’Articulated Funiculator e il megatelaio a canale offrono:• Un ridotto numero di vani ascensore.• Un ridotto numero di ascensori.• Maggiore velocità nel trasporto passeggeri.• Costi energetici per il trasporto verticale ridotti grazie all’im-

magazzinamento e riutilizzo dell’energia.• Maggiori quantità di superfici vendibili/affittabili.Ridotti costi immobiliari grazie alle dimensioni inferiori delle superfici alla base degli edifici.Un sistema strutturale efficiente che può supportare fattori di snellezza di 1/15,5.Velocità fulminanti, grandi volumi di passeggeri ed energia riciclabile rendono l’Articulated Funiculator la via per il futu-ro. È tempo di rinnovare gli impianti ascensoristici e di fargli compiere un salto nel futuro!

17. AUTORIFritz King è uno Sviluppatore Commerciale per Strutture Am-pie e Complesse presso Tyrens AB, un’azienda ingegneristica svedese con 1100 dipendenti. King vanta 30 anni di esperienza internazionale nell’analisi, progettazione e costruzione di strut-ture in cemento armato complesse. La sua esperienza include grattacieli, centrali elettriche e arene. Ha una laurea in Ingegneria Architettonica presso l’University of Colorado e un Master in Ingegneria Strutturale della Cornell University. Mats Lundström è un Ingegnere Strutturale presso la Tyréns AB e detiene un Master in Ingegneria Strutturale della Lund University in Svezia. Lundström ha esperienza con svariati tipi di edifici in Svezia, inclusi diversi grattacieli (25-50 pia-ni), la Stockholm Arena e sta sviluppando un nuovo sistema edilizio modulare per multi-abitazioni di 6-8 piani in legno prefrabbricato.

Figura 13 – Opzioni per Magatelaio a canaleFigure 13 – Tubed mega frame options

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Sirpa Salovaara has 20 years of experience in social and cultural issues having worked for Stockholm University, Berlitz Internatio-nal and the Embassy of the Egyptian Tourist Office. Her specialty is the implementation of ideas into the realities of society. She provides a link between engineers, inventors and authors and the sociologically driven markets and assists entrepreneurs with the development and implementation of proprietary ideas.Peter Severin is a Structural Engineer at Tyrens AB. He has a Masters degree in Structural Engineering from the Royal Institute of Technology in Stockholm and has worked on several steel and reinforced concrete high-rise buildings.

18. REFERENCESSkyscrapercity, 2012, _ HYPERLINK "http://skyscrapercity.com" _http://skyscrapercity.com_ [Accessed April 2012].

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Xia, J., Poon, D. & Mass, D. C., 2010. Case Study: Shanghai Tower. CTBUH Journal, Issue II, pp. 12-18. n

Sirpa Salovaara ha 20 anni di esperienza in problematiche sociali e culturali e ha lavorato presso la Stockholm University, Berlitz International e l’Ambasciata delll’Egyptian Tourist Office. È specializzata nell’implementazione di idee nelle realtà sociali. Mette in collegamento ingegneri, inventori e autori e i mercati con spinta sociologica e assiste gli imprenditori nello sviluppo e nell’implementazione di idee proprietarie.Peter Severin è ingegnere strutturale presso la Tyrens AB. Ha un Master in Ingegneria strutturale conseguito presso il Royal Institute of Technology di Stoccolma e ha lavorato su diversi grattacieli in cemento armato.

18. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICISkyscrapercity, 2012, _ HYPERLINK “http://skyscrapercity.com” _http://skyscrapercity.com_ [Accessed April 2012].

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Traduzione di Paola Grassi

fritz king, mats lundström, sirpa salovaara, peter...

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