Introduction: L'os des gratte-ciel modernes

Les systèmes de transport verticaux, les ascenseurs, les escaliers mécaniques et les technologies connexes, sont les systèmes circulatoires des grands bâtiments. Sans eux, les villes verticales denses d'aujourd'hui ne seraient pas pratiques. Ces systèmes déplacent les personnes et les marchandises efficacement à travers des dizaines ou même des centaines de étages, permettant la densité fonctionnelle qui définit les gratte-ciel. Dans un bâtiment comme le Burj Khalifa (828 mètres, 163 étages), les ascenseurs voyagent à des vitesses allant jusqu'à 10 mètres par seconde, réduisant le temps de déplacement de lobby à moins d'une minute.

L'évolution historique des ascenseurs

Des anciens hobesteurs à l'ascenseur de sécurité

Le concept de levage vertical est ancien. Les constructeurs grecs et romains utilisaient des palans simples alimentés par des humains ou des animaux pour déplacer des pierres lourdes. Cependant, ces systèmes étaient dangereux, si la corde se brisait, la charge tomberait. La percée est venue en 1852 quand Elisha Otis a démontré son ascenseur de sécurité au Palais cristallin de New York. Son invention a utilisé un mécanisme à ressort qui a engagé des cliquets sur les rails de guidage si la corde de levage a échoué, empêchant une chute libre.

L'élévation de la traction électrique

Les ascenseurs hydrauliques utilisaient un piston et une pression d'eau, limitant ainsi le trajet à une vingtaine d'histoires en raison de la profondeur requise pour le cylindre de piston. Les ascenseurs électriques, développés dans les années 1880, ont tout changé. Un moteur électrique entraîne une gaine (une roue rainurée) qui déplace les câbles en acier fixés à la voiture de l'ascenseur. Un contrepoids équilibre le poids de la voiture et environ 40 à 50% de la charge nominale, réduisant la consommation d'énergie.

Escalators : un escalier roulant continu

Les escaliers roulants sont brevetés en 1859 par Nathan Ames, mais ils ne réussissent pas commercialement. En 1891, Jesse Reno a conçu une rampe mobile pour le parc d'attractions de l'île Coney. Charles Seeberger s'associe à la compagnie Otis Elevator pour affiner le design, et le premier escalier moderne apparaît à l'Exposition de Paris de 1900. Les escaliers roulants excellent à déplacer un grand nombre de personnes sur des distances verticales courtes à modérées (jusqu'à environ 18 mètres). Leur débit continu – sans attendre une voiture – les rend idéales pour les gares de transit, les aéroports et les grands magasins.

Types d'ascenseurs dans les grands bâtiments

Ascenseurs électriques de traction

Ce sont les chevaux de travail des gratte-ciel. Un moteur et une boîte de vitesses (ou sans engrenage pour une vitesse élevée) conduisent une gaine qui déplace plusieurs câbles en acier. La voiture roule sur des rails de guidage, et un contrepoids voyage sur des rails séparés. Les ascenseurs de traction peuvent atteindre n'importe quelle hauteur et sont efficaces pour les applications de mi-à-haute.

Ascenseurs hydrauliques

Les ascenseurs hydrauliques utilisent un piston entraîné par une pompe et un réservoir de fluides. Ils sont limités à environ 6 étages en raison de la longueur du piston et des contraintes de pression. Dans les grands bâtiments, ils sont parfois utilisés pour des zones de service à faible hauteur ou des applications de fret. Leur avantage: conception simple et coût initial inférieur.

Ascenseurs à moins de machine (MRL)

Les ascenseurs LMR sont montés à l'intérieur de la passerelle, éliminant ainsi la nécessité d'une salle de machines séparée sur le toit. Cela permet d'économiser de l'espace précieux au sol et permet aux architectes plus de flexibilité. Les ascenseurs LMR utilisent généralement des moteurs permanents à aimants synchrones (PMSM) et sont courants dans les bâtiments jusqu'à 20-30 étages. Cependant, ils sont moins adaptés pour des hausses très rapides ou très longues en raison des exigences de refroidissement et des limites de puissance du moteur.

Systèmes à double couche et multi-voiture

Pour maximiser le débit des passagers dans les tours extrêmement hautes, les ascenseurs à deux étages transportent les passagers sur deux niveaux simultanément. Le pont inférieur sert des planchers impairs, le pont supérieur même les planchers (ou vice versa). Exemples: le John Hancock Center à Chicago et le Taipei 101 bâtiment.

Escalators : Conception, capacité et sécurité

Construction mécanique

Chaque marche est équipée de roues qui roulent sur des rails, en maintenant une surface plane lorsque l'étape monte ou descend. La barre de maintien est une courroie en caoutchouc séparée synchronisée avec les marches. Les escaliers modernes sont construits à partir de matériaux durables – acier inoxydable, aluminium et polymères à haute résistance – pour résister à l'usure continue. Ils sont généralement inclinés à 30 degrés pour des installations standard, bien que 27,3 degrés soient parfois utilisés pour des pentes plus douces.

Capacité et débit

Les escaliers roulants peuvent déplacer de 4 000 à 10 000 personnes par heure selon la largeur (généralement de 0,6 à 1,0 mètre) et la vitesse (0,5 à 0,75 m/s). Dans les centres de transit occupés, plusieurs escaliers roulants sont placés en parallèle pour gérer les foules de pointe.

Caractéristiques de sécurité

Les capteurs détectent les marches manquantes, la direction inversée ou la vitesse excessive et déclenchent les arrêts d'urgence. Les plaques de peigne à l'entrée et à la sortie empêchent les objets (ou les doigts) d'être pris. Les systèmes de freinage sont redondants. Malgré ces mesures, des accidents se produisent encore, souvent en raison d'une mauvaise utilisation (p. ex., conduite avec des bagages lourds ou ne tenant pas la main courante).

Considérations de conception pour les grands bâtiments

Analyse de la capacité et du trafic

Les ingénieurs modélisent la population d'occupants prévue, l'utilisation du plancher (bureau, résidence, hôtel) et les périodes de pointe (arrivée matinale, déjeuner, départ du soir). L'objectif est de maintenir le temps d'attente moyen sous 30 secondes et le temps de voyage moyen raisonnable. Dans une tour supertall, simplement ajouter plus d'ascenseurs n'est pas une option parce que chaque arbre consomme de précieux espaces de plancher. Ainsi, les concepteurs utilisent zonage, voitures à double pont, et l'expédition de destination pour optimiser.

Zonage et lobbies du ciel

Les grands bâtiments sont divisés en zones verticales. Un hall d'entrée du ciel à, par exemple, le 40e étage reçoit les passagers des ascenseurs express qui contournent les étages inférieurs. Les passagers passent ensuite aux navettes locales desservant la zone supérieure. Cela réduit le nombre d'arbres requis parce que les voitures express peuvent être plus petites et plus rapides.

Systèmes de contrôle de destination

Dans la destination, les passagers entrent dans leur plancher sur un clavier dans le hall. Un algorithme regroupe les passagers par destination et les assigne à une voiture spécifique. Cela réduit le nombre d'arrêts et améliore la capacité de manutention de 20 à 30% par rapport aux systèmes conventionnels. Les principaux fabricants comme Otis, Schindler et Kone offrent ces systèmes, souvent intégrés à la gestion des bâtiments et au contrôle d'accès.

Accessibilité et design universel

Les exigences du Code (p. ex., l'ADA aux États-Unis) stipulent que les ascenseurs doivent accueillir des fauteuils roulants, avec de larges portes, des indicateurs tactiles de plancher, des signaux sonores et des commandes à faible hauteur. Les escaliers roulants ne sont généralement pas considérés comme accessibles pour les personnes qui utilisent des fauteuils roulants ou qui ont une déficience visuelle; un ascenseur doit donc être fourni près de chaque banc d'escalier.

Conception structurelle et de base

Les puits d'ascenseur et les salles de machines imposent des charges structurelles. Le noyau d'un grand bâtiment contient généralement tous les transports verticaux, escaliers et contre-élévateurs mécaniques. Placer les ascenseurs dans un noyau central assure la stabilité et réduit les obstacles au plan du plancher.

Efficacité énergétique et durabilité

Les moteurs régénératifs

Les ascenseurs de traction modernes peuvent récupérer de l'énergie par freinage régénératif. Lorsqu'une voiture lourdement chargée descend (ou une voiture légèrement chargée monte), le moteur agit comme un générateur, alimentant l'énergie dans le réseau de bâtiment. Cela peut réduire la consommation d'énergie de 25 à 40 % par rapport aux systèmes non régénératifs.

Modes de veille et gestion des Idle

Les escaliers peuvent ralentir ou s'arrêter complètement, en utilisant des capteurs pour redémarrer quand un passager approche. Les ascenseurs peuvent éteindre l'éclairage et la ventilation des voitures entre les trajets. Combinés à des moteurs efficaces (p. ex., PMSM dans les unités LMR), ces mesures contribuent à réduire l'empreinte carbone globale du bâtiment.

Matériel et entretien

Les matériaux durables prolongent la durée de vie de l'équipement et réduisent les déchets. L'utilisation de l'éclairage LED dans les voitures et les couloirs réduit l'énergie. La surveillance sous condition (capteurs de vibration, analyse de l'huile) permet une maintenance prédictive qui minimise les temps d'arrêt et prolonge la durée de vie des composants.

Tendances futures du transport vertical

Ascenseurs à grande vitesse et à ultra-haute vitesse

Les ascenseurs à grande vitesse actuels se situent à environ 20 m/s (72 km/h). La prochaine frontière est ultra-haute vitesse, avec des objectifs de 30 m/s ou plus. De telles vitesses nécessitent une aérodynamique avancée pour réduire les changements de pression d'air qui causent des troubles de l'oreille. Des entreprises comme Hitachi et Mitsubishi ont testé des prototypes.

Systèmes de contrôle intelligents et intégration

Les algorithmes prédictifs apprennent les modes de circulation et d'ajustement de l'expédition en temps réel. L'intégration avec les systèmes d'accès au bâtiment signifie qu'une personne peut appeler un ascenseur par smartphone en marchant dans le hall. Dans les scénarios d'urgence, les ascenseurs peuvent être préprogrammés pour évacuer les occupants ou fournir un service de pompiers fiable.

Balises de transit personnalisées et AUTOS

Des concepts comme le transport rapide personnel (PRT) pour les bâtiments proposent de petits pods autonomes qui voyagent à la fois verticalement et horizontalement. L'idée : pas d'attente, pas de partage, route directe vers votre bureau ou appartement. Bien qu'expérimental, il pourrait révolutionner de grands complexes comme les aéroports et les campus d'entreprise.

Transport vertical en hauteurs extrêmes

Comme les architectes proposent des méga-bâtiments de plus de 1000 mètres (par exemple, la tour Jeddah, prévue à 1 008 mètres), le transport vertical fait face à de nouveaux défis. Plusieurs lobbies du ciel, systèmes multi-voitures et peut-être des ascenseurs qui inclinent ou basculent vers le mouvement horizontal seront nécessaires.

Innovations en matière d'escalator

Les escaliers mécaniques sont également en évolution. Les escaliers mécaniques, même s'ils sont rares, existent dans certains milieux de détail (p. ex. celui de Las Vegas). Pour les grands bâtiments, les escaliers mécaniques sont généralement limités aux étages inférieurs, mais certains modèles comportent des personnes inclinées qui se déplacent pour des montées longues et progressives (p. ex. dans les collines de Hong Kong).

Conclusion

Les systèmes de transport verticaux sont venus de loin des palans à vapeur aux machines intelligentes et régénératives. Ils ne sont plus après réflexion dans la conception du bâtiment, mais sont des éléments stratégiques qui influencent la hauteur du bâtiment, la performance énergétique et l'expérience des occupants. Les prochaines décennies promettent des systèmes encore plus rapides, plus efficaces et plus durables, animés par la science des matériaux, les contrôles numériques, et la demande incessante de villes plus grandes et plus denses.