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Les ascenseurs à l'assaut de la très grande hauteur

Publié le

Transporter des milliers de personnes dans des tours de plusieurs centaines de mètres de hauteur nécessite l'emploi de technologies de haute volée.

C'est une question d'image ! Impossible pour un ascensoriste qui se respecte de bouder le marché des immeubles de grande hauteur. Même si celui-ci ne représente que quelques milliers d'appareils par an, dont quelques unités seulement dans l'Hexagone. « Equiper ces tours de plus de 50 mètres à plusieurs centaines de mètres de hauteur, c'est comme la Formule 1. Il faut y être », explique Jean-Luc Detavernier, directeur commercial de Schindler en France. D'autant que les développements réalisés pour ces grands projets profiteront ensuite à des appareils plus modestes.

Comme en Formule 1, la barre est haute. Le record à battre ? Il est détenu depuis l'an dernier par deux appareils de 24 places installés par le japonais Toshiba et le finlandais Koné dans la tour Taipei 101, à Taïwan, le plus grand immeuble du monde (508 mètres) : 17 mètres par seconde (soit près de 60 km/h) dans une gaine de 388 mètres ! Par comparaison, l'ascenseur de Monsieur tout le monde, même dans une tour d'une vingtaine d'étages, atteint au mieux 2,5 mètres par seconde... Et la course au record n'est pas terminée. En juillet dernier le numéro 1 mondial de la spécialité, Otis, a décroché l'équipement de la tour Burj Dubaï, à Dubaï (Emirats arabes unis) : 66 appareils, dans une tour de 700 mètres de haut....

Concevoir des ascenseurs destinés aux tours de très grande hauteur n'a plus grand-chose à voir avec le travail habituel. Les contraintes sont sévères. « Dans des gaines de plusieurs centaines de mètres de long, le poids des équipements devient terriblement important », explique Johannes de Jong, responsable des grands projets chez Koné. D'autant que pour garantir l'équilibrage dynamique des cabines, il est alors nécessaire de mettre en oeuvre des moufflages doubles et symétriques qui rallongent considérablement les longueurs de câbles. Dans le cadre de tests, Koné a installé un appareil double cabine dans sa tour d'essais de 350 mètres, à Tytyri, en Finlande. « L'ensemble suspendu pèse 40 tonnes, dont 18 tonnes de câbles », s'exclame Johannes de Jong.

Conséquence directe, il est nécessaire de doter ces ascenseurs de très grosses machines. Les moteurs installés dans Taipei 101, fabriqués chez Koné, développent 650 kilowatts chacun. Ce sont les plus puissants de la gamme du constructeur finlandais. Même démesure sur les dispositifs de sécurité. « A 10 mètres par seconde, il faut 13 mètres pour freiner progressivement sans blesser les occupants de la cabine », commente Jean-Luc Detavernier. Les appareils de Taipei 101 mettent même 40 mètres pour stopper leur course.

A très grande vitesse, le plus petit phénomène devient capital

Seule technologie capable d'encaisser le choc : les freins (les « parachutes » dans le jargon ascensoriste) à garnitures céramiques. Capables de monter à près de 1 200 degrés lors du freinage, « ils sont 33 % plus efficaces que des freins classiques, pour un poids 35 % inférieur », avance Jean-Luc Detavernier. Et au fond des gaines, d'énormes amortisseurs hydrauliques sont chargés d'absorber l'énergie de la cabine en fin de course.

Outre les effets de taille, quantité de phénomènes d'habitude anodins prennent une grande importance. A commencer par ceux liés au déplacement de l'air dans la gaine. « A partir d'une vitesse de 6 mètres par seconde, les forces aérodynamiques qui s'appliquent sur la cabine deviennent significatives », explique Richard Pulling, directeur du programme « grande hauteur » chez l'américain Otis. Et à plus de 10 mètres par seconde, elles deviennent prépondérantes. En outre, « à partir de 7 mètres par seconde, les turbulences dans la gaine deviennent audibles », commente Johannes de Jong.

Outre les techniques traditionnelles d'atténuation du bruit (cloisons doublées, fermetures de portes en formes de chicanes, installation d'isolants phoniques au niveau des trous de passage des câbles...), le recours à de nouvelles technologies est nécessaire pour éliminer ces phénomènes. « Nous installons des déflecteurs sur le toit et sous le plancher de la cabine afin de créer des flux laminaires », commente le finlandais. Ces appendices - qui donnent aux appareils de faux airs de TGV - sont étudiés en détail, à l'aide de simulations numériques poussées afin de minimiser l'impact des forces aérodynamiques sur le bruit et les vibrations dans la cabine. Schindler complète l'équipement de l'appareil par des prolongements de la face avant de la cabine. « Cela la plaque contre la paroi, par effet de sol, et reporte les turbulences suffisamment loin de la cabine pour en atténuer les effets », explique Jean-Luc Detavernier.

Compenser en temps réel les vibrations

Les vibrations et les petits balancements subis par la cabine prennent aussi une importance capitale à grande vitesse. Ainsi, les constructeurs mettent-ils un soin particulier à la sélection et au montage des rails de guidage des cabines, mais à 10 mètres par seconde, des défauts de rectitude des rails de quelques dixièmes millimètres seulement suffisent-ils à créer une gêne chez certains usagers. Au point que « si on ne les corrige pas, les passagers sont malades une fois leur voyage terminé », commente Johanes de Jong.

La solution pour atteindre les niveaux de vibrations de 10, voire 8 milli-g exigés par les exploitants des immeubles ? Le guidage actif. Schindler, comme le japonais Mitsubishi Electric, utilise ainsi des coulisseaux à galets équipés d'un « Active ride control system », dispositif d'amortisseurs actifs qui compensent électroniquement en temps réel les vibrations. Pour contrer les balancements indésirables des cabines des deux ascenseurs de Taipei 101, Toshiba a mis en oeuvre un dispositif du même genre : une masselotte placée sous la cabine est déplacée le long d'une vis à billes à partir des informations fournies par un capteur intégré au dispositif. Résultat, une réduction de l'amplitude des secousses dans la cabine jusqu'à 65 % pour les fréquences de 30 Hertz.

Koné, qui a fourni les moteurs des ascenseurs de Taipei 101, s'attache surtout à éliminer les vibrations à leur source. Ses moteurs sont fixés sur une structure d'amortissement double qui réduit de moitié les vibrations. En outre, « la forme des aimants permanents de nos moteurs synchrones de grande puissance a été calculée pour éviter les phénomènes de résonance et de vibration électromagnétique », déclare-t-on chez Koné. Un dispositif interne à la commande du moteur est aussi chargé de supprimer électroniquement les vibrations et les ondulations des câbles. « Un capteur détecte les ondulations des câbles générées par le moteur et le dispositif génère des ondulations en opposition de phase, sans réduire l'allure », détaille Johannes de Jong. De plus pour pallier les pertes d'adhérence sur les poulies à grande vitesse, ces énormes moteurs sont associés à des dispositifs de tension des câbles capables de corriger leurs ondulations en temps réel. Le contrôle intègre également un système de compensation de l'élasticité des câbles, source de phénomènes d'ondulations. La précaution est indispensable sur ce type d'immeuble : lorsqu'elles sont amplifiées par les balancements du bâtiment, sous l'effet du vent extérieur, les ondulations des câbles peuvent atteindre plus d'1 mètre d'amplitude !

Au-delà de 10 mètres par seconde, pressuriser la cabine s'impose

D'autres contraintes doivent être prises en compte. « A partir d'une vitesse de 10 mètres par seconde, il est même nécessaire de pressuriser la cabine », affirme Jean-Luc Detavernier. Les variations de pressions entre le rez-de-chaussée et le dernier étage, souvent de plusieurs centaines d'hectopascals, perturbent les passagers, jusqu'à provoquer des maux d'oreille importants. La solution réside dans des systèmes qui aspirent l'air de la gaine ou rejettent de l'air de la cabine vers l'extérieur afin de créer dans la cabine une variation linéaire de la pression. Ce type de dispositif s'avère efficace en montée, mais en descente le phénomène est plus marqué. La meilleure solution pour éviter les maux d'oreille est encore de limiter la vitesse de l'ascenseur à 9 mètres par seconde .

Et l'avenir ? La course à la vitesse n'est pas finie. « Il est certainement possible d'aller jusqu'à 25 mètres par seconde, même si cela devient vraiment plus difficile », confirme Richard Pulling. Les barrières à lever sont multiples. D'abord le poids des dispositifs. « A un certain seuil, il devient difficile d'appliquer les coefficients de sécurité habituelle », explique Johannes de Jong. « Il faut trouver des matériaux plus résistants et légers que les aciers actuels », poursuit-il.

Pistes privilégiées : les aciers hautes performances, mais aussi des composites, le kevlar... Otis se propose, quant à lui, d'utiliser Gen2, une courroie en polyuréthanne armée développée d'abord pour des ascenseurs classiques. « Nous l'utilisons déjà sur des appareils se déplaçant à 2,5 mètres par seconde. Nos bureaux d'études travaillent sur des applications de cette technologie à des vitesses supérieures », annonce Richard Pulling.

Ou encore des modes de traction alternatifs. Les développements des moteurs linéaires, en particulier, sont suivis de très près par les constructeurs. Cette technologie aurait l'avantage d'éliminer les câbles et de placer plusieurs ascenseurs dans la même gaine. Reste cependant à mettre au point des moteurs de plusieurs centaines de mètres de long à un prix abordable, à développer les dispositifs de sécurité associés et, surtout, à maîtriser leur consommation d'énergie.

Les limites : la physiologie des passagers

L'autre obstacle majeur est la gestion de la maintenance. Une batterie de 6 ascenseurs réalise environ 200 000 voyages en un mois. Sur ces appareils qui se déplacent très rapidement, « Il faut pouvoir détecter la moindre anomalie, avoir des informations en temps réel », explique Johannes de Jong. Plutôt deux fois qu'une, car pour assurer le bon fonctionnement de ces Formule 1 de la verticale, tous les dispositifs de sécurité doivent être redondants. La maintenance prédictive n'est pas plus aisée, car les statistiques sont rares. « On manque d'informations car les ascenseurs de ce type sont peu nombreux », regrette le finlandais.

« Les véritables limites de la vitesse des ascenseurs sont liées à l'homme », avance Richard Pulling. A ses limites physiologiques d'abord, en particulier à sa réaction aux changements de pression, mais aussi à son confort. En effet, les cabines ont besoin d'une distance minimale pour accélérer et décélérer en préservant le confort des occupants. La limite maximale recommandée est 1,2 m/s2. A ce niveau d'accélération, un ascenseur capable d'atteindre une vitesse 20 mètres par seconde devra disposer de 200 mètres pour atteindre sa vitesse maximale et autant pour décélérer. Dans une gaine de moins de 400 mètres, même sans arrêt intermédiaire, la cabine n'atteindra donc jamais sa vitesse de pointe...

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