Ascenseurs : conception, histoire et innovations futures

Contexte

Un ascenseur — une plateforme qui peut être ouverte ou fermée — transporte les personnes et le fret entre les étages. Les structures commerciales et résidentielles de grande hauteur modernes incorporent routinièrement des ascenseurs. La loi américaine sur les personnes handicapées (ADA) a mandaté que de nombreux bâtiments de deux et trois étages installent des ascenseurs pour assurer l'accessibilité.

Les monte-charges manuels apparurent dans les entrepôts et usines dès les années 1600. La percée vint avec la démonstration d'Elisha Otis en 1853 à l'Exposition universelle de New York, où un dispositif de sécurité engagea instantanément l'ascenseur si les câbles de levage lâchaient. Les premiers modèles fonctionnaient à la vapeur, et en 1871, des ascenseurs hydrauliques utilisant la pression de l'eau furent introduits. Les vérins hydrauliques initiaux étaient d'une seule pièce, nécessitant des puits profonds ; les vérins télescopiques ultérieurs réduisirent la profondeur requise. L'énergie électrique remplaça bientôt la vapeur et l'hydraulique, avec le premier ascenseur électrique commercialement réussi installé en 1889. L'électricité offrait une disponibilité universelle et une portée verticale virtuellement illimitée, contrairement aux systèmes hydrauliques limités en hauteur.

Les ascenseurs à propulsion électrique ont évolué des moteurs CC simples aux systèmes modernes d'entraînement direct et d'engrenages CA. Les moteurs à engrenages gèrent généralement des vitesses jusqu'à 500 pi/min (153 m/min), tandis que les unités à entraînement direct permettent des déplacements à grande vitesse jusqu'à 2 000 pi/min (610 m/min).

La technologie de contrôle passa de l'opération manuelle aux systèmes à boutons-poussoirs automatiques dans les années 1950, et des relais électromécaniques à l'électronique à semi-conducteurs dans les années 1970. Aujourd'hui, les contrôleurs à microprocesseur offrent une régulation précise de la vitesse et un retour diagnostique.

Les ascenseurs sont conçus avec des systèmes de sécurité robustes : un régulateur limite la vitesse en ajustant la poulie d'entraînement, un frein d'urgence s'engage si les câbles lâchent, et des verrous de porte empêchent le fonctionnement à moins que les portes ne soient complètement fermées. De nombreuses unités incluent aussi un téléphone d'urgence et une trappe au plafond pour l'évacuation des passagers.

Conception

Bien que le mécanisme de levage reste largement inchangé, la logique de contrôle est devenue de plus en plus sophistiquée pour améliorer la sécurité et le débit des passagers. Chaque ascenseur est adapté à la hauteur de son bâtiment, au trafic attendu et aux périodes de pointe d'utilisation.

Les contrepoids équilibrent la cabine plus 40 % de sa charge maximale, réduisant l'effort du moteur et prévenant la descente incontrôlée. Dans un système à traction, le câble de levage va de la cabine, autour d'un tambour d'entraînement, et revient au contrepoids. Un second câble de régulateur relie la cabine à une poulie de régulateur, qui déclenche le frein d'urgence si la cabine accélère au-delà des limites sûres.

Une barre de guidage rampée à l'intérieur du puits active des commutateurs de niveau d'étage qui décélèrent et arrêtent la cabine au bon étage. Quand la cabine s'aligne avec l'ouverture de porte, un commutateur de fin de course signale au contrôleur d'arrêter la cabine et d'ouvrir les portes intérieure et extérieure.

Les grandes tours commerciales hébergent souvent plusieurs ascenseurs gérés par un système de contrôle unifié qui minimise les temps d'attente des passagers. Les systèmes les plus simples emploient des boutons unique monte/descente à chaque étage ; le contrôleur dépêche la cabine la plus proche se déplaçant dans la direction désirée, signalée par des flèches illuminées au-dessus des portes.

Les configurations avancées forment des « groupes » d'ascenseurs, partitionnés en secteurs couvrant des étages adjacents. Après avoir terminé un trajet, une cabine retourne à un étage d'attente désigné ou est dépêchée vers le secteur le plus éloigné des autres cabines disponibles. La programmation selon l'heure de la journée adapte la stratégie de répartition — les pointes matinales peuvent prioriser le service au rez-de-chaussée, tandis que le trafic du soir distribue les cabines plus uniformément.

Les pompiers peuvent annuler le fonctionnement normal avec une clé pour acheminer un ascenseur directement vers un étage spécifié sans arrêts intermédiaires.

Matériaux bruts

Le squelette de la cabine est une structure en acier fournissant résistance et rigidité. Une traverse en poutres d'acier traverse le puits, supportant la poulie de levage. Une élingue s'étend de la traverse pour berce la plateforme. Les parois de la cabine passager sont généralement des panneaux d'acier finis avec des garnitures décoratives ; le sol peut être carrelé ou moquetté, et les mains courantes sont souvent en acier inoxydable pour la durabilité. Un faux plafond avec éclairage fluorescent est installé sous le toit de la cabine. Les commandes, boutons d'alarme et le téléphone d'urgence sont logés derrière des panneaux près des portes.

Des galets ou patins de guidage reposent aux extrémités de l'élingue, glissant le long de rails de guidage en acier qui parcourent l'intérieur du puits. Le frein d'urgence consiste en deux faces de serrage qui saisissent les rails de guidage quand un coin — actionné par un tambour — ferme les mâchoires.

L'ascenseur du nouveau grand magasin Lord and Taylor à New York ressemblait à ceci le jour de l'ouverture en 1873. (Des collections du Henry Ford Museum & Greenfield Village.)

L'effet d'entraînement de l'ascenseur remodela les villes modernes. Sans ascenseurs, tout bâtiment de plus de huit ou dix étages serait impraticable. Combinés avec la charpente en acier et le béton armé, les ascenseurs permirent le gratte-ciel et, par extension, le paysage urbain moderne.

Dans les années 1880, alors que les villes s'étendaient et que les valeurs immobilières montaient en flèche, la vie en appartement émergea comme un mode de vie high-tech. Les promoteurs commercialisaient des commodités — eau courante chaude et froide, lignes téléphoniques, gaz central, salles de bain entièrement équipées, et ascenseurs — pour attirer des locataires de la classe moyenne qui ne pouvaient plus se permettre des maisons individuelles.

Ces bâtiments comportaient souvent le chauffage centralisé, la ventilation, la plomberie, et même des systèmes d'aspiration qui desservaient tous les appartements. L'accès par ascenseur démocratisa la vie : chaque étage était également accessible, contrairement à l'Europe où les familles aisées occupaient les étages intermédiaires et les pauvres étaient relégués aux sous-sols ou aux derniers niveaux.

William S. Pretzer

Le câble de levage est un assemblage tressé de multiples brins, chacun comprenant plusieurs fils d'acier torsadés autour d'un cœur de chanvre qui amortit et lubrifie le câble.

Dans une installation à tambour de levage, le câble va d'un tambour d'entraînement, autour d'une poulie supérieure, et revient au contrepoids. Dans un système à tambour de traction, le câble fait une boucle autour du tambour d'entraînement avant de retourner au contrepoids.

Les moteurs de levage électriques sont spécifiquement conçus pour le service d'ascenseur et peuvent inclure un réducteur, tous deux étant des composants commerciaux.

Le processus de fabrication

1. Le fabricant fabrique les cabines d'ascenseur dans une usine dédiée en utilisant des techniques standard de découpe, soudage et formage des métaux. La garniture intérieure peut être installée après l'achèvement de l'extérieur du bâtiment.
2. Sur site, le puits d'ascenseur est intégré dans la conception du bâtiment dès le départ. Au fur et à mesure que la structure s'élève, les murs en béton sont coulés et la rectitude et les dimensions du puits sont méticuleusement surveillées.
3. Après que les murs du puits sont finis mais avant que le toit ne soit fermé, les rails de guidage, rampes de commutateurs, échelles de service et équipements connexes sont boulonnés en place.
4. Une grue hisse le contrepoids au sommet du puits et le dépose sur les rails.
5. La même grue hisse la cabine d'ascenseur et l'assoit partiellement dans le puits ; les galets de guidage s'engagent sur les rails, et la cabine est descendue à la base du puits.
6. Le puits est couvert, créant une salle des machines au-dessus. Ici, le moteur de levage, le régulateur, le contrôleur et les équipements auxiliaires sont montés, avec le moteur positionné directement au-dessus de la poulie de la cabine.
7. L'assemblage final connecte les câbles d'ascenseur et de régulateur, complète le câblage électrique, et programme le contrôleur.

Contrôle qualité

Chaque ascenseur installé aux États-Unis doit répondre aux normes de sécurité définies par l'American National Standards Institute (ANSI) et l'American Society of Mechanical Engineers (ASME). Les codes du bâtiment locaux peuvent adopter ces normes ou établir des exigences équivalentes. Les autorités d'État inspectent, notent et certifient chaque ascenseur de passagers avant sa mise en service, et effectuent des réinspections régulières par la suite.

L'avenir

La technologie des ascenseurs continuera d'évoluer, quoique graduellement. Les systèmes de contrôle émergents apprennent des modèles de trafic historiques pour prévoir la demande, réduisant les temps d'attente. Des capteurs à base laser sont introduits pour surveiller la vitesse de la cabine et détecter les occupants, tandis que des scanners de niveau d'étage anticipent les arrivées des passagers. Ces innovations promettent un transport vertical plus intelligent, plus sûr et plus efficace.