Prefabricated external wall system for tall cross-laminated timber buildings. Design of unitized wood based façade assemblies for fast-track construction and quality assurance

Prefabrication of timber envelope components is a constantly developing research field, which attracts interest from various sectors of expertise thanks to the conspicuous advantages it can confer in terms of resources savings, as well as quality management and safety for all actors involved in the process. The work developed within the frame of this PhD research goes through the design of a newly conceived external wall system for tall CLT buildings, entirely preassembled off-site and so able to be installed on his final position via crane, renouncing to scaffolds for façade completion. This not only allows for the construction phase to speed up but also for immediate protection of load-bearing timber elements from weather agents exposure. The research work belongs to the scientific field of technical architecture but it has a strong multidisciplinary content. It has been developed according to three main topics, with the aim of proposing innovative solutions to each of the outlined questions. The first is construction management, and the related research compares the effect of various degrees of envelope prefabrication highlighting strengths and criticalities. This offers to designer new perspectives on the possibility to manage such prefabrication degree in accordance with design specific objectives. Results proved that the high level of envelope prefabrication implies both direct and indirect cost and time reduction, enhancement of construction site safety and the elimination of risk factors related to the exposure of timber structure to atmospheric agents. The second topic concerns the proposal of an entirely prefabricated façade system based on the use of CLT as supporting system, overcoming the limits of mere structural prefabrication that has characterized the use of this type of technology so far. Technological design and project development of the construction system is based on the study of joint detail at the interface among façade panels, providing flexible and functional solutions that are able to respond to changing design needs despite maintaining a high level of performance. In addition, the design of joint has been developed according to the principles of installation simplicity and rapidity and also to allow for maintenance actions, if needed. Finally, a detailed study on differential movements at the interface between façade elements has been performed. This is the third leading topic of the research and has been developed following two sub-steps: an experimental study that involved laboratory structural tests to investigate CLT plate behaviour at the interface between floor and external walls and, consequently, the investigation of such deformation phenomena through non-linear numerical analysis. Results of laboratory testing and finite element modelling allowed for the elaboration of design guidelines for the proposed envelope system.

La prefabbricazione degli elementi di facciata è un campo di ricerca in continuo sviluppo, che attrae l’interesse di vari settori di competenza grazie ai cospicui vantaggi offerti in termini di risparmio di risorse, qualità operativa e maggiore sicurezza per tutti gli attori del processo. Il lavoro sviluppato nell’ambito di questo dottorato riguarda il progetto di un sistema di chiusura verticale in cross-laminated timber (CLT) di nuova concezione, totalmente prefabbricato in officina e, pertanto, installabile in cantiere tramite l’impiego esclusivo di una gru. Ciò permette non soltanto di velocizzare le operazioni di costruzione rinunciando alla presenza del ponteggio per il completamento delle facciate, ma anche di fornire immediata protezione dagli agenti atmosferici agli elementi portanti in legno. Il lavoro di ricerca si colloca nel campo dell’architettura tecnica ma presenta una forte vocazione multidisciplinare. Lo sviluppo è stato portato avanti secondo tre temi principali, con lo scopo di proporre soluzioni innovative per ognuna delle domande evidenziate. Il primo è un’analisi di organizzazione del cantiere che confronta gli effetti dei diversi gradi di prefabbricazione dell’involucro sottolineandone i punti di forza e le criticità. Ciò offre ai progettisti nuove prospettive sulla possibilità di gestire il grado di prefabbricazione in accordo agli obiettivi progettuali. I risultati hanno dimostrato che un alto livello di prefabbricazione dell’involucro implica una riduzione di costi e tempi sia diretta che indiretta, il miglioramento delle condizioni di sicurezza del cantiere e l’eliminazione dei fattori di rischio legato all’esposizione delle strutture in legno agli agenti atmosferici. Il secondo tema riguarda lo studio di dettaglio del sistema costruttivo di facciata con supporto in CLT, superando il limite della prefabbricazione esclusivamente strutturale che ha caratterizzato finora questo tipo di tecnologia. Il maggiore impegno progettuale è stato dedicato allo sviluppo del giunto tra pannelli di facciata secondo i principi di semplicità, rapidità di installazione e garanzia di alti livelli prestazionali, allo scopo di fornire soluzioni flessibili e funzionali che possano ben rispondere alle esigenze di un progetto in evoluzione. Infine, è stato portato avanti uno studio dettagliato dei movimenti differenziali tra elementi di facciata, con particolare riferimento all’abbassamento sotto l’effetto dei carichi verticali che risulta particolarmente critico nel caso di edifici alti in legno. Questo tema della ricerca è stato sviluppato secondo due sottofasi: uno studio sperimentale per indagare il comportamento dei solai in CLT all’interfaccia con le pareti perimetrali portanti, e successivamente, l’approfondimento di tali fenomeni deformativi tramite un’analisi numerica non lineare. I risultati dei test di laboratorio e della modellazione agli elementi finiti hanno permesso l’elaborazione di linee guida per la progettazione del sistema di involucro proposto.