Facade systems for tall-buildings : time-history response and seismic assessment according to the most recent standards

This thesis aims to investigate in depth the stresses affecting curtain walls during the seismic event in order to quantify their intensity as reliably as possible, demonstrating its actual criticality. Even though the question is often simplified in seismic design regulations of non-structural elements, the attention to the seismic event also for this type of elements is more and more frequently requested in performance specifications, especially for tall buildings. Understanding that the seismic behaviour of curtain walls strictly depends on the accelerations and displacements to which their points of attachment to the main structure are subjected, it is necessary to deepen the seismic behaviour of tall buildings. If we are interested in non-structural elements, we should consider that they respond to the floor motion in the same way that the building responds to ground motion. However, the floor motion is quite different from the ground motion: they are the accelerations at each floor level and the floor displacements, not those of the ground, that acquire a fundamental role in the process of verification for non-structural elements. Therefore, it was decided to go beyond the normal procedures of verification of a glazed unit that generally involves a static or spectral-dynamic approach, deepening the issue with dynamic analysis. A Time History Analysis (THA), using accelerograms as base input, has been performed on our case study, Hadid Tower in Citylife (Milan). In the first instance, accelerations and displacements output data have been analysed. Extending the question to buildings of different heights through the use of equivalent oscillators, what was possible to verify is that essentially all tall buildings have a similar behaviour, influenced by their natural frequencies. Afterwards, the results of this first step have been used as input in a time history analysis of a unitized glass panel, to obtain the stresses it is subjected to. In this stage, a module of the outer skin of Hadid Tower was used, which follows approximately the external twisted shape of the building. Finally, a comparison with other standard methods of verification and with the analytical approach proposed by the regulations has been carried out. Although some discrepancies with standard approaches were found, the detailed analysis performed confirmed that the seismic event is not critical for elements such as glazed units.

Questo lavoro di tesi intende indagare in modo approfondito le sollecitazioni che interessano le facciate continue durante l'evento sismico, al fine di quantificarne l'intensità nel modo più affidabile possibile, dimostrandone l'effettiva criticità. Anche se la questione è spesso semplificata nelle norme di progettazione sismica degli elementi non strutturali, l'attenzione all'evento sismico anche per questo tipo di elementi è sempre più spesso richiesta nelle specifiche prestazionali, soprattutto per gli edifici alti. Comprendendo che il comportamento sismico delle facciate continue dipende strettamente dalle accelerazioni e dagli spostamenti a cui sono sottoposti i loro punti di attacco alla struttura principale, è necessario approfondire il comportamento sismico degli edifici alti. Se siamo interessati agli elementi non strutturali, dovremmo considerare che essi rispondono al movimento dei solai nello stesso modo in cui l'edificio risponde al movimento del terreno. Tuttavia, il movimento dei solai è molto diverso dal movimento del suolo: sono le accelerazioni e gli spostamenti di ogni livello, non quelli del suolo, ad acquisire un ruolo fondamentale nel processo di verifica degli elementi non strutturali. Si è quindi deciso di andare oltre le normali procedure di verifica di una cella vetrata che solitamente comportano un approccio statico-equivalente o spettrale-dinamico, approfondendo la questione con l'analisi dinamica. Sul nostro caso di studio, Hadid Tower in Citylife (Milano), è stata effettuata un'analisi al passo, o analisi time history (THA), utilizzando gli accelerogrammi come input di base. In primo luogo, sono stati analizzati i dati di output in termini di accelerazioni e spostamenti. Estendendo la questione ad edifici di altezze diverse attraverso l'uso di oscillatori equivalenti, ciò che è stato possibile verificare è che essenzialmente tutti gli edifici alti hanno un comportamento simile, influenzato dalle loro frequenze naturali. In seguito, i risultati di questa prima fase sono stati utilizzati come input in un'analisi time history di una cellula vetrata, per ottenere le sollecitazioni a cui è sottoposta. In questa fase è stato utilizzato un modulo della pelle esterna della Torre Hadid, che segue la geometria torsionale dell’edificio. Infine, è stato effettuato un confronto con altri metodi standard di verifica e con l'approccio analitico proposto dalla normativa. Sebbene siano state riscontrate alcune discrepanze con gli approcci standard, l'analisi dettagliata effettuata ha comunque confermato che l'evento sismico non risulta critico per elementi non strutturali come le cellule vetrate.