Numerical analysis of unitized facade systems : effect of the mechanical interaction between glass, silicone and aluminium in the static behaviour

Unitized curtain walling systems are increasingly employed as a technological solution for tall building envelopes due to their high quality and fast installation process. The structural design of these systems is governed by standard design conventions, based on the static verification of the elements considering them separately, while neglecting the benefits attributable to the response of the system as a whole. The results of the performance tests carried out on 1:1 scale mock-ups represent tangible evidence in this sense, by recording lower displacements and greater resistance in comparison to those expected during the design phase, which is indicative of a significant difference in terms of global stiffness. The stiffness increase is the result of the effects associated with the presence of connections between the various façade components and the presence of secondary elements, not essential for the static equilibrium of the unit. This thesis work aims to evaluate the benefits in terms of stiffness, due to the mechanical interaction between glass, frame and silicone, i.e. the bonding element between the glass infill panel and the aluminium frame. To achieve this objective, it has been necessary to compare two different numerical modelling approaches realised in F.E.M. environment and based on the case study of "Generali Tower TCb Zaha Hadid". The first approach (Uncoupled Method or U.M.) adopts conventions based on the standard design process of building envelopes and consists of the uncoupled modelling and analysis of the façade's constitutive elements. The second (Coupled Method or C.M.), instead, is characterised by more sophisticated modelling which reflects the reality and differs from the first by the presence of a single variable, identifiable with the silicone. Finally, further evaluation of the effects on the mechanical response of the unit, associated with the presence of the additional components, has been carried out by comparing the results of the Coupled Method with the experimental measurements, listed in the Performance Test reports. From the analyses, it is possible to deduce that the mechanical interaction between the elements, linked to the presence of silicone, can increase the stiffness of the global system, showing a characteristic non-linear, hardening tendency. This result could be translated into a potential optimization factor of some of the façade components, with a consequent economic benefit.

I sistemi di facciata continua a cellula sono sempre più frequentemente adottati come soluzione tecnologica per edifici alti, caratterizzati da un involucro trasparente, grazie ai numerosi benefici tra i quali la qualità della produzione e la facilità di posa. La progettazione strutturale delle facciate continue è governata da convenzioni progettuali standard che prevedono il dimensionamento dei singoli elementi esaminati separatamente, trascurando i benefici attribuibili alla globalità del sistema. I risultati di collaudo prestazionale effettuati sui mock-up di scala reale delle facciate a cellula rappresentano in questo senso una prova concreta, evidenziando minori spostamenti e resistenza maggiore rispetto a quelli prevedibili in fase di progettazione, denotando quindi una differenza signficativa di rigidezza. Tale incremento è il risultato di effetti associati alla presenza di connessioni tra i vari componenti della facciata e alla presenza di elementi secondari, come accessori non essenziali per la funzione statica della cellula. La tesi ha come obiettivo la valutazione dei benefici in termini di rigidezza dovuti all’interazione meccanica tra vetro, telaio e silicone, elemento di connessione tra tamponamento trasparente e telaio. Per raggiungere tale obiettivo è stato necessario relazionare due approcci di modellazione numerica differenti, realizzati in ambiente F.E.M e basati sul caso studio della “Torre Generali TCb Zaha Hadid”. Il primo approccio (Uncoupled Method o U.M.) adotta convenzioni basate sul processo di progettazione standard dell’involucro edilizio e consiste nella modellazione e nell’analisi disaccoppiata dei singoli elementi costituenti il modulo di facciata. Il secondo (Coupled Method o C.M.), invece, è caratterizzato da una modellazione più sofisticata che riflette la realtà e differisce dalla prima per mezzo di una variabile soltanto, identificabile con la presenza del silicone strutturale. Infine, un’ulteriore valutazione degli effetti sulla risposta meccanica della cellula, associabili alla presenza di tutti gli altri elementi integrati nel sistema di facciata, è stata condotta tramite il confronto dei risulati del Coupled Method con le misurazioni, di natura sperimentale, individuate nelle relazioni finali di collaudo. Dall’analisi incentrata sul raffronto dei risultati, si evince che l’interazione meccanica tra gli elementi, legata alla presenza del silicone, è in grado di incrementare la rigidezza del sistema globale, caratterizzando il comportamento di quest’ultimo da una tendenza non lineare di tipo hardening. Tale risultato potrebbe essere tradotto in un potenziale fattore di ottimizzazione di alcuni componenti con conseguenti benefici economici.