Numerical and experimental assessment of wind loads on permeable double skin façades

The evolving performance requirements of modern buildings make their design a complex process that encompasses different fields. Among them, the energetic issue currently acts the leading role. In this framework, the building façade system plays a major role in the overall energy efficiency of the building and, for this purpose, new typologies of building envelopes are currently appearing in the architectural trends to help meet energetic requirements. One of the most popular examples is the Permeable Double Skin Façades (PDSF), able to provide shielding against direct sun irradiation and create a ventilated cavity useful to increase building comfort. Being the cladding system directly exposed to environmental action, the design of a PDSF must include an accurate assessment of the wind loading too. If compared to the single façade case, wind interaction with a PDSF poses several peculiar difficulties, which have been still very little investigated by the scientific community. In particular, the multi-scale nature of the problem, dictated by the large geometrical scale separation between the pores and the overall building size, makes the application of both experimental and numerical methods typically adopted in wind engineering not straightforward. Neither the standards are currently providing any design guideline for such a problem. The present thesis aims at investigating the aerodynamic behaviour of PDSFs and at identifying the role of the outer permeable layer in the aerodynamics of the building, with the final aim to provide a novel validated design procedure for a reliable prediction of the wind’s interaction effects both on the external as well as on the internal façade. The thesis consists of a collection of five articles that contributes to the final scope. A set of experimental tests based on wind tunnel tests allows putting light on the potentialities coming from the adoption of a PDSF, mainly represented by a reduction of design pressure for the inner façade if compared to the single façade case. This also highlights some intrinsic limitations of a purely experimental approach, essentially due to the representation of the porous façade in the scaled model. To overcome it, a reduced-order model able to fully represent the aerodynamic behaviour of the permeable structures is implemented in the CFD framework through the porous media approach, allowing it to describe the complex aerodynamics of the outer façade, with no geometrical modelling in the computational domain. Results highlight the capability of the implemented model to reflect global forces and pressure fields due to the flow interaction with porous screens, laying the groundwork for its potential usage as a design tool for the estimation of cladding loads for a building with a PDSF.

Le performance attese per gli edifici moderni rendono la loro progettazione un processo complesso che include diversi aspetti. Tra questi, la questione energica ricopre sicuramente un ruolo primario. A questo scopo, sono stati sviluppati sistemi di facciata che contribuiscono a migliorare l'efficienza energetica complessiva dell'edificio: le facciate a doppia pelle porosa (PDSF) ne sono un esempio, essendo in grado di fornire schermatura contro l'irraggiamento solare e creare un'intercapedine ventilata utile ad aumentare il comfort interno dell'edificio. La progettazione di tale involucro deve includere un'accurata stima degli effetti dovuti all’azione del vento. Se confrontato con il caso della facciata vetrata singola, la PDSF presenta alcune problematiche tuttora aperte nella comunità scientifica. La natura multiscala del problema, dovuta alla coesistenza di scale grandi associate alla dimensione dell’edificio con quelle legate alla dimensione delle aperture nella facciata porosa, rende l'applicazione delle tipiche metodologie dell’ingegneria del vento non immediata. La presente tesi si propone di indagare il comportamento aerodinamico delle PDSF e di identificare il ruolo dello facciata esterna permeabile nell'aerodinamica dell'edificio, con l'obiettivo finale di fornire una nuova procedura per la previsione degli effetti del vento sia sulla facciata esterna così come su quella interna. La tesi consiste in una raccolta di cinque articoli scientifici. Una set di prove sperimentali basate su test in galleria del vento ha permesso di mettere in luce le potenzialità derivanti dall'adozione di una PDSF. Queste sono da ricercarsi nella riduzione della pressione di picco da considerarsi per il dimensionamento della facciata interna rispetto al caso di facciata singola. Un approccio interamente sperimentale basato su prove su modelli in scala presenta però dei limiti intrinseci legati essenzialmente alla rappresentazione della pelle porosa nel modello. Per superare tali limitazioni, si propone un approccio “porous media” nel contesto della fluidodinamica computazionale. Questo consente di descrivere la complessa aerodinamica della facciata esterna, senza modellazione geometrica nel dominio computazionale. I risultati evidenziano la capacità del modello implementato di riflettere le forze globali e i campi di pressione dovuti all'interazione del flusso con gli schermi porosi, ponendo le basi per il suo potenziale utilizzo come strumento di progettazione per la stima dei carichi di rivestimento per un edificio con una PDSF.