Improving the seismic behavior of architectural glazing using friction damping connectors

Architectural glazing has been a widely practiced envelope system since the introduction of the modern architecture. This adaptation is basically driven by transparency and natural illumination which can be provided using glazed systems. High efficient energy behavior of double skin façade is one of the major reasons of increased interest among architects for applying glass skins over their buildings. Aesthetical features of glass have also made this material often used in the envelopes of prestigious and highly invested-in buildings. The post-earthquake surveys have shown that, although having the buildings designed according to the most contemporary seismic design codes will protect the structure of the building during an earthquake, these provisions are hardly sufficient for avoiding damage to the nonstructural elements of the building. Among all the nonstructural elements of a building the glass envelopes and store-front windows are the most vulnerable ones to damage during an earthquake. That is mainly due to the high rigidity and stiffness of these systems in the in-plane direction which results in attracting forces, combined with fragility and delicacy of these systems and its components with respect to structural members. It is also shown that the deflections and displacements which occur in the structure of the building during severe situations like earthquakes are likely to be the main cause of damage to glazed envelope systems. Application of advanced connection devices to protect the glazed envelopes is studied in this research as an alternative approach to the typical provisions of glass protection which is to provide clearance between the glass panel edges and the supporting frames of the envelope. Among different advanced connectors introduced in the literature, the friction damping connections are selected to provide a desired level of isolation between the envelope system and the structure of the building. This selection is based on the simplicity of their mechanisms and their ability to confine the transferred forces and moments to limited values. A specific friction damping connector, named the friction moment rod, is introduced by the author that has the ability to be adapted in almost all of the glazed envelope systems with complex geometries and high aesthetical demand over composing elements. Analytical approach is presented as a basis for tuning the friction connecting devices in glazed systems which is based on the mechanical strength of the glass panels connected with friction connectors and their behavior during earthquake. And finally with the help of numerical simulation, the analytical approach is evaluated and also other effects of the friction connectors on glazed envelopes are investigated, in order to find properties contributing to the tuning of friction connection devices.

La facciata in metallo e vetro o curtain metal wall, è un sistema costruttivo che a partire dal periodo moderno, ha avuto ampia diffusione sino ad arrivare ai giorni nostri in cui l’involucro trasparente prodomina per particolari destinazioni d’uso. La diffusione è dettata da due esigenze, una di tipo architettonico e una legata al comfort degli spazi confinati: da una parte l’idea di leggerezza e trasparenza e dall’altra lo sfruttamento di luce naturale. Negli ultimi anni l’uso di soluzioni di involucro trasparente, secondo differenti modelli di funzionamento (doppia pelle, involucro dinamico, involucro attivato con presenza di elementi fotovoltaici, ecc.), ha consentito di rendere gli organismi edilizi più efficienti da un punto di vista energetico. Il singolo layer viene re-inventato dai progettisti e sostituito con più strati a prestazione variabile. Le pelli fanno architettura e mutano al variare delle sollecitazioni esterne. Se da un punto di vista energetico e strutturale tutto o quasi si sa di questi sistemi costruttivi, meno si conosce dal punto di vista del comportamento sismico. I dati rilevati su edifici soggetti ad azioni sismiche hanno mostrato che, pur avendo rispettato i codici di progettazione sismica per quanto attiene all’involucro trasparente, questi non sono stati sufficienti per garantire la stabilità del sistema. Tra gli elementi non portanti che costituiscono gli edifici, le superfici trasparenti, sia che si tratti di facciate sia di serramenti, sono le parti più deboli e vulnerabili. Ciò è dovuto principalmente alla elevata rigidità (resistenza alla flessione) degli elementi metallici in direzione del piano di facciata , in combinazione con la fragilità degli elementi in vetro. Le deformazioni e gli spostamenti che si verificano a carico della struttura portante dell'edificio, durante la sollecitazione da sisma, non possono essere assorbite in pieno dalla facciata che subisce collasso. . Il punto debole, o il punto di forza è l’elemento di connessione (giunto) tra strattura portante e sistema di involucro trasparente. L’obiettivo della tesi è quello di sviluppare e mettere a punto un nuovo dispositivo di connessione avanzato per garantire l’integrità fisica degli involucro trasparenti inc aso di sisma in sostituzione a i “tipici” interventi preventivi che riguardano il controllo dei giunti tra vetro e profilo. Tra i vari connettori avanzati letteratura oggi disponibili, le connessioni di smorzamento per attrito sono i sistemi che garantiscono migliori prestazioni nel tempo e maggiori gradi di sicurezza. Si trattad i meccanismi semplici in grado di limitare le forze e momenti trasferiti. Il sistema sviluppato che prevede una particolare azione di smorzamento, ha la capacità, per geometria, di essere adattato in quasi tutte le tipologie di involucro trasparente anche con geometrie complesse. L’approccio analitico ha permesso di sviluppare la tecnologia e la geometria del sistema di connessione. La modellazione numerica ha consentito di determinare le condizioni al contorno di funzionalitàd el sistema.