Analysis and design of unitized curtain walls

Colloqui.AT.e 2016 MATER(i)A Materials | Architecture | Technology Energy/Environment | Reuse (Interdisciplinary) | Adaptability a cura di Antonella Guida Antonello Pagliuca La presente pubblicazione è stata valutata con il metodo della double blind peer review da esperti nel campo dell’architettura e del recupero. Tale metodo è stato scelto per prevenire la diffusione di risultati irrilevanti o interpretazioni scorrette. La commissione di valutazione è composta dai membri del comitato scientifico. La redazione ringrazia tutti coloro che hanno contribuito, con il loro lavoro, al Convegno Colloquiate2016 e dato l’autorizzazione per la pubblicazione. I curatori, l’editore, gli organizzatori ed il Comitato Scientifico non possono essere ritenuti responsabili né per il contenuto né per le opinioni espresse all’interno degli articoli. Inoltre gli autori hanno dichiarato che i contenuti delle comunicazioni sono originali. Volume a cura di A. GUIDA E A. PAGLIUCA Collaboratore V. D. PORCARI © Proprietà letteraria riservata Gangemi Editore spa Piazza San Pantaleo 4, Roma w w w. g a n g e m i e d i t o re . i t Nessuna parte di questa pubblicazione può essere memorizzata, fotocopiata o comunque riprodotta senza le dovute autorizzazioni. Le nostre edizioni sono disponibili in Italia e all’estero anche in versione ebook. Our publications, both as books and ebooks, are available in Italy and abroad. ISBN 978-88-492-3312-4 Colloqui.AT.e 2016 Convegno Ar.Tec - Matera ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA. ANALYSIS AND DESIGN OF UNITIZED CURTAIN WALLS. di Stefano Cascone* *Werner Sobek Stuttgart AG - Stoccarda, Germania. stefano-cascone@libero.it Abstract Abstract Il presente lavoro si inserisce nell’ampia tematica di ricerca sulla progettazione dei componenti edilizi delle chiusure verticali per edifici di grandi dimensioni. Tra le diverse tipologie di chiusure verticali, viene presa in considerazione la facciata continua le cui prestazioni dipendono dalle scelte progettuali e dalla qualità delle lavorazioni in cantiere. Tra i sistemi per la realizzazione delle facciate continue, particolarmente efficiente è la tecnica a cellula prefabbricata che consente l’assemblaggio dei componenti in officina e i relativi controlli di qualità, la riduzione dei costi e dei tempi di installazione e l'eliminazione delle lavorazioni eseguite dall'esterno dell’edificio. La ricerca mira a individuare un sistema costruttivo che coniughi l’elevata qualità tipica degli elementi di facciata a cellula prefabbricata con l’ampia libertà di design richiesta all’involucro degli edifici di grandi dimensioni, soddisfacendo al contempo i requisiti energetici, di isolamento acustico, di resistenza al fuoco, di tenuta agli agenti atmosferici e di ridotta manutenzione. A tal fine, nel presente lavoro viene preso in considerazione il progetto di un grattacielo da realizzare negli Emirati Arabi Uniti, che per la sua specificità geometrica utilizza diverse tipologie di facciate a cellula. The present work is part of the broad research theme on the design of the components of the building vertical closures for large buildings. Between the different types of building vertical closures, in the present work the curtain wall system, whose performance depends on design choices and on quality of the workmanship in the building site, is taken into account. Among the curtain wall systems, the most efficient is the unitized system which allows in-house component assembly and the related quality controls, reduction of costs and installation time and elimination of works carried out from outside the building. This research aims to identify a construction system combining the high quality typical of unitized façade units with the wide design freedom request to the envelope of large buildings, while meeting its requirements of energy efficiency, acoustic insulation, fire resistance, resistance to weather agents and low maintenance. To this end, in this paper the design of a high-rise building to be constructed in the United Arab Emirates is taken into account where, due to the specificity of its geometry, different types of unitized façade are used. Introduzione Introduction L’involucro rappresenta l’elemento di chiusura dell’edificio con il compito principale di proteggere gli spazi interni dagli agenti atmosferici e di garantirne le condizioni di comfort ambientali. Un componente fondamentale dell’involucro è la chiusura verticale che, quando non assolve funzioni portanti, può essere definita come “pelle” esterna non portante dell’edificio, cioè membrana permeabile e selettiva che non contribuisce alla resistenza strutturale complessiva dell’edificio. Tra i diversi tipi di chiusure verticali, nel seguito verrà presa in considerazione la facciata continua totalmente realizzata con elementi vetrati oppure come combinazione di parti opache e trasparenti. Le prestazioni che le facciate continue devono garantire sono: tenuta all’aria e all’acqua, adeguata luminosità degli ambienti interni, idonea risposta alle azioni dinamiche del vento, capacità di assecondare i movimenti dell'edificio dovuti alle variazioni termiche e alle sollecitazioni sismiche (McFarquhar, 2012). Al fine di soddi- Envelope is the building outer edge and its main task is to protect the indoor spaces from atmospheric agents and to ensure environmental comfort conditions. A fundamental component of the envelope is the vertical closure that, when it doesn’t carry out load-bearing functions, can be defined as outer “skin” of the building, that is permeable and selective membrane not contributing to the total structural resistance of the building. Among the different types of building vertical closures, in the remainder of this paper the curtain wall completely made of glazed elements or as combination of opaque and transparent parts will be taken into account. The performance that should be guaranteed by the curtain wall systems are: air and water tightness, adequate light transmittance to interior spaces, suitable response to wind, capacity to support the building movements caused by the fluctuations in temperature and by the seismic actions (McFarquhar, 2012). In order 1 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA sfare tali requisiti, la facciata continua è costituita da diversi componenti: i telai, i vetri, le guarnizioni, le impermeabilizzazioni, i materiali isolanti e i supporti metallici. Le prestazioni della facciata continua dipendono dalle scelte progettuali e dalla qualità delle lavorazioni in cantiere e possono essere aumentate mediante appropriate tecniche di installazione. La tecnica più efficiente per la realizzazione di facciate continue utilizza il sistema a cellula con telaio in alluminio, costituito da moduli prefabbricati e preassemblati, i quali per la posa in opera necessitano soltanto delle operazioni relative al posizionamento e ancoraggio dei moduli in cantiere. Tale sistema rappresenta un’evoluzione di quello tradizionale, definito “stick”, totalmente realizzato in opera. Entrambi i sistemi, infatti, sono costituiti da elementi verticali (montanti) e da elementi orizzontali (traversi), che circondano un pannello vetrato e/o opaco. A differenza del sistema tradizionale, in quello a cellula ogni modulo ha un telaio indipendente e utilizza “mezze” sezioni dei montanti e dei traversi in corrispondenza delle unioni tra due moduli adiacenti della facciata. I sistemi a cellula prefabbricata molto spesso sono stati considerati meno flessibili di quelli tradizionali e, al fine di potere sfruttare al massimo le potenzialità dell'assemblaggio in officina, sono stati utilizzati in edifici caratterizzati da elevata modularità, ritenendoli inadatti per edifici con geometria complessa. Per superare tali limiti, le ricerche in corso su tali sistemi di facciata continua mirano a definire un sistema costruttivo che coniughi i vantaggi offerti dall’impiego di componenti prefabbricati con l’ampia libertà di design richiesta all’involucro degli edifici di grandi dimensioni di nuova costruzione, caratterizzati da forme complesse e superfici fluide che si allontanano dalle forme geometriche tradizionali, garantendo nel contempo elevati requisiti energetici, di isolamento acustico, di resistenza al fuoco, di tenuta agli agenti atmosferici e di ridotta manutenzione. Nel presente lavoro, dopo un’analisi dei vantaggi del sistema di facciata continua a cellula prefabbricata e delle sue caratteristiche tecnico-costruttive, viene esaminato il progetto delle facciate continue di un grattacielo da realizzare negli Emirati Arabi Uniti che oggi si collocano tra i luoghi del mondo in cui è maggiore la ricerca estetica nella realizzazione di edifici complessi e dove il progetto delle chiusure verticali presenta problematiche specifiche dovute al clima tropicale. Le facciate del grattacielo in progetto per la loro specificità geometrica utilizzano diversi tipi di moduli a cellula prefabbricata. to meet these requirements, the curtain wall is made of various components: framing, glazing, gaskets and sealants, insulating materials and metal connections. The performance of the curtain wall systems depends on the design choices and on workmanship quality during the construction phases on the building site, and they may be increased by appropriate installation techniques. The most efficient technique for the construction of curtain walls uses the unitized system with aluminum frame made of prefabricated and pre-assembled units, which needs only positioning and anchoring operations of the units for the installation on the building site. This system is a development of the traditional one, called “stick”, totally realized on the construction site. Both systems consist of vertical elements (mullions) and horizontal elements (transoms), which surround a glazing and/or an opaque panel. Differently from the traditional system, the unitized one has an independent frame for each unit and it uses “half” sections of the mullions and the transoms at the unions between two adjacent façade units. The unitized systems have been very often considered less flexible than the traditional ones and, in order to exploit their assembly potential in the factory, they were used in buildings characterized by high level of modularity, considering them unsuitable for the use in buildings with complex geometry. In order to overcome those limits, the ongoing researches on those curtain wall systems aim to define a construction system combining the benefits offered by the use of prefabricated components to the wide design freedom required for the envelopes of the new large size buildings which are characterized by complex geometry and fluid surfaces not based on traditional geometric shapes, guaranteeing at the same time the high requirements of energy efficiency, acoustic insulation, fire safety, resistance to weather agents and low maintenance. In this paper, after an analysis of the advantages about the use of unitized façade and of its technical and construction features, the design of the curtain walls of a high-rise building to be built in the United Arab Emirates is examined, a country in which there is a greater aesthetic research on complex buildings and where the design of vertical closures has specific issues due to the tropical climate. Due to the complex geometry of a skyscraper, different types of unitized façade are used in the design of the curtain walls. 2 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA I vantaggi della facciata a cellula prefabbricata The advantages of unitized façade Tra il 1950 e il 1960 iniziarono a comparire sul mercato finestre e pannelli prefabbricati di facciata che con sviluppi successivi hanno raggiunto soluzioni di elevata ingegnerizzazione. Attualmente, il sistema a cellula prefabbricata è il più adoperato per la realizzazione delle facciate continue dei grattacieli e, in generale, per la realizzazione di chiusure verticali di elevata qualità negli edifici di grandi dimensioni (Abdullah e Ronnett, 2010). Tale sistema, infatti, è nato per far fronte alle problematiche connesse all’allestimento dei ponteggi esterni necessari per la realizzazione di facciate continue con tecniche tradizionali in edifici di grande altezza. L’intero processo produttivo del modulo si svolge nell’ambiente controllato della fabbrica. Il pannello completo viene trasportato in cantiere per il successivo assemblaggio che richiede un ridotto numero di operazioni per la posa in opera, con notevoli vantaggi sui tempi di lavoro in cantiere, stimati in una riduzione di circa il 20% rispetto a quelli necessari per i sistemi tradizionali e con la possibilità di ridurre anche l’incidenza di condizioni climatiche avverse sui tempi di posa in opera. Dunque, a fronte di maggiori costi diretti, il sistema di facciata continua a cellula prefabbricata risulta economicamente conveniente grazie alla massimizzazione del lavoro di prefabbricazione e alla conseguente minimizzazione dei lavori in cantiere (Khoraskani, 2015). A tali vantaggi si contrappongono i notevoli impegni logistici connessi al trasporto di elementi di grandi dimensioni e le difficoltà di assecondare modifiche progettuali in corso d’opera. Inoltre, le dimensioni degli elementi costituenti il telaio della cellula, per via dell’unione dei montanti e dei traversi facenti parte di due cellule adiacenti, sono complessivamente maggiori rispetto a quelle del sistema tradizionale che utilizza montanti e traversi singoli, con conseguente riduzione della superficie trasparente e quindi della luminosità degli ambienti interni (Tillmann, 2013). Between 1950 and 1960 prefabricated windows and façade panels started to appear on the market. With further developments they reached high engineering solutions. Currently, unitized system is the most used for skyscraper curtain walls and, in general, for high quality vertical closures in large size buildings (Abdullah and Ronnett, 2010). This system was developed to address the problems connected with the assembling of scaffolding outside the building which is needed for the construction of curtain walls based on traditional technologies onto high buildings. The whole unit production process takes place in the controlled environment of the factory. The entire panel is transported to the building site for the subsequent assembly that requires a limited number of laying operations, with considerable advantages regarding worksite times. The savings in time are estimated at about 20% compared to construction times needed for traditional systems, with the additional possibility of reducing the influence of adverse weather conditions on the worksite times. Therefore, despite the higher direct costs, the unitized curtain wall system is economically favorable thanks to maximizing factory labor and minimizing site labor (Khoraskani, 2015). Against these advantages, considerable logistical commitments need to be addressed due to the technical difficulties of transporting of large size elements, and the difficulties to satisfy design changes have to be considered while the construction works are still in progress. Furthermore, due to the union of the mullions and the transoms as part of two adjacent units, the element sizes constituting the unit frame are higher than the traditional system where single mullions and transoms are used, with the consequent reduction of the transparent surface and of the natural light of the indoor environments (Tillmann, 2013). Caratteristiche tecnico-costruttive delle cellule prefabbricate Technical and construction characteristics of the unitized system Il lavoro in fabbrica prevede, oltre l’assemblaggio degli elementi strutturali del pannello e l’installazione delle lastre di vetro, anche il posizionamento di tutte le guarnizioni e le impermeabilizzazioni. In cantiere il montaggio avviene procedendo dal basso verso l’alto dell’edificio con operai che lavorano esclusivamente al piano di pertinenza del modulo e in quello superiore con The factory work provides, in addition to the assembly of the frame elements and the installation of the glass, the positioning of all gaskets and seals. On the construction site the assembly work is based on a bottom-up approach with workmen who work only on the relevant floor of the unit and on the upper floor while the movement of the unit is managed by a lifting 3 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA la movimentazione dell’elemento mediante un macchinario apposito posto ai piani superiori rispetto a quello del montaggio. Tale tecnica costruttiva aumenta le condizioni di sicurezza dei lavoratori non richiedendo ponteggi esterni all’edificio e rende indipendenti i lavori di costruzione della struttura principale da quelli di realizzazione delle facciate. I moduli sono di solito progettati con altezza pari alle dimensioni dell’interpiano per essere montati tra un solaio e l’altro dell’edificio. La larghezza dei moduli è, in genere, variabile in relazione al numero massimo di elementi che possono essere preventivamente assemblati in officina. Maggiori sono le dimensioni dei moduli che possono essere assemblati, trasportati, movimentati e installati, maggiori saranno i vantaggi della prefabbricazione. I moduli sono ancorati ai solai mediante supporti appositamente predisposti. Pannelli di materiale isolante, di solito in lana di roccia completati superiormente e inferiormente con lastre in acciaio galvanizzato, sono utilizzati per sigillare gli spazi rimanenti tra i bordi esterni dei solai e i moduli di facciata. I montanti e i traversi dei pannelli adiacenti sono assemblati in cantiere per formare la facciata continua unendo gli elementi “maschi” con i corrispondenti elementi “femmina” (Taywade e Shejwal, 2015). Dunque, la corretta posa in opera delle cellule prefabbricate è condizione necessaria per garantire le elevate prestazioni richieste alle facciate caratterizzate da forme geometriche complesse, soprattutto per quanto riguarda l’installazione delle guarnizioni per la tenuta all’aria e all’acqua tra i montanti e tra i traversi dei moduli adiacenti che vengono uniti in cantiere. Il sistema di facciata è progettato per sopportare i carichi verticali e i carichi orizzontali nel piano e fuori dal piano, così come determinati dalle analisi strutturali dell’edificio tenendo in considerazione sia le condizioni di carico di esercizio sia quelle di carico di rottura. A tal proposito il sistema prefabbricato fornisce considerevoli vantaggi, in quanto l'accoppiamento in opera dei montanti e dei traversi di pannelli adiacenti permette agli elementi di facciata movimenti maggiori rispetto a quelli consentiti agli omologhi realizzati con tecnologie tradizionali (Ilter et al., 2015). L’aspetto estetico delle facciate a cellule prefabbricate è simile a quello che si ottiene mediante i sistemi “stick” tradizionali, ma grazie all’assemblaggio in fabbrica l'impiego del sistema prefabbricato garantisce maggiore flessibilità in fase di ideazione del progetto. Tale sistema, inoltre, può essere utilizzato in combinazione con il vetro strutturale incollato all’esterno del telaio mediante silicone strutturale (Patterson, 2008), in machine positioned on the floors of the building above the one of the assembly. This construction technique increases the workers safety conditions, not requiring scaffolding installed outside the building, and it makes the construction of the main structure of the building independent from the works concerning the realization of the façade. Generally, the units are designed with the same height of the building inter-floor and they span between the building floor plates. The width of the units is variable in function of the maximum number of elements that can be previously assembled in the factory. The bigger the unit size that can be efficiently fabricated, transported, handled and installed, the more advantages the prefabrication strategy will have. The units are anchored to the slab floors through specific supports into the bearing structure of the building. Insulation material panels, usually rock wool closed at the bottom and at the top by a galvanized steel sheet are used to close the gap between the outer edge of the slab floor and the façade elements. The mullions and the transoms of adjacent units are assembled on the construction site to create the curtain wall systems, joining the elements called “male” with the elements called “female” (Taywade and Shejwal, 2015). Therefore, the correct installation of the unitized system is a necessary condition to guarantee the high performance required for the façades characterized by complex geometric shapes, particularly with regard to the installation of the seals for air and water tightness between the adjacent mullions and transoms of adjacent units that are joined on the construction site. The curtain wall system is designed to handle vertical loads and in-plane and out-of-plane horizontal loads as determined by the structural analysis of the building and to account for all live and dead load conditions. The unitized systems provide considerable advantages in this regard, because the mullions and transoms assembly of adjacent units on the construction site allows the system more movement than those realized with traditional technologies can have (Ilter et al., 2015). The aesthetic aspect of the unitized systems is quite similar to the one of “stick” systems, but thanks to the assembly in the factory and to the prefabricated technique, the unitized systems allow more flexibility during the building design phase. Furthermore, the unitized system can be used in combination with the structural glass glued to the exterior of the frame with structural silicone (Patterson, 2008). In such a way no part of the frame is visible from the outside of the glazed 4 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA modo che nessuna parte del telaio sporga dalla superficie vetrata di facciata. Tale soluzione consente di mitigare l’impatto estetico del telaio, garantendo una superficie vetrata continua. In genere, però, i moduli prefabbricati raramente utilizzano il vetro strutturale ma presentano la struttura in vista che supporta il vetro lungo tutto il perimetro, per garantire l'integrità dei pannelli mentre vengono maneggiati in fabbrica e in cantiere (Tucci, 2006). E’ ragionevole ipotizzare, però, che in futuro l’evoluzione tecnologica di tali sistemi prefabbricati di facciata tenderà verso un maggiore impiego del vetro strutturale, in quanto ciò consente di ottenere i risultati estetici tipici delle superfici vetrate continue non interrotte dalla struttura dei pannelli e di valorizzare l'efficienza costruttiva caratteristica dei sistemi prefabbricati. surface. This solution makes it possible to mitigate the negative aesthetical impact of the strong framing grid, providing an uninterrupted glass surface. Generally, the unitized systems are rarely used with structural glass but they have the visible metal frame that holds the glass within the unit perimeter in order to guarantee the integrity of the panels while they are handled in the factory and on the construction site (Tucci, 2006). However, it is reasonable to assume that the future technological development of these prefabricated façade systems will tend towards a large use of structural glass façades because those solutions will allow to obtain the aesthetical results typical of glazed continuous surfaces not interrupted by the panel structure and to enhance the building efficiency of the prefabricated system. Il progetto della facciata del grattacielo The design of the skyscraper façade Il grattacielo in progetto è un edificio alto circa 300 m da realizzare negli Emirati Arabi Uniti, che sarà destinato ad appartamenti residenziali, a locali per uffici, ad hotel e a negozi. Inoltre, l’edificio conterrà ristoranti e strutture per il tempo libero come, ad esempio, una piscina e spazi per il fitness/spa. Il grattacielo in progetto ha forma complessa, approssimabile alla forma contorta assunta da un solido a basi non parallele e con direttrici degli spigoli ad andamento non rettilineo che congiungono punti del quadrilatero di base con altri del quadrilatero di copertura che non giacciono sulla stessa verticale (fig. 1). Tale forma geometrica complessa è dovuta non tanto alle diverse funzioni che saranno contenute all'interno dell'edificio quanto ai requisiti estetici che sono richiesti a un grattacielo di nuova costruzione negli Emirati Arabi Uniti. In conseguenza della forma del grattacielo che presenta ridotte superfici di facciata con giacitura piana e delle diverse funzioni previste al suo interno (uffici e negozi ai piani inferiori, hotel e appartamenti residenziali nelle parti centrali e aree fitness/spa e ristoranti ai piani più alti) per ognuna delle quali il progetto della facciata deve garantire specifici requisiti (ad esempio, di isolamento acustico e/o di privacy), il progetto ha comportato l’individuazione di diversi tipi di facciate che differiscono per dimensioni, aspetto estetico e scelta del tipo di vetro, ma non per tecnologia costruttiva, in quanto tutte utilizzano la cellula prefabbricata. Inoltre, in considerazione dell'intensa radiazione solare incidente e delle elevate temperature dell’aria che caratterizzano il clima nell’area della Penisola Araba, lo The project concerns a high-rise building about 300 m tall to be constructed in the United Arabic Emirates. It will include residential apartments, office premises, hotel and shops. Furthermore, the building will contain restaurants and leisure facilities such as a swimming pool and areas for fitness/spa. The designed high-rise building has a complex shape, approximated to the twisted shape assumed by a solid with non-parallel bases and with external edges along non-straight lines joining points of the quadrilateral basis to points of the quadrilateral roof which are not on the same vertical line (fig.1). This complex geometrical shape is not only due to the different functions that will be contained within the building but especially to the aesthetic requirements for new skyscrapers in the United Arabic Emirates. As a consequence of the skyscraper shape which does not have flat surfaces on substantial portions of the façade, and the various functions included into the building (offices and shops in the lower floors, hotel and residential apartments in the middle floors and restaurants and fitness/spa areas in the upper floors) in each of which the façade design must comply specific requirements (for example, acoustic insulation and/or privacy), the design involved the identification of different types of façades of different sizes, appearance and type of glass, but not for construction technology, as all types use the unitized system. Considering the intense incident solar radiation and high air temperatures that characterize the climate of the Arabian Peninsula, the study of the building fa- 5 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA studio delle facciate dell'edificio ha portato a una soluzione progettuale che consente di bilanciare la necessità di garantire all’interno degli ambienti una buona illuminazione naturale e nello stesso tempo limitare i carichi termici solari (Brunoro, 2006). Pertanto, il progetto prevede le facciate totalmente vetrate con superfici trasparenti variabili in funzione della esposizione. In particolare, la superficie trasparente massima è pari al 60% della superficie delle facciate esposte a nord, sulle quali è minima la radiazione solare diretta incidente, e si riduce sino a un minimo del 40% della superficie delle facciate orientate a sud e ad est che sono esposte alla massima radiazione solare diretta incidente. Tali riduzioni delle superfici trasparenti sono state ottenute progettando l’inserimento di moduli prefabbricati con due differenti larghezze, 1800 mm e 2700 mm, e inserendo pannelli opachi dietro alcune porzioni delle superfici vetrate. I pannelli vetrati hanno trasmittanza termica U=1,5 W/m2K, fattore solare g=0,22 e fattore di luce diurna 1,5. I pannelli opachi, invece, hanno trasmittanza termica U=0,4 W/m2K. Le parti di facciata realizzate con superfici trasparenti sono tali da garantire un livello di illuminamento non inferiore a 550 lux per tutti gli ambienti. Entrambi i tipi di pannelli hanno valore di permeabilità all’aria di 1,5 m3/m2h per differenza di pressione di 50 Pa fra interno ed esterno. Le facciate sono dotate di “pinne” frangisole per ridurre la radiazione solare che penetra negli ambienti interni, la cui struttura deve essere progettata per resistere agli elevati carichi del vento che agiscono sul grattacielo. Nelle specifiche condizioni di progetto, le “pinne” fisse rappresentano la soluzione migliore, non soltanto per l’elevata varietà di scelte progettuali possibili, ma anche perché l’installazione di sistemi mobili è di solito sconsigliata per l’eccessiva manutenzione richiesta soprattutto nelle aree geografiche il cui clima è caratterizzato dalla frequenza di forti venti carichi di particelle sabbiose. Il Dubai Green Building Regulations indica gli angoli di inclinazione ideali delle “pinne” frangisole per le differenti altezze dell’edificio e per le diverse esposizioni delle facciate alla radiazione solare. Tale normativa locale riporta indicazioni simili a quelle contenute nella norma europea DIN 4108-2. Il sistema di facciata a cellula adottato per il grattacielo in progetto è il tipo CW1000U prodotto dall’American Product Inc. (API) che unisce elevate prestazioni energetiche, buon design e notevole flessibilità tipologica. Con una larghezza complessiva dei montanti e dei traversi di soli 70 mm, tale sistema consente di assecondare i movimenti dell’edificio, con spostamenti çades led to a design solution that enables to balance the need to guarantee a good natural lighting and, at the same time, reduce solar heat loads in the indoor spaces (Brunoro, 2006). Therefore, the project provides a total glazed surface of the façades with transparent surfaces variable in relation to the exposure. In particular, the maximum transparent surface is 60% on the north façade, where the direct incident solar radiation is minimal, while the transparent surface decreases to 40% on the south and east façades where the direct incident solar radiation is maximal. These reductions of the transparent surfaces have been obtained by designing the integration of a prefabricated unit with two different widths, 1800 mm and 2700 mm, and inserting opaque panels behind some parts of glazed surfaces. The glazed panels have thermal transmittance U=1,5 W/m2K, solar factor g=0,22 and daylight factor 1,5. Opaque panels, instead, have thermal transmittance U=0,4 W/m2K. The parts of the façades made of glazed panels guarantee lighting level not less than 550 lux for all the environments inside the building. Both the panels have air permeability value fixed is 1,5 m3/m2h for pressure difference of 50 Pa between inside and outside. The façades are provided with fixed solar “fins” for the reduction of solar radiation which penetrates the indoor spaces. The structure of these devices has to be designed to withstand the high wind loads acting on the skyscraper. In the specific design conditions, the fixed “fins” are the best option, not only for the high variety of possible design solutions, but also because the installation of dynamic systems is usually not recommended due to the high maintenance required, especially in the geographic areas where the weather is characterized by strong winds with high density of sandy soil particles. The Dubai Green Building Regulations indicate the ideal inclination angles of the solar “fins” for the different building heights and for the different façade exposures to the solar heat loads. This local regulation gives indications similar to those included in the European standard DIN 4108-2. The unitized system used for the high-rise building is the CW1000U produced by American Product Inc. (API) which unites high energy performance, good design and considerable typological flexibility. With an overall mullions and transoms width of only 70 mm, this system allows to support the building movements, with maximum displacements of about 5 mm between adjacent units. This system, furthermore, provides the façade brackets realized with glass fiber-reinforced plastic which enable safe 6 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA massimi di circa 5 mm tra moduli adiacenti. Tale sistema, inoltre, prevede supporti di facciata realizzati con elementi in plastica rinforzata con fibre di vetro che consentono di applicare in sicurezza e senza la formazione di ponti termici i carichi dovuti al sistema frangisole. I moduli prefabbricati costituenti le facciate del grattacielo in progetto sono stati suddivisi in quattro gruppi (fig. 1) in relazione alla loro forma geometrica: - gruppo A: moduli piani; - gruppo B: moduli curvati a freddo in opera; - gruppo B-C: moduli con vetri piani per superfici curve; - gruppo C: moduli piegati in officina. Gli elementi di facciata appartenenti al gruppo A sono piani o possono essere dotati di piccole curvature con spostamenti fuori piano non superiori a 20 mm (fig. 2). Tali elementi sono realizzati con il sistema di prefabbricazione convenzionale, senza ulteriori accorgimenti e aumenti di costo. Gli elementi appartenenti al gruppo B sono analoghi a quelli del gruppo A, ma sono piegati a freddo durante la posa in opera, in modo da adattare il modulo alle parti delle facciate dotate di deboli curvature. Anche il vetro sarà piegato a freddo, con spostamenti fuori dal piano non superiori a 30-40 mm ottenuti fissando in officina tre angoli della lastra mentre il quarto angolo sarà fissato al telaio in fase di posa in opera, dopo essere stato curvato. Di conseguenza, un angolo della superficie di tali moduli curvati a freddo uscirà fuori dal piano del modulo e rimarrà nascosto dietro le “pinne” esterne, non visibile, quindi, nè dall’esterno nè dall’interno. Gli elementi del gruppo C (fig. 3) saranno utilizzati per le parti di facciata che presentano angoli e che, pertanto, richiedono la maggiore curvatura dei pannelli. Rispetto alla cellula base prefabbricata definita per i gruppi A e B, quella del gruppo C è piegata lungo i montanti, al fine di assecondare la geometria complessa dell’edificio. Ciò comporta l'onere della realizzazione in officina di elementi di facciata non modulari, con il vantaggio, però, di utilizzare vetri piani e non curvi, la cui installazione determinerebbe un notevole incremento dei costi di produzione. E’ presente un gruppo intermedio tra i gruppi B e C che per far fronte all’aumento della curvatura della superficie di facciata utilizza profili a sezione variabile per gli elementi del telaio che consentono di assecondare la curvatura mantenendo l’impiego di vetri piani con spostamenti dei moduli fuori dal piano compresi tra 40 mm e 60 mm. L’analisi di 4830 elementi prefabbricati della facciata del grattacielo ha mostrato che 3619 elementi (circa il 75%) sono riconducibili a moduli appartenenti al gruppo A, 478 elementi (circa il 10%) fanno parte del gruppo application of the shading system without the formation of thermal bridges. In order to adapt unitized façade technology to the geometrical complexity of the building, the different façade types have been divided into subcategories, depending on whether the façade units are flat, cold bended or twisted in factory. The prefabricated units of the skyscraper façades were divided into four groups (fig. 1) related to their geometrical shape: - group A: flat units; - group B: cold bended units; - group B-C: units with planar glass for curved surfaces; - group C: twisted units. Façade elements of the group A are flat or they can be complemented with small bending not exceeding 20 mm out of plane movement (fig.2). These elements are realized with the conventional prefabrication system, without others devices and without cost increases. The elements of group B are similar to those of group A, but they are cold bended during the construction phase with the aim to adapt the unit to the parts of the façade having small bending. Also the glass will be cold bended, with values of out of the plane movement not exceeding 30-40 mm, fixing three angles in factory while the fourth angle will be fixed to the frame during the construction phase, after being curved. Accordingly, an angle of these cold bended units will come out to the plane and it will remain hidden behind the external “fins” and not visible neither from outside nor from inside. The elements of group C (fig. 3) will be used in the parts of the façade having some angles and where, therefore, the higher bending of the units is required. Compared to basic prefabricated unit defined for groups A and B, the unit of group C is twisted along the mullions, in order to support the complex geometry of the building. This places a burden in terms the production of non-modular façade elements in the factory, with the advantages, however, of using flat glass instead of curved glass whose installation would lead to a significant increase of production costs. There is an intermediate group between groups B and C which, to deal with rising façade bending, uses special profiles as frame elements that allow to meet the bending by using flat glass with values of out of the plane movement of 30-40 mm. The analysis of 4830 prefabricated elements of the skyscraper façade has shown that 3619 (about 75%) relate to elements of group A, 478 elements (about 10%) are part of group B, 248 elements (about 5%) are 7 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA B, 248 elementi (circa il 5%) rientrano nel gruppo B-C, e 492 elementi (circa il 10%) appartengono al gruppo C. Per quanto riguarda la scelta dei materiali della cellula prefabbricata, per il modulo largo 1800 mm è previsto un vetro interno da 8 mm e due vetri laminati di sicurezza da 6 mm ciascuno posti all’esterno, mentre nel modulo di larghezza 2700 mm il vetro interno avrà spessore 10 mm e i due vetri esterni laminati di sicurezza saranno di spessore 8 mm ciascuno. In entrambi i moduli è prevista un’intercapedine di spessore 16 mm tra la lastra interna e quella esterna riempita di argon. Infatti la dimensione della sezione trasversale dei montanti e dei traversi parallela al piano di facciata è sempre 35 mm, e diventa 70 mm in seguito all’unione dei moduli adiacenti, mentre è 270 mm nella direzione perpendicolare al piano di facciata, non soltanto per garantire un adeguato dimensionamento strutturale del telaio, ma anche per determinare lo spessore dei moduli necessario per l’alloggiamento dei vetri e dei pannelli opachi. within the intermediate group between B and C, and finally 492 elements (about 10%) are parts of group C. With regard to the choice of the materials for the prefabricated unit, for the unit with width of 1800 mm an inner glass with thickness of 8 mm and two security laminated glasses with thickness of 6 mm in the outer side are provided, while in the unit with width 2700 mm the inner glass will have thickness of 10 mm and two outer security laminated glasses will have thickness of 8 mm. In both types of unit there is a gap of 16 mm between the internal and external pane, filled with argon gas. The cross-section size of the mullions and transoms parallel to the façade plane is always 35 mm and it becomes 70 mm after the union of adjacent units, while it is 270 mm in the perpendicular direction to the façade plane, not only to ensure an adequate structural dimensioning of the panels, but also to create the unit thickness to allow the positioning of the glass and opaque panels. Conclusioni Conclusion La soluzione progettuale del sistema di facciata continua a cellula prefabbricata ha consentito di coniugare l’elevata qualità tipica dei sistemi prefabbricati con la complessa geometria del grattacielo in progetto. Infatti, grazie all'impiego di diversi tipi di cellule prefabbricate circa il 90% dei pannelli costituenti la facciata saranno del tipo piano standard, in modo tale da poter utilizzare in tutte le parti della facciata del grattacielo le medesime soluzioni tecnico-costruttive per l’isolamento termico e acustico e per la sicurezza antincendio. Nel restante 10% della superficie della facciata, riconducibile alle aree in cui è presente un’elevata curvatura, si utilizzerà sempre la facciata a cellule prefabbricate ricorrendo a moduli di dimensioni non standard. L’applicazione del sistema di facciata continua a cellula prefabbricata, inoltre, consente di evitare l’utilizzo sia del costoso vetro curvo o anche doppiamente curvo e non richiede la realizzazione dei complessi ponteggi esterni all’edificio che sarebbero necessari con l’impiego del sistema tradizionale “stick”. Dunque, lo studio svolto ha evidenziato come l’utilizzo di sistemi di facciata a cellula prefabbricata per edifici di grandi dimensioni non è più legato, come in passato, alla modularità e ripetitività ma, grazie alle moderne tecniche di assemblaggio in officina e di montaggio in cantiere, è possibile adattare la cellula prefabbricata anche ad edifici complessi e geometricamente articolati, con notevole riduzione dei tempi di esecuzione e dei costi complessivi per la realizzazione delle facciate. The design solution of the unitized curtain wall system allowed to bring together the typical high quality of the prefabricated system with the complex geometry of the designed skyscraper. Thanks to the use of different prefabricated units about 90% of the façade panels will be flat standard units. In such a way it would be possible to use, for all the parts of the skyscraper façade, the same technical and construction solutions for the thermal and acoustic insulation and for fire safety. In the remaining 10% of the façade surface, related to the areas with high bending, unitized façade units with non-standard sizes will be used. The application of the unitized façade system, furthermore, allowed to avoid the use of both the expensive curved glass or doubly curved glass and the traditional “stick” system which would have involved the realization of complex external scaffolding. Therefore, the study carried out showed that the use of the unitized façade system for large buildings is no longer tied to the modularity and repetitiveness, as in the past. Thanks to the modern assembly techniques in the factory and on the construction site, it is possible to adapt the prefabricated unit to geometrically complex buildings, with high reduction of the execution times and of the total façades costs for the realization of the curtain walls. 8 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA Figura 1: I diversi tipi di facciate del grattacielo Figure 1: Different types of the skyscraper façades Figura 2: Moduli di facciata piani opachi e trasparenti Figure 2: Opaque and transparent planar façade units Figura 3: Moduli di facciata piegati opachi e trasparenti Figure 3: Opaque and transparent twisted façade units 9 Stefano Cascone ANALISI E PROGETTO DI FACCIATE CONTINUE A CELLULA BIBLIOGRAFIA Abul Abdullah, Marius Ronnett, 2010. Exploration of Curtain Wall Solutions. Perkins+Will Research Journal, 2010, 2, 33-55. Brunoro Silvia, 2006. Efficienza energetica delle facciate. 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