tecnologia dell involucro architettura n design n ingegneria n INVLUCR Tra tecnologia ed architettura CLADDING Between technology and architecture Speciale SAIE TDAY
S M M A R I Involucro: tra architettura e tecnologia n n n n n Involucri in Cor-ten Cor-ten claddings Problemi di aerodinamicità dell involucro Aerodynamics problems in claddings Skin engineering Skin engineering La scelta del vetro negli involucri trasparenti The choice of glass in transparent claddings Design engineering Design engineering
E D I T R I A L E di Fabrizio Bianchetti INVLUCR tra tecnologia ed architettura Tecnologia ed architettura, due mondi che interagiscono tra loro in modo sempre più complesso ed affascinante nella caratterizzazione del nostro ambiente costruito. Si moltiplicano infatti le architetture che affidano immagine e significato al proprio involucro piuttosto che alla spazialità interna. Con esse, infatti, emerge una nuova strategia di comunicazione del pensiero architettonico: nuovi materiali e nuove tecnologie corrispondono a nuove figurazioni ed articolazioni più varie e complesse, a nuovi significati e narrazioni. I progettisti si trovano spesso ad impiegare oggi componenti e soluzioni per facciate ed involucri connotati da una palese o implicita (spesso l apparente semplicità cela un profondo lavoro tecnico) complessità tecnologica e da un crescente contenuto innovativo. L evoluzione tecnologica del comparto serramentistico, ed in particolare dell industria del vetro, permettono oggi al progettista di intendere l involucro edilizio non più come un semplice diaframma interno-esterno, ma bensì come un filtro dinamico in grado di rispondere correntemente alle esigenze di benessere, di sostenibilità e risparmio energetico e capace contemporaneamente di coniugarsi con le istanze di espressione e linguaggio. Innovazione di prodotto e innovazione di progetto richiedono, per tutti gli operatori, un approccio più attento ed informato che può trovare risposta semplicemente in una sempre più accurata analisi delle soluzioni già realizzate e nella conoscenza dei prodotti e delle soluzioni disponibili. Da qui l importanza dell analisi che FRAMES propone per la diffusione delle innovazioni di prodotto e di sistema e per uno sguardo sulle nuove frontiere dell involucro. Rifunzionalizzazione involucro dello stabilimento Termale di Comano (Trento) - Arch. Atsushi Kitagawara, in associazione con Atelier 2 (Arch. Valentina Gallotti e Ing. Marco Imperadori), Arch. Fabrizio Bianchetti, Geol. Fulvio Epifani, Ing. Ferruccio Galmozzi (Digierre 3), Ing. Gian Pietro Imperadori, Ing. Paola Trivini.
CLADDING between technology and architecture Technology and architecture: two worlds that interact in increasingly complex and fascinating ways to characterise our built environment. More and more buildings are relying on cladding rather than internal spaces to define their image and meaning. The result is a new strategy for expressing architectural thought: new materials and new technologies corresponding to new forms of representation and more varied, complex expressions representing new meanings and narrations. Architects today are increasingly using components and solutions for façades and wrappers with clear or implicit connotations of technological complexity and increasingly innovative content (and here, apparent simplicity often conceals a vast amount of technical work). The evolution of technology in frames, and particularly in the glass industry, now allows architects to treat a building s wrapper as more than just a diaphragm between inside and outside, but a dynamic filter capable of responding to requirements for wellness, sustainability and energy conservation and to the demands of expressiveness and vocabulary at the same time. Innovation in products and design require, for all operators, a more thoughtful, informed approach that can be met simply by more thorough analysis of solutions which have already been built and familiarity with the products and solutions available. This is the reason for the importance of the analysis FRAMES proposes for publicising product and system innovation and taking a look at the new frontiers in wrappings.
T E c N L G I A i n g e g n e r i a d e l l i n v o l u c r o INVLUCRI IN CR-TEN 1 di Giuliano Venturelli n foto/photo: Gabriele Masera, Emanuela Casagrande, Fabrizio Bianchetti Cor-ten claddings 2
acciaio CR-TEN (in inglese weathering steels) fa parte L della categoria degli acciai a basso contenuto di elementi di lega (basso legati) e a elevata resistenza meccanica, definiti patinabili. Questo acciaio, brevettato negli Stati Uniti nel 1933, è ormai ampiamente conosciuto non solo in America, dove da decenni è utilizzato su vastissima scala, ma anche in Europa e in altri Paesi dove è stato impiegato in numerosissime ed efficaci applicazioni. L acciaio CR-TEN è stato brevettato dalla United States Steel Corporation nel 1933 che lo lanciò come acciaio basso legato con 0,2-0,5% di rame, 0,5-1,5% di cromo e 0,1-0,2% di fosforo. La composizione negli anni ha subito degli aggiustamenti, quali per esempio l introduzione dello 0,4% di nichel, la riduzione del fosforo al 0,04% nonché l aggiunta di piccoli tenori di altri elementi, capaci di migliorare la sua resistenza meccanica. Attualmente si possono ottenere acciai CR-TEN con una resistenza allo snervamento fino a 580 MPa. Il suo nome deriva dalle due principali caratteristiche che lo distinguono: n elevata resistenza alla corrosione (CRrosion resistance); n elevata resistenza meccanica (TENsile strength). Qualità e peculiarità che ne hanno peraltro decretato il grande successo raggiunto non solo in campo architettonico. La principale caratteristica dell acciaio CR-TEN è quella di autoproteggersi dalla corrosione elettrochimica, mediante la formazione di una patina superficiale compatta, che assume 1. 2. 3. 4. Magazzino della farina a Tallinn, Estonia 3 Weathering steels belong to the category of steels with a low content in terms of alloying elements (low-alloy steels) and featuring high tensile strength. CR-TEN steel, patented in the US in 1933, is now widely known not only in the USA, where it has been used on a vast scale for decades, but also in Europe and in other countries in which it has been used effectively in numerous applications. CR-TEN steel was patented by the United States Steel Corporation in 1933. The company launched it as a low-alloy steel containing 0.2-0.5% of copper, 0.5-1.5% of chromium and 0.1-0.2% of phosphorus. ver the years, this composition has undergone adjustments, such as the introduction of 0.4% of nickel, reduction of the phosphorus content to 0.04% and the addition of small quantities of other elements capable of improving its mechanical strength.it is currently possible to obtain CR-TEN steels with yield strengths of up to 580 MPa. The name CR-TEN is based on its two main features: n High CRrosion resistance; n High TENsile strength. These peculiarities are the reasons for the great success it has reached not only in the field of architecture. The main characteristic of CR-TEN steel is that it protects itself from electrochemical corrosion by forming a compact surface layer consisting of oxides of its alloy elements. This layer takes on a passivising function able to prevent the progressive spreading of corrosion. 4 1. 2. 3. 4. Flour warehouse in Tallinn, Estonia
T E c N L G I A i n g e g n e r i a d e l l i n v o l u c r o una funzione passivante, costituita dagli ossidi dei suoi elementi di lega, tale da impedire il progressivo estendersi della corrosione; questa patina superficiale, che solitamente ha una colorazione bruna (come il tipico colore della ruggine), varia di tonalità scurendosi con il passare del tempo. Allo stato non pitturato infatti, l acciaio CR-TEN, durante l esposizione alle diverse condizioni atmosferiche, si riveste di una patina uniforme e resistente, costituita, come già detto, dagli ossidi dei suoi elementi di lega, che impedisce il progressivo estendersi della corrosione. Questo rivestimento, dalla tipica colorazione bruna, variabile di tonalità con gli anni e con l ambiente esterno, oltre a costituire un efficace protezione contro l aggressione degli agenti atmosferici, conferisce al materiale stesso una forte valenza espressiva che riesce spesso a caratterizzare e connotare gli edifici nei quali l acciaio CR-TEN è impiegato. Diversi sono i vantaggi di ordine tecnico ed economico che costruttori e progettisti possono ottenere con l impiego del CR-TEN. In particolare, adottando questo tipo di acciaio in sostituzione dei comuni acciai strutturali al carbonio, è possibile ottenere apprezzabili riduzioni di spessore con la conseguente diminuzione di peso. Inoltre, l elevata resistenza alla corrosione provocata dagli agenti atmosferici da parte dell acciaio CR-TEN, consente l utilizzo di questo materiale allo stato grezzo, mentre, qualora venisse pitturato, permette di ridurre sensibilmente le operazioni di manutenzione periodica. Diverso risulta il comportamento dell acciaio CR-TEN nei confronti dell azione corrosiva rispetto a quello al carbonio nel quale il film superficiale, formato dai prodotti di ossidazione (ruggine), risulta poroso e incoerente e per questo non idoneo a passivare il sottostante metallo. Durante la progettazione di un involucro in CR-TEN è importante porre particolare attenzione ai fattori microambientali che caratterizzano il sito nel quale l edificio si troverà (CLADDING) o si trova (RECLADDING). Questo perché è bene ricordare che la formazione del film superficiale passivante (patina) avviene solo in presenza di determinate condizioni ambientali quali: n esposizione all atmosfera; n alternanza di cicli di bagnamento; n assenza di ristagni e/o contatti permanenti con acqua. Qualora queste condizioni non si verificassero, come per esempio per elementi posti al coperto, non si potrebbe avere la formazione del film protettivo rendendo così il comportamento dell acciaio CR-TEN del tutto equivalente a quello di un comune acciaio al carbonio. Esistono tre tipi di acciaio CR-TEN: n CR-TEN tipo A: comunemente denominato al fosforo, viene utilizzato per applicazioni architettoniche e ha una resistenza agli agenti atmosferici da 5 a 8 volte quella dell acciaio al carbonio; n CR-TEN tipo B: comunemente denominato al vanadio, viene utilizzato per strutture fortemente sollecitate e ha una resistenza agli agenti atmosferici di circa 4 volte quella dell acciaio al carbonio; n CR-TEN tipo C: viene utilizzato per strutture fortemente sollecitate e ha una resistenza agli agenti atmosferici di circa 4 volte quella dell acciaio al carbonio. 5. 6. 7. Palestra a Sarezzo, Brescia - Progetto: Camillo Botticini, Claudio Corna 5. 6. 7. Gym in Sarezzo, Brescia - Project by Camillo Botticini and Claudio Corna The surface usually has a brownish colour similar to the typical colour of rust, but changes colour with the passing of time, becoming darker. 5 Left unpainted, following exposure to changing weather conditions, CR-TEN steel acquires a uniform and resistant coating, consisting, as already stated, of the oxides of its alloy elements, which prevent the progressive spreading of corrosion. This coating has a typical brownish colour, the shade of which varies over the years and in relation to the outside environment. In addition to providing effective protection against weathering, it gives the material a strong expressive value that often characterises and distinguishes the buildings in which CR-TEN steel is used. Builders and designers can obtain several technical and financial advantages by using CR-TEN. In particular, by using this type of steel in the place of common carbon structural steel it is possible to use appreciably smaller thicknesses, with consequent reductions in weight. Furthermore, the high resistance to weathering of CR-TEN steel means that this material can be used rough, although if it is painted the need for periodical maintenance activities is considerably reduced, The behaviour of CR-TEN steel with regard to corrosion differs from that of carbon steel, in which the surface layer formed by oxidation products (rust) is porous and inconsistent, and therefore unable to passivise the underlying metal. When designing a cladding made of CR-TEN steel, it is important to pay attention to micro-environmental factors that characterise the site where the building will be erected (in the case of CLADDING) or is already located (in the case of RECLADDING). Indeed, it should be remembered that the passivising surface layer only forms in the presence pf specific environmental conditions: n exposure to the air; n alternation of wetting cycles;
6 7 In relazione alla diversa composizione chimica e allo spessore, i tre tipi di CR-TEN presentano differenti caratteristiche di resistenza alla corrosione atmosferica e di resistenza meccanica. In fase di progettazione è pertanto possibile scegliere il tipo di acciaio più idoneo alle proprie esigenze: il tipo A, particolarmente adatto per applicazioni architettoniche, e i tipi B e C, che meglio si prestano nel caso di strutture fortemente sollecitate. L acciaio CR-TEN viene normalmente fornito allo stato grezzo di laminazione prevalentemente sotto forma di lamiere. n absence of accumulation and/or permanent contact with water. If these conditions do not occur (for example, in covered areas), the protective film would not form and the CR-TEN steel would behave in exactly the same way as a common carbon steel. There are three types of CR-TEN steel: n Type A CR-TEN steel: This is commonly known as phosphorus steel and is used for architectural applications. Its resistance to weathering is 5 to 8 times greater than that of carbon steel; n Type B CR-TEN steel: This is commonly known as vanadium steel and is used for structures subject to high stresses. Its resistance to weathering is about 4 times greater than that of carbon steel. n Type C CR-TEN steel: This is used for structures subjected to strong stresses and its resistance to weathering is about 4 times greater than that of carbon steel. As a result of their different chemical compositions and depending on the thickness, the three types of CR-TEN have different degrees of resistance to weathering and to mechanical stress. It is therefore possible, at the time of design, to choose the type of steel most suitable for one s specific needs. Type A is particularly suitable for architectural applications, while types B and C are more suitable for structures that will be subjected to strong stresses. CR-TEN steel is normally supplied in the form of rolled sheets. The characteristics of CR-TEN products meet the requirements of ASTM standards, in that their properties are superior to these standards. ASTM A 242 ASTM A 374 ASTM A 375 Sheets, bars, sections Thin sheets, wide strips, coldrolled narrow strips Thin sheets, wide strips, hot-rolled narrow strips CR-TEN sheets can undergo normal workshop processing such as cutting, bending and welding. CR-TEN can be bent cold up to a thickness of 12.5mm provided the minimum bending radii indicated in the following table are kept in mind: Thickness, mm Minimum bending radius (a=thickness) CR-TEN A CR-TEN B CR-TEN C <= 1.5 A --- --- >1.5 to 6 2a 2a 3.5a >6 to 12.5 3a 3a 3.5a > 50 100 C 100 C --- For thicker sheets or narrower bends, hot bending is advisable. Hot forming does not entail particular problems although it is advisable to heat the CR-TEN steel to a temperature not exceeding 1,100 C and to complete the forming operation at a temperature of between 815 C and 900 C.
T E c N L G I A i n g e g n e r i a d e l l i n v o l u c r o Le caratteristiche dei prodotti CR-TEN soddisfano alle prescrizioni previste dalle norme ASTM, presentando tuttavia proprietà superiori. ASTM A 242 ASTM A 374 ASTM A 375 Lamiere, barre, profilati Lamiere sottili, larghi nastri, nastri stretti laminati a freddo Lamiere sottili, larghi nastri, nastri stretti laminati a caldo Le lastre di acciaio CR-TEN possono essere lavorate in officina ricorrendo alle normali lavorazioni come taglio, piegatura e saldatura. La piegatura del CR-TEN può essere effettuata a freddo fino a spessori di 12,5 millimetri purché si tengano presenti i minimi raggi di curvatura riportati sulla seguente tabella: Spessore, mm Raggio minimo di piegatura (a=spessore) CR-TEN A CR-TEN B CR-TEN C <= 1.5 A --- --- >1.5 to 6 2a 2a 3.5a >6 to 12.5 3a 3a 3.5a > 50 100 C 100 C --- Per spessori superiori, o per piegature più severe, è consigliabile la piegatura a caldo. Per la formatura a caldo del CR-TEN non sussistono problemi particolari anche se è consigliabile effettuare il riscaldamento ad una temperatura non superiore a 1.100 C e di terminare l operazione di formatura ad una temperatura compresa fra 815 C e 900 C. Il raffreddamento conseguente alla formatura a caldo non produce apprezzabile indurimento del materiale, pertanto, se la lavorazione è stata eseguita in modo corretto, non sono necessari trattamenti termici finali. È inoltre sconsigliabile l esecuzione della formatura a caldo ad una temperatura inferiore ai 650 C. Altra lavorazione a cui il materiale può essere sottoposto è la saldatura. L acciaio CR-TEN può essere saldato nei diversi spessori in commercio e con tutti i più comuni metodi di saldatura: n ad arco con elettrodi rivestiti; n ad arco sommerso; n ad arco sotto gas protettivo; n a resistenza. Nella prevalenza dei casi possono essere utilizzati i materiali di apporto comunemente adottati per la saldatura di acciai al carbonio-manganese aventi caratteristiche meccaniche simili a quelle del CR-TEN. Nel caso in cui il CR-TEN venga utilizzato allo stato grezzo per impieghi architettonici e la saldatura sia effettuata in più di due passate, è consigliabile che, per le ultime due passate, vengano usati elettrodi al 2% o al 3% Ni così da ottenere cordoni di saldatura con una colorazione simile a quella dell acciaio CR-TEN. In ogni caso è necessario rispettare le temperature minime 8
di pre-riscaldo riportate sulla tabella riportata di seguito, valide per materiali di saldatura a basso idrogeno. Spessore, mm Temperatura minima di ambiente o di pre-riscaldo CR-TEN A CR-TEN B CR-TEN C <= 12,5 10 C 10 C 10 C >12,5 25 10 C 10 C 40 C > 25 50 40 C 40 C --- > 50 100 C 100 C --- Nel caso sia previsto l impiego di materiali non a basso idrogeno o i pezzi da saldare siano fortemente vincolati, sarà opportuno adottare temperature di pre-riscaldo più elevate. Da quanto esposto nelle pagine precedenti, si può desumere che, in molti impieghi, la scelta del CR-TEN, in sostituzione del normale acciaio al carbonio, permette di realizzare i seguenti vantaggi: n minori costi, a parità di resistenza meccanica, grazie alla possibilità di ottenere risparmi di peso conseguenti alla riduzione della sezione del materiale adoperato; n minori costi, a parità di durata in servizio, dovuta alla maggiore resistenza alla corrosione rispetto agli acciai comuni; n costi complessivi minori dovuto a riduzione delle spese di manutenzione e alle economie di peso ottenibili con l impiego di questo acciaio. È questione di spessore. 9 8. 9. Sculture in Cor-ten - Museo delle scienze, Londra 8. 9. Cor-ten Sculptures - Science Museum, London Thickness, mm Minimum room or pre-heating temperature CR-TEN A CR-TEN B CR-TEN C Cooling after hot-forming does not produce appreciable hardening of the material and therefore if the processing has been carried out correctly no final heat treatments will be required. It is also not advisable to carry out hot-forming at a temperature of less than 650 C. Another type of processing that this material can be subjected to is welding. CR-TEN steel can be welded using the various thicknesses available on the market and with all the most common welding processes: n arc-welding with coated electrodes; n submerged-arc welding; n arc-welding in protective gas; n resistance welding. In most cases it is possible to use the added materials commonly adopted for welding carbon-manganese steel with mechanical properties similar to those of CR-TEN. In the event that CR-TEN is used crude for architectural uses and welding is carried out in more than two passes, it is advisable for the last two passes to use electrodes with 2% or 3% Ni, so as to obtain weld seams of a colour similar to that of the CR-TEN steel. In any case it is necessary to observe the minimum pre-heating times indicated in the following table, applicable to lowhydrogen welding materials. <= 12,5 10 C 10 C 10 C >12,5 25 10 C 10 C 40 C > 25 50 40 C 40 C --- > 50 100 C 100 C --- If it is planned to use other than low-hydrogen materials, or the items to be welded are not very firmly held, it will be advisable to use higher pre-heating temperatures. Based on the information provided in the previous pages, it can be inferred that, in many applications, choosing CR-TEN rather than normal carbon steel gives rise to the following advantages: n lower costs for the same mechanical strength, thanks to the possibility of saving weight by reducing the cross-section on the material used; n lower costs for the same service life, due to the greater corrosion resistance by comparison with common steels; n lower overall costs due to a reduction of the maintenance expenses and to the reduction in weight obtainable using this steel. It is a matter of thickness.
T E c N L G I A i n g e g n e r i a d e l l i n v o l u c r o PRBLEMI DI AERDINAMICITà DELL INVLUCR Wind design e Galleria del Vento di Giuliano Venturelli n foto/photo: Archivio Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM), Citylife, Frener & Reifer 1 Aerodynamics problems in claddings Wind design and Wind Tunnels 2
Le dune si trasformano con il vento ma il deserto rimane sempre uguale. Paulo Coelho Cosa accomuna le dune del deserto, il volto della Sfinge, un automobile da Formula 1, le vele di una barca dell America s Cup, il casco di uno sciatore di kilometro lanciato, la forma di un grattacielo di ultima generazione? Il vento! Infatti sono tutti elementi disegnati dal vento. Il vento può di volta in volta disegnare, scolpire, modellare, formare, piegare, deformare, scavare, svuotare, sottrarre, rimuovere, posare, depositare, erodere. Se infatti il volto della Sfinge ha subito per secoli l azione erosiva di sabbia e vento che l hanno portata ad assumere gli attuali tratti, lo stesso vale per gli altri elementi caratterizzati dall avere la forma più idonea per reagire alle azioni dell aria e del vento (valutazione della resistenza aerodinamica) o assecondarle. Una duna, per esempio, è una collina di sabbia modellata dai venti e quindi soggetta a continui spostamenti e ridimensionamenti dipendenti dalla direzione e forza del vento. Il vento e l aria tuttavia assumono un ruolo determinante anche nella generazione e nel design di elementi artificiali che con essi devono interagire, tanto da dover ricorrere in molti casi ad analisi sul comportamento aerodinamico degli elementi stessi. Nel campo dell automotive, delle tecnologie per lo sport, dell aeronautica e della nautica, molte ricerche vengono effettuate proprio per la valutazione dell aerodinamicità. Nel kilometro lanciato per esempio, le competizioni con materiali speciali si svolgono con attrezzature a elevato contenuto tecnico e tecnologico testate in Galleria del Vento: sci da 2.40m di lunghezza con smorzamento delle vibrazioni, casco anatomico e aerodinamico, tuta rivestita in polipropilene per ridurre l attrito imposto dall aria e scarponi aerodinamici con adeguata inclinazione, il tutto opportunamente studiato e testato in Galleria del Vento. Anche il progetto delle vele da regata richiede accurati e complessi studi aerodinamici che necessitano di simulazioni per verificarne un efficace comportamento nelle diverse condizioni di vento e nelle diverse andature, richiedendo contemporaneamente verifiche di tipo strutturale (analisi aeroelastiche). La conoscenza delle azioni aerodinamiche è di fondamentale importanza non solo per la progettazione e il design di automobili, velivoli o attrezzature sportive, ma anche per il dimensionamento degli edifici di grandi dimensioni a sviluppo prevalentemente verticale (high-rise building e skycrapers), sia per la definizione della forma, che per studi sul comportamento dell involucro, ma anche per valutare le azioni, gli sforzi e le deformazioni indotti dal vento (pressioni, depressioni, turbolenze, instabilità, oscillazioni, vibrazioni, fenomeni di risonanza). Gli effetti del vento hanno infatti una rilevante importanza nella progettazione delle strutture civili e questi possono essere valutati ricorrendo a studi di aerodinamica applicata, di aeroelasticità, di metodologie di simulazione virtuale e ottimizzazione oltre che a prove in Galleria del Vento. In particolare nell ambito dell ingegneria del vento in campo civile, i principali fenomeni di aeroelasticità si dividono in fenomeni di aeroelasticità statica e aeroelasticità dinamica. Alla prima famiglia appartiene il fenomeno della divergenza torsionale (torsional divergence), mentre alla seconda appartengono i fenomeni del distacco dei vortici (vortex shedding) e fenomeni di sincronizzazione (lock-in), le oscillazioni galoppanti (galloping), il flutter (vibrazione aeroelastica autoeccitata) e il buffeting (dovuto alla turbolenza). 1. 2. Modelli per la sperimentazione aerodinamica all interno della Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM) The dunes are changed by the wind but the desert never changes. Paulo Coelho What do the dunes of the desert, the face of a sphinx, a Formula 1 racing car, the sails of a boat competing for the America s Cup, the helmet of a one-kilometre speed skier and the shape of a last-generation skyscraper have in common? The wind! Because they are all designed by the wind. From time to time, the wind can design, sculpt, model, shape, bend, deform, excavate, empty, subtract, remove, put in place, deposit, erode.. The face of the Sphinx has been subjected over the centuries to the erosive action of the sand and wind, giving it its current appearance, and the same applies to the other items listed, characterised by the fact that they have the most suitable shape for reacting to the action of the air and wind (evaluation of aerodynamic resistance) or playing up to it. A dune, for example, is a hill of sand modelled by the wind and therefore subject to continuous shifting and changes in size depending on the direction and on the force of the wind. Wind and air, however, also have a decisive role in the generation and design of artificial items that have to interact with them, so much so that in many cases it is necessary to analyse the aerodynamic behaviour of these parts. In the auto motive industry, sports technology, aeronautics and boating, many research studies are conducted precisely in order to evaluate aerodynamic aspects. In one-kilometre speed skiing, for example, the races using special materials take place with highly technical 1. 2. Models for aerodynamic experiments in the Milan Polytechnic Wind Tunnel (GVPM) and technological equipment that has been tested in Wind Tunnels: skis 2.40m long with vibration-damping arrangements, anatomical and streamlined helmets, ski-suits coated with polypropylene to lower fiction caused by the air and streamlined boots shaped with a specific angle of inclination. All of these are studied and tested in Wind Tunnels. Designing sails for racing boats also requires precise and complex aerodynamic studies entailing simulations in order to investigate effective behaviour in different wind conditions and at different speeds. At the same time, structural investigation (aeroelastic analysis) is also required. Knowledge of aerodynamic action is essential not only for designing cars, aircraft or sports equipment, but also for sizing large and mainly vertically developed buildings (high-rise buildings and skyscrapers), both for defining their shapes and for studying the behaviour of the cladding and also in order to evaluate the action, forces and deformations induced by the wind (pressure, depressions, turbulence, instability, oscillations, vibrations, resonance). Indeed, the effects of wind have considerable importance in the design of civil structures. And these can be evaluated by means of applied aerodynamic and aeroelastic studies, using virtual simulation and optimisation methods, in addition to windtunnel tests. In particular in the field of wind engineering in the civil engineering field, the main aeroelastic phenomena can be broken down into those of static aeroelasticity and dynamic aeroelasticity.
T E c N L G I A i n g e g n e r i a d e l l i n v o l u c r o Lo studio in Galleria del Vento dell aerodinamica di strutture come edifici a grande sviluppo verticale, di ponti a grandi luci o di grandi coperture, permette di ottenere informazioni necessarie per una accurata progettazione consentendo per altro di evidenziare possibili problemi inattesi che potrebbero verificarsi in determinate condizioni di esercizio. L interazione tra fluido (aria) e struttura può infatti manifestare una risposta dinamica significativa che deve essere considerata in fase di progetto. Per questo motivo ad esempio, la valutazione del comportamento del vento deve essere analizzata attentamente anche nelle aree pedonali circostanti agli edifici analizzati 3. 4. 5. 6. 7. I problemi legati all azione del vento sugli edfici a torre sono stati verificati con simulazioni nella Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM). Progetto Citylife, Milano. 3 per valutare il comfort dei pedoni stessi. Simulazioni in Galleria del Vento sono particolarmente utili nel caso di strutture a forma libera (free form) o a forma complessa, ma anche nel caso di edifici particolarmente aerodinamici al fine di prevedere effetti secondari che potrebbero essere negativi. Le prove sperimentali possono naturalmente essere integrate o in alcuni casi sostituite con simulazioni numeriche mediante l ausilio di computer attraverso studi CFD (Computational Fluid Dynamics). Come già detto le simulazioni delle azioni del vento su modelli fisici richiedono invece prove in Galleria del Vento. Vediamo allora nel dettaglio in che cosa consiste appunto una Galleria del Vento. Una Galleria del Vento è un apparecchiatura che viene utilizzata per studiare l andamento di un flusso di un fluido (tipicamente aria) attorno ad un corpo. In particolare si effettuano simulazioni atte a ottenere misurazioni e valori relativi a: n velocità globali e locali; n misure di pressione; n misure di temperatura; n misure di forze esercitate dal fluido sul corpo. In Galleria del Vento vengono inoltre effettuate anche le così dette visualizzazioni, che possono essere superficiali oppure del campo di velocità. Nel primo caso il corpo del modello da analizzare viene spruzzato di particolari sostanze sensibili a temperature, pressioni oppure forze di attrito. Nel secondo caso vengono utilizzati coloranti o fumi che consentono la visualizzazione, appunto, dell andamento di un fluido attorno al corpo. Le visualizzazioni possono essere effettuate in un altro modo usando dei filetti di lana attaccati alla superficie oppure attaccati a dei sostegni che vengono opportunamente movimentati per andare a studiare gli effetti in particolari zone del campo. 3. 4. 5. 6. 7. Problems with the action of wind on tall buildings are tested with simulations in the Milan Polytechnic Wind Tunnel (GVPM). Project by Citylife of Milan. 54 Torsional divergence belongs to the first family, while vortex shedding and lock-ins, galloping, flutters and buffeting belong to the second. Wind-tunnel studies of structures such as high-rise buildings, long bridges or large roofs enable information needed for accurate design to be obtained, also allowing possible unexpected problems that might occur in specific operating conditions to be highlighted. The interaction between a fluid (air) and the structure may exhibit a significant dynamic response that must be considered in the project stage. For this reason, for example, wind behaviour must be carefully analysed also in pedestrian areas surrounding the buildings being analysed, in order to assess the comfort of pedestrians. Simulations in a Wind Tunnel are particularly useful in the case of free-form or complex-shaped structures, but also for particularly streamlined buildings for the purpose of forecasting secondary effects that might be negative. Experimental tests can, of course, be completed or in some cases replaced by computer-aided numerical simulations in the form of CFD (Computational Fluid Dynamics) studies. As already stated, simulation of the action of wind on physical models requires, on the other hand, wind-tunnel tests. Now let is see in detail what a Wind Tunnel is. A Wind Tunnel is used to investigate the behaviour of a fluid (typically air) around a body. In particular, simulations able to obtain measurements and values referred to the following are carried out: n global and local speeds; n pressure measurements; n temperature measurements;
5 Alla base delle prove in Galleria del Vento vi è il cosiddetto principio di reciprocità, il quale afferma che dal punto di vista del valore delle grandezze fisiche che vengono misurate e dell andamento dei flussi sul corpo, è indifferente muovere un corpo in un fluido fermo o muovere il fluido attorno ad un corpo fermo. Le gallerie del vento comprendono tre tipi di impianti rivolti, rispettivamente, al settore aeronautico, alle prove sui veicoli, e alle misure civili e ambientali. Tipicamente nelle gallerie del vento vengono effettuati test e simulazioni su aeroplani, automobili, treni, elicotteri, e motociclette. Prove in galleria vengono fatte anche su ciclisti, sciatori e atleti per gare su ghiaccio come per i bob e i pattinatori. Vengono provati anche edifici, ponti, generatori eolici, portaerei e in generale tutti i veicoli e oggetti che si muovono nell aria. La prova di edifici e strutture come i ponti viene fatta simulando l andamento temporale e spaziale dei venti del luogo dove sorgeranno queste strutture. Le prove sugli edifici consentono inoltre di ottenere informazioni su come, ad esempio, l inquinamento da fumi di industrie può influire e interagire con i centri abitati. Va sottolineato che in Galleria del Vento si provano prototipi e modellini degli elementi, o degli oggetti da valutare, in scala ridotta, e proprio per questo motivo vengono a crearsi una serie di problematiche intrinseche e inevitabili. La teoria della similitudine dinamica completa infatti, impone delle condizioni sulle dimensioni dei modelli che costringerebbero a effettuare le prove non su modelli in scala ridotta bensì in dimensioni reali, con le ovvie conseguenze che questo può portare, sia in termini economici che di gestione di realizzazione. Le simulazioni vengono fatte cercando di riprodurre sui modelli in Galleria del Vento alcuni parametri come i numeri di Reynolds, Eulero, Froude, Cauchy e Mach, dai quali dipendono alcuni fenomeni di rilevante interesse (separazioni di strato limite, fenomeni di compressibilità, formazione di fenomeni ondosi nel campo aerodinamico, scambi termici tra strato limite e corpo). La teoria della similitudine, come accennato, impedisce però che, a parità di fluido, si possano effettuare simulazioni con modelli rispettando tutti i parametri sopra elencati contemporaneamente. Questo problema è praticamente irrisolvibile e quindi per fare fronte a questo inconveniente esistono gallerie aventi dimensioni molto variabili tra di loro, come detto in precedenza, che sono capaci di rispettare contemporaneamente solo alcuni dei numeri sopra elencati, a seconda delle diverse esigenze. Questo comporta che per avere informazioni precise e complete, si debbano effettuare prove con modelli dalle dimensioni diverse e in gallerie del vento diverse facendo crescere notevolmente i costi di prova. ltre a ciò va evidenziato che i dati ricavati dalle varie simulazioni non sono sempre completamente aderenti alla realtà e tantomeno non sono mai uguali e riproducibili se si cambia Galleria del Vento. Questo ha portato allo sviluppo di algoritmi e modelli matematici sempre più complessi n measurement of the forces exerted by the fluid on the body. So-called visualisations are also carried out in Wind Tunnels. These can concern surfaces or the field of speed. In the first case, the body of the model to be analysed is sprayed with special substances sensitive to temperature, pressure or attrition. In the second case, dyes or fumes are used, which enable the behaviour of a fluid around a body to be viewed. Viewing can also be carried out in another way using thin threads of wool attached to the surfaces or to supports that are moved in a suitable manner, so as to investigate the effects in special parts of the field. Wind-tunnel testing is based on the so-called principle of reciprocity, which states that from the point of view of the value of the physical magnitudes measured and of behaviour of the streams on the body, it makes no difference whether a body is moved in a still fluid or the fluid is moved around a still body. There are three types of Wind Tunnel designed for the aeronautical field, for vehicle testing and for civil and environmental measurements respectively. 6 7
T E c N L G I A i n g e g n e r i a d e l l i n v o l u c r o e precisi che siano in grado di trasferire e interpretare correttamente i dati ricavati in Galleria del Vento al fine di prevedere nel modo più accurato possibile il comportamento dell oggetto realizzato. Questo problema richiede particolare attenzione proprio perché è un problema rilevante nelle simulazioni in Galleria del Vento e non deve mai essere sottovalutato. Vediamo ora nel dettaglio come possono essere classificate le diverse gallerie del vento. Le gallerie del vento si dividono in due categorie principali: n gallerie a ciclo aperto; n gallerie a ciclo chiuso. 8 Un ulteriore classificazione delle gallerie del vento distingue le gallerie a ciclo chiuso rispetto alla velocità del flusso in camera di prova in: n gallerie subsoniche incomprimibili (se il numero di Mach della corrente è compreso tra 0 e circa 0,3); n gallerie subsoniche comprimibili (se il numero di Mach della corrente è compreso tra circa 0,3 e circa 0,8); n gallerie transoniche (se il numero di Mach della corrente è compresa tra 0,8 e 1,2); n gallerie supersoniche (se il numero di Mach della corrente è compreso tra 1,2 e 5); n gallerie ipersoniche (se il numero di Mach della corrente è superiore a 5). Nel caso della Galleria del Vento del Politecnico di Milano CIRIVE, i carichi globali vengono definiti usando una bilancia a sei componenti che fornisce le forze e i momenti alla base dei modelli. Il carico sulle facciate è valutato attraverso la misura della distribuzione di pressione superficiale su modelli in scala. Utilizzando scanner di pressione veloci, sono acquisiti simultaneamente ad alta frequenza alcune centinaia di punti di misura per definire sia la componente statica che dinamica dei carichi. L integrazione della pressione superficiale fornisce inoltre le forze globali sulla struttura. Modelli aeroelastici sono appositamente progettati per studiare gli effetti dinamici dovuti all interazione tra fluido e struttura. La simulazione del vento naturale è un punto chiave nello studio degli effetti del vento stesso; tale simulazione è favorita dalle rilevanti dimensioni della camera di prova a strato limite che permette, inoltre, di condurre prove su modelli con ridotti fattori di scala (1/50 1/200) e rilevanti dettagli geometrici. L effetto dei carichi vento viene descritto a partire dalla conoscenza della variazione dei coefficienti aerodinamici in funzione dell intensità e della direzione della corrente. Nel caso di forme tozze e irregolari che spesso vengono adottate per le costruzioni si può verificare la formazione di vortici turbolenti complessi, la cui adeguata Typically, Wind Tunnels are used for tests and simulations involving aircraft, motor vehicles, trains, helicopters and motorcycles. Wind- 9 tunnel tests are also carried out on cyclists, skiers and athletes competing in ice sports such as bob-sledding and skating. Tests are also carried out concerning buildings, bridges, wind-energy generators, aircraft carriers and, generally speaking, any vehicle or object that moves in air. Testing of buildings and structures such as bridges is carried out by simulating the behaviour of the wind in time and space in the place where the structures are to be built. Testing of buildings also enables information to be obtained about how pollution caused by industrial fumes, for example, could affect and interact with residential areas. It must be stressed that wind-tunnel tests are carried out on small-scale prototypes and models of the items to be assessed. For this reason, a series of intrinsic and inevitable problems arise. The theory of complete dynamic similitude sets conditions for the sizes of the models that would force tests to be carried out on full-scale models rather than on a smaller scale, with the obvious consequences that this would lead to in terms both of cost and of management. Simulations are carried out endeavouring to reproduce certain parameters on the wind-tunnel model such as Reynolds, Euler, Froude, Cauchy and Mach numbers, on which some phenomena of great interest depend (limit layer separations, compressibility, formation of waves in the aerodynamic field, exchanges of heat between the limit layer and the body). As mentioned, however, according to the similitude theory, for the same fluid, it is not possible to carry out simulations with models that comply simultaneously with all the parameters listed above. This problem is practically impossible to solve, and therefore, in order to cater for this drawback, there are tunnels sized very differently from one another, as already stated, that are capable of complying with only a few of the numbers listed above at the same time, depending on the various needs. This means that in order to obtain precise and complete
11 10 simulazione richiede l utilizzo di opportuni modelli di turbolenza. L attività scientifica svolta in questo campo ha riguardato lo sviluppo di modelli di turbolenza in grado di descrivere le azioni anisotropiche dei vortici sul flusso principale. Il vento tuttavia può anche determinare delle scelte progettuali finalizzate sia all analisi del comportamento dell involucro in termini strutturali e meccanici che all impiego del vento stesso a fini energetici. Il panorama mondiale dell architettura è attualmente ricco di progetti di grattacieli ecologici (green building) che utilizzano l energia del vento per sopperire al proprio fabbisogno energetico. Si ringrazia la Galleria del Vento del Politecnico di Milano (GVPM) per le informazioni fornite. 8. 9. Rivestimenti in vetro e metallo con superfici tridimensionali per l ampliamemo degli uffici Hill s Place, Londra. Progetto Future Systems/Amanda Levete 10. 11. 12. Diagrammi delle prestazioni verificate sul modello Torri di Genova 12 8. 9. Glass and metal covering with three-dimensional surfaces for expansion of the offices of Hill s Place in London. Project by Future Systems/Amanda Levete 10. 11. 12. Diagrams illustrating the performance of the Genova Towers model information, it is necessary to carry out tests with models of different sizes and in different Wind Tunnels, which causes the costs to rise considerably. In addition to this, it must be pointed out that the data obtained from different simulations are not always in line with reality, and are even less identical or reproducible for different Wind Tunnels. This has led to the development of increasingly complex and precise algorithms and mathematical models capable of transferring and interpreting correctly the data obtained in Wind Tunnels, so as to forecast the behaviour of the object being investigated as accurately as possible. This problem requires special attention, precisely because it is a significant problem in wind-tunnel simulations, and it s importance must never be underestimated. Let us now look in detail at how the different tunnels can be classed. There are two main categories: n open-cycle tunnels; n closed-cycle tunnels. Another system classes closed-cycle tunnels on the basis of the velocity of the flow inside the test chamber: n incompressible subsonic tunnels (if the Mach number of the current is between 0 and about 0.3); n compressible subsonic tunnels (if the Mach number is between about 0.3 and about 0.8); n transonic tunnels (if the Mach number is between 0.8 and 1.2); n supersonic tunnels (if the Mach number is between 1.2 and 5); n hypersonic tunnels (if the Mach number of the current exceeds 5). In the case of the Milan Polytechnic Wind Tunnel CIRIVE the overall loads are defined using a six-component balance that supplies the forces and the moments underlying the models. The load on the façades is assessed by measuring the distribution of surface pressure on scale models. Several hundred measuring points are acquired simultaneously at high frequency using fast pressure scanners, so as to define both the static and the dynamic components of the loads. Inclusion of the surface pressure also provides the overall forces acting on the structure. Aeroelastic models are designed specifically for studying the dynamic effects due to the interaction between the fluid and the structure. Simulation of natural wind is a key issue in studying the effects of wind, and this simulation is facilitated by the large size of the limit-layer type test chamber. In addition, it enables tests to be conducted on small scales (1:50 to 1:200) and significant geometrical details. The effect of wind loads is described starting out from knowledge of the variations of the aerodynamic coefficients in relation to the intensity and direction of the current. In the case of stocky and irregular shapes that are often adopted for buildings, it is possible to investigate the formation of complex turbulent vortexes, adequate simulation of which requires the use of appropriate turbulence models able to describe the anisotropic action of the vortexes on the main flow. Wind, however, can also condition design choices aimed both at analysing the behaviour of cladding in structural and mechanical terms and at use of the wind itself for producing energy. The world overview of architecture is currently rich in green skyscrapers using wind energy to fill their energy needs. We thank the Milan Polytechnic Wind Tunnel (GVPM) for the information provided.
T E c N L G I A i n g e g n e r i a d e l l i n v o l u c r o 1 SKIN ENGINEERING La concezione strutturale dell involucro di Giuliano Venturelli n foto/photo: Archivio Kaser, Archivio Sistemi & Progetti Skin engineering The structural design of a skin 2
3 4 Nella definizione di un edificio e nella sua caratterizzazione il ruolo dell involucro è spesso determinante, soprattutto nelle architetture di ultima generazione dotate di forte impatto mediatico ed emozionale. La rappresentazione grafica digitale consente inoltre di disegnare edifici con involucri dotati di notevole complessità, ai quali nella realtà devono essere affidati compiti molto precisi e altrettanto complessi. L involucro infatti è chiamato ad assolvere diversi compiti e da questo dipende il corretto funzionamento dell edificio stesso. Questi compiti possono essere così riassunti: n azione di filtro tra interno ed esterno; n resistenza agli agenti atmosferici; n definizione della geometria e della forma; n mantenimento di comfort e benessere all interno dell edificio; n controllo delle prestazioni energetiche; n controllo dell apporto di luce naturale; n controllo dei ricambi d aria; n garantire prestazioni di sicurezza; n resistere ad atti vandalici; n bomb-blast resistance; n consentire le operazioni di montaggio, smontaggio e manutenzione; n assolvere a compiti strutturali. 1. 2. 3. 4. Liceo Italiano Pedagogico G.Pascoli, Bolzano - Progetto Arch. Ranzani Ermanno Facciate a doppia pelle con parete interna eseguita con sistema montante - traverso in alluminio e vetrocamera di sicurezza basso emissivo e involucro esterno in vetro con fissaggio puntuale, protezioni solari, facciate ventilate in rame pretrattato, lamelle d alluminio ed elementi antifuoco in vetro. The role of the skin is often decisive when defining and characterising a building, above all in latest-generation architecture featuring a strong media-related and emotional impact. Digital graphic illustration also enables buildings with very complex skins to which very precise and equally complex tasks had to be entrusted to be drawn. The skin is called upon to perform several duties on which correct functioning of the building depends. These can be summarised as follows: n filtering action between the interior and the outside; n resistance to weathering; n definition of the geometry and shape of the building; n upkeep of comfort and wellbeing inside the building; n control of energy performance; n control of natural lighting in the interior; n control of changing of the air; n ensuring safety-related performance; n withstanding acts of vandalism; n bomb-blast resistance; n allowing assembly, disassembly and maintenance operations; n fulfilling structural tasks. It is precisely on the latter that we wish to focus our attention here. In order to optimise the structural design of the skin and to make it effective, it is well to identify the actions and the stresses that will come to bear on it. Naturally, these actions shall be closely linked to the geographical context in which the building will stand. There is a strong tie between geography and structural calculations, due mainly to the fact that the location determines specific actions of a seismic nature, snow and wind loads, geological characteristics and climatic conditions, in addition 1. 2. 3. 4. G. Pascoli Italian Paedagogic Secondary School, Bolzano - Project by architect Ermanno Ranzani Double-skinned façades with the internal wall built using the system of aluminium uprights and cross-members and multiple glazing consisting of low-emission safety-glass; outer skin consisting of spot - fixed grazing, protection against the sun, pre-treated copper ventilated façades, aluminium lamellae and glass fire-protection. to requiring special features, for example in politically unstable areas (zones featuring acts of terrorism, war zones etc.). Last but not least, the geographical location determines the reference regulations to be complied with in terms of design and the Energy-related standards to which reference must be made. What remains the same is the structural design process, that is to say the various stages of conception, design, calculation and checking of the skin itself. In particular, the structural design process can be described schematically as a series of operations ranging from identification and quantification of the forces coming to bear on the structure to the analysis of the stresses and of the deformations that are generated, and then sizing of the cross-sections and thicknesses in relation to the stresses and deformations that have been calculated, followed by determination of structural safety with appropriate safety factors, right through to the production of the project documents and drawings needed in order to communicate the results in an exhaustive and detailed manner. The analysis and the structural sizing of the skin must be closely linked to the other stages of the project (architectural project, project of the load-bearing structure, plant-engineering project) in order to investigate simultaneously that all the needs are met. Thus, structural design affects several stages of the project as a whole, ranging from the initial concept to modelling, to structural analysis, to definition of the fixing and anchoring systems, right up to production of the working drawings for the project, checking continuously compliance with the architectural and plant-engineeringrequirements.