Calibration of partial safety factors for façade systems : reliability based code calibration methodology, input data and case studies analysis of unitized systems

In order to identify the adequate partial factors for the design of secondary elements, as the aluminum frame and the glass panel infills that compose unitized curtain wall, it is necessary to review the general principles for structural design and then to apply the acquired knowledge to the design of facade system. The partial factor safety format is the principle underlying the semi-probabilistic method, used in Eurocodes and transposed into the National Standards. Modern structural design codes are established for providing a simple, safe and economically efficient basis for the design of structures under normal loading and environmental conditions. Design codes, thereby, not only greatly facilitate the daily work of structural engineers, but also ensures a standardization within the structural engineering professional work, which in the end enhances an optimal use of the resources of society for the benefit of the individual. The general principle on limit state design of structural components is that a certain level of acceptable risk must be defined and then this shall never be exceeded, thanks to appropriate choices of design situations, design equations and representative values. The design values, entering into the design equations, are chosen such as to ensure that an adequate and sufficient level of reliability is achieved for all relevant failure modes of the structures considered. Which in practice means that the reliability verification of a given design may be easily performed by a simple comparison of resistances and load effects. Since resistances and loads are subject to uncertainties, partial reduction factors for the strength and partial amplifying factors for the actions are defined, so as to guarantee the required performance level in terms of probability of failure. Reliability is defined as the “ability of a structure or a structural member to fulfil the specified requirements, including the design working life, for which it has been designed”. The standard EN 1990 defines three classes, referred to as CC1 and CC2 and CC3. Furthermore, the Italian CNR-DT 210 also includes the class CC0, referred to non-structural elements. A value of target reliability is assigned to each consequence class, according to the potential consequences of structural failure in economic, social, and environmental terms, including loss of human life. The partial factors proposed by Eurocodes are related to a consequence class CC2 and a reference period of 50 years, typical of building construction. The curtain wall aluminum frame is designed according to the Eurocodes, hence fulfilling the CC2 consequence class, although it is secondary element that could belong to class CC0, this indicates a potential overestimation of partial factors. Regarding the glass infill, several different design rules have been applied, issued by CEN, and UNI, which report the partial factors to be used in the design situation and whose degree of reliability is investigated. For this aim, it is necessary to calibrate the relevant coefficients, so identify the optimal partial factor safety format for the design situation. The level II approach, namely the First Order Reliability Method is applied on curtain aluminum frame and glass infill. The reliability-based calibration process, RBCC, is carried out by means of the CodeCal software, developed by JCSS, which is based on experience and building traditions and on the probabilistic evaluation of experimental data and field observations. Thus, the design values, such as the materials resistance and the permanent and variable load, are described as basic random variables and represented by stochastic models. The reliability level of the selected design situations is investigated, and the most suitable safety formats are analyzed. The output of the optimization process allows several combinations of partial safety factors, but not all possible solutions are suitable for the intended purpose. All this considered, three unitized curtain wall systems have been analyzed in this thesis, designed for Ireland, Italy and France in order to compare the different approaches of the countries, based on both mandatory European legislation and NDPs (Parameters Determined at National Level). The structural calculation is carried out by two Finite Element software: Strand7, for the aluminum frame, and SJ Mepla, for the glass infill.

Al fine di identificare i fattori parziali adeguati alla progettazione di elementi secondari, come il telaio in alluminio e i tamponamenti in vetro, che compongono le facciate a cellula, è necessario ripercorrere i principi generali per la progettazione strutturale e quindi applicare le conoscenze acquisite alla progettazione dei sistemi di facciata. Il modello dei coefficienti di sicurezza è il principio alla base del metodo semi-probabilistico, utilizzato negli Eurocodici e recepito nelle Norme Nazionali. I codici moderni per la progettazione strutturale hanno lo scopo di fornire una base semplice, sicura ed economicamente efficiente per la progettazione di strutture in condizioni di carico di esercizio e sotto l’effetto delle condizioni ambientali. I codici di progettazione, quindi, non solo facilitano notevolmente il lavoro quotidiano degli ingegneri strutturisti, ma forniscono anche il veicolo per garantire una certa standardizzazione del lavoro professionale dell’ingegneria strutturale, che ha lo scopo di promuovere l’uso ottimale delle risorse della società a beneficio dell'individuo. Il principio generale della progettazione allo stato limite, dei componenti strutturali, si basa sulla definizione di un determinato livello di rischio, considerato dunque accettabile, il quale non deve mai essere superato. Questo è possibile, grazie all’appropriata scelta di situazioni di design, equazioni di progetto e valori rappresentativi. I valori di progetto, che entrano all’interno delle equazioni, sono scelti in modo da garantire un livello adeguato e sufficiente di affidabilità, per tutte le modalità di guasto rilevanti delle strutture considerate. Il che significa, in pratica, che la verifica sulla base dell'affidabilità di una data equazione di progetto può essere facilmente eseguita mediante un semplice confronto tra resistenze ed effetti del carico applicato. Poiché resistenze e carichi sono soggetti a incertezze, vengono definiti fattori di riduzione parziali per la resistenza e fattori di amplificazione per le azioni, in modo da garantire il livello di prestazione richiesto in termini di probabilità di guasto. L'affidabilità è definita come "capacità di una struttura o di un elemento strutturale di soddisfare i requisiti specificati, compresa la vita lavorativa di progetto, per la quale è stata progettata". La norma EN 1990 definisce tre classi, denominate CC1 e CC2 e CC3. Inoltre, la normativa tecnica CNR-DT 210 include anche la classe CC0, riferita agli elementi non strutturali. Ciascuna delle precedenti classi è caratterizzata da uno specifico valore di affidabilità, in base alle potenziali conseguenze del fallimento della struttura in termini economici, sociali e ambientali, compresa la perdita di vite umane. I fattori parziali proposti dagli Eurocodici sono legati alla classe CC2 e a un periodo di riferimento di 50 anni, tipico della costruzione di edifici. Il telaio in alluminio per facciate continue è progettato secondo gli Eurocodici; quindi, attualmente soddisfa la classe di conseguenza CC2, sebbene sia un elemento secondario e non strutturale, che potrebbe appartenere alla classe CC0. Questo indica una potenziale sovrastima di fattori parziali. Per i tamponamenti in vetro, sono state applicate diverse regole di progettazione, emesse da CEN, e UNI, che riportano i fattori parziali da utilizzare nella situazione progettuale e il cui grado di affidabilità è studiato. Per tali ragioni, è necessario procedere ad una calibrazione dei fattori parziali al fine di adeguarli alle diverse esigenze di progettazione richieste. L’approccio di livello II, FORM, ovvero il metodo di primo ordine basato sull’affidabilità, è stato applicato agli elementi che compongono le facciate continue, quindi il telaio in alluminio e il riempimento in vetro. Il processo di calibrazione basato sull’affidabilità è sviluppato attraverso il software CodeCal, sviluppato basandosi sull'esperienza, sulle tradizioni costruttive e sulla valutazione probabilistica dei dati sperimentali e delle osservazioni sul campo. Quindi, i valori caratteristici, come la resistenza dei materiali e i carichi permanenti e variabili sono descritti come variabili stocastiche e sono rappresentati da dei modelli probabilistici. Si analizza il livello di affidabilità delle equazioni di progetto selezionate e si selezionano le combinazioni di coefficienti di sicurezza più adeguati al dimensionamento degli elementi di facciata. Il processo di ottimizzazione consente come soluzione numerose possibili combinazioni di fattori parziali, ma non per questo è necessario che tutte le soluzioni possibili siano quelle adeguate allo scopo designato. Sono stati analizzati tre sistemi di facciate a cellula, progettati in Irlanda, Italia e Francia, al fine di confrontare i diversi approcci seguiti degli Stati, basati sia sulle Normative Europee obbligatorie che sui NDPs (Parametri Determinati a livello Nazionale). Il calcolo strutturale è effettuato attraverso due software a elementi finiti: Strand7, per gli elementi che compongono telaio in alluminio e SJ Mepla, per gli elementi di tamponamento in vetro.