Il progetto delle strutture tipiche dell’ingegneria civile, ha subito negli ultimi anni notevoli progressi, infatti l’elaborazione di nuovi modelli di calcolo, sviluppati parallelamente all’aumentata potenza di calcolo degli elaboratori elettronici, permette ormai di spingere la simulazione a livelli di precisione alti, peraltro l’introduzione degli elaboratori elettronici, permette la possibilità di analizzare rapidamente varie soluzioni progettuali, consentendo all’Ingegnere di spostare l’attenzione dal mero calcolo matematico alla ottimizzazione della soluzione progettuale proposta.
I software utilizzati per il calcolo strutturale degli edifici rientrano nella più ampia categoria dei software per il calcolo agli elementi finiti.
Il funzionamento dei software agli elementi finiti avviene in generale attraverso quattro distinte fasi di lavoro, più precisamente si può distinguere:
La fase di definizione della geometria
Nei software per il calcolo degli edifici oggi disponibili sul mercato la geometria viene definita direttamente all’interno del software stesso, importando eventualmente grafici che consentano una agevole inserimento degli elementi strutturali, definendo di fatto le coordinate cartesiane dei vari elementi che compongono la struttura, e definendone la tipologia.
La fase di input Pre-processing
Dopo aver definito adeguatamente la geometria dell’elemento oggetto di simulazione, si passa alla fase di pre-processing che comprende tutte le operazioni necessarie prima di avviare il calcolo.
Tale fase inizia con l’operazione di meshatura durante la quale viene creato il modello agli elementi finiti ,effettuando il passaggio che è il cardine dei metodi di calcolo definiti FEM, ovvero il passaggio dal corpo continuo (costituito da superfici e/o volumi) ad un sistema discreto, costituito da elementi 1D, 2D, 3D in relazione alla geometria ed al problema da trattare, da punto di vista matematico si passa da un sistema risolvibile con equazioni differenziali ad un sistema risolvibile con equazioni algebriche.
La seconda parte della fase pre-processing è costituita dalla definizione delle condizioni al contorno (Set-up Boundary Conditions).
In tale fase vengono definiti e caratterizzati i materiali in riferimento, la caratterizzazione dei materiali è basata sui modelli costitutivi definiti mediante prove di laboratorio, come ad esempio la prova di trazione per l’acciaio.
Dopo l’assegnazione dei materiali è necessaria l’impostazione delle condizioni al contorno, consistente nell’assegnazione dei vincoli e dei carichi.
La fase di Run (Solver)
Dopo aver realizzato la mesh, caratterizzato i materiali, impostato le condizioni al contorno, effettuato i
necessari controlli, il modello rappresentativo dell’oggetto da analizzare è completo e si può avviare il calcolo.
Da ora in poi sarà il software ad eseguire le rimanenti operazioni, senza l’intervento del progettista, il quale dovrà intervenire nuovamente nella fase di analisi dei risultati.
Nella fase di calcolo (detta anche fase di Run) il solver, che può essere interno o esterno, esegue i calcoli risolvendo le equazioni algebriche che nei punti definiti tramite la mesh, fino ad ottenere una soluzione approssimata coerente con il modello creato.
La fase di Post-processing
Nell’ultima fase, la fase di post-processor, vengono analizzati i risultati dei calcoli prodotti dal solver.
In questa fase, interviene nuovamente il progettista, l’intervento è estremamente importante, in quanto è il momento nel quale viene controllato il risultato non solo al fine di decidere se la simulazione è andata a buon fine, confermando le ipotesi, ma anche valutando la correttezza degli interventi progettati anche dal punto di vista della loro sostenibilità economica.
In conclusione l’introduzione dei software basati sulla metodologia FEM, sfruttando l’enorme capacità di calcolo messa a disposizione dai moderni calcolatori elettronici, permette al progettista di spostare l’attenzione dalle operazioni strettamente matematiche all’ottimizzazione del progetto.
Infatti la estrema rapidità di calcolo del modello dell’edificio, consente di apportare allo stesso modifiche che consentano di migliorare le prestazioni globali della struttura, soprattutto nell’ottica dello studio in condizioni sismiche.
Mirko Gioli – Estratto dalla tesi per il conseguimento di master di II livello in “Ingegneria Sismica”
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