Prodotti - Analisi strutturale

ll programma di Analisi Strutturale comprende gli strumenti per definire il modello strutturale, eseguirne l'analisi statica e dinamica, controllarne i risultati.

È costituito da:

  • Pre-Processore: modellatore per gestire la fase di input grafico interattivo.
  • Codice di Calcolo: solutore che esegue l'analisi statica e dinamica agli elementi finiti, determinando la risposta strutturale.
  • Post-Processore: gestisce la fase di controllo sintetico dei risultati mediante procedure grafiche interattive di visualizzazione dello stato di deformazione, sollecitazione e tensione.

Il modello strutturale viene definito partendo dall'inserimento dei nodi (intersezione degli assi baricentrici degli elementi) ed inserendo, successivamente, elementi, carichi, vincoli, ecc. Sia per i nodi che per elementi, carichi, ecc., vengono forniti comandi, tutti con funzionalità di "Annulla", che consentono la generazione automatica e che permettono di modificare, cancellare, duplicare quanto fatto automaticamente rendendo estremamente rapido l'input di strutture anche molto complesse. L'input di un modello o di una sua parte può avvenire anche dalla lettura di un file DXF. Gli elementi finiti sono posizionabili, nel piano come nello spazio, con la più completa libertà geometrica strutturale. Qualsiasi tipo di schematizzazione è pertanto possibile, potendo tranquillamente coesistere elementi monodimensionali con elementi bidimensionali. La possibilità di definire delle viste da richiamare (porzioni di geometria di uso frequente) rende veloce la gestione anche delle strutture complesse e nuovi tool di generazione di mesh di elementi finiti (mesh a doppia curvatura o tramite b-spline) ampliano le possibilità di modellazione strutturale. Alcune procedure consentono di costruire un modello partendo dalla riunione di parti diverse. È disponibile un plug-in che permette di sfruttare la tecnologia BIM per importare la topologia strutturale generata in Revit all’interno di WinStrand.

L'input dei carichi avviene per via grafica con un controllo sia grafico che alfanumerico dei valori dei dati immessi.

Tutti i carichi possono essere assegnati nel sistema di riferimento globale della struttura (eventualmente tenendo conto del fatto che l'elemento sia inclinato), in quello locale dell'elemento o dell'area di carico e possono agire in una qualsiasi direzione X, Y, Z.

Un carico applicabile alla struttura può essere:

  • Di tipo puntuale (carico nodale):
    • Forza in direzione X, Y, Z
    • Coppia concentrata con asse vettore X, Y, Z
  • Di tipo lineare (applicabile agli elementi pilastri, travi, travi di Fondazione):
    • Carico distribuito in campata, agente o meno sull'intera luce e di intensità costante o variabile linearmente
    • Forza e Coppia concentrata in campata
    • Variazione Termica costante sulla sezione o variabile a farfalla agente in uno dei due piani del sistema di riferimento locale dell'elemento
  • Di tipo superficiale (applicabile agli elementi piani a 3, 4, 8 nodi):
    • Carico distribuito lungo un bordo
    • Variazione termica costante
    • Carico superficiale

Anche il nodo master di un solaio rigido può costituire il punto di applicazione di un carico puntuale.

Un carico può essere applicato anche per mezzo di un'Area di Carico, definibile come area piana poligonale delimitata su ogni lato da un elemento lineare (trave o pilastro). L'Area di Carico possiede una direzione di orditura e le pressioni di carico, definite nelle diverse condizioni di carico, si traducono in carico sugli elementi di bordo agenti nelle rispettive condizioni di carico.

La distribuzione delle diverse tipologie di Aree di Carico sul modello consente una rapida gestione delle eventuali variazioni dei carichi applicati. Inoltre, l'Area di Carico può gestire la definizione di orditura monodirezionale o incrociata e trasformare di conseguenza la pressione agente in rispettivi carichi da applicare sugli elementi di bordo.

Il vincolamento esterno della struttura è assegnabile direttamente ai nodi bloccando o meno le componenti di spostamento di interesse tra le sei in dotazione. È anche possibile inserire un vincolo tra nodi (relazione tra i gradi di libertà dei nodi coinvolti) del tipo master-slave per condizionare gli spostamenti relativi ammessi. Per elementi beam (pilastri, travi) o biella, è possibile definire la proprietà di incompressibilità (unilateralità degli sforzi per gestire un'asta resistente solo a trazione o solo a compressione).

Questa proprietà, accompagnata ad un'analisi (vedi Codice di Calcolo) che la sfrutti, consente di analizzare in modo accurato la deformabilità, oltre che il regime statico, di sistemi costituiti da elementi che, ad es. per la loro snellezza, il progettista ritenga inaffidabili se soggetti a compressione. È possibile modulare con continuità (tra 0% e 100%) il grado di vincolamento interno tra una sezione di estremità dell'asta ed il nodo a cui si connette ai fini della rigidezza assiale, flessionale e torsionale (es. capriate bullonate, cerniere semirigide ecc..).

L'inserimento delle caratteristiche inerziali delle sezioni trasversali degli elementi risulta semplificato

  • Dal calcolo in automatico di tali caratteristiche per le sezioni di uso più frequente quali le sezioni: Rettangolari, Circolari, a T, a T Rovescia, ad L (nelle 4 configurazioni), Plinti, Plinti Svasati, Plinti a Bicchiere, Setti, Setti di Fondazione, Elementi bidimensionali e tridimensionali.
  • Dalla presenza di un DataBase, personalizzabile, contenente i profilati metallici di uso corrente: profili a doppio T (IPE, HEA, HEAA, W ecc..), a C (UPN, C…), ad L a lati uguali e disuguali eventualmente accoppiati, tubi tondi, quadri, rettangolari ecc…)(vedi Compositore Profili in acciaio).
  • Dalla possibilità per l'utente di costruire un proprio DataBase di sezioni personalizzate in C.A. (vedi DataBase Sezioni C.A.) al quale attingere.

Le sezioni non direttamente contemplate sono definibili come sesioni di Forma Qualsiasi assegnando: area, momenti d'inerzia e fattori di taglio. La possibilità di associare un materiale proprio a ciascuna tipologia di sezione consente di analizzare anche strutture miste materiali (Acciaio, Calcestruzzo, Legno ecc..).

Nel 'modello strutturale di riferimento' (prototipo impiegato per generare un nuovo progetto) l'utente può pre-impostare le sezioni, i materiali, le tipologie di carico di uso più frequente, a partire da strutture già calcolate, così da evitare l'introduzione di dati ripetitivi in fase di generazione di una nuova struttura.

Viene utilizzato l'elemento beam per schematizzare travi e pilastri. Nella definizione della matrice di rigidezza si tiene conto della deformabilità a taglio dell'asta o della presenza di vincoli di estremità cedevoli flessionalmente (vedi Vincoli). L'interazione suolo-struttura è realizzata mediante plinti, travi di fondazione, platee a contatto con terreno alla Winkler e pali o gruppi di pali. L'elemento finito tipo truss (biella) consente di modellare:

  • elementi truss veri e propri
  • bielle in muratura in accordo con quanto previsto dal DM 87 (tamponamento nel telaio)
  • elementi boundary in grado di simulare:
    • collegamenti assiali e/o a taglio monolateri
    • isolatori sismici (in questo caso viene richiesta la rigidezza secante)
    • smorzatori, da utilizzare per analisi dinamiche nel dominio del tempo (vedi post-processore), con legge del tipo:
      • F = c vα
      • Smorzatori alla Maxwell costituiti da una molla, con legge F = k u, ed uno smorzatore con legge F=c vα in serie

    Gli elementi truss possono inoltre essere soggetti ad una pretensione iniziale che ne modifica la matrice di rigidezza (a livello di codice di calcolo viene introdotta la matrice di rigidezza geometrica KG). Le pareti controventanti in generale, o le pareti di taglio, sono schematizzabili con un elemento tipo shear-wall la cui matrice di rigidezza tiene conto della rigidezza tagliante, nel piano del setto, e di quella flessionale fuori dal piano. Tale elemento è utilizzato anche per la modellazione di pareti in muratura. Gli elementi bidimensionali, utilizzabili sia come elementi lastra-piastra che come elementi lastra su suolo alla Winkler, comprendono elementi a 3, 4 ed 8 nodi. Va sottolineato come questi elementi siano forniti di “drilling” ovvero “coprano” tutti i 6 gradi di libertà nodale per ogni nodo dell'elemento consentendo, da un lato una maggiore accuratezza del calcolo, dall'altro l'eliminazione dei fastidiosi elementi “boundary” spesso introdotti per supplire proprio alla mancanza di tale proprietà nei classici elementi presenti in letteratura. Ciò consente al progettista di risolvere anche problemi particolarmente complessi e delicati quali pareti di taglio alla Rosman-Beck, serbatoi, cupole, piastre forate ecc.. Gli elementi solidi a disposizione sono a 4, 6 ed 8 nodi.

Il Codice di Calcolo esegue analisi statiche e dinamiche, ed è in grado di eseguire differenti tipi di calcolo in accordo con tutta la Normativa vigente (compreso NTC del D.M. 14-01-2008 e del D.M. 14-09-2005).

Le modalità di analisi strutturale previste sono:

  • Analisi statica generale con 6 gradi di libertà per nodo.
  • Analisi dinamica per sovrapposizione modale con spettro di risposta in accordo con l'Ord. PCM 3274 (Eurocodice 8) e la Normativa Italiana considerando le masse concentrate nei nodi; in entrambi i casi in cui viene impiegata l'analisi modale la risposta può essere valutata sia via SRSS (regolamento italiano) sia via CQC (Eurocodici / OPCM 3274) o a discrezione dell'operatore. L'impiego del metodo di Ritz (opzionale) consente l'individuazione dei modi di vibrare significativi per un'assegnata direzione d'ingresso e rende estremamente efficace l'analisi soprattutto in strutture a molti gradi di libertà o mal condizionate (piastre inflesse assoggettate ad azioni sismiche nel proprio piano) permettendo il conseguimento dell'85% della massa modale in tempi di calcolo molto ridotti. In analisi dinamica modale con ipotesi di solaio infinitamente rigido, qualora venga chiesto di considerare l'effetto dell'eccentricità accidentale (ea= 5% L) del centro di massa rispetto al centro di rigidezza, indipendentemente dal metodo utilizzato (sub-space iteration o Ritz) il codice di calcolo provvede alla valutazione dei modi di vibrare eccentrici come alternativa al modo semplificato di operare, quest'ultimo consentito dall'EC8 solo nei casi di strutture regolari.
  • Analisi nel dominio del tempo di strutture soggette ad accelerogrammi (azioni sismiche) o a forzanti variabili nel tempo (come ad es. azione del vento).
  • Analisi statica con applicazione di azioni di piano orizzontali per strutture prefabbricate secondo le C.N.R. 10025 "Norme tecniche per la progettazione, esecuzione, e collaudo delle costruzioni prefabbricate".
  • Analisi statica Non Lineare con effetto P-Delta. Analisi statica Non Lineare tenendo conto della unilateralità degli sforzi negli elementi a cui è stata assegnata tale proprietà durante l'input (queste ultime due modalità di analisi possono essere eventualmente combinate fra loro).
  • Analisi statica (Non Lineare) tenendo conto dell'eccentricità dell'asse trave rispetto allo schema di calcolo (analisi di ponteggi tubolari).

Queste ultime tre modalità possono coesistere in tutto o in parte.

L'esecuzione del calcolo può essere seguita a video tramite l'echo di dati riguardanti il suo svolgimento quali: numero di equazioni in soluzione, numero di blocchi della matrice assemblata, numero di blocchi in fattorizzazione ecc... Eventuali arresti (matrice non definita positiva, labilità, ecc.) che possono portare ad una prematura conclusione del calcolo sono sempre e comunque segnalati dal solutore.

Controlli preliminari in fase di Pre-Processore possono essere richiesti per rilevare le incongruenze macroscopiche presenti.

La scelta dei modi di vibrare utilizzati per le analisi dinamiche può dipendere, oltre che dal metodo di analisi (metodo di Ritz o metodo Standard), anche dalla direzione di ingresso del sisma, essendo subordinata alla individuazione dei massimi effetti sulla struttura (massimizzazione della Massa Modale Efficace coinvolta per la direzione di ingresso del sisma).

In ogni caso il solutore considera, per ogni direzione di ingresso del sisma, almeno 3 modi principali per ogni componente di spostamento globale (in funzione della memoria RAM presente e della versione del programma).

Il metodo di soluzione di default del sistema di equazioni corrisponde con la fattorizzazione LDLT (metodo diretto standard di eliminazione di Gauss). In alternativa è possibile attivare il metodo del Gradiente Coniugato (metodo iterativo). I metodi iterativi sono generalmente utilizzati per risolvere sistemi lineari A x = b con A matrice di ordine elevato e sparsa.

Il Post-Processore consente di visualizzare tutti i risultati del calcolo relativi al complesso strutturale o a parte di esso.

Oltre ai classici comandi di graficizzazione dei diagrammi relativi alle deformate (statiche, dinamiche ed animazioni) ed alle sollecitazioni (sforzi normali, tagli, momenti, tensioni, tensioni principali) relativi alle combinazioni di carico definite o al loro inviluppo, sono a disposizione una serie di comandi che consentono di controllare la corretta definizione dei dati di input (reazioni dei nodi vincolati, controllo a posteriori delle azioni di piano dovute ad azione sismica, controllo della simmetria strutturale ecc..) e la validità delle soluzioni strutturali adottate in maniera veloce e consistente.

Tali visualizzazioni (amplificate o ridotte di un opportuno fattore di scala gestito dall'utente) possono avere, inoltre, immediato riscontro nei risultati numerici relativi ad ogni diagramma presentato su video. Molte informazioni rapide sono reperibili con il puntatore del mouse che permette di leggere al volo i dati disponibili su un elemento o l'ordinata in un punto di un diagramma.

Tutto quanto è rappresentato a video è facilmente esportabile in altri applicativi come immagini (per esempio in editor di testi come MsWord©).

Viene compilata la relazione di calcolo che conterrà i dati di input (geometria, carichi, vincoli, sezioni, materiali, tipo di calcolo ecc.) ed i dati di output (deformazioni, sollecitazioni, tensioni, ecc.). A discrezione dell'utente, è possibile selezionare le voci di stampa in funzione dell'utilizzo che si intende fare del documento. L'output, inizialmente creato in formato HTML così da poter essere visualizzato nel modo più comune possibile, può essere reindirizzato su file di testo ASCII, su file in formato RTF o direttamente esportato verso MsWord©. I dati di input ed i risultati di output possono essere esportati in formato MsAccess© così da poter essere impiegati da altri codici o in altre elaborazioni (ad esempio analisi particolareggiate di elementi di fondazione). Qualora si sia svolta l'analisi spettrale della struttura è inoltre possibile, nel post-processore, condurre delle analisi in dominio del tempo assogettando la struttura sia a forzanti dinamiche che ad accelerogrammi. Una volta eseguita l'analisi è possibile interrogare il modello per ottenere oltre all'andamento temporale degli spostamenti/velocità/accelerazioni dei nodi anche l'evolversi delle sollecitazioni all'interno dei vari elementi presenti nel modello con immediata indicazione del valor medio, varianza minimi e massimi delle grandezze oggetto di analisi. Tali analisi tengono conto degli eventuali dissipatori introdotti sulla struttura (vedi elementi truss). La struttura può inoltre essere assogettata a carichi mobili variabili sia nello spazio che nel tempo.