Intervista all’ing. Dario Nicola Pica su “L’Ingegnere Italiano”

Intervista esclusiva all’ing. Dario Nicola Pica, CEO & Founder Soft.Lab, rilasciata a “L’Ingegnere Italiano” il quadrimestrale edito e pubblicato dal Consiglio Nazionale Ingegneri (CNI). Numerosi punti di interesse sono stati trattati, dalla nascita dei software di calcolo strutturale, al BIM e SismaBonus fino al futuro dell’edilizia.

BIO – Ing. Dario Nicola Pica
Classe 1936, laureato in Ingegneria presso La Sapienza di Roma nel 1964, con un passato di docente in Italia e all’estero (nell’ambito del progetto di cooperazione allo sviluppo in alcuni stati dell’Africa), verso la fine degli anni ’80 con l’avvento dei primi personal computer, fonda la Soft.Lab insieme ad un gruppo di ingegneri tra cui anche alcuni suoi ex alunni. A lui si deve l’intuizione dello SPACE, antesignano dell’attuale IperSpace, software che ha rivoluzionato l’approccio al calcolo strutturale in Italia. Sposato e con quattro figli, a maggio 2019 pubblicherà il suo primo libro.

Come è nata l’idea di sviluppare un software di calcolo strutturale?

Ricordo ancora come fosse ieri il tremendo terremoto che si abbatté sull’Italia Meridionale negli anni ’80 causando migliaia di vittime e provocando danni ingenti a tutta la popolazione; da quell’evento si incrementò la distribuzione delle zone sismiche sul territorio e pertanto andò crescendo la richiesta di un mezzo che potesse risolvere i problemi legati all’analisi sismica costituita, per la maggior parte, da calcoli tediosi e iterativi. È in quel contesto che, insieme ad alcuni miei studenti, nacque l’idea di sviluppare lo SPACE, un software che desse supporto ai tecnici italiani nella modellazione e nel calcolo delle opere strutturali. Inizialmente poteva essere eseguito sui computer Apple II, Sirius/ Victor 9000, Olivetti M20, e successivamente su PC IBM e compatibili. Negli anni ’90 prese la denominazione, che mantiene tutt’ora, di IperSpace. Da allora ne è passata di acqua sotto i ponti…

In effetti in molti ancora oggi ricordano lo SPACE. Quali caratteristiche deve avere secondo Lei un programma di calcolo strutturale per rispondere alle richieste della progettazione moderna?

Un programma di calcolo strutturale deve essere affidabile, semplice e completo. Affidabile perché deve fornire al tecnico la garanzia del corretto risultato e secondo le prescrizioni di normativa consentendo allo stesso verifiche e controllo. Semplice in quanto le informazioni devono essere accessibili e comprensibili sia all’ing che agli organi deputati al controllo (penso al Genio Civile ad esempio). Completo perché deve risolvere tutti i problemi, dalle strutture semplici alle più complesse in cemento armato, cosi come quelle del legno isotropo ed ortotropo, dell’acciaio sia a livello di calcolo che disegno dei particolari, alla geotecnica per fondazioni superficiali e profonde etc.

Spesso i tecnici tendono ad affidarsi totalmente ai software per la realizzazione di pratiche e progetti. Quale deve essere il giusto rapporto tra programma e professionista?

Purtroppo qualcuno pensa che il software di calcolo strutturale sia il “deus ex machina” che con pochi click riesca a risolvere problemi di notevole complessità. L’ing si affida in modo inconscio al programma e non pensa che esso è solo una calcolatrice molto evoluta; se vengono immessi dati errati, i risultati saranno pure essi errati. In pratica il programma dovrebbe permettere il controllo di tutto ciò che l’utente intenda fare ma deve essere il tecnico a fare le scelte progettuali e non il software. Il programma deve essere il mezzo per risolvere il modello matematico in modo agevole e validare le scelte tecniche e progettuali fatte dall’esperto. È con questa filosofia che è stato concepito IperSpace che, nei fatti, consente la massima libertà, trasparenza e controllo all’utente dimostrandosi come uno strumento “aperto” e all’avanguardia.

L’uscita delle NTC 2018, il BIM, la Circolare, il SismaBonus. Cosa ne pensa dell’edilizia ai giorni nostri?

Le norme NTC 2018 hanno apportato interessanti migliorie nell’ambito strutturale come ad esempio per le strutture non dissipative con q≤1.5; a mio parere si rilevano però gravi mancanze, per esempio in merito alla verifica dei nodi in CDB, ignorando quanto indicato dall’Eurocodice 8. La Circolare di recente pubblicazione ha chiarito alcuni aspetti del testo normativo fornendo in alcuni casi anche delle ulteriori indicazioni (anche in contrasto). La problematica però è che la circolare non ha valore cogente; evidenzio questo perché l’obbligatorietà della verifica dei nodi, come dicevo prima, rimane nonostante la soluzione alternativa riportata dalla Circolare. In merito al SismaBonus, credo sia una intuizione molto valida e importante ma vanno potenziati gli strumenti per la cessione del credito di imposta. Il BIM stesso può essere un ottimo veicolo per spingere verso la ripresa del settore promuovendo l’interoperabilità tra i vari attori del processo edilizio, anche se le modalità a livello strutturale sono ancora da studiare bene.

Con la sua enorme esperienza nell’ambito dell’ing strutturale, quale consiglio si sente di dare alle nuove generazioni che per la prima volta si affacciano alla realtà della progettazione e calcolo?

Purtroppo il calcolo, ai giorni nostri, viene pagato poco ed è rischioso perché prevede tanti adempimenti; consiglio quindi ai giovani colleghi di consorziarsi in modo da eseguire un progetto completo dalla A alla Z; solo in questo modo il calcolo può essere remunerativo. Inoltre ritengo che le nuove generazioni, con gli strumenti di oggi, abbiano l’opportunità di non ripetere gli errori del passato prestando maggiore attenzione ai dettagli e alla manutenzione. Spero in loro per potenziare la promozione di quella “cultura antisismica” che troppo spesso ancora manca ma che si rende necessaria per aumentare il livello di sicurezza del nostro costruito.

Leggi l’intervista su “L’Ingegnere Italiano”

Tutorial IperSpace: analisi e calcolo di strutture in legno secondo le NTC 2018

Video tutorial relativo all’analisi ed il post-processo di strutture in legno secondo le NTC 2018. Nel video che segue viene mostrato il calcolo con IperSpace di una struttura in legno e di un capannone; di quest’ultimo viene condotta l’analisi dei nodi con il software Kiplegno della Kipendoff. Il video è stato realizzato con la versione per Windows. Gli argomenti trattati sono i seguenti:

  • analisi e Verifiche di strutture non dissipative;
  • calcolo di una struttura in legno secondo le NTC 2018;
  • capannoni in legno con luce > 20 m con l’aggiunta del sisma verticale;
  • analisi e verifica di nodi in legno (KipLegno): capriata (monaco-puntoni); piede colonna (unione con bicchiere);
  • generazione relazione ed elaborati grafici;
  • creazione di carpenterie e sezioni strutturali.

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Elementi shell: come ottimizzare il passo della mesh e velocizzare il calcolo

La modellazione delle strutture intelaiate richiede l’utilizzo di elementi asta, ovvero elementi monodimensionali per i quali vale la teoria della trave elastica di Timoschenko. Capita spesso però che gli elementi strutturali di un edificio non possano essere schematizzati utilizzando solo elementi monodimensionali. Ci sono elementi strutturali che devono per forza essere modellati ricorrendo all’utilizzo di elementi bidimensionali quali:

  • Pareti in cemento armato (elementi caratterizzati da un rapporto fra dimensione massima e minima della sezione maggiore di 4);
  • Muri di contenimento dei piani interrati;
  • Platee di fondazione;
  • Solai a piastra a soletta piena;

La corretta analisi di questi elementi strutturali richiede la modellazione attraverso elementi shell. L’inserimento di elementi shell nel modello strutturale porta il progettista di fronte ad una scelta da compiere: quale passo di discretizzazione utilizzare per la creazione della mesh di questi elementi? Prediligere la velocità del calcolo o l’accuratezza? 

Marco De PisapiaL’articolo di seguito riportato dal titolo “Elementi shell: come ottimizzare il passo della mesh e velocizzare il calcolo” è a cura di Marco De Pisapia, ingegnere civile e autore del blog www.marcodepisapia.com dove da oltre tre anni pubblica ogni settimana un nuovo articolo di approfondimento sul tema dell’analisi e del calcolo strutturale. I temi affrontati nello specifico sono:

  • come si classificano gli elementi bidimensionali piani e quali sono i metodi di analisi utilizzati dai software di calcolo;
  • come discretizzare nel modo giusto gli elementi bidimensionali e quale dimensione della mesh scegliere per ottimizzare i tempi di risoluzione senza perdere in accuratezza;
  • gli errori da non commettere quando si creano elementi bidimensionali;
  • un caso studio relativo ad una struttura multipiano con 15562 elementi piani e 92280 gradi di libertà.

L’analisi degli elementi bidimensionali: un compromesso fra accuratezza dei risultati e tempi di risoluzione

L’analisi degli elementi bidimensionali è più complessa rispetto all’analisi degli elementi monodimensionali utilizzati per la modellazione di travi e pilastri. Grazie alle notevoli capacità di calcolo dei pc, oggi non è un problema affrontare l’onere computazionale che comporta l’utilizzo di elementi bidimensionali, ottenendo una notevole accuratezza dei risultati, modellando correttamente questi elementi e scegliendo il giusto passo di discretizzazione. Per poter correttamente modellare e discretizzare gli elementi bidimensionali è fondamentale per un progettista conoscere i metodi di risoluzione che utilizza un software di calcolo e i princìpi del comportamento statico di tali elementi. La corretta discretizzazione di questi elementi è un passo fondamentale per evitare il rischio di allungare notevolmente i tempi di risoluzione.

Comportamento a lastra, a piastra e a guscio (shell)

Prima di passare in rassegna il metodo di analisi utilizzato dai software di calcolo per il calcolo degli elementi bidimensionali, si riportano i tre tipi di comportamento di questi elementi:

  • comportamento a lastra: ciascun nodo dell’elemento possiede due gradi di libertà ovvero due traslazioni nel piano dell’elemento. Viene utilizzato per rappresentare stati di sforzo piano e le azioni sollecitanti giacciono nel piano dell’elemento. È un elemento dotato di rigidezza membranale e trasmette solo sforzi nel suo piano;
  • comportamento a piastra: ciascun nodo di quest’elemento è dotato di tre gradi di libertà, una traslazione ortogonale al piano medio dell’elemento e due rotazioni intorno ai due assi appartenenti al piano dell’elemento. È un elemento dotato di rigidezza flessionale e trasmette sollecitazioni taglianti e flessionali. Le azioni sollecitanti sono ortogonali al piano dell’elemento.
  • l’elemento shell (guscio) è la sovrapposizione dei due comportamenti a lastra e piastra appena visti. È un elemento dotato di rigidezza sia flessionale che membranale e può essere utilizzato per riprodurre il comportamento generico di un elemento strutturale piano.

Fig.1: Tipologie di comportamento degli elementi piani

L’analisi agli Elementi Finiti degli elementi piani (FEM method analysis)

Le deformazioni e le tensioni degli elementi bidimensionali sotto assegnate condizioni di carico, vengono determinate attraverso il Metodo degli Elementi Finiti. L’elemento shell viene discretizzato in una mesh di elementi di forma triangolare o quadrangolare, connessi in corrispondenza dei nodi. Le incognite del problema diventano pertanto gli spostamenti dei nodi degli elementi che compongono la mesh. Gli spostamenti dei punti all’interno di ciascun elemento vengono ipotizzati essere funzione degli spostamenti nodali attraverso funzioni lineari o non lineari a seconda della tipologia di elemento di discretizzazione adottato. Noti gli spostamenti di ciascun nodo dell’elemento, si può risalire alle deformazioni e, attraverso la matrice di rigidezza, alle tensioni.

Fig.2: Nodi della mesh di un elemento shell

Come trovare la giusta dimensione della mesh: il modello ad infittimento crescente

L’accuratezza del risultato in termini di deformazioni e tensioni di un elemento bidimensionale, dipende dalla dimensione dei singoli elementi che compongono la mesh. Più fitta è la discretizzazione, più accurati saranno i risultati. Di contro però saranno più lunghi i tempi di risoluzione in quanto all’aumentare dei nodi dell’elemento aumenterà la dimensione della matrice di rigidezza. Per zone in cui il gradiente di deformazione e tensione è più elevato, è bene infittire la mesh. Ciò accade in corrispondenza di zone critiche dell’elemento quali: spigoli, fori, discontinuità, cambi di sezione, applicazione di carichi concentrati. All’interno di uno stesso elemento shell si può adottare un diverso infittimento della mesh. I software di calcolo sono solitamente dotati di un algoritmo automatico che crea la mesh dell’elemento sulla base del passo scelto. In IperSpace BIM tale procedura è automatizzata e il progettista può scegliere il passo della mesh e se raffinare o meno il reticolo.

Fig.3: Pannello di controllo in IperSpace BIM per la scelta del passo della mesh e l’attivazione dell’opzione Raffina per ottimizzare la forma degli elementi

Per quanto i software di calcolo possano automatizzare la procedura di creazione della mesh di elementi bidimensionali, spetta comunque al progettista la scelta del passo di discretizzazione della mesh. Per controllare l’accuratezza dei risultati ottenuti e valutare se il passo scelto consente di ottenere risultati affidabili, si può adottare una procedura ad infittimento crescente e confrontare i risultati ottenuti. Tale procedura consiste nell’eseguire il calcolo con passi della mesh via via decrescenti e vedere di quanto variano i risultati. Il passo corretto sarà quello che determina variazioni trascurabili dei risultati e tempi di risoluzione accettabili.

Fig.4: Convergenza della soluzione in funzione del numero di elementi che compone la mesh

Gli errori da evitare: elementi allungati, mesh distorte, incongruenza fra nodi

Ci sono alcuni princìpi da seguire nel controllo visivo dell’affidabilità di una mesh:

  • il rapporto fra i lati degli elementi (aspect ratio) deve essere quanto più vicino possibile all’unità;
  • gli angoli ai vertici dei singoli elementi dovrebbero assumere valori fra loro vicini: 90° per elementi quadrangolari e 60° per elementi triangolari;
  • infittimento della mesh in corrispondenza delle zone critiche, ovvero le zone con alti gradienti di tensione e deformazione.

Se non vengono rispettati questi principi si rischia di compromettere l’affidabilità del risultato.

Fig.5: Aspect ratio di elementi quadrangolari

Un altro errore da evitare riguarda l’incongruenza fra i nodi di due elementi piani collegati fra loro o l’eccessiva distorsione di un elemento. Ciò si verifica quando:

  • i due elementi hanno un diverso passo di discretizzazione con conseguente incongruenza fra i nodi;
  • la mesh non si collega ad un nodo che giace sul nel suo piano, per esempio il nodo di base di un pilastro che è stato creato dopo la creazione della mesh della platea di fondazione.
  • Elementi eccessivamente distorti, con lati e angoli ai vertici molto disuguali fra loro.

Fig.6: Incongruenza fra nodi e mesh distorta

Un caso studio: una struttura a pareti con solai a piastra, minimizzare i tempi di calcolo

Si riporta di seguito un caso studio che riguarda il modello strutturale di un edificio in cui le shell rappresentano la quasi totalità degli elementi strutturali. La struttura è stata concepita nel modo seguente:

  • solai a piastra realizzati con soletta piena;
  • pareti sismoresistenti;
  • fondazione a platea.

I pochi pilastri presenti nella struttura sono stati progettati come elementi secondari, ovvero assorbono solo i carichi verticali, ma non danno contributo alla resistenza nei confronti delle azioni orizzontali. L’aliquota di tagliante sismico assorbito dai pilastri è inferiore al 20%. Considerando che l’edificio è composto da undici livelli fuori piano, bisogna porre attenzione al passo della mesh che si sceglie di utilizzare per discretizzare gli elementi bidimensionali. A causa dell’elevato numero di nodi, si rischierebbe di avere tempi di elaborazione lunghissimi. Per fissare un corretto passo della mesh si possono fare le seguenti valutazioni: le mesh dei solai possono essere discretizzate con un passo non molto fitto, in quanto si vuole riprodurre solo l’effettiva rigidezza nel piano di tali elementi (non è stato modellato l’impalcato rigido). La verifica dei solai sarà eseguita in un modello ad hoc in cui si analizza il solo solaio, adottando un passo più fitto della mesh al fine di ottenere risultati più affidabili in termini di spostamenti verticali e sollecitazioni.

Fig.7: Caso studio: modello di una struttura a pareti con solai a piastra

Conclusioni

Se sceglie di progettare una struttura con pareti sismoresistenti e solai a piastra occorre modellare degli elementi shell per riprodurre il comportamento strutturale dell’edificio. Lo stesso accade nel caso dell’utilizzo di platee di fondazione. La massima cura va posta nella scelta del passo di discretizzazione al fine di ottenere risultati affidabili e tempi di risoluzione modesti. Particolare attenzione va posta ai tempi di risoluzione. In fase di progetto è fondamentale ridurli al massimo. La progettazione è una procedura iterativa. Si consideri ad esempio che un modello impieghi circa 40 minuti per completare il calcolo e a conclusione del procedimento vi siano degli elementi non verificati. In tal caso occorre rimodificare il modello e far girare di nuovo il calcolo. Attraverso queste iterazioni. lunghi tempi di risoluzione possono rallentare di molto la procedura. Il consiglio è quello di adottare una mesh iniziale non molto fitta. Se tutte le verifiche risultano soddisfatte, affinare il modello riducendo il passo della mesh.

Tutorial IperSpace: modellazione di strutture in legno

Videotutorial sulla modellazione strutture in legno con il software di calcolo strutturale agli elementi finiti IperSpace. All’interno del video vengono mostrati i comandi, le basi per la modellazione partendo da un .dxf e affrontate diverse problematiche inerenti le tipologie strutturali in legno. Gli argomenti trattati sono i seguenti:

  • definizione di sezioni parametriche costituite da elementi rettangolari e circolari;
  • realizzazione di una struttura abitativa costituita da travi e pilastri in legno;
  • creazione di una struttura in legno partendo da un .dxf spaziale;
  • strutture non dissipative;
  • realizzazione di un capannone a capriata in legno;
  • realizzazione di una struttura platform-frame.

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Circolare NTC 2018: le indicazioni sulla verifica dei nodi

Come già descritto nell’articolo sulla verifica dei nodi, le NTC 2018 hanno portato importanti novità a riguardo per le strutture intelaiate in cemento armato. Innanzitutto, tali verifiche sono state rese obbligatorie e, tale obbligo, oltre che per le strutture progettate in alta duttilità (CD “A”) e per quelle progettate in bassa duttilità (CD “B”), è esteso anche alle strutture non dissipative.

Uno dei motivi della fervida attesa, da parte dei progettisti, della pubblicazione della Circolare applicativa era proprio quello di chiarire meglio le problematiche riguardanti questa tipologia di verifiche.

Si ricorda che la circolare è un documento che si pone come obiettivo quello di fornire agli operatori indicazioni, elementi informativi ed integrazioni, per una più agevole ed univoca applicazione delle nuove Norme Tecniche. Al tempo stesso è importante sottolineare che, dal punto di vista legale, la Circolare non ha valenza giuridica ma fornisce un riferimento interpretativo certamente autorevole.

Le novità introdotte dalla Circolare sulla verifica dei nodi

La Circolare chiarisce che le verifiche di resistenza dei nodi si applicano a tutte le strutture progettate in classe di duttilità alta (CD “A”) e nei nodi non confinati nella progettazione delle strutture in classe di duttilità bassa (CD “B”). Un’altra importante novità è che le strutture non dissipative sono completamente escluse.

Si riporta di seguito quanto contenuto nella Circolare in merito alle verifiche di resistenza dei nodi:

“Per il calcolo della domanda a taglio sulla trave, si può far riferimento allo schema di Figura 1 dove è rappresentato sia il caso di plasticizzazione delle sezioni di estremità delle travi (quando la somma dei momenti resistenti delle sezioni di estremità dei pilastri convergenti nel nodo è inferiore alla somma dei momenti resistenti nel medesimo nodo) sia al caso di plasticizzazione dei pilastri (quando la somma dei momenti resistenti delle sezioni di estremità dei pilastri convergenti nel nodo è superiore alla somma dei momenti resistenti nel medesimo nodo).

Si precisa che quest’ultima condizione potrebbe presentarsi in differenti situazioni, in accordo con i principi di progettazione in capacità e con le prescrizioni definite nel Capitolo 7 delle NTC, ad esempio, in corrispondenza di pilastri trattati come elementi secondari oppure quando le travi appartengono all’ultimo orizzontamento.”

Fig. 1 Equilibrio dei momenti per il calcolo delle sollecitazioni di taglio di progetto nelle travi

Viene poi indicato, in Fig. 2, come fare per valutare la zona efficace del nodo trave-pilastro al fine del trasferimento dei carichi. In particolare, le armature trasversali nelle due direzioni dovranno essere contenute all’interno della zona efficace identificata.

Fig. 2 Dimensione efficace dei nodi trave-pilastro

Le formule come riportato dalla C.7.4.4.3.1 della Circolare NTC 2018 non variano, però come riporta il testo:

  • per la verifica di capacità del nodo è consigliabile l’utilizzo, nelle due direzioni di verifica del pannello nodale, dello stesso approccio, tra i due consentiti dalla norma [C.7.4.4.3.1];
  • nella valutazione di Vjbd (equazione 7.4.8), è possibile tenere direttamente conto del confinamento del calcestruzzo, così come indicato al § 4.1.2.1.2.1 delle NTC ponendo aj = 0,48 (fck,c / fck), avendo cura di considerare soltanto il volume di calcestruzzo effettivamente confinato [C.7.4.4.3.1].

In definitiva è possibile affermare che la Circolare cerca di risolvere le problematiche sulla verifica dei nodi nate nella fase progettuale delle strutture intelaiate in c.a. e, finalmente, si potrà trarre il massimo beneficio da una delle più importanti novità introdotte dalle NTC 2018, ovvero l’utilizzo di un fattore di comportamento maggiore di 1 per le strutture non dissipative.

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Premium Day Soft.Lab

Il Premium Day è una giornata di formazione e aggiornamento che Soft.Lab propone a tutti gli strutturisti. Un’occasione per ritrovare vecchi e nuovi clienti ed interfacciarsi con l’azienda per uno scambio proficuo dal taglio tecnico e scientifico. Sviluppo software, normativa, BIM e molto altro. L’edizione 2019 del Premium Day si annuncia ricca di novità e di appuntamenti: il tradizionale corso di formazione sulle novità della versione di IperSpace sarà preceduto dalla presentazione del primo libro tecnico sul software; non mancheranno momenti formativi con prestigiosi docenti universitari e la premiazione del vincitore del concorso “La struttura dell’anno”.