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Una testimonianza autorevole su ANDILWall 3: parla il Prof. Magenes

Il Prof. Magenes, docente dell'Università di Pavia e coordinatore della Sezione Murature di Eucentre, risponde ad alcune domande sul software di calcolo e verifica degli edifici in muratura ANDILWall 3.
Una testimonianza autorevole che evidenzia le potenzialità del programma nelle verifiche di strutture in muratura nuove ed esistenti.

Profile | Guido Magenes
Guido Magenes è professore associato di Tecnica delle costruzioni presso l'Università di Pavia e coordinatore della sezione Murature di EUCENTRE.
Ha ottenuto la laurea in ingegneria civile presso l'Università di Pavia, il Master of Science presso la University of California San Diego, il Dottorato di Ricerca presso il consorzio universitario Politecnico di Milano/Università di Pavia.
È autore o co-autore di oltre 180 pubblicazioni scientifiche in gran parte dedicate al comportamento sismico delle strutture in muratura e in cemento armato, ed è membro attivo di gruppi di lavoro per la redazione di norme strutturali nazionali ed europee, con particolare riferimento alle costruzioni in muratura.

Che cos'è ANDILWall e come nasce?

ANDILWall è un software per l'analisi e la verifica strutturale di edifici in muratura.
Nasce da un progetto congiunto di ANDIL Assolaterizi, CRSoft e EUCENTRE Pavia che nel 2004 hanno avviato un progetto comune per dotare i progettisti di uno strumento che consentisse di eseguire agevolmente le verifiche sismiche di edifici in muratura ordinaria o armata alle azioni sismiche, mediante l'analisi statica non lineare.
Il modello di calcolo che sta alla base di ANDILWall si basa su una schematizzazione a telaio equivalente dell'edificio ed è stato sviluppato a partire dal 1997 dal mio gruppo di ricerca presso l'Università di Pavia e successivamente anche presso EUCENTRE.
A seguito della pubblicazione dell'OPCM 3274 del 2003 è nata l'idea di trasformare il programma esistente in un software utilizzabile dai professionisti. Nel 2004 è partito quindi il progetto comune che ha portato alla pubblicazione della prima release di ANDILWall nel 2006.
Il software, per quanto concepito inizialmente come strumento per la verifica sismica di edifici di nuova costruzione (in muratura semplice o armata), consente anche la verifica sotto azioni non sismiche (carichi da gravità, vento), e può anche essere proficuamente utilizzato nelle verifiche sismiche di edifici esistenti in cui sia ammissibile una schematizzazione a telaio equivalente.

Telaio equivalente Telaio equivalente cone struzione degli elementi

Qual è il suo ruolo, prof. Magenes, e quello dell'Università di Pavia e di EUCENTRE nello sviluppo del software?

Il cosiddetto "motore di calcolo" di ANDILWall è costituito dal modellatore-solutore SAM II, la cui prima versione nasce nel 1997 dal lavoro mio e di un tesista di laurea dell'Università di Pavia, partendo dall'idea di estendere agli edifici in muratura i concetti della modellazione a telaio equivalente, finalizzata all'analisi non lineare.
La modellazione a telaio appare ai più come una semplificazione molto drastica della realtà meccanica di un edificio in muratura, ed in un certo senso lo è, tuttavia negli anni siamo riusciti a dimostrare, anche mediante confronti con modelli non lineare più raffinati (e quindi caratterizzati da un onere computazionale molto maggiore), come in moltissimi casi di rilevanza pratica tale semplificazione può portare comunque a risultati affidabili ma con un onere computazionale ridotto e quindi adatto all'impiego nella pratica professionale.
Il continuo sviluppo e miglioramento del SAM II è avvenuto grazie al contributo di numerose persone capaci e competenti, tra cui ricordo in particolare Alessio Della Fontana e Davide Bolognini nel periodo in cui SAM II muoveva i primi passi presso l'ex Dipartimento di Meccanica Strutturale dell'Università di Pavia, a cui sono seguiti Paolo Morandi, Carlo Manzini, Marco Remino nei tempi più recenti della nascita di EUCENTRE e del progetto ANDILWall.
Tutt'ora il codice SAM II e il progetto ANDILWall si avvalgono del contributo di personale di EUCENTRE e del DICAr (Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura) dell'Università di Pavia.

Quali sono le principali caratteristiche del solutore SAM II?

Il solutore si basa su una schematizzazione a telaio equivalente dell'edificio, che prevede la scomposizione della struttura in elementi finiti solitamente definiti come "beam-column" (trave-colonna) o, più in generale "frame" (telaio), caratterizzati da deformazioni assiali, flessionali e a taglio.
Gli elementi sono a "plasticità concentrata", le leggi costitutive sono di tipo multi-lineare (lineare a tratti) e i criteri di resistenza implementati sono quelli comunemente accettati in letteratura e adottati dalle normative.
È possibile definire e differenziare i limiti di capacità deformativa degli elementi in base al meccanismo di rottura che si sviluppa nell'elemento, in accordo con le indicazioni della letteratura scientifica e/o delle prescrizioni normative.
Nella versione attuale del motore di calcolo sono implementati diversi tipi di elementi strutturali non lineari: l'elemento maschio murario, l'elemento fascia muraria, l'elemento trave/cordolo o pilastro in cemento armato, il setto armato in c.a., la catena metallica.
Il SAM II consente di modellare i diaframmi di solaio come infinitamente rigidi o infinitamente deformabili o come membrane elastiche ortotrope. Quest'ultima possibilità non è ancora stata implementata nella versione attuale di ANDILWall ma è prevista come sviluppo in tempi brevi.
Il criterio risolutivo utilizzato per l'esecuzione delle analisi non lineari è basato sul metodo di Newton-Raphson con strategia arc-length; le analisi numeriche vengono svolte in controllo misto di forze e spostamenti, con la possibilità di scegliere fra differenti criteri di convergenza.

Quali sono le novità della versione 3 di ANDILWall?

L'ultima release del programma ha innanzitutto una nuova interfaccia grafica più versatile e potente della precedente, ed è stata sviluppata in modo da sfruttare le potenzialità dei nuovi processori (sia a 32 che 64 bit), riducendo sensibilmente i tempi di elaborazione.
Per quel che riguarda le opzioni di analisi, ora è possibile, oltre alla modellazione a diaframmi di solaio rigidi, anche la modellazione a diaframmi infinitamente deformabili. Questa opzione può essere utilizzata quando siano presenti orizzontamenti molto flessibili nel proprio piano, quali, ad esempio, solai e/o coperture a orditura lignea e semplice assito.
La nuova versione del programma ha inoltre maggiori opzioni per la modellazione della capacità di elementi in cemento armato (setti, travi e pilastri).
Con queste nuove implementazioni, l'utente ha dunque a disposizione uno strumento più versatile che, oltre alla progettazione strutturale di nuovi edifici in muratura portante, può risultare efficace anche nella valutazione della sicurezza nei confronti delle azioni sismiche su alcune tipologie di edifici esistenti in muratura o con struttura mista.

Analisi sismiche pushover: quali sono le potenzialità di questo approccio rispetto ai metodi lineari?

L'analisi statica non lineare consente di valutare in modo più realistico le risorse di resistenza al sisma di un edificio in muratura rispetto ad una analisi elastica lineare.
Ricordo in questo senso come proprio per gli edifici in muratura si sia sentita l'esigenza di fare ricorso ai metodi di calcolo non lineari fin dalla fine degli anni '70 (si pensi alle normative tecniche emesse dopo i terremoti del Friuli e dell'Irpinia-Basilicata, che introducevano un calcolo non lineare semplificato basato sul "meccanismo di piano").
Il problema principale dell'analisi lineare basata sulla rigidezza elastica degli elementi è di non riuscire a valutare in maniera corretta la distribuzione interna delle forze e le deformazioni degli elementi allo stato limite ultimo della struttura. Per ovviare a questa inadeguatezza è necessario fare ricorso a coefficienti e fattori che rendano cautelativo il calcolo lineare, rendendo i risultati quindi estremamente penalizzanti per il progettista e a volte totalmente irrealistici.
L'analisi non lineare invece, purché svolta con strumenti di calcolo adeguati, riesce a superare gran parte di questi problemi e rende molto più agevole la verifica strutturale, sia per i nuovi edifici ma soprattutto nel caso di edifici esistenti.

Cosa direbbe ad un progettista che deve progettare un edificio in muratura per consigliare ANDILWall?

ANDIlWall è stato sviluppato e verificato con una forte partecipazione del mondo della ricerca, mediante numerosi confronti con modellazioni più raffinate, con prove sperimentali e su svariate configurazioni strutturali, quindi ritengo che sia un software sostanzialmente affidabile e che peraltro, per le ipotesi utilizzate, tende a produrre risultati cautelativi (ovviamente quando la geometria dell'edificio renda lecita una schematizzazione a telaio equivalente).
ANDILWall inoltre scaturisce dalla sinergia e collaborazione di soggetti che hanno fatto confluire in questo software le esperienze del mondo scientifico, tecnico-professionale e industriale, e che sono particolarmente attenti alla continua evoluzione del mondo delle costruzioni in muratura.
Questi aspetti si riflettono nel modo con cui è stato progettato il software ma anche nella qualità dell'assistenza e nel continuo aggiornamento e miglioramento del prodotto.

Analisi sismica pushover Analisi ai carichi verticali

Quali sono gli aspetti fondamentali in un calcolo strutturale di edifici in muratura che il progettista deve considerare?

Per quanto riguarda il "calcolo" inteso come progettazione strutturale di un nuovo edificio in muratura, in primo luogo è fondamentale prestare attenzione preliminarmente a tutti quegli accorgimenti relativi alla concezione e configurazione complessiva in modo tale da assicurarne un comportamento tridimensionale efficiente, "scatolare", garantendo quindi una risposta d'insieme (di tipo "globale") ed escludendo il manifestarsi di danni "locali" (fuori piano); ciò è possibile mediante la predisposizione di collegamenti efficaci fra gli elementi strutturali (ammorsamenti fra le pareti murarie, incatenamenti, cordolature) e di orizzontamenti sufficientemente rigidi nel proprio piano da garantire una adeguata ripartizione delle azioni fra le pareti (funzione di "diaframma").
Per quanto possibile è opportuno cercare di perseguire una sufficiente regolarità strutturale (in pianta ed in elevazione) dell'edificio.
Data la duplice funzione strutturale ed architettonica dei setti murari è molto importante che sia le esigenze funzionali che quelle strutturali siano tenute in conto insieme, all'atto della concezione dell'edificio. Per fare un esempio, la resistenza all'azione sismica richiede che siano disposti muri secondo due direzioni ortogonali in quantità sufficiente da resistere alle azioni di progetto. Questo ha conseguenze sulla disposizione e dimensione delle aperture, sull'interasse dei muri, sul modo con cui vengono portati i solai e la copertura.
Fondamentale è capire il "percorso" dei carichi all'interno della struttura, ovvero come le azioni di progetto, verticali e orizzontali, vengono trasferite dalla struttura in elevazione fino alle fondazioni.
Dal punto di vista poi del calcolo vero e proprio, ovvero delle operazioni di analisi e verifica strutturale, credo che la fase più delicata sia quella della definizione della geometria del modello, ovvero della traduzione della struttura reale nel modello discreto costituito dall'assemblaggio di elementi finiti di diverse caratteristiche.
Proprio per questo motivo si è cercato di arricchire significativamente il manuale di ANDILWall di chiarimenti e esemplificazioni per far comprendere a fondo all'utente il significato e l'ambito di validità del modello che andrà a costruire, focalizzando l'attenzione dell'utente sulla sequenza di operazioni necessarie per la definizione del modello agli aspetti "critici" quali: corretta rappresentazione dello schema strutturale, connessione tra i vari elementi, ripartizione dei carichi da gravità sugli elementi strutturali, attribuzione delle proprietà meccaniche dei materiali, etc.
Per quanto lo strumento software possa facilitare il lavoro del progettista, esso deve sempre essere impiegato con la piena consapevolezza dei principi ingegneristici alla base delle norme tecniche e dei metodi di calcolo e verifica.