Articolo HSH pubblicato sul n.ro 2 della rivista ACCIAIO Febbraio 1981

POSSIBILITA' APPLICATIVE DEL PERSONAL COMPUTER NELLA PROGETTAZIONE STRUTTURALE

Il continuo affinamento delle tecniche costruttive, legato all'evoluzione tecnologica ed alla mutevole caratterizzazione del mercato, l'orientamento verso un'edilizia sempre più industrializzata, il concorso internazionale nelle iniziative di maggior rilievo, richiedono all'ingegnere progettista prestazion i professionali sempre più specializzate, garanzia di corretta impostazione di calcolo, rispondenza a specifiche particolari, attenzione ai dettagli ed, allo stesso tempo, completezza di documentazione e celerità operativa. Interventi validi sia sotto l'aspetto sostanziale della loro concezione che sotto quello formale della loro proposizione possono essere prodotti con speditezza esecutiva e precisione soltanto da organismi snelli ed efficienti. E' sempre più diffuso, per queste esigenze, l'impiego dell'elaboratore elettronico, per le possibilità che esso offre di sviluppare e controllare la maggior parte dei momenti - non già quelli creativi - del processo progettuale. Il ricorso sistematico allo strumento di elaborazione e di calcolo automatico è però variamente ostacolato dalle circostanze pratiche. Da un lato i codici di analisi strutturale più sofisticati sono accessibili solo presso i maggiori centri di calcolo: il loro impiego è quindi soggetto ai ritmi lavorativi ed alle precedenze stabilite dai centri stessi, richiede normalmente buona familiarità con i programmi impiegati e con i sistemi di gestione della macchina ed ha spesso costo elevato. Il risultato ottenuto necessita poi di essere integrato con descrizioni tecniche, illustrazioni di ipotesi, esecuzione di verifiche elementari, e, in genere, con tutte quelle indicazioni di contorno che portino l'elaborato a conformarsi alle disposizioni normative ed alle forme della prassi ordinaria. La soluzione, d'altro canto, del sistema di calcolo appoggiato ad elaboratori da tavolo indipendenti dai centri di calcolo presenta scarsi svantaggi se non per organizzazioni che possano destinare permanentemente personale qualificato alla programmazione e alla gestione del sistema. Anche in tali situazioni è però difficile disporre di "Software" scientifico ed affidabile: le diverse caratteristiche di un elaboratore rispetto ad un'altro e la conseguente scarsa diffusione della macchina specifica scoraggiano i gruppi che potrebbero creare i programmi di calcolo adatti ed esaltano, in ogni modo, il costo dei pochi packages disponibili. Un'alternativa, che oggi si propone con caratteristiche di estremo interesse, è quella offerta dal "Personal Computer". Il basso costo d'acquisto ed i conseguenti bassi costi di assicurazione, manutenzione e gestione, l'estrema facilità ed universalità dei linguaggi impiegati, la possibilità di prevedere correzioni e modifiche di diretto controllo ed esecuzione nei programmi di calcolo, l'immediatezza di impiego delle unità periferiche fanno del "Personal Computer" la macchina di dimensione giusta per la maggior parte degli ingegneri. Rimane, però, la necessità di poter disporre di "Software" orientato, sistematicamente aggiornato, e di riferire ad un supporto consulenziale permanente, di sicura qualificazione, sia relativamente agli aspetti analitici ed impostativi dei metodi di calcolo, sia nel settore delle conoscenze relative alla macchina. Un sistema di calcolo adatto alla soluzione dei problemi dell'ingegneria civile deve contenere, anzitutto, alcuni programmi base, quali quelli per la verifica di strutture intelaiate, di strutture reticolari , di travi continue. Tali programmi dovrebbero essere concepiti in analogia ai codici più diffusi presso le biblioteche dei centri di calcolo (ad es. il NASTRAN, il SAP, lo STRUDL). In tal modo l'utente, una volta familiarizzatosi con il metodo di calcolo, potrebbe ricorrere eventualmente, senza incertezze e perdite di tempo, ai centri, in quei casi, del resto eccezionali nella pratica progettuale, in cui il problema analizzato ecceda le dimensioni consentite dal "Personal Computer". I programmi di base debbono essere particolarmente curati nei segmenti relativi all'assegnazione dei dati, riducendo al massimo l'intervento dell'operatore e limitandone le possibilità di errore. Sono, a questo riguardo, pressochè irrinunciabili le facilitazioni di integrazione automatica dei dati mancanti, i controlli diretti sulla compatibilità materiale dei valori introdotti, gli indirizzamenti a probabili errori attraverso schemi di diagnosi rigida attivati da circostanze numeriche producentisi in fase di esecuzione. Per rispettare, inoltre, il ritmo del processo progettuale, che conduce alla soluzione più idonea attraverso aggiustamenti successivi, è opportuno che i programmi abilitino l'utente a gestire interattivamente archivi, in cui mantenere catalogati i problemi esaminati, ed ogni altro tipo di informazione, che possa essere immessa, a comando, nell'elaborazione. Anche le informazioni in uscita conviene siano organizzate secondo criteri di praticità ed immediatezza d'impiego: lo stesso formato degli stampati dovrebbe essere normalizzato e presentare distintamente parti da utilizzarsi direttamente come relazione di calcolo e parti da impiegarsi per il completamento di altri elaborati tecnici. E' importante, infine, che i programmi base possano operare come passo iniziale di una successione di operazioni al calcolatore che, rese attive quasi in forma di dialogo con la macchina, utilizzino in cascata i risultati elaborati, procedendo alle verifiche di dettaglio, ai computi, etc. Possono essere prodotti anche programmi che svolgano la parte progettuale vera e propria. Una capriata in acciaio, per esempio, può essere interamente progettata dal calcolatore, in condizioni di peso minimo, rispetto a prefissati sistemi di forze agenti ed, eventualmente, assegnati limiti di deformabilità e di snellezza, purchè siano definite, per gruppi di aste, tabelle di profili semplici o composti tra cui orientare la scelta, siano standardizzate le giunzioni per ogni combinazione possibile, siano definiti i criteri secondo cui controllare l'ammissibilità dello stato tensionale e la stabilità locale e globale dell'equilibrio. Sono utili, infine, una serie di programmi minori, possibilmente gestiti da un unico segmento tramite macroistruzioni, per integrare quanto sopra richiamato. Tali programmi di utilità debbono poter reperire i risultati delle calcolazioni precedenti, elaborarli, e disporli in uscita in armonia con le caratteristiche comuni di una relazione di calcolo. L'intero sistema dovrebbe essere corredato da un potente Word-Processor (o Text-Editor) che permettesse di redigere, correggere, catalogare e stampare in numero di copie qualsiasi, testi predefiniti. Un siffatto programma dovrebbe possedere una struttura gerarchica, provocando l'accesso, in caduta, ad operazioni sempre più dettagliate. Sono fondamentali comandi che controllino l'impaginazione, la composizione del testo, le tabulazioni, l'individuazione automatica e la correzione di una parola o di una riga errate, gli scorrimenti in avanti o indietro di periodi o segmenti del testo. Particolarmente accurata deve essere, infine, la gestione degli archivi, per possedere dinamicamente la nozione della loro composizione. Un sistema che avesse le caratteristiche appena delineate costituirebbe il supporto ideale, completamente coordinato, nelle successive operazioni, stime iniziali, preprogetti, calcolazioni di assieme e di dettaglio, presentazione di relazioni, stesura di capitolati, che l'ingegnere è chiamato a svolgere se si occupa di progettazione. Dovrebbe però essere garantita un'altra esigenza professionale: quella di poter qualificare il proprio lavoro differenziandolo, oltre che sul piano sostanziale, negli aspetti formali della sua presentazione. La composizione di una relazione tecnica o di una relazione di calcolo, redatte in modo automatico, dovrebbe essere adeguabile alla forma scelta dal progettista, permettendogli di caratterizzarla a suo piacimento: i programmi dovrebbero quindi essere facilmente modificabili, almeno alla fonte, senza eccessive restrizioni rispetto alle condizioni di buona eseguibilità. Packages del tipo descritto cominciano ad essere disponibili sul mercato del "Software" per "Personal Computers" (figg.1,2,3,4,5). Si osserva che, contrariamente alla convinzione corrente, manifestata anche da professionisti che hanno familiarità con i metodi numerici, i programmi formulati per l'analisi matriciale delle strutture presentano raramente problemi di precisione numerica, anche se impiegati su macchine che operano con basso numero di cifre significative. Questo aspetto, che si mantiene almeno sinchè le applicazioni di calcolo sono svolte con la consapevolezza dei metodi impiegati, è legato sia al comportamento fisico delle strutture (forze localizzate provocano sollecitazioni che si smorzano rapidamente allontanandosi dal punto di applicazione), sia all'approccio prescelto (normalmente il metodo delle deformazioni, che, sottendendo le necessarie condizioni di compatibilità, riconduce la soluzione alla scrittura di sistemi di equazioni di equilibrio con matrice di coefficienti sparsa, a banda ed a diagonale dominante), sia alla caratteristica compositiva delle strutture (normale basso grado di connettività tra gli elementi). Il "Personal Computer" appare, in definitiva, lo strumento di giusta misura, sostanzialmente completo, sia per le esigenze del singolo professionista, sia per la più sistematica od estesa produzione degli studi di progettazione. Proprio a questo riguardo, però, perchè il mercato del "Software" scientifico, attualmente alle sua prime proposizioni, sia stimolato a creare prodotti veramente qualificati ed affidabili, è fondamentale che i potenziali acquirenti sappiano formulare le proprie richieste possedendo criteri oggettivi di valutazione ed una precisa nozione di quanto sia ragionevolmente possibile conseguire, attualmente, ed in prospettiva, con tali strumenti di calcolo.



Fig.1 - Capannone reticolare. Esempio di struttura risolta con un sistema di calcolo montato su un "Personal Computer Commodore" della serie 3000, dotato di memoria RAM di 32 K Bytes. La formulazione matriciale del legame forze-spostamenti, corrispondente all'estensione sistematica del concetto di coefficiente d'influenza di una forza per una componente unitaria di spostamento o del suo reciproco, permette di risolvere in forma compatta anche strutture di notevole complessità. Il metodo impiegato è, normalmente, il metodo delle deformazioni, poichè in esso il rispetto delle condizioni di congruenza è imposto implicitamente dichiarando semplicemente le connessioni del sistema. Opportune manipolazioni delle matrici, che producano sostituzioni di variabili per blocchi, consentono di ridurre le analisi più onerose a soluzioni di singole sottostrutture.

Fig.2 - Copertura ad arco reticolare. Il tracciamento dello schema strutturale e della configurazione deformata corrispondente ad una distribuzione di carichi gravanti sul semiarco di destra, è stato ottenuto con un graficatore a tavoletta tipo "Miplot Watanabe", di costo contenutissimo. Lo strumento di graficazione automatica è utilissimo, sia nelle operazioni di controllo dei dati trasmessi dall'elaboratore, sia per l'evidenza immediata che esso fornisce del comportamento della strutttura sotto carico.

Fig.3 - Dimensionamento automatico di una travatura reticolare iperstatica. La struttura raffigurata è stata interamente dimensionata dall'elaboratore, secondo il criterio del peso minimo complessivo, individuando per ogni asta le condizioni di lavoro estreme, rispetto allo stato di sollecitazione corrispondenti a 8 condizioni elementari di carico. Il calcolo è stato svolto con un "Personal Computer CBM Commodore" della serie 3000 depositando dati intermedi su un'unità a dischi flessibili da 5 pollici. Il tempo complessivo di elaborazione è stato di 50 minuti senza necessità di nessun intervento da parte dell'operatore dopo l'assegnazione dei dati.

Fig.4 - Verifica di un portale doppio con aste di acciaio, a sezione aperta ed inerzia variabile. La determinazione della configurazione deformata sotto carico e dello stato di sollecitazione è opportunamente integrata dal controllo puntuale dello stato di tensione, riferito a prescelti criteri di ammissibilità, e da verifiche di stabilità a carico di punta, a sollecitazione combinata di compressione e flessione ad imbozzamento e svergolamento.

Fig.5 - Determinazione delle linee di influenza di prescelti parametri di sollecitazione per date sezioni di una trave continua percorsa da un treno di carichi concentrati. La soluzione può essere ottenuta ad es. modificando continuamente i termini noti del sistema delle equazioni di congruenza nodali. Una volta invertita la matrice dei coefficienti i risultati successivi si ottengono per accumulo di apporti elementari corrispondenti all'effetto del singolo carico nella posizione corrente.


HSH