Pre-Processore

Il Pre-Processore è un applicativo interattivo grafico che consente all'operatore un semplice e rapido input del modello ad elementi finiti della struttura, del vincolamento esterno, dei carichi applicati e della definizione del tipo di analisi. Al termine della sessione di lavoro con il Pre-Processore, il modello viene archiviato in un file per essere messo a disposizione del programma di calcolo CodeCal per la risoluzione del problema elastico e delle successive fasi del progetto.

Il file più importante da conservare per l'archiviazione del modello è il file con estensione DT. Da questo file è possibile ripartire per ottenere tutti gli altri file creati da WinStrand per arrivare agli output del progetto.

La finestra principale del Pre-Processore si presenta come illustrata nella figura seguente. Dalla Barra dei Menu si seleziona il comando Apri dal menu File per l'apertura di un progetto esistente o il comando Nuovo per la creazione di un nuovo progetto.

Fig. 1 La finestra principale del Pre-Processore all'apertura del programma.

Il comando Nuovo apre una sottofinestra vuota e, nello stesso tempo, la finestra principale viene corredata della Barra dei Menu completa e delle toolbars. Nella figura seguente si notano due sottofinestre aperte per porre in evidenza la possibilità di gestione contemporanea di più modelli.

Fig. 2 Finestra principale del Pre-Processore contenente due sottofinestre vuote.

La fase di modellazione inizia con la definizione dei nodi strutturali tra cui inserire successivamente gli elementi finiti. La selezione della voce Nodi, sulla Barra dei Menu, mette a disposizione un sottomenu con tutti i comandi predisposti per la gestione completa della generazione, cancellazione, editazione e richiesta di informazione sui nodi.

L'input del modello può essere importato da un file esterno quando esiste la versione DXF di una pianta architettonica o dello schema unifilare del modello stesso. In questo caso con i comandi del sottomenu DXF si ha la possibilità di importare velocemente i punti di riferimento principali tra cui inserire gli altri nodi oppure importare esattamente lo schema strutturale contenuto nel file. Per maggiori dettagli consultare la Guida Rapida dei comandi contenuti nel sottomenu DXF (come ad esempio Importa).

Va precisato che la fase di input dei nodi, con uno dei due metodi suddetti, è certamente la prima tappa obbligata attraverso cui passare per la generazione del modello strutturale. Le fasi successive, come definizione di elementi, sezioni, materiali, carichi, vincoli e tipo di analisi, non devono necessariamente svolgersi secondo un'ordine rigido perché è possibile seguire un ordine logico personale. Ad ogni modo, se si nota l'ordine dei menu sulla Barra dei Menu, si ha una buona traccia del percorso tipico da seguire per giungere con semplicità alla corretta definizione del modello:

1. Nodi
2. Elementi
3. Sezioni (qui ci sono anche i materiali)
4. Carichi (sui nodi, su elementi, su aree di carico)
5. Calcolo.

Definizione del modulo strutturale minimo

Al fine di minimizzare il tempo di realizzazione del modello, va individuato, se esiste, un modulo strutturale minimo con cui poter generare, per duplicazione e successive operazioni di editazione, il modello completo. L'obiettivo a cui tendere è quello di ridurre il numero di operazioni complessive da compiere e, di conseguenza, il tempo per la descrizione del modello.

Nel caso di un telaio di un edificio multipiano, ad esempio, la definizione del modulo strutturale minimo inizia con la generazione della maglia di nodi di fondazione. Si prosegue, in una vista 3D, con la duplicazione di questi nodi in corrispondenza del primo solaio, attivando il comando Copia del menu Nodi. Ottenute così le prime due maglie di nodi, si passa all'inserimento degli elementi con cui modellare la struttura in elevazione (Pilastri, Setti, Travi, ecc.) impiegando il comando Genera elementi del menu Elementi,tralasciando per il momento gli elementi di fondazione.

La descrizione degli elementi finiti da impiegare va completata diversificando, ove necessario, la tipologia delle relative sezioni trasversali. Ad esempio, alle travi di bordo del solaio si assegna una sezione con una numerazione diversa da quelle dell'eventuale travata di spina impiegando il comando Assegna sezioni del menu Elementi. Si passa, quindi, alla generazione delle Aree di Carico sul primo solaio con il comando Genera del menu Carichi Aree ed al controllo della corretta orditura di scarico delle pressioni superficiali. A tale scopo si impiega il comando Normali del menu Carichi Aree per visualizzare la direzione di orditura di ciascuna area presente a video. Con i comandi Inverti e Orditura, del menu Carichi Aree, si inverte la direzione positiva della normale uscente dall'area di carico e si modifica la direzione di orditura esistente ove necessario.

Duplicazione del modulo minimo

Osservando la struttura in assonometria, si procede con la duplicazione del modulo minimo in direzione Z per il numero di piani desiderato adottando lo stesso passo di interpiano previsto nella generazione del modulo di partenza; in questa maniera i nodi di base del secondo modulo vengono a sovrapporsi a quelli a quota superiore del modulo di partenza e così via. Successivamente si interviene sui nodi di ciascun solaio per correggerne, eventualmente, la quota.

Le modifiche da apportare al modello così ottenuto riguardano la variazione dell'altezza di interpiano a livello di specifici solai, l'eliminazione o l'aggiunta di nodi e di elementi in particolari zone della struttura. I comandi in grado di apportare tali variazioni sono quelli che operano traslazioni di nodi, come ad esempio Sposta elemento del menu Nodi, quelli che eliminano i nodi, come Cancella nodi del menu Nodi, o quelli che cancellano gli elementi, come Cancella elementi del menu Elementi, ecc.

Per incrementare di 1 m l'altezza di un interpiano tra due solai A e B (vedi figura) occorre impiegare, in una vista assonometrica del modello, il comando Sposta, del menu Nodi, per ottenere una traslazione secondo l'asse Z. Operando una selezione con un rubber, che comprenda i nodi apparteneti al solaio B e tutti quelli dei solai a quote maggiori (vedi figura), il comando individua e trasla solo la parte superiore del modello, andando così a modificare la lunghezza dei pilastri posti nell'interpiano di interesse.

Fig. 3 Descrizione dell'operazione di traslazione di una parte dei nodi del modello: il risultato è uno stiramento degli elementi a cavallo della regione di selezione. L'operazione va condotta in una vista 3D.

Riassumendo, prima di passare alla duplicazione del modulo minimo, è bene aver definito in esso quanto segue:

• L'altezza di interpiano più comune tra quelle presenti nel modello da generare.
• I pilastri con l'attribuzione dei relativi identificatori di sezione più comuni.
• I setti con l'attribuzione dei relativi identificatori di sezione più comuni.
• Le travi con l'attribuzione dei relativi identificatori di sezione più comuni.
• Le aree di carico con l'attribuzione dei relativi identificatori di tipologia più comuni.

Fasi di completamento del modello

Per completare la descrizione del modello occorre inserire gli elementi di fondazione (Travi di Fondazione, Setti di Fondazione, Plinti, Pali, Platee) e specificare il tipo di vincolamento esterno con il comando Vincola del menu Nodi. Nel caso di elementi su suolo alla Winkler, si lascia libera la traslazione in direzione Z, le rotazioni in direzione dell'asse X ed Y e si bloccano le rimanenti componenti di movimento.

La fase successiva consiste nella definizione delle caratteristiche della sezione trasversale associata a ciascuna tipologia di elemento impiegata nel modello. Utilizzando il comando Input sezioni, del menu Sezioni, è possibile specificare le suddette caratteristiche definendole al momento o prelevandole da archivi personali.

Con il comando Input materiali, del menu Sezioni, si completa la definizione dei parametri meccanici degli elementi specificando le caratteristiche dei materiali impiegati nelle varie membrature. La tipologia di terreni, a cui si fa riferimento durante l'input delle sezioni degli elementi di fondazione, si definisce con il comando Input terreni del menu Sezioni.

La descrizione dei carichi superficiali agenti sulle Aree di Carico si realizza con il comando Definizione tipologia, del menu Carichi Area. Per le azioni concentrate nei nodi e per le azioni direttamente applicate sugli elementi lineari si fa riferimento, rispettivamente, ai comandi presenti nei menu Carichi Nodi e Carichi Elementi.

La fase finale della modellazione richiede la definizione del tipo di analisi da condurre sul modello e per questo si impiega il comando Modifica combinazione, del menu Calcolo. Con il comando Definizione solai, del menu Calcolo, si localizza la posizione dei solai infinitamente rigidi la quale è senz'altro richiesta in un'analisi dinamica con condensazione di piano o via statica equivalente. In questi casi la valutazione delle masse di piano viene condotta attraverso il comando Calcola masse del menu Calcolo. In un'analisi dinamica modale (del tipo lumped mass) non è consentita la definizione di impalcati infinitamente rigidi.

Controlli finali

Prima di archiviare il progetto è bene fare un riordino della numerazione nodale con il comando Riordino numerazione, del menu Calcolo, ed eseguire un controllo sulla correttezza dell'input definito richiamando il comando Controllo dati del menu Calcolo.

Durante le prime sessioni di lavoro, a causa dell'inesperienza o distrazione, può succedere di incorrere in un tipico errore di modellazione che è quello riguardante l'inserimento di un nodo tra due nodi già collegati da un elemento, come ad esempio una trave. In questo caso il nodo intermedio aggiunto non risulta collegato ad alcun elemento, anche se graficamente tale circostanza non appare evidente. Il comando Controllo dati è in grado di segnalare anche situazioni di errore di questo genere (lo segnala come nodo non connesso) per cui è consigliabile il suo impiego sistematico.

Per controllare rapidamente l'orientamento nello spazio delle diverse membrature, risulta utile l'impiego del comando Grafica sezioni, del menu Sezioni, il quale esegue una rappresentazione in vera forma della parte di struttura presente a video. Se nella restituzione grafica tridimensionale sono assenti alcuni elementi, significa che l'utente non ha ancora descritto la geometria delle sezioni impiegate da questi elementi.

Fig. 4 Esempio di rapprentazione, in vera forma, del modello strutturale ottenuta con l'impiego del comando Grafica sezioni.

Per controllare che l'azione Peso Proprio sia stata definita una sola volta sugli elementi del modello, è sufficiente impiegare il comando Informazioni su alcuni pilastri presi a campione. Risulta utile controllare i pilastri piuttosto che le travi perché, in genere, sui pilastri non sono applicati altri carichi oltre il peso proprio per cui la lista che descrive i carichi applicati mostra tipicamente una sola riga. Se si notano più carichi è il caso di approfondire l'indagine per sciogliere il sospetto della presenza di carico peso proprio doppio (due righe ci sono quando il peso proprio è applicato in condizioni di carico distinte). Per ulteriori dettagli sull'applicazione del peso proprio consultare la Guida Rapida del comando Genera globali.

Soluzioni a problematiche particolari

Compatibilità con le versioni precedenti

Per la lettura di un modello realizzato con la versione WinStrand 7.0 e precedenti occorre che nel direttorio del progetto siano contemporaneamente disponibili i files con estensione DT e LD.

Per le versioni superiori alla 7.0 è richiesto solo il file con estensione DT.

Per gestire correttamente il modello salvato nella versione 7.0 o precedenti con la versione attuale di WinStrand si procede come segue:

• Caricare il progetto nel Pre-Processore.
• Eliminare la condizione relativa al peso proprio degli elementi.
• Rieseguire il calcolo del peso proprio.
• Ricalcolare le masse, se l'analisi richiesta è del tipo Dinamica con Condensazione dei gradi di libertà o via Statica Equivalente (presenza di impalcati rigidi).
• Se nel modello vi sono sezioni ad L occorre verificarne l'orientamento.
• Archiviare il modello con il comando Salva del menu File: viene chiesto se si intende sovrascrivere il file originale o si intende definire un nuovo nome al file per creare una nuova versione.

Le mesh di elementi Equivalenti ortotropi vengono convertite in mesh di elementi 4 Nodi isotrope.

Accorgimenti per l'Analisi Sismica

Nell'analisi sismica si prevede un incremento DF del carico pari al 40% sulle membrature a sbalzo se sottoposte ad azione sismica verticale. Per semplificare l'applicazione di questo punto della normativa (come ad esempio C.6.1.3 del D.M. 16 Gennaio 1996 - Norme Tecniche per le Costruzioni in Zone Sismiche) è bene definire delle condizioni di carico aggiuntive in cui si considerano agenti le azioni DF solo sulle membrature che lo richiedono.

Ad esempio se indichiamo le condizioni di carico agenti come segue:

una combinazione dinamica delle azioni che tenga conto degli effetti del sisma verticale potrebbe essere definita combinando le sei condizioni come segue:

1•Pp + 1•Qp + 0.33•Qa + 0.4(Pp,sb) + 0.4(Qp,sb) + 0.4(0.33 Qa,sb).

Utilizzo degli Elementi Palo di Fondazione

Un palo, o un gruppo di pali, viene connesso al nodo di fondazione (solaio 0) del modello e gli spostamenti che vengono determinati dalla soluzione del problema elastico sono congruenti con le caratteristiche di vincolo esistenti nel nodo stesso:

• Se è vincolato alla Winkler, il nodo non si sposta nel piano di fondazione ed il palo non viene sollecitato a taglio.
• Se è libero, il nodo si sposta in funzione delle rigidezze degli elementi ad esso connesso ed il palo viene sollecitato a taglio.

Concettualmente la presenza di elementi palo in fondazione esclude quella degli elementi trave di fondazione per i quali è richiesto il vincolamento alla Winkler che ha come effetto quello di annullare le azioni taglianti sulle sezioni di testa dei pali. Il vincolamento alla Winkler, comunque, non si rende obbligatorio nei nodi che appartengono alle travi di fondazione ed al palo.

L'elemento trave di fondazione non possiede rigidezza assiale in quanto normalmente non prevede di deformarsi assialmente vista la presenza di vincolo alla Winkler nei suoi nodi.

Nel caso di Analisi Dinamica Modale con Condensazione dei gradi di libertà e nella necessità di simulare un irrigidimento di piano a livello dei nodi di fondazione non è ammessa la definizione di solaio rigido in presenza di elementi palo. In tale circostanza la modellazione del piano rigido deve essere condotta fisicamente introducendo gli elementi necessari (travi, mesh elementi piani, sistema di bielle di controvento, ecc.).

Cedimento vincolare impresso

L'uso di elementi infinitamente rigidi assialmente, resi tali attraverso la loro associazione con sezioni opportunamente definite (K= EA/L), consente l'imposizione di spostamenti nodali assegnati mediante l'applicazione di variazioni termiche assiali.

Fig. 5 Cedimento vincolare impresso con l'utilizzo di una Trave Ausiliaria.

Tali elementi possono avere una sezione con dimensioni a piacere (ma non nulle in quanto l'area A interviene comunque nella definizione della matrice di rigidezza), un materiale con modulo elastico E qualunque ma definito e vanno disposti nella direzione secondo cui imprimere la traslazione (cedimento) nodale.

Nell'esempio di figura si è generato un nodo di contrasto (incastrato) per l'asta ausiliaria a cui applicare la variazione termica DT tale da imporre lo spostamento DL di progetto al nodo posto alla base della colonna; il nodo risulta libero di traslare nella direzione dell'asta ausiliaria. Il valore di DT da imporre è funzione del coefficiente di dialtazione termica impiegato per l'asta ausiliaria, della sua lunghezza e dello spostamento finale da imporre.