Progettare tettoie fotovoltaiche in acciaio

Rispetto ad altre tipologie strutturali, le strutture in acciaio in Italia sono oggi meno diffuse, anche per impieghi e tipologie costruttive per i quali sarebbero molto appropriate. Questa limitata diffusione non è ovvia, perché il settore delle strutture in acciaio ha sin dalla fine del XIX secolo espresso le strutture più ardite nel settore dell’ingegneria civile. Inoltre, nel settore industriale dell’acciaio, si è costruita negli anni una filiera produttiva performante ed innovativa, nella quale tantissimi processi sono automatizzati in modo spinto anche per l’impiego in edilizia. Le moderne tecniche di progettazione antincendio, in aggiunta, hanno reso il problema del fuoco largamente affrontabile con modeste spese, anche nel caso di resistenze al fuoco importanti. Le strutture in acciaio sono anche economiche, e costruibili in tempi molto minori rispetto alle loro controparti in calcestruzzo armato.

Le strutture in acciaio sono infine a ridottissimo impatto ambientale: nelle emissioni di CO2 solo il legno le supera, e comunque il nascente settore delle strutture ibride acciaio-legno dimostra che anche chi usa il legno ha necessità di completarlo con alcune caratteristiche che solo l’acciaio possiede. È possibile questo divario tra le potenzialità tecniche, l’economia di impiego e produzione da una parte, e l’uso invece limitato nell’edilizia corrente dall’altra?

Secondo noi, uno degli ostacoli alla diffusione delle strutture in acciaio per gli interventi di taglio medio-piccolo è costituito dal costo della progettazione. Intendiamo qui con “progettazione” non solo la concezione strutturale, ma anche la definizione e calcolo dei dettagli costruttivi e la redazione di elaborati di progetto rigorosi.

Parliamo qui di “procedura di progettazione” in senso generico, riferendoci all’insieme di procedure di calcolo, fogli elettronici per il calcolo di dettagli, abachi di progettazione preparati da istituzioni universitarie o da noi stessi progettisti ed anche altro. Naturalmente sono procedure di progettazione anche i software di calcolo commerciali nei quali un progettista-programmatore ha formalizzato una proposta di procedura progettuale, ed anzi la loro adozione è pratica diffusa. L’insieme di tutte queste cose può essere definita “software” perché, pur non avendo corpo fisico come l’”hardware”, ha comunque un ruolo determinante ed anzi fondamentale nel processo edilizio. Per strutture di calcestruzzo armato di concezione ordinaria, tantissimi studi di ingegneria o software house hanno sviluppato procedure efficienti per svolgere in maniera integrata e con “meno attriti” tutte le fasi della progettazione. Per l’acciaio invece, anche nel caso di strutture semplici, “più attriti” rimangono da sciogliere nel processo progettuale, e di conseguenza noi strutturisti siamo restii a proporre strutture in acciaio se il budget a disposizione per la progettazione è ordinario. 

Sebbene l’innovazione nel campo dei software per la progettazione dell’acciaio (e dei giunti in particolare) abbia fatto passi da gigante negli ultimi 20 anni, essa ha riguardato a nostro avviso principalmente lo sviluppo di tool orientati verso la progettazione di strutture complesse, e non strumenti fruibili per la progettazione spedita, ma comunque rigorosa, di strutture ordinarie: Negli stessi anni, anche gli automatismi per la progettazione del cemento armato sono d’altra parte migliorati. Il costo ed il maggior tempo richiesto per la progettazione ed eventuale revisione dell’acciaio è dunque rimasto un ostacolo. 

In questo articolo, per stimolare la discussione su questo tema, ci piacerebbe illustrare il processo progettuale completo di una struttura di esempio: una tettoia fotovoltaica. Vedremo disegni ed elaborati ottenuti con moderni software di calcolo commerciali, aiutandosi con postprocessori innovativi. Accenneremo anche a come la intelligenza artificiale possa essere di aiuto in questo processo. Commenteremo i risultati e discuteremo quale livello di chiarezza e controllo ci aspettiamo dagli elaborati e dalle relazioni di calcolo di un “progetto cantierabile”. La struttura che considereremo, illustrata in Figura 1, ha caratteristiche per noi interessanti in questo contesto:

1 - È una struttura modesta, ed in molti casi (specialmente per realizzazioni non in serie) ha un valore puramente funzionale ed un budget di progettazione tendenzialmente basso;

2 - la sua progettazione richiede comunque gran parte degli strumenti che sono necessari anche per la progettazione di strutture in acciaio impegnative;

Abbiamo ottenuto gli elaborati che mostriamo in questo articolo con un “software di calcolo”. Come già anticipato, intendiamo con “software di calcolo” non solo il solutore ad elementi finiti, ma più in generale un insieme di programmi o procedure (contenuti nel nostro pacchetto principale di analisi FEM oppure disponibili come estensioni acquistate da terze parti oppure programmati da noi). Queste procedure, interagendo tra loro, ci aiutano ad eseguire la verifica delle membrature, la verifica dei giunti, la disegnazione 2D e 3D della struttura.

Il software di calcolo in questo senso esteso è dunque una “procedura di progettazione strutturale”, che può richiedere il passaggio di dati attraverso vari pacchetti software.

Per “progetto cantierabile” intendiamo invece l’insieme di elaborati necessari alla vera realizzazione fisica della struttura. Ci permettiamo di fare qualche esempio per chiarire meglio il livello di qualità degli elaborati cui ci serve arrivare in tempi brevi e “con meno attriti”:

- disegni simili a quelli riportati in  Figura 2, Figura 3 e Figura 4.

- relazione di calcolo con verifiche di resistenza e stabilità delle membrature (che qui non riportiamo, essendo prodotta ordinariamente dalla gran parte dei software commerciali),

- calcolo dei nodi con relazione di calcolo conforme agli eurocodici [2] o alle NTC 18 [1], simile a quanto riportato in Figura 7.

Conveniamo che l’obiettivo che ci poniamo (ottenere elaborati di buon livello in maniera fluida ed automatica) è ambizioso, ma noi riteniamo che sia oggi a portata di mano a livello tecnologico e che sia legittimo aspettarsi risultati di questo tipo dai nostri moderni software di analisi ed elaborazione strutturale.

Nel corso dell’articolo, elaboreremo una lista di requisiti che ci aspettiamo da un software di calcolo (li riassumeremo in Tabella 2). Questi requisiti non sono oggi sempre presenti tutti insieme in un programma commerciale, e molti studi che progettano acciaio integrano con altri strumenti o procedure il loro solutore FEM.

L’attenzione sarà necessariamente focalizzata sul calcolo e disegno dei nodi, la parte che allo stato attuale richiede più sforzi. Dal processo progettuale ci aspettiamo fluidità e velocità e dunque anche la capacità per i giunti ricorrenti di ottenere in automatico una prima soluzione progettuale ben documentata, con una relazione di calcolo leggibile. Tali giunti saranno eventualmente personalizzabili dal progettista in un secondo momento. L’insieme di questi requisiti (velocità progettuale, capacità di proporre soluzioni automatiche per i giunti e di ricostruire il lavoro fatto in automatico dopo una revisione dei carichi o della geometria strutturale) definisce già quello che chiameremo d’ora in avanti requisito R1. Il requisito R1, se raggiunto, contribuirebbe nel rendere più facilmente impiegabili le strutture metalliche anche nei progetti di taglio medio piccolo.

Ci concentreremo per brevità espositiva su due giunti in particolare: un giunto cerniera ed uno incastro, che saranno occasione per trattare temi rilevanti nel calcolo delle connessioni.

Al termine trarremo alcune conclusioni che speriamo possano essere condivisibili, e forse utili per: (a) stimolare la propria software house nell’arricchire i contenuti riguardanti l’acciaio; (b) costituire una scaletta di valutazione per chi dovesse valutare un programma di calcolo.

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