I migliori libri di ingegneria strutturale

In questo articolo scopriremo quali sono i migliori libri di ingegneria strutturale e di ingegneria strutturale computazionale.

L’ingegneria strutturale è un settore dell’ingegneria civile specializzato nel progettare e realizzare strutture portanti di opere civili, analizzandone le problematiche geotecniche.

Le discipline scientifiche che sono alla base di questo ramo dell’ingegneria civile sono, infatti, la meccanica razionale, il calcolo automatico, la meccanica del continuo, la scienza e la tecnica delle costruzioni, la scienza dei materiali e la geotecnica.

Lavorare nel campo delle strutture per realizzare ponti, strutture di edilizia civile ed industriale significa seguire l’intero iter di realizzazione dell’opera, dalla ideazione e progettazione fino alla redazione del manuale di manutenzione.

In questa nostra selezione dei migliori libri di ingegneria strutturale abbiamo inserito i testi di più recente pubblicazione sull’argomento e alcuni interessanti manuali di approfondimento.

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Ingegneria strutturale computazionale. Calcolo automatico di strutture meccaniche

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Sono passati ormai più di diciotto anni dall’uscita di La Progettazione Strutturale con il Calcolatore e quindici dalla pubblicazione di Tecniche Avanzate di Progettazione Strutturale. Da allora non è che le cose in questo ambito siano cambiate poi molto: certo, i codici si sono evoluti insieme alla potenza di calcolo e oggi si possono risolvere modelli di dimensioni enormi senza grossi problemi. In particolare la tendenza sembra essere quella di ricorrere alle soluzioni non lineari, anche quando magari non sia strettamente necessario, principalmente perché è più semplice, e sembra paradossale detto da uno che ha fatto in tempo a scrivere i file di input a mano, copiando le coordinate dei nodi dopo aver disegnato la mesh su un foglio di carta millimetrata, lasciare al pre-processore il compito di meshare tutte le parti di un assieme (con i relativi contatti) piuttosto che estrarre la parte di interesse e semplificare, cum grano salis, le sue condizioni al contorno. Più semplice e anche più veloce, vista appunto la rapidità con cui i calcolatori di oggi possono svolgere le iterazioni richieste da un calcolo non lineare, grazie anche alla parallelizzazione del processo su più CPU. Da una decina di anni a questa parte ho cominciato a sentire l’esigenza di riprendere entrambi i lavori e rivisitarli, anche pesantamente, per renderli più attuali; ho tuttavia sempre faticato a cercare il momento giusto di farlo, rendendo sempre più grande, mano a mano che il tempo passava, il divario tra la modernità, sempre in evoluzione, degli approcci al calcolo delle strutture e quanto riportato in quei due testi. Poi però ho sempre anche considerato, magari con l’occhio di un giudice vagamente parziale, che i contenuti dei due libri trattano comunque le basi per un approccio “sano” al calcolo automatico e che quelle basi non sono cambiate né possono cambiare. E allora, che fare? Ho pensato che la cosa migliore fosse innanzitutto unire i due testi in uno solo, separandolo in due parti,

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Dinamica delle Strutture

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Nel presente volume sono raccolte le lezioni riguardanti la dinamica delle strutture, tenute nell’ambito del Corso di Approfondimento su «Il Metodo degli Elementi Finiti: Fondamenti e Applicazioni Strutturali», organizzato dal COREP (Consorzio per la Ricerca e l’Educazione Permanente) e dal Dipartimento di Ingegneria Strutturale del Politecnico di Torino, e svoltosi presso il Politecnico di Torino, dal 19 al 22 Settembre 1995. Nel Capitolo 1 viene richiamata la dinamica dei sistemi discreti, i quali presentano un numero finito di gradi di libertà. Sia nel caso dell’oscillatore semplice armonico che in quello dell’oscillatore semplice smorzato, si considerano le oscillazioni libere e le oscillazioni forzate. Queste ultime possono poi essere di tipo armonico, periodico, impulsivo o generico, e produrre indesiderati fenomeni di risonanza. Viene anche fatto un cenno all’oscillatore elastico non-lineare, con la soluzione numerica incrementale, e all’oscillatore elasto-plastico. Per quanto riguarda i sistemi a due o più gradi di libertà, si imposta la relativa analisi modale con la definizione delle frequenze proprie e delle corrispondenti autodeformate. Si introducono infine due metodi approssimati per il calcolo, rispettivamente, della frequenza fondamentale e della corrispondente autodeformata: il Rapporto di Rayleigh e il Metodo di Stodola-Vianello. Nel Capitolo 2 viene trattata la dinamica dei sistemi elastici continui, i quali sono dotati di infiniti gradi di libertà. Si considerano, in particolare, le travi, le membrane e le lastre vibranti, così da mettere in luce, nell’ambito di una analisi modale analoga a quella dei sistemi discreti, l’infinità numerabile di modi propri o naturali secondo cui possono vibrare gli elementi strutturali suddetti. All’aumentare dell’ordine dell’autodeformata, si può osservare un numero crescente di punti o linee nodali, ove lo spostamento trasversale è nullo e resta tale durante la vibrazione naturale. È come se venissero aggiunti, all’aumentare dell’ordine dell’autodeformata, dei vincoli supplementari. L’infinità numerabile delle frequenze naturali costituisce, d’altra parte, l’insieme degli autovalori del problema dinamico. All’aumentare dell’ordine dell’autovalore, la frequenza corrispondente aumenta, poiché risulta essere relativa ad un sistema più vincolato e quindi più rigido. Anche nel caso dei sistemi continui viene illustrato il Metodo Approssimato di Rayleigh-Ritz per il calcolo della frequenza fondamentale. Nel Capitolo 3 si affronta il problema della discretizzazione dei sistemi continui. Il Metodo degli Elementi Finiti viene introdotto in modo del tutto generale, senza specificare l’elemento strutturale a cui viene applicato, sia esso mono-, bi- o tridimensionale, e, nei primi due casi, con o senza una curvatura intrinseca. Viene trattata quindi la dinamica dei solidi elastici discretizzati, sviluppando la relativa analisi modale. Chiudono il capitolo alcuni esempi di applicazioni numeriche, già considerati, in regime statico, nel volume «Calcolo Automatico delle Strutture» della presente collana: un arco semicircolare incernierato alle basi, una lastra circolare appoggiata al bordo, un tubo sottile incastrato ad un estremo, una mensola con sezione ad L. Nel Capitolo 4 è trattata la dinamica delle strutture intelaiate. In regime dinamico, il Metodo degli Spostamenti si trasforma nel cosiddetto Metodo delle Masse Concentrate nei Nodi. D’altra parte, poiché nel caso dei telai multipiano a maglie ortogonali il momento d’inerzia delle travi orizzontali è solitamente assia maggiore di quello dei pilastri, si considerano i traversi orizzontali infinitamente rigidi e le masse concentrate nei soli traversi. Nell’ambito di tali ipotesi, si analizzano le oscillazioni forzate dei telai multipiano a traversi rigidi sollecitati alla base da scuotimento sismico. Il problema viene ricondotto a quello di tanti oscillatori armonici forzati, quanti sono i modi di vibrare e quindi i piani dell’edificio. Ciascuno oscillatore elementare viene sollecitato in proporzione al relativo coefficiente di partecipazione. Tale coefficiente diminuisce all’aumentare dell’ordine del relativo modo di vibrare. Le autofunzioni del problema forniscono infine il cosiddetto coefficiente di distribuzione del modo i-esimo sul piano j-esimo, rendendo così possibile un’analisi statica equivalente per ogni modo di vibrare. Chiudono il capitolo alcuni esempi di applicazioni numeriche, già considerati, in regime statico, nel volume «Calcolo Automatico delle Strutture» della presente collana: un telaio shear-type, un telaio a nodi fissi, un telaio piano generico, un telaio spaziale. Nel Capitolo 5 viene illustrata l’analisi spettrale delle frequenze sismiche e la relativa normativa. Lo spettro di risposta prescritto dalle Norme Sismiche Italiane risulta fornito dal prodotto di più coefficienti: di fondazione, di struttura, di protezione sismica, di intensità sismica e di risposta. Quest’ultimo viene graficato e discusso in base alle curve di risonanza. Viene inoltre dettagliatamente illustrata una applicazione relativa ad un telaio di dieci piani. Nel Capitolo 6, infine, si approfondisce l’argomento della dinamica non-lineare, già accennato al Capitolo 1. Si sviluppa, in particolare, il concetto di attrattore e, conseguentemente, di bacino di attrazione nel piano delle fasi.

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Strutture di acciaio. Teoria e progetto

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In questa edizione il testo, da decenni riferimento per le costruzioni di acciaio, è stato integralmente rivisto, nonché aggiornato alla luce delle più recenti normative ed ampliato nei contenuti. Il volume mantiene gli aspetti peculiari che lo hanno reso unico nel panorama italiano, ovvero una guida completa delle metodologie progettuali per lettori con un diverso grado di conoscenza delle strutture metalliche: dagli allievi delle Scuole di Ingegneria e di Architettura, agli ingegneri che si accostano alla progettazione di opere in carpenteria, ai professionisti che già hanno esperienza e le progettano. L’intera trattazione è stata aggiornata alla luce dell’evoluzione delle conoscenze scientifiche e dei dettami normativi internazionali e nazionali, con particolare riguardo alla modellazione e utilizzo delle tecniche computazionali, al comportamento sismico delle strutture, al consolidamento degli edifici esistenti. Il volume è anche scaricabile in versione digitale, da leggere, sottolineare e annotare, su tablet e su computer.

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Meccanica della frattura

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Nel presente volume sono raccolte le lezioni tenute nell’ambito del Corso di Approfondimento Su «La Meccanica della Frattura: Fondamenti e Applicazioni Strutturali», organizzato dal COREP (Consorzio per la Ricerca e l’Educazione Permanente) e dal Dipartimento di Ingegneria Strutturale del Politecnico di Torino, e svoltosi presso il Politecnico di Torino, dal 4 al 6 Giugno 1990. Nel Capitolo I si introducono i concetti fondamentali di resistenza specifica, energia di frattura e duttilità, e sì mostra come, mentre i primi due rappresentano proprietà intrinseche del materiale, il terzo costituisca una caratteristica strutturale, legata alle dimensioni dell’elemento. Si richiama inoltre la nozione classica dì «concentrazione degli sforzi», in relazione ai casi di fori, circolari ed ellittici, presenti in lastre sottoposte a trazione. Nel Capitolo 2 si ripropone l’ormai storico criterio energetico di Griffith, dopo di che vengono descritti nei dettagli i due metodi analitici, rispettivamente dovuti a Westergaard (Metodo dei Potenziali Complessi) e a Williams (Metodo degli Sviluppi in Serie), che determinano la potenza della singolarità del campo tensionale nell’intorno dell’estremità di una fessura, o, più in generale, nell’intorno del vertice di un angolo rientrante. Definita quindi la nozione innovatrice di «intensificazione degli sforzi», si pongono in diretta correlazione tale trattazione tensionale con quella energetica, tramite la dimostrazione dovuta ad Irwin. Nella seconda parte del capitolo vengono discussi i tre modi elementari di sollecitazione della fessura (apertura, taglio, strappo), i fenomeni non lineari, di plasticizzazione e danneggiamento, che sempre sì riscontrano all’estremità delle fessure reali, nonché gli effetti dimensionali, e la connessa transizione duttile-fragile, che si verificano a causa di tali fenomeni. Nel Capitolo 3 sono descritte tutte le più importanti metodologie dì prova tuttora utilizzate per la determinazione sperimentale dei parametri di tenacità alla frattura. Sono riportati gli aspetti salienti relativi alla Norma ASTM E399, per la determinazione del fattore critico dì intensificazione degli sforzi K_IC per i materiali metallici, alla Raccomandazione RILEM, per la determinazione dell’energia di frattura G_F di malte e calcestruzzi, e, infine, al Metodo ISRM, per la determinazione della tenacità alla frattura delle rocce. Si fa cenno, inoltre, alle prove dinamiche, alle prove in regime elasto-plastico e alle più note tecniche di indagine non-distrutti va per il rilevamento dei difetti. Nel Capitolo 4 sono trattate le principali tecniche numeriche, basate sul Metodo degli Elementi Finiti, capaci di simulare i processi di formazione, di avanzamento sta­ bile, di propagazione instabile o di arresto, delle fessure. Dopo avere richiamato la formulazione generale del metodo, si sviluppano in dettaglio le formulazioni specifiche che riproducono la singolarità tensionale all’estremità della fessura, una volta considerato il solido linearmente elastico. Tra queste risultano particolarmente interessanti sia l’utilizzazione diretta, tra le funzioni di forma, della soluzione analitica, sia il posizionamento dei nodi in particolari punti dell’elemento finito («quarter point element technique»). Per quanto riguarda i modelli non-lineari, viene trattato in modo specifico quello della fessura coesiva, sia per i problemi di propagazione collineare (Modo I), che per i problemi di propagazione con traiettoria curvilinea (Modo Misto). Tale modello rappresenta una generalizzazione di quelli proposti da Barenblall e Dugdale. Nel Capitolo 5 sono descritti i fenomeni di fatica e corrosione che avvengono nelle strutture metalliche. Vengono richiamati gli approcci sperimentali di Wohler, per sollecitazioni cicliche ad ampiezza costante, e di Miner, per sollecitazioni cicliche ad ampiezza variabile. Viene quindi descritta la legge di Paris-Erdogan, che rappresenta un approccio analitico al problema della propagazione lenta di un difetto o di una cricca. Sono mostrati esempi relativi a difetti superficiali che evolvono sino a diventare passanti. Nel caso di sollecitazioni ad ampiezza variabile, si considerano i relativi spettri di carico, caratteristici ad esempio per le navi, gli aerei, i ponti o gli apparecchi di sollevamento. Il capitolo si chiude con alcune considerazioni sugli effetti che hanno, sulla velocità di propagazione dei difetti, la temperatura e le sostanze chimicamente aggressive. Nel Capitolo 6 è riportata un’analisi, razionale e approfondita, della propagazione dinamica della frattura nelle condotte in pressione per il trasporto di gas. Tenendo conto, nel bilancio energetico, anche dell’energia cinetica, nonché dell’energia dissi­ pata per la plasticizzazione delle pareti del tubo, è possibile generalizzare la trattazione di Griffith e pervenire a condizioni di arresto o di propagazione della frattura, che sono state confermate anche a livello sperimentale. La Meccanica della Frattura è una disciplina ancora giovane, che si sta comunque affermando in tutti i settori più avanzati dell’ingegneria, come metodologia di progetto e di verifica strutturale. Essa introduce il concetto nuovo dì tenacità del materiale, parametro che, insieme alla scala dimensionale dell’elemento strutturale, determina il livello di duttilità, o di fragilità, del comportamento a rottura. Le implicazioni su di un fattore di rilevanza economica e sociale quale è oggigiorno la «sicurezza», sono evidenti. La tenacità è diventata pertanto l’altra proprietà, oltre alla resistenza, su cui si deve puntare nell’ideazione e nella realizzazione dei nuovi materiali, siano essi a matrice metallica, polimerica, ceramica o cementizia.