L'uso del software Namirial CMP e del calcolo per fasi nella progettazione strutturale del CORE (RE)

Nel presente articolo si illustra come il software di calcolo CMP Analisi strutturale, prodotto dalla ditta Namirial SpA sia stato impiegato nella progettazione del CORE, il nuovo centro oncologico del polo ospedaliero di Reggio Emilia. 

Grazie a una delle funzionalità peculiari del programma i tecnici hanno potuto realizzare il progetto di questa grande opera, ottimizzando la parte relativa alla modellazione FEM, con risparmio in termini di tempo e maggiore semplicità nella gestione dei risultati

Figura 1. Le facciate sud ed est del CORE

Il progetto del CORE è nato dalla consapevolezza che le strutture esistenti non erano adeguate ad accogliere e ospitare i pazienti oncologici e i loro accompagnatori. Spazi limitati e mancanza di privacy rappresentavano le carenze più evidenti. Da qui l’idea di un centro dedicato alla cura di tali malattie, che fosse in grado di garantire il comfort dei pazienti e mettere a disposizione dei medici tutti gli strumenti necessari per esercitare al massimo livello la loro professione, non solo per quanto concerne la cura per il malato, ma anche per le attività di ricerca e sperimentazione.
Ovviamente, all’atto di ideazione del progetto, le necessità erano quelle di realizzare un edificio di grandi dimensioni, certamente funzionale, dotato di strutture in grado di sopportare sismi di grossa intensità ma, nel contempo, con una organizzazione degli spazi in grado di garantire il benessere dei pazienti; una grande sfida, sia dal punto di vista architettonico che strutturale.

Centro oncologico del polo ospedaliero di Reggio Emilia: la descrizione del fabbricato 

La progettazione esecutiva del CORE è stata realizzata da due studi di Reggio Emilia: la Binini Partners per la parte architettonica e la Cooperativa Architetti ed Ingegneri Progettazione per la parte strutturale. L’edificio ha una pianta rettangolare, di dimensioni pari a circa 32x85 m. Oltre ad un piano interrato, sono presenti 5 livelli fuori terra, più un piano tecnico in copertura, per un’altezza complessiva di 33 m dal piano di fondazione. 

Il collegamento verticale tra gli spazi è garantito dai 4 nuclei di salita presenti agli spigoli del rettangolo. Sono proprio questi nuclei, rivestiti esternamente da mattoni faccia a vista, assieme alle grandi vetrate nello spazio che le separa, a colpire l’occhio di chi guarda il fabbricato dall’esterno. Mentre le prime sono un chiaro riferimento alle tecniche costruttive locali, le seconde, oltre a rendere luminosi gli ambienti interni, hanno lo scopo di abbattere la differenza tra spazio interno ed esterno, in modo da limitare il senso di isolamento del paziente. Sempre destinata a questo scopo è anche l’organizzazione degli spazi interni. Le stanze di ogni reparto sono ampie e confortevoli; in ciascuno sono sempre presenti spazi comuni, in cui i visitatori possono sostare agevolmente. Numerosi sono anche i servizi che trovano posto all’interno della struttura, quali una biblioteca e spazi dedicata alla musica e alle esposizioni temporanee di opere d’arte. 

La struttura portante del CORE: la descrizione del modello di calcolo

La struttura del corpo di fabbrica principale è stata studiata utilizzando il modello a FEM sinteticamente illustrato nella figura seguente e realizzato utilizzando il software CMP Analisi Strutturale, di Namirial S.p.A.

Figura 2. Il modello FEM del corpo di fabbrica

Il modello è stato realizzato in modo da includere tutti gli elementi strutturali, nel rispetto delle corrispondenti dimensioni e geometrie. Fa eccezione il vano tecnico in copertura, che non è stato direttamente modellato ma considerato semplicemente come carico in copertura.

L’ossatura portante del CORE è costituita da un telaio spaziale a travi e pilastri in cemento armato, di maglia 7,80x7,80 m e dai quattro nuclei di controventamento - sempre in cemento armato - agli angoli, che ospitano i vani scale e ascensori. Il sistema di fondazione è formato da una platea nervata in calcestruzzo; su tutto il perimetro della platea sono presenti muri in c.a., che delimitano il piano interrato. Per la modellazione di queste strutture sono stati utilizzati alcuni degli elementi finiti messi a disposizione dal programma, quali elementi monodimensionali “beam” e bidimensionali “shell”.

Gli impalcati, che fisicamente sono stati realizzati con solai a lastre tralicciate (tipo predalle) di spessore pari a 44 cm e posti in opera con una orditura incrociata per favorire una distribuzione uniforme dei carichi, sono stati modellati con elementi di tipo solaio. Non si tratta in questo caso di elementi finiti veri e propri, ma entità aventi la sola funzione di ripartire i carichi superficiali ad essi assegnati sulle travate di bordo. Per permettere di considerare la rigidezza dell’impalcato, ai solai sono stati aggiunti elementi shell, senza peso e dotati di solo rigidezza membranale. Gli stessi solai sono stati utilizzati anche per la modellazione dei tamponamenti interni ed esterni, dei rivestimenti dei nuclei e delle rampe delle scale. Anch’essi entrano nel modello semplicemente come carichi, in quanto si è considerato legittimo trascurarne la rigidezza.

Vista la lunghezza del fabbricato, superiore agli 80 metri, è stato necessario giuntare trasversalmente in mezzeria la struttura a partire dal piano terra fino alla copertura. La continuità strutturale dal punto di vista sismico è stata ripristinata tramite dispositivi di vincolo dinamico (Shock-transmitters) accoppiati con connettori di taglio. Tali connettori sono stati modellati tramite elementi beam, cui sono stati assegnati svincolamenti alla trasmissione di alcune componenti di sollecitazione.

Figura 3. Dettaglio della modellazione del giunto sismico: sono evidenziati i connettori a taglio e gli svincolamenti ad essi assegnati

Peculiarità nell’analisi della struttura: l’utilizzo delle fasi di lavoro 

Dalla descrizione fatta finora non sembrano emergere particolari problematiche di modellazione, a parte naturalmente quelle legate alla gestione di un elevato numero di elementi finiti. Tuttavia, scendendo nel dettaglio, due sono gli aspetti del progetto per modellare i quali è necessaria una certa attenzione.
Il primo riguarda la schematizzazione dei vincoli esterni. Il terreno su cui sorge il fabbricato è composto prevalentemente da materiali coesivi. Tali terreni tendono a manifestare un comportamento deformabile sotto l’azione di carichi di lunga durata, ma risultano più rigidi se soggetti a carichi istantanei. Nel software CMP gli effetti del terreno sono considerati facendo riferimento alla teoria di Winkler; in questo caso, per una modellazione il più possibile aderente alla realtà, nasce l’esigenza di utilizzare valori differenti della costante di sottofondo a seconda della tipologia di carico agente. Il secondo aspetto riguarda la modellazione degli elementi Shock-transmitters. Tali dispositivi, infatti manifestano un comportamento differente a seconda delle forze cui sono sottoposti: consentono deformazioni lente sotto l’azione di carichi di lunga durata, ma sono capaci di ripristinare la continuità nella trasmissione delle sollecitazioni in caso di azioni immediate come il sisma.

Per schematizzare il diverso comportamento dei vincoli alla base e dei connettori sarebbe stato necessario realizzare due separati modelli, uno da studiare sotto l’azione dei carichi statici e l’altro destinato all’applicazione dei carichi sismici. Tale situazione, che complica enormemente il lavoro di progettazione, è stata scongiurata da una funzionalità del software Namirial CMP, ovvero la possibilità di eseguire analisi per fasi. In ciascuna fase di lavoro è possibile assegnare alle entità particolari proprietà; le condizioni di carico appartenenti a quella fase saranno calcolate utilizzando le suddette proprietà.

Trattandosi di una struttura di nuova realizzazione e totalmente in cemento armato, si è condotta un’analisi in campo elastico lineare; è stato possibile pertanto applicare il principio di sovrapposizione degli effetti, essenziale per consentire il calcolo secondo questa modalità.
Le fasi utilizzate sono due: 

- La Fase 1 prevede l’applicazione dei carichi statici (permanenti strutturali, permanenti non strutturali, variabili, vento e neve): gli apparecchi di vincolo dinamico non sono attivi e quindi sono svincolati al trasferimento di azioni assiali. In questa fase inoltre, in cui le azioni permangono staticamente sul terreno, si tiene conto di una maggiore deformabilità dell’insieme fondazione terreno. 

Figura 4. Dettaglio del comando “gestione cdc elementari e fasi”, in cui si mette in risalto la fase 1

- La Fase 2 prevede l’applicazione dei carichi dovuti al sisma. Qui cambia lo schema statico della struttura: gli apparecchi di vincolo dinamico sono attivi e quindi capaci di trasmettere azioni normali unendo di fatto le due parti in cui è giuntato l’edificio. Anche il terreno ha un comportamento più rigido a seguito dei repentini spostamenti impressi alla sovrastruttura durante il moto sismico; perciò in questa fase verrà adottato un coefficiente elastico di sottofondo maggiore rispetto a quello statico.

Figura 5. Dettaglio del comando “gestione cdc elementari e fasi”, in cui si mette in risalto la fase 2

Questo tipo di gestione ha permesso al progettista di evitare l’utilizzo di due modelli separati, con tutte le difficoltà che questo comporta, consentendogli di eseguire la progettazione e la verifica dei vari elementi all’interno di un unico file.

Quello illustrato è un tipico esempio dell’impiego che il calcolo per fasi può avere nella progettazione di grandi strutture. Frequente è il suo utilizzo anche nello studio delle infrastrutture come ad esempio impalcati da ponte, che in corso d’opera si vengono a trovare in differenti condizioni di vincolo, di cui è necessario tenere conto nel loro dimensionamento. Il calcolo per fasi è solo una delle tante funzionalità che CMP Analisi strutturale può offrire al progettista strutturale; per conoscere meglio il software, vi invitiamo a scaricare la demo.