Software di calcolo strutturale sempre più maturi: basta per fidarsi dei risultati?

Negli ultimi anni la modellazione strutturale ha compiuto passi da gigante: interfacce più evolute, algoritmi consolidati, capacità di rappresentare fenomeni sempre più complessi. Ma questa maturità tecnologica pone anche interrogativi cruciali per chi il calcolo lo utilizza ogni giorno nella pratica professionale. Un modello più sofisticato è davvero un modello più affidabile? Dove finisce l'assistenza tecnica del produttore software e dove inizia la responsabilità ingegneristica del progettista? E come cambierà questo equilibrio con l'ingresso dell'intelligenza artificiale negli strumenti di calcolo?

Per affrontare questi temi, INGENIO ha rivolto un questionario alle principali aziende che sviluppano software strutturali per l'edilizia e le costruzioni. In questa intervista risponde Stefano Odorizzi, ingegnere e socio di HSH srl di Padova, distributore in Italia di Straus7, software di calcolo strutturale con una lunga tradizione di applicazioni in ambito civile e non solo.

Odorizzi offre una lettura netta e senza compromessi: la modellazione, dal punto di vista numerico e algoritmico, ha raggiunto un livello di maturità tale da rendere i risultati sostanzialmente univoci tra i diversi strumenti disponibili sul mercato - e le eventuali discrepanze vanno lette come sintomo di errore, non come normale variabilità. Al tempo stesso, l'intervista mette in guardia contro la tentazione di affidare al software scelte che restano, e devono restare, prerogativa del progettista: dalla definizione dello schema statico alla validazione dei risultati, fino alle decisioni di merito che nessuna automazione - per quanto avanzata - può sostituire.

Un confronto che tocca anche il tema della validazione degli algoritmi, le differenze sostanziali tra applicazioni in campo civile e meccanico, e le prospettive future legate a BIM, digital twin e machine learning.

Modellazione strutturale: una maturità ormai raggiunta

Negli ultimi anni la modellazione strutturale ha conosciuto un’evoluzione molto rapida. Quali sono stati, dal vostro punto di vista, i cambiamenti più significativi nel modo di rappresentare le strutture e di utilizzare i software di calcolo?

La modellazione strutturale come tale ha raggiunto, dal punto di vista delle fisiche trattate, dell’approccio numerico, degli algoritmi, e delle interfacce una piena maturità.

Il modo di rappresentare le strutture, peraltro, non può che essere univoco: vale a dire, dichiarato l’approccio numerico, e gli algoritmi di soluzione, l’esito del calcolo dovrebbe essere uguale per tutti. Se ciò non fosse, converrebbe chiedersi dove stiano gli errori.

Una parziale differenziazione sta nelle interfacce, quando queste si specializzino per facilitare l’utente in qualche applicazione specifica, od eventuali post-processori (che non riguardano, peraltro, la modellazione).

Più complessità non sempre significa più affidabilità

I modelli sono oggi sempre più dettagliati, integrati e capaci di rappresentare fenomeni complessi. Ma una maggiore sofisticazione del modello corrisponde sempre a una maggiore affidabilità del risultato? Quali sono i rischi di una modellazione eccessivamente complessa o non adeguatamente governata dal progettista?

Un modello è sempre un modello. E sta all’utente organizzarlo per ottenere le informazioni che lo interessano.
Sarebbe buona norma un’economia di principio: è inutile un modello complesso e dettagliato se manca la corrispondente affidabilità sui dati.

Qui sta una sostanziale differenza tra le applicazioni in campo meccanico e le applicazioni in campo civile. Le differenze principali sono:

• nei dati disponibili relativamente ai materiali, ed alle sollecitazioni: in campo civile, il comportamento autentico dei materiali (materiali da costruzione, suolo, ...) non è noto, non vi è omogeneità nè, spesso, isotropia e stabilità nel tempo; le sollecitazioni sono basate su valori convenzionali, e su schemi di applicazione (e.g. forze sismiche, carichi da vento, interazione fluido-struttura, etc.) altrettanto convenzionali;
  
• nei dati disponibili rispetto alla struttura che si vuole progettare: ogni stuttura è un prototipo unico (ben diversamente dal campo meccanico, ove, quasi sempre, il nuovo progetto è un tentativo di migliorare un prodotto esistente, di cui si conoscono una quantità di dati, ed informazioni sulle prestazioni) – con qualche eccezione nel caso dell’industrializzazione;
  
• nella documentazione da fornire: sostanzialmente verifiche a norma. Se la verifica non torna, occorre intervenire (ben diversamente dal campo meccanico, in cui vince il fatto che il prodotto abbia prestazioni capaci di imporlo rispetto alla concorrenza).

Le scelte che restano sempre al progettista

 Prima ancora dell’elaborazione numerica, la qualità del calcolo dipende da scelte decisive: schema statico, vincoli, rigidezze, collegamenti, non linearità, interazione terreno-struttura e condizioni al contorno. In che modo il software può aiutare il professionista a individuare errori concettuali, incoerenze o semplificazioni non compatibili con il comportamento reale dell’opera?

Il modello lo sceglie il progettista/strutturista, che ne deve essere convinto. Il progettista/strutturista deve avere la capacità di prefigurarsi, con buona precisione, i risultati più significativi: deve cioè, prima di tutto, avere una nozione precisa del comportamento della struttura.

A seconda dell’importanza dell’opera, può essere utile sviluppare modelli di complessità crescente, per cogliere qualche fenomeno particolare.

I software permettono, in generale, controlli di tipo globale, sull’equilibrio, sul lavoro di deformazione, e simili.

Assistenza tecnica sì, ma fino a un certo punto

Quanto è importante oggi l’assistenza tecnica fornita dalle aziende di software? Le richieste dei professionisti sono aumentate o diminuite rispetto al passato e riguardano soprattutto l’uso del programma, l’interpretazione dei risultati o la corretta impostazione del modello? Dove termina l’assistenza sul software e dove inizia la responsabilità progettuale del tecnico?

Il ruolo di un mediatore software è importante. Bisogna, però, intendersi su cosa si intende per assistenza tecnica: essa riguarda la correttezza di utilizzo del software, ma rispetto al modello che il progettista/strutturista vuole realizzare, non sulla correttezza, in senso professionale-ingegneristico del modello stesso.

Validare il software: benchmark, note tecniche e trasparenza

Il tema della validazione è centrale, ma spesso non è pienamente compreso dagli utilizzatori. Quali procedure adottate per verificare l’affidabilità degli algoritmi, dei solutori e delle diverse funzioni del software? Utilizzate benchmark teorici, confronti sperimentali, casi reali, verifiche indipendenti o comparazioni con altri strumenti di calcolo? E come rendete queste attività conoscibili e verificabili dal professionista?

La validazione del software è, per i produttori, un punto centrale. Molte sono le procedure e le modalità utilizzate (benckmark, e quant’altro), ma esse riguardano la correttezza della formulazione.

L’utente dovrebbe chiedersi, in primis, di che formulazione si tratta e/o se nell’implementazioni sono stati inseriti parametri di controllo algoritmico a favore, ad esempio, della stabilità della soluzione, e, conseguentemente, capaci di ‘nascondere’ comportamenti, in circostanze specifiche, essenziali. La riconoscibilità delle procedure, delle assunzioni e quant’altro è – nel caso di Straus7 – riportata in una ricchissima serie di note tecniche ...

Intelligenza artificiale e automazione: strumenti, non responsabilità

Con l’automazione e l’intelligenza artificiale, il software può ormai proporre schemi, generare modelli, segnalare anomalie, ottimizzare soluzioni e supportare l’interpretazione dei risultati. Come deve evolvere il rapporto tra software e professionista? Quali competenze dovranno restare necessariamente in capo al progettista e quali responsabilità dovranno assumersi le aziende che sviluppano strumenti sempre più autonomi e prescrittivi?

Sempre, e prima di ogni altra cosa, l’utente del software deve essere un progettista/strutturista consapevole: mai e poi mai potrà rimandare al software scelte che sono solo sue.

Ovviamente, una corretta impostazione, ad esempio, di ricerche d’ottimo strutturale può essere affrontata, ricorrendo, ad esempio, al machine learning per accelerare la ricerca; analogamente possono essere applicati i principi del robust design per capire meglio l’incidenza dell’incertezza nei dati, e mitigarne le conseguenze. Ma non si tratta di responsabilità che debbano essere assunte dagli sviluppatori dei software.

BIM, digital twin e modelli specialistici: le prossime evoluzioni

Guardando ai prossimi anni, quali saranno secondo voi le principali evoluzioni della modellazione strutturale? Andremo verso modelli sempre più integrati con BIM, rilievo digitale, monitoraggio e digital twin, oppure resterà centrale la necessità di modelli specialistici, semplificati e costruiti consapevolmente dal progettista?

L’integrazione dei software nei processi progettuali continuerà inevitabilmente ad aumentare. E così con il rilievo digitale, ed il monitoraggio. Il tema del digital twin è altra cosa – e richiederebbe spazi e ragionamenti da adeguare al contesto specifico, e non sempre in connessione con un modello strutturale. Quanto all’applicazione di modelli specialistici e/o raffinati, essa va – ed andrà – misurata rispetto alla complessità ed importanza dell’opera.

Molte delle richieste ai produttori dei software sono legate all’applicabilità delle norme, e, quindi, di verifiche convenzionali. Ben diversa è l’importanza del modello in sede di concezione strutturale – per opere non convenzionali, critiche, o molto importanti.

Perché scegliere un software di calcolo strutturale

In un mercato caratterizzato da numerose piattaforme, applicativi specialistici e strumenti di calcolo, perché un professionista dovrebbe scegliere i vostri software e affidarsi ai vostri servizi? Quali elementi distintivi offrite in termini di affidabilità, trasparenza del calcolo, aggiornamento normativo, assistenza tecnica, formazione e supporto alla crescita professionale dell’utilizzatore?

La scelta di un software dipende da molte circostanze. Non ultima il fatto che si debbano condividere informazioni e modelli, o che si debba aderire ad una richiesta specifica di capitolato, od altro.

Al di fuori di queste circostanze cogenti, il buon senso dovrebbe far ricorrere alla scelta più conveniente, in base a fattori quali: la frequenza con cui il professionista deve ricorrere al calcolo strutturale, l’accessibilità dello strumento, la dimensione dei modelli, e così via.

Straus7, distribuito in Italia dalla HSH srl di Padova, è un prodotto consolidato, che vanta una quantità enorme di applicazioni, distintamente per tematica, problema, solutore, e così via (statica, dinamica, non-linearità, etc.), ed un’ottima affidabilità. Il software è documentato dettagliatamente, e la documentazione tecnica viene via-via arricchita. La dimensione dei modelli trattabili copre le esigenze di qualsiasi progettista in ambito civile.