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Giovanni Castellazzi

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

Settore scientifico disciplinare: ICAR/08 SCIENZA DELLE COSTRUZIONI

Temi di ricerca

Parole chiave: Metodo degli elementi finiti Strutture in muratura Ricostruzione degli sforzi Meccanica Computazionale

Le tematiche su cui si incentra la mia attività di ricerca si collocano nella Meccanica dei solidi, nella Meccanica delle strutture, con particolare attenzione agli sviluppi computazionali. Gli indirizzi specifici della ricerca in questo contesto tematico sono qui brevemente riassunti per punti: 

  1. Effetti indotti dalle distorsioni di geometria sugli elementi finiti parametrici
    Lo studio in tema di distorsioni di geometria costituisce sviluppo e approfondimento di tematiche della Tesi di Laurea , ed è stato inizialmente rivolto all’ esame degli effetti delle distorsioni di geometria sulle prestazioni degli elementi finiti parametrici. In seguito tale studio ha portato alla definizione di uno strumento analitico diretto per la definizione schematica e sostanziale dell’effetto che determinate distorsioni di geometria hanno sugli elementi finiti di tipo parametrico. Tali studi sono stati fondamentali nello sviluppo successivo di elementi insensibili alle distorsioni estreme.
  2. Diagnostica e modellazione di costruzioni archeologiche
    Database GIS L’attività di ricerca in questo contesto, svolta in collaborazione con il Dipartimento di Archeologia dell’Università di Bologna, è incentrata sulle metodologie d’intervento su strutture archeologiche, e in particolare su costruzioni Romane nell’area Vesuviana, con lo scopo ultimo di tracciare delle linee guida per interventi di protezione e ripristino. La mia attività ha previsto dapprima l’informatizzazione dei numerosi dati di diversa provenienza disciplinare, predisponendo un database georeferenziato che li organizzasse e li rendesse velocemente fruibili dal gruppo di ricerca. L’applicazione di tali strumenti costituisce una tra le prime esperienze nazionali di applicazione dei sistemi GIS (Geographic Information System o Sistema Informativo Territoriale) ai dati multidisciplinari provenienti da indagini condotte su strutture archeologiche da gruppi di ricerca di diversa estrazione settoriale.
    Diagnostica e Modellazione
    In seguito, è stata avviata la modellazione numerica delle strutture murarie dell’atrio principale della cosiddetta Casa del Centenario a Pompei, con l’obiettivo di ottenere delle mappe di criticità delle strutture stesse sia nello stato attuale che nell’ipotesi di una copertura di restauro.  Inoltre è stato sviluppato l’aspetto collegato alla diffusione in rete dei dati elaborati, finalizzato allo scambio tra i componenti della ricerca o finalizzato alla diffusione culturale, tramite la realizzazione di una banca dati direttamente interrogabile tramite rete internet/intranet.
    Successivamente, l’attività si è concentrata in Ercolano e, in particolare, sulla facciata della Casa del Tramezzo di Legno. Per questo elemento sono state individuate e affrontate le tappe di un percorso conoscitivo integrato che va dalla diagnostica sperimentale in sito fino alla modellazione numerica finalizzate all’analisi strutturale, e quindi alla valutazione della capacità portante e della sicurezza strutturale del bene.
  3. Procedure di ricostruzione degli sforzi e stima dell’errore in analisi per elementi finiti
    Questo indirizzo di ricerca è incentrato sulle procedure di ricostruzione degli sforzi e di stima dell’errore commesso in analisi condotte con il metodo degli elementi finiti, tematica che negli ultimi anni ha suscitato un crescente interesse nella comunità scientifica. Mi sono occupato in particolar modo della generalizzazione della procedura RCP per la sua applicazione a modelli strutturali di piastra e del suo impiego in analisi adattative ottenendo, in entrambi i casi, risultati molto promettenti. I principali risultati ottenuti sono raccolti e discussi nella tesi di dottorato.
  4. Travi, Piastre e Gusci elastici
    Travi Lo studio delle strutture a telaio, in particolare con connessioni semi-rigide, costituisce lo sviluppo di tematiche toccate durante lo svolgimento di tutoraggio per tesi di laurea ed è stato inizialmente rivolto allo sviluppo di un modello di trave capace di considerare gli effetti di connessioni semi-rigide sulla deformabilità di strutture a telaio metalliche.
    Piastre Questo indirizzo di ricerca è incentrato sullo sviluppo di metodi di analisi di piastre elastiche, sia omogenee che composite laminate. In questo ambito, la mia attività è stata inizialmente dedicata allo sviluppo di un nuovo elemento finito per l’analisi di piastre omogenee alla Reissner-Mindlin, impostato su una formulazione debole, di tipo residuale, che richiede il soddisfacimento a priori delle equazioni cinematiche, producendo un campo di deformazioni continuo all’inter-elemento. Gli ottimi risultati ottenuti, per elementi a tre e quattro lati con approssimazione lineare del campo di spostamenti, mostrano che l’elemento è competitivo
    con quelli attualmente disponibili. Successivamente l’approccio è stato esteso agli elementi triangolari e quadrangolari di ordine superiore. Tale approccio è stato generalizzato
    al caso delle piastre composite laminate o FGM, modellate nell’ambito della cosiddetta First-order Shear Deformation Theory .
    Gusci Parallelamente a ciò è in corso l’estensione del modello ai gusci elastici modellati come assemblaggio di piastre piane.
  5. Analisi dinamiche finalizzate allo studio bio-solidi e materiali quasi incomprimibili
    Biomeccanica
    Modelli di propagazione di onde meccaniche in tessuti o corpi di origine biologica stanno acquisendo sempre maggiore importanza grazie ai significativi passi tecnologici raggiunti in campo medico, industriale e informatico. Spesso, il punto di partenza del presente filone di ricerca sono modelli strutturali basati su geometrie derivanti da immagini tridimensionali, realizzate per voxel. In questo ambito la mia ricerca si è incentrata su due aspetti: (i) formulazione di nuovi elementi finiti robusti e snelli dal punto di vista computazionale; (ii) sviluppo di strumenti di calcolo capaci di gestire tali modelli strutturali. Infatti l’analisi di fenomeni dinamici su strutture complesse, ricavate da immagini ad alta risoluzione, richiede la risoluzione di sistemi di grandi dimensioni con derivanti costi computazionali elevati. A tal proposito la mia attività di ricerca è stata inizialmente rivolta allo sviluppo di elementi finiti locking-free e poi rivolta alla realizzazione di una procedura multi-scala che permetta di simulare un fenomeno assimilabile ad un
    problema di propagazione di onde meccaniche in corpi di origine biologica.
    Voxel-based models
    Gli elementi finiti proposti risolvono inoltre i noti problemi connessi a modelli strutturali
    voxel-based, solitamente caratterizzate da bordi scalinati o a zig-zag, producendo campi di deformazione e tensione di tipo smooth. Il modello multi-scala realizzato permette di analizzare in dettaglio porzioni di dominio complesse (es. apparato acustico di un mammifero marino). Grazie alla collaborazione con lo Scripps Institution of Oceanography (SIO), con il dipartimento di Ingegneria Strutturale della University of California, San Diego (UCSD), con la San
    Diego State University (SDSU), con il San Instituto Nacional de Ecología (INE-Mexico) e con la Marina Americana (US Navy), questo strumento di calcolo è stato impiegato nello studio degli effetti di rumori antropogenici su di un mammifero marino (Phocoena Sinus o Vaquita). Grazie a questo strumento, per la prima volta nella storia della ricerca in campo marino, è stato possibile visualizzare come un’onda acustica si propaghi all’interno di un mammifero marino (odontocete), confermando tesi e supposizioni fin ora fondate sull’esperienza dei biologi in campo marino.
    Plasticità Gli sviluppi numerici condotti per l’elaborazione di nuovi elementi finiti insensibili a problemi di volumetric locking sono poi stati estesi al problema della plasticitá del materiale con ottimi risultati.
    Bones &Guided Waves  Tali modelli e strumenti di calcolo sono stati applicati anche allo studio della propagazione di onde guidate in ossa umane. Il forte richiamo di attenzione sul presente filone di ricerca è testimoniato dall’invito a presentare un lavoro su parte della ricerca in un minisimposio dedicato alle recenti tecniche basate su elementi con integrazione nodale. In tale ambito sono stati poi formulati sviluppi connessi allo studio della propagazione di onde guidate.
  6. Modelli accoppiati per lo studio del degrado meccanico in strutture murarie
    Invecchiamento Questo filone di ricerca riguarda la simulazione degli effetti del degrado ambientale sulle caratteristiche prestazionali delle strutture in muratura. Particolare attenzione è rivolta alle strutture murarie storiche ed è quindi riconducibile alla mia esperienza acquisita sul tema “Diagnostica e modellazione di costruzioni archeologiche e storiche”. In questo ambito, la mia attività è stata dedicata allo sviluppo di un codice di calcolo capace di integrare un modello meccanico, specifico per le strutture murarie e un modello diffusivo rappresentativo, in via preliminare, dei fenomeni ambientali degradanti. I risultati ottenuti da questa attività sono molto promettenti: l’algoritmo messo a punto permette la simulazione dell’evoluzione
    di un fenomeno di danneggiamento, dovuto ad esempio per carichi orizzontali derivanti da un ipotetico
    sisma, accoppiata all’evoluzione di un fenomeno di degrado per risalita capillare di sali (NaCl) [86][87].
    Modelli accoppiati Nell’ambito di tale ricerca è stato validato lo strumento di calcolo mediante il confronto con risultati sperimentali derivanti da cicli in camera climatica e invecchiamento accelerato eseguito su provini realizzati
    in laboratorio. I confronti hanno fornito interessanti spunti di riflessione utili per la modifica del modello
    numerico di diffusione degli agenti aggressivi penetranti [12][59][25][22]. Tra questi, l’inserimento della
    Temperatura come variabile del problema, ha permesso di simulare gli effetti prodotti da sali il cui
    passaggio di stato dipende fortemente dalla temperatura [26][27][29]. É in corso la valutazione degli effetti
    dell’invecchiamento sulle prestazioni dei compositi fibrorinforzati a matrice inorganica [33].
  7. Strumenti di analisi numerica per lo studio delle strutture in muratura
    Modellazione Mi sono occupato di diversi problemi connessi alla modellazione del comportamento strutturale di strutture in muratura, con particolare riguardo alle strutture monumentali e storiche [11][52][14][30][94]. In tale
    ambito ho sviluppato un modello di interfaccia capace di calcolare correttamente gli sforzi necessari per
    guidare il comportamento non-lineare dell’interfaccia stessa [17][18][22].
    SLA Sequentially Linear Analysis
    Questo recente filone di ricerca riguarda lo sviluppo di tecniche numeriche progettate per problemi fortemente
    non lineari. Tali strumenti sono collocati all’interno del metodo denominato Sequentially Linear Analysis
    (SLA): la costruzione del percorso di equilibrio viene affrontata tramite l’utillizzo di una sequenza di analisi
    lineari che descrivono i diversi passi di carico in eventi. Tale approccio permette di evitare i problemi di
    convergenza tipici di un’analisi non lineare tradizionale agli elementi finiti [24]. Su tali aspetti è in corso
    di definizione una attività di collaborazione con il Prof. Jan Rots dell’Università Tecnica di DELFT, per
    l’applicazione del metodo al caso delle strutture in muratura fortificate [49].
    Strutture fortificate
    Questo recente filone di ricerca riguarda lo sviluppo di metodi di verifica della vulnerabilità di strutture
    storiche monumentali in muratura [32][34][37][39][31][61][75][74][28][42]. Si innesta sul precedente filone di
    ricerca ed è sviluppato in collaborazione con l’Università di Genova (gruppo prof. Sergio Lagomarsino). Su
    tale tema è stato proposto un nuovo metodo per la valutazione della sicurezza convenzionale delle strutture
    in muratura mediante analisi push-over [63][45]. Tale metodo parte dalle attuali limitazioni oggettive dei
    metodi di calcolo convenzionale per le strutture in muratura. É noto, infatti, che le strutture in muratura
    non sono facilmente analizzabili mediante analisi push over in quanto, solitamente, non sono caratterizzate
    da un modo fondamentale, e pertanto l’applicazione di un set di forze proporzionale al primo modo non
    corrisponde alla reale distribuzione delle azioni per effetto di una azione sismica. In particolare nell’ambito di
    tale filone di ricerca sono state approfondite tematiche connesse alla modellazione di strutture in aggregato
    quali le strutture fortificate [37].
    Micro-Modelling
    Nell’ambito di questo filone di ricerca, elaborato all’interno del percorso di dottorato di Antonio Maria
    D’Altri di cui sono correlatore, abbimo sviluppato un modello micro-meccanico per la simulazione di pannelli
    in muratura di grandi dimensioni (strutture reali). I risultati preliminari di tali sviluppi sono raccolti nei
    seguenti recenti lavori [41][36][44].
  8. Strumenti di analisi numerica per la generazione di modelli FEM da nuvole dense di punti
    Cloud2FEM Questo recente filone di ricerca riguarda lo sviluppo di tecniche numeriche utili alla generazione automatica di modelli ad elementi finiti a partire da nuvole di punti dense. Tipicamente la generazione di modelli
    FEM utilizza la riduzione delle nuvole di punti a superfici o solidi tridimensionali attraverso la definizione di
    superfici ottenute per triangolazione dei punti di superficie. Tale metodologia trova scarsa applicazione nel
    campo dell’ingegneria civile quando le strutture possiedono grandi dimensioni (edifici, torri etc.) in quanto
    scarsa è la probabilità di successo di ottenere superfici chiuse e solidi ben definiti per l’intera struttura e
    non solo per porzioni caratteristiche (facciate, torri, etc). In questo ambito ho proposto un nuovo metodo
    per la semplificazione sistematica dei dati provenienti da nuvole di punti dense (quali i rilievi laser scanner
    o fotogrammetrici), finalizzato alla produzione di solidi strutturali utili alla modellazione con software ad
    elementi finiti [23][60]. Il metodo proposto supera queste difficoltà producendo, indipendentemente dalla
    qualità del rilievo, modelli solidi ad elementi finiti sempre ben definiti [31][62][48].
  9. Strumenti di analisi numerica per la generazione di modelli ad Elementi Finiti da modelli BIM
    FEM&BIM Questo filone di ricerca riguarda l’analisi delle modalità di rilievo della geometria, dell’organizzazione
    strutturale e delle proprietà meccaniche dei materiali costituenti le costruzioni esistenti e la loro sistematizzazione
    all’interno di un sistema di gestione digitale con particolare riguardo all’ottimizzazione di tecniche
    geomatiche avanzate, integrate tra loro, per la realizzazione di un modello tridimensionale del costruito,
    includendo anche informazioni di tipo multisensoriale, che possa costituire il nucleo di un progetto eBIM
    multifunzionale. Per quanto attiene agli aspetti strutturali, lo studio della trasformazione e della sintesi
    della nuvola di punti in unità elementari, in grado di rappresentare sia i volumi rilevati che l’organismo
    strutturale presente avverrá mediante l’approccio Cloud2FEM [23][60][31][62][48].

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