Le Caratteristiche

Aspen di Newsoft è un programma Windows finalizzato all'analisi di stabilità di pendii secondo i metodi classici dell'equilibrio limite. Consente una definizione accurata del profilo campagna, della stratigrafia interna e del regime idrostatico prodotto da falde freatiche o in pressione. Sbancamenti, rinterri e bacini idrici superficiali, possono essere inseriti o rimossi dalla modellazione in maniera semplice, così come pure i carichi distribuiti e gli interventi strutturali di consolidamento, quali i muri, le paratie, le geogriglie e i tiranti. In questo modo si creano agevolmente configurazioni variate del pendio, corrispondenti a diverse situazioni in situ o a vari scenari di intervento. L'utente può inoltre definire superfici di scorrimento generiche o circolari, assegnandole singolarmente o per maglia di centri ed effettuarne l'analisi simultanea. Se desidera uno screening di maggiore accuratezza, può attivare l'analisi a ricerca automatica che, partendo da una superficie di scorrimento iniziale, ricerca configurazioni di equilibrio a sicurezza minore fino al raggiungimento del minimo locale, potendo seguire graficamente l'evoluzione del processo di ricerca. Il programma è dotato di tutte le funzioni necessarie per l'intero iter progettuale, dall'inserimento dei dati, al controllo grafico del modello, dall'esecuzione dell'analisi, alla stampa dei risultati e dei disegni. E' interfacciabile con ambienti Cad tramite il formato Dxf e verso applicativi di Word Processing col formato Rtf. La seguente figura mostra una fase di lavoro in cui sono visibili la vista Editing, con l'editore grafico del pendio, la vista Modello e alcune griglie dati.

Campi di Impiego

Le caratteristiche del programma lo rendono adatto per la verifica di stabilità di pendii naturali o artificiali e per il dimensionamento di massima degli eventuali interventi di consolidamento. I professionisti maggiormente interessati ad Aspen sono i geologi o gli ingegneri operanti nel campo geotecnico, coinvolti nel recupero e consolidamento di pendii storicamente instabili o nella progettazione di opere ricadenti su pendii, per i quali sia importante effettuare l'analisi di stabilità sotto carichi variati.

La Definizione del Pendio

In Aspen il pendio risulta composto da uno o più strati sovrapposti ai quali viene assegnato il tipo di materiale. Di ognuno si definirà il profilo superiore descritto come poligonale, tenendo presente che il profilo del primo strato coincide col profilo di campagna. Si assegneranno quindi le caratteristiche meccaniche dei diversi tipi di terreno presenti nella stratigrafia e i profili superficiali e piezometrici delle falde presenti, anch'essi come poligonali. Si definiscono quindi i carichi, costituiti dagli eventuali manufatti presenti sul pendio, in termini di intensità, posizione e orientazione. Possono assegnarsi quindi eventuali sbancamenti e rinterri, da applicare sugli strati naturali. Quando gli sbancamenti e i rinterri vengono applicati, i profili naturali degli strati vengono ricostruiti in automatico dal programma nella fase di costruzione del modello, con la disattivazione la situazione torna a quella originaria. La stessa strategia è utilizzata anche per i bacini idrici e gli interventi strutturali di consolidamento. Si tenga presente che tali elementi possono essere applicati o non applicati, pur restando definiti. Questo consente di ottenere facilmente configurazioni variate del pendio, che meritano di essere analizzate perchè probabili o perchè rispondenti a possibili scenari di consolidamento. Si possono, ad esempio, definire più falde ed applicarle a rotazione in differenti sessioni di analisi o definire vari interventi di consolidamento, ma applicarli separatamente per valutarne il contributo, strategia utile ai fini di una decisione progettuale.

Le Viste Grafiche

Il programma prevede quattro diversi ambienti grafici: Vista Editing, Vista Modello, Vista Strisce, Vista di ricerca automatica, riportate alle figure seguenti per un semplice pendio con una paratia applicata.

Vista di Editing
Nella Vista Editing sono attive le funzioni di input grafico per tutti gli elementi che concorrono alla definizione del pendio, dalla stratigrafia, agli interventi di consolidamento e alle superfici di scivolamento. Sono visibili tutti gli interventi definiti, quelli applicati sono disegnati nel colore assegnato, quelli non applicati in grigio.

Vista Modello
La vista Modello riporta la sezione del pendio dopo la costruzione del modello, quindi con i profili modificati dall'applicazione di eventuali sbancamenti e rinterri e con i soli interventi effettivamente applicati. Se sono state definite più superfici di scivolamento, esiste una vista modello per ognuna di queste.

Vista Strisce
La Vista Strisce riporta la suddivisione in strisce del pendio per ogni superficie di scivolamento definita. Anche questa è disponibile dopo la costruzione del modello. Altri particolari, sono disponibili a valle dell'analisi, come i diagrammi delle tensioni mobilitate sulla superficie di scivolamento. A queste si aggiunge la Vista di ricerca automatica, che consente di avviare e seguire graficamente l'evoluzione dell'analisi automatica. Questa è una caratteristica di analisi peculiare del programma, che, partendo da una superficie iniziale assegnata, ricerca configurazioni di equlibrio a sicurezza minore, fino a raggiungere un punto di minimo del coefficiente di sicurezza.

Costruzione Grafica del Pendio

Il pendio si costruisce nell'ambiente grafico della Vista Editing, eventualmente su sfondo Dxf importato, col supporto dei comandi di inserimento, modifica, cancellazione, disponibili per ogni elemento di modellazione. In maniera equivalente, è possibile l'assegnazione numerica dei dati, in griglie sincronizzate con l'ambiente grafico, sia per operazioni di inserimento di un nuovo elemento, sia per la modifica di uno già esistente. In figura è visualizzata la fase di tracciamento del raggio, nella definizione grafica di una superficie di scivolamento circolare.

Materiali

Per i terreni che compongono la stratigrafia sono richieste le caratteristiche meccaniche essenziali e la scelta del retino grafico di visualizzazione, che si assegnano nella griglia Materiali riportata in basso.

Stratigrafie

I profili della stratigrafia, delle falde, degli sbancamenti e dei rinterri si definiscono come poligonali. Riportiamo di seguito la griglia Strati, in cui la poligonale è riportata nella colonna sequenza nodi. La definizione degli interventi di consolidamento è articolata per tipologia e, in linea generale, prevede la descrizione di dettaglio in termini geometrici e meccanici.

Le Superfici di Scivolamento

Il programma accetta superfici di scivolamento di forma circolare o generica. Le superfici generiche sono definite tramite poligonali. Per quelle circolari si assegna il centro e il raggio o altre condizioni di vincolo, come il passaggio per punti assegnati o condizioni di tangenza. Per le circolari, inoltre, i tratti terminali di riaffioramento possono essere definiti con raccordi rettilinei di assegnata pendenza. L'utente può comporre una lista di superfici da sottoporre a verifica o anche definire famiglie di superfici circolari utilizzando le maglie di centri.

La Costruzione del Modello

Partendo dalla configurazione originaria e applicando tutti gli elementi opzionali selezionati, il programma costruisce il modello del pendio e ne esegue la scomposizione in strisce per ogni superficie di scivolamento definita ed applicata. L'operazione si esegue cliccando sul pulsante "Genera il modello" posto nella Barra dei comandi frequenti. Il pulsante ha anche la funzione di azzerare il modello, se questo è stato già costruito. La modellazione eseguita è visibile nella vista stratigrafica del modello e nella vista della modellazione in strisce, entrambe caratterizzate da un elevato livello di dettaglio.

Nel corso della costruzione del modello, il programma esegue un approfondito controllo dei dati e nel caso dovesse riscontrare delle incongruenze, rilascia in un apposito pannello, messaggi di avviso. I messaggi preceduti da punto esclamativo si riferiscono a incongruenze gravi che non consentono la generazione del modello. In questi casi è necessario modificare o integrare la definizione per risolvere la situazione d'incongruenza segnalata. I messaggi non preceduti da punto esclamativo si limitano a richiamare l'attenzione su aspetti particolari o segnalano situazioni di incongruenza che il programma può risolvere temporaneamente disapplicando d'autorità un particolare elemento e continuando con la costruzione del modello. L'utente presterà attenzione alle situazioni segnalate e interverrà per correggerle.

Metodi di Analisi

L'analisi è eseguita con il metodo dell'equilibrio limite, di cui sono disponibili le formulazioni date da:

• Morgerstern-Price.
• Bell.
• Janbu.
• Bishop.
• Fellenius.

implementate nel programma in forma particolarmente ottimizzata, per migliorare il processo di convergenza e ampliare il campo di applicabilità. Il pendio è analizzato sotto l'azione dei pesi propri, dei carichi assegnati, della spinta idrostatica sulla frattura di distacco e dell'accelerazione sismica orizzontale e verticale, definite queste ultime in base alla recente normativa sismica 2003 o assegnate in modo autonomo. L'azione sismica orizzontale è applicata in direzione dello scorrimento, mentre per quella verticale si considerano entrambi i versi, corrispondenti all'incremento e al decremento dei pesi agenti, e valutando i coefficienti di sicurezza per entrambi i casi.

Contributo alla Stabilità offerto dagli Interventi

Il contributo alla stabilità offerto dagli interventi varia in funzione della loro tipologia, ma in linea generale tiene conto sia delle caratteristiche meccaniche dell'intervento, sia della situazione geotecnica locale. Per i tiranti e le geogriglie, ad esempio, si considerano gli effetti dovuti all'incompleto sviluppo dell'ancoraggio. Per i muri e le paratie si valuta la spinta stabilizzante massima, compatibile con diversi possibili meccanismi di crisi, come lo scorrimento o il ribaltamento dell'opera, la rottura del fronte spingente o del terreno compreso fra pali distanziati, la crisi strutturale dell'opera stessa. Una volta eseguita l'analisi è possibile conoscere il contributo offerto dall'intervento, sia con una interrogazione immediata da mouse, sia nel report di stampa.

L'Analisi delle Superficie Assegnate

Il programma prevede l'analisi simultanea di tutte le superfici assegnate dall'utente, definite come singole superfici o tramite maglie di centri. Ad analisi conclusa, compare immediatamente una tabella sintetica con i fattori di sicurezza registrati. Nella vista delle strisce è invece disponibile il diagramma delle tensioni mobilitate sulla superficie di scivolamento e, nel caso delle maglie di centri, anche le curve di livello per i centri ad uguale sicurezza, visualizzate con codice colore.

L'Analisi Automatica

Una delle caratteristiche di eccellenza del programma è l'analisi automatica, basata su una strategia numerica iterativa che, a partire da una superficie d'innesco iniziale, evolve in maniera automatica verso configurazioni di scivolamento a coefficiente minore, fino a pervenire ad una soluzione di minimo. Il processo viene attuato ricercando il punto di minimo della funzione coefficiente di sicurezza, in termini di opportuni parametri descrittivi della superficie di scivolamento. L'evoluzione grafica della superficie e l'andamento decrescente del coefficiente di sicurezza possono essere seguiti a video in animazione grafica, fino al raggiungimento della configurazione critica. Nel processo si tiene conto di tutte le influenze prodotte dalla condizione stratigrafica e idrostatica del pendio, dei carichi e dei contributi offerti dagli interventi di consolidamento.

Questa opzione di analisi costituisce una estensione notevole dei metodi basati sull'equilibrio limite che notoriamente accettano la configurazione della superficie di scivolamento solo come dato del problema e quindi, nel caso in cui si volessero ricercare configurazioni meno stabili, obbligano a procedere per tentativi, modificando la superficie e ripetendo ogni volta l'analisi. Con l'analisi di tipo automatico di cui è dotato il programma la ricerca è condotta, a partire da una superficie di scivolamento iniziale, assegnata o frutto di precedenti sessioni di analisi, il processo procede a successive modifiche iterative della superficie in modo da ottenere ad ogni passo una riduzione del fattore di sicurezza e si arresta (entro pochi secondi) quando quest'ultimo raggiunge un punto di minimo.

Un'animazione grafica molto espressiva visualizza su video l'intero processo di minimizzazione, con la superficie che va gradualmente cambiando forma, mentre il coefficiente di sicurezza continua a decrescere fino a che non si stabilizza sul valore minimo. Queste prestazioni sono state raggiunte con un'attenta implementazione degli algoritmi di base in modo da velocizzarne la convergenza degli schemi iterativi utilizzati e per assicurarne l'applicabilità tanto su superfici di forma circolare che generica. Inoltre si è studiato ed implementato un algoritmo per la gestione dell'intero processo, capace di stabilire in maniera intelligente quali siano le variazioni geometriche alla superficie che comportano riduzioni ulteriori del coefficiente di sicurezza. Visti anche i tempi di calcolo, l'utente potrà eventualmente ripetere le fasi di verifica con un altro metodo di equilibrio oppure abilitando o disabilitando la presenza dei carichi e degli interventi, fino ad esaurire tutte le possibilità di indagine e a raggiungere una motivata convinzione di giudizio sulla sicurezza alla stabilità del pendio.

Le Stampe

Il programma fornisce la stampa dei dati del pendio e dei risultati dell'analisi sia in forma di tabulato numerico che di disegno.

Tabulato di output
Il tabulato di calcolo viene impaginato in base alla selezione degli argomenti effettuata dall'utente. La composizione predefinita include la relazione introduttiva, con i riferimenti legislativi e i criteri teorici di analisi, le legende esplicative e tutte le tabelle dei dati di definizione e dei risultati numerici dell'analisi. Le funzioni di preview consentono oltre ad un'agevole lettura anche a video, la stampa diretta e l'esportazione come file documento Rtf.

Stampe Grafiche
I disegni prodotti dal programma possono essere impaginati, come per il tabulato, in base ad una selezione delle tavole e delle scale assegnata dall'utente. I disegni sono organizzati in tavole secondo il formato del foglio correntemente selezionato nella stampante attiva e nel rispetto delle preferenze di impaginazione impostate. Le tavole così formate sono visibili in anteprima e possono quindi essere stampate o esportate in formato Dxf.

Fasi Operative

Analizzando la tipica sessione di lavoro, si individuano alcune fasi operative caratteristiche.

• Definizione del pendio con l'assegnazione dei dati riguardanti i materiali, i profili stratigrafici, il profilo della falda, i carichi e gli interventi strutturali disposti su di esso.
• Definizione delle superfici di scorrimento da analizzare, assegnate singolarmente o per maglia di centri, ottimizzabili con l'analisi automatica.
• Scelta del metodo di analisi ed esecuzione della verifica di stabilità per superficie assegnata, per famiglie di superfici o con ricerca automatica.
• Valutazione dei risultati ottenuti ed eventuali riesecuzioni dell'analisi, con altro metodo o con variazione dell'assetto dei carichi, degli interventi di consolidamento, della superficie di falda, ecc.
• Stampa del tabulato di calcolo, comprensivo della relazione, dei dati di definizione e dei risultati dell'analisi. Stampa o esportazione in CAD dei disegni prodotti dal programma.