Innovazioni nella progettazione strutturale – aprire le porte al futuro

Perché preoccuparsi di cambiare qualcosa in ciò che facciamo ogni giorno? Non è già abbastanza efficiente lo stato attuale dei nostri studi di ingegneria? Il volume di lavoro è già considerevole, nuove strutture vengono costruite ogni giorno e probabilmente non cambierà presto. Gli strumenti digitali degli ingegneri di oggi sono già estremamente potenti, con velocità impensabili solo pochi anni fa. La spinta verso qualsiasi tipo di cambiamento nasce sempre da un'esigenza. Qual è dunque l'attuale "esigenza" degli studi di ingegneria civile?

Sembra che ce ne siano diverse... 

• ci sono sempre meno persone disposte a svolgere questo lavoro ogni giorno
• il volume di lavoro cresce ogni anno grazie alla crescita economica in molte regioni
• il ritmo di sviluppo in altri settori ingegneristici correlati all'ingegneria civile è molto più elevato
• la complessità dei progetti aumenta in modo monumentale, con un'attenzione crescente alle soluzioni "green", al consumo energetico e all'impatto di CO₂

Proviamo a dare uno sguardo al futuro prossimo del nostro settore.

Come sarà il lavoro dell'ingegnere strutturale?

Il lavoro dell'ingegnere strutturale è tra quelli minacciati dall'emergere dell'intelligenza artificiale? Non molto, almeno non così presto. Il numero di variabili che entrano in ogni incarico è semplicemente troppo elevato per essere gestito da algoritmi. E non per la potenza di calcolo necessaria, ma per la mancanza di database sincronizzati e cooperanti tra diversi settori, e per il buon senso umano necessario a dare un senso a tutta la confusione di dati.

D'altra parte, il lavoro quotidiano dell'ingegnere strutturale sarà uguale a quello di oggi? Disegni cartacei, annotazioni a mano, centinaia di DWG e PDF, fogli di calcolo infiniti, modelli strutturali di diversa granularità (che non comunicano tra loro), centinaia di email e messaggi di chat sui progetti, scadenze, budget, lunghe ore trascorse in uffici pieni di file, libri, normative, manuali e riviste di ingegneria strutturale? 

Speriamo di no.

Ma cosa possiamo migliorare per passare dalla realtà odierna a un ambiente molto più favorevole in futuro? Se vogliamo lavorare in modo intelligente anziché faticoso, dovremmo sfruttare le opportunità disponibili. E, se non sono ancora visibili, potremmo guardare in alcuni settori vicini come l'ingegneria meccanica, dove espressioni come machine learning, elaborazione di big data o ottimizzazione topologica sono già in uso da qualche tempo.

È già abbastanza evidente che, sebbene il titolo professionale di ingegnere strutturale sopravviverà, la necessità di nuove competenze e capacità è inevitabile. Avere conoscenze di matematica, fisica, meccanica strutturale, materiali e requisiti normativi non sarà più sufficiente. Sarà richiesto un insieme completamente nuovo di competenze digitali: lavorare con i dati, costruire collegamenti tra dati tra diversi strumenti, utilizzo della progettazione parametrica, comprensione del machine learning, conoscenza nella creazione efficiente di prompt, ecc.

Un aspetto molto importante non ancora trattato in questo articolo, ma comunque cruciale nel processo di progettazione, riguarda i governi, le normative e gli enti di controllo. Questi non possono essere esclusi perché, senza accettazione e cooperazione da parte loro, il progresso delle tecnologie sarebbe drammaticamente più rapido di quanto la risposta della comunità ingegneristica potrebbe essere.

Ottimizzazione topologica

Di cosa si tratta? In parole semplici, è come risolvere un compito difficile in cui si dispone di una quantità specifica di elementi costruttivi per creare una struttura. Si vuole che sia abbastanza resistente da reggere sotto carichi specifici, ma si vuole anche utilizzare il minor numero possibile di elementi costruttivi.

Nell'ottimizzazione topologica, vengono utilizzati algoritmi di calcolo per aiutarci a trovare il modo migliore di disporre i nostri elementi. Il programma sperimenta diversi progetti, provando centinaia di varianti su dove posizionare gli elementi per rendere la struttura il più resistente possibile utilizzando il minor numero di elementi necessari. È come se il computer stesse testando ogni tipo di progetto di ponte per vedere quale può reggere il maggior peso senza cedere, ma allo stesso tempo senza sprecare alcun elemento.

Questo metodo aiuta ingegneri e progettisti a sviluppare strutture molto efficienti, e talvolta dall'aspetto insolito, che svolgono la loro funzione utilizzando la minima quantità di materiale possibile. È un modo intelligente di progettare perché consente di risparmiare materiali, ridurre il peso e spesso porta a soluzioni innovative che non avremmo pensato da soli.

Nell'immagine sopra, si possono vedere tre progetti ottimizzati di un ponte tridimensionale associati a diversi insiemi di vincoli [K. Bando, R. Din, M. Fouquerand, L. Gilbert, A. Moissenot, and M. Nicolas, Optimisation d'une structure et application architecturale, PSC MEC07, Ecole Polytechnique (X), 2016].

Cosa è già disponibile

Forse il più avanzato strumento di progettazione per il calcestruzzo armato strutturale disponibile oggi, IDEA StatiCa Detail, è in grado di mostrare all'utente l'ottimizzazione topologica basata sui flussi di tensione nella geometria assegnata. Questo strumento mostra in modo molto chiaro e visivo al progettista quali sono le posizioni e le direzioni più efficienti per le barre di armatura. È possibile consultare il nostro articolo del blog dedicato all'ottimizzazione topologica.

Anche questi modelli potenti e avanzati sono solo l'inizio di ciò che potrebbe essere possibile se affrontato seriamente. Conosciamo già centinaia di progetti in cui la geometria si basa su forme organiche e assomiglia molto più a un'immagine tratta da un libro di biologia che a una tipica forma reticolare. Possiamo trovare diversi progetti già costruiti o in costruzione con ispirazione a forme organiche. Un bell'esempio è l'attuale progetto della stazione della metropolitana di Riyadh di Zaha Hadid Architects.

Con un po' di immaginazione, queste forme organiche potrebbero comparire nell'architettura non solo per la loro bellezza, ma anche come geometria delle strutture portanti grazie all'ottimizzazione topologica e ai nuovi processi costruttivi.

Che tipo di strutture e progetti vengono risolti grazie agli strumenti di progettazione odierni? Diamo uno sguardo alla nostra raccolta di Case study.

Il potere dei dati nell'ingegneria

I ricercatori di IDEA StatiCa hanno presentato a una recente conferenza strutturale sull'acciaio i nuovi metodi utilizzati per la previsione automatizzata dello sfruttamento delle saldature nell'applicazione Connection. Questo approccio rivoluzionario risolve una domanda semplice con una soluzione molto complessa. Qual è la reale capacità di una saldatura quando è consentita la plastificazione del materiale?

Il metodo innovativo descritto nel documento impiega l'intelligenza artificiale avanzata, in particolare le reti neurali convoluzionali, per migliorare significativamente l'accuratezza nella previsione dei tassi di sfruttamento delle saldature nelle strutture in acciaio. Questo nuovo approccio è rivoluzionario per gli ingegneri strutturali in quanto va oltre i metodi tradizionali analizzando in dettaglio la distribuzione delle tensioni e la storia delle deformazioni lungo le linee di saldatura. Un'analisi così dettagliata consente stime più precise, adattandosi a varie configurazioni di saldatura e scenari di carico. Questo progresso non solo migliora la sicurezza e l'efficienza dei progetti strutturali, ma esemplifica anche il potenziale dell'integrazione del machine learning con le pratiche ingegneristiche convenzionali, aprendo la strada a soluzioni più intelligenti e basate sui dati nell'ingegneria strutturale. Per ulteriori informazioni su come utilizzare questo miglioramento qui.

Poiché non è così semplice calcolare centinaia di incrementi di carico in pochi secondi, l'algoritmo utilizza un enorme insieme di dati provenienti da analisi precedenti ed è in grado di trovare in tempo reale i valori di dimensione della saldatura più vicini alla soluzione desiderata.

Glossario per i nuovi ingegneri strutturali:

Il machine learning (ML) è un ramo dell'intelligenza artificiale che consente ai computer di apprendere dai dati e prendere decisioni basate su di essi. Nella progettazione e analisi strutturale, il ML può essere utilizzato per prevedere il comportamento dei materiali, valutare l'integrità strutturale e ottimizzare i processi di progettazione. Analizzando grandi insiemi di dati, gli algoritmi di ML possono identificare schemi e informazioni che potrebbero sfuggire ai metodi tradizionali. Ciò può portare a progetti strutturali più efficienti, sicuri ed economicamente vantaggiosi. Il ML può anche assistere nel monitoraggio in tempo reale e nella pianificazione della manutenzione delle strutture, migliorandone ulteriormente la durata e la sicurezza.

Le reti neurali convoluzionali (CNN) sono un tipo di intelligenza artificiale ampiamente utilizzato per l'elaborazione di dati con topologia a griglia, come le immagini. Eccellono in attività come il riconoscimento e la classificazione delle immagini. Una CNN impara a riconoscere schemi e caratteristiche nei dati di input attraverso strati che eseguono convoluzioni – operazioni matematiche che filtrano e comprimono i dati. Questa struttura consente alle CNN di identificare schemi complessi, rendendole strumenti potenti in diverse applicazioni ingegneristiche, dall'analisi strutturale ai processi di progettazione automatizzata. La loro capacità di elaborare in modo efficiente insiemi di dati complessi le rende una risorsa preziosa nella risoluzione dei problemi ingegneristici moderni.

Sintesi

Come avete appena visto, il futuro è più vicino di quanto si pensi. Non quello delle immagini generate dall'intelligenza artificiale, ma i primi principi di automazione e ottimizzazione intelligente sono già incorporati negli strumenti di analisi strutturale.

Gli strumenti non faranno la rivoluzione da soli. Ciò che è necessario per liberare queste nuove possibilità è un importante cambiamento di mentalità da parte di tutti i soggetti coinvolti nel processo di progettazione. Spetta agli ingegneri decidere come adattarsi alle opportunità disponibili e come integrarle nei loro flussi di lavoro quotidiani.