OpenSEES è l’acronimo di Open System for Earthquake Engineering Simulation. Si tratta quindi di un codice di tipo “open-source” per le analisi strutturali nell’ambito dell’ingegneria sismica.
Il codice OpenSEES originariamente è stato sviluppato presso l’Università della California di Berkeley, su finanziamento del governo U.S.A. (Award National Science Foundation Number EEC-9701568) ed impiegato nell’ambito dell’ingegneria sismica per la simulazione della risposta non lineare di sistemi strutturali e geotecnici. Utilizza un approccio agli elementi finiti e la sua peculiarità di essere appunto “aperto”, permette allo stesso di essere in continua evoluzione e, grazie al contatto ed all’interscambiabilità tra utilizzatori e sviluppatori, ricco di continui aggiornamenti e sempre aggiornato con le nuove strategia di modellazione ed analisi strutturale che vengono proposte nella letteratura scientifica.
Infatti, fino ad oggi, moltissimi ricercatori, da ogni parte del mondo, hanno contribuito ad arricchire questo programma con componenti che permettono di svolgere analisi strutturali sempre più raffinate e di cogliere in modo sempre più accurato il reale comportamento strutturale sotto azione esterne. In particolare, OpenSEES possiede librerie estremamente estese di diverse tipologie di elementi finiti e legami costitutivi dei materiali, che consentono di creare modelli strutturali estremamente raffinati. Inoltre, è dotato di diversi solutori numerici che permettono di selezionare la strategia di risoluzione più idonea al tipo di analisi strutturale che si desidera condurre.
Essendo un codice “open-source” OpenSEES è per sua natura accessibile liberamente in rete.
Il suo utilizzo in ambito professionale presenta però alcune sostanziali limitazioni:
- OpenSeesè privo di ogni interfaccia grafica di input. L’inserimento dei dati (geometrie, parametri meccanici, azioni esterne e strategia di risoluzione) è fatto tramite un file dati alfanumerico scritto nel linguaggio TCL. Questo aspetto consente un’estrema libertà nella definizione di tutti i dati necessari per la definizione del modello e dell’analisi strutturale, ma di contro non permette l’individuazione di eventuali errori tramite un controllo visivo e risulta estremamente complesso nel caso di sistemi composti anche da un numero non particolarmente elevato di elementi strutturali;
- I risultati delle analisi condotte da OpenSees sono forniti sottoforma di files alfanumerici dei parametri che si richiede come output (spostamenti nodali, sollecitazioni negli elementi strutturali, stati tensionali e deformativi nei materiali ecc..). Tali risultati vanno quindi reinterpretati ed utilizzati per gli scopi che si prefigge (progettazione di armature, verifiche sismiche ecc..);
- OpenSEES è un codice di puro calcolo strutturale e non è quindi allineato con alcuna normativa tecnica vigente;
Da quanto descritto si evince che OpenSEES, nonostante le enormi potenzialità, non è direttamente utilizzabile nella quotidiana pratica professionale.
La S.T.S. è riuscita a rendere accessibili a tutti le enormi potenzialità del motore di calcolo OpenSEES creando il codice di calcolo strutturale integrato che fonde l’input grafico, semplice ed intuitivo, le visualizzazioni dei risultati, di immediata comprensione, e gli esecutivi, chiari dettagliati e perfettamente cantierabili, propri di C.D.S. Win con la potenza di calcolo di OpenSEES .
Le capacità di calcolo già presenti in OpenSEES sono state ulteriormente incrementate dagli sviluppatori della S.T.S. introducendo nuovi elementi strutturali e legami costitutivi che meglio si adattano alle problematiche specifiche della progettazione e verifica delle tipologie strutturali presenti nel territorio italiano.
Il software integrato CDS Win - OpenSEES ha consentito di indirizzare i nostri software verso il calcolo non lineare delle strutture ed infatti consente di condurre tutte le tipologie di analisi strutturale di seguito elencate:
- Verifica di portanza globale del sistema di fondazione con modellazione non lineare del suolo;
- Analisi sismica statica non lineare (analisi push-over) di sistemi strutturali intelaiati con modellazione a plasticizzazione distribuita delle aste;
- Analisi sismica statica non lineare (analisi push-over) di sistemi strutturali in muratura con modellazione a macroelementi;
- Analisi sismica dinamica non lineare con accelerogrammi (analisi time-history) con possibilità di generare accelerogrammi spettrocompatibili;
- Analisi sismica dinamica incrementale non lineare (analisi IDA)
Le potenzialità di OpenSEES sono state utilizzate anche per incrementare le capacità di verifica delle unioni metalliche del software CDJ Win. In particolare, è possibile condurre le seguenti tipologie di analisi:
- Analisi non lineare con modellazione tramite elementi finiti tetraedrici a 10 nodi, con conseguente possibilità di cogliere le concentrazioni di tensioni e deformazione e gli effetti dell’inflessione degli elementi a parete sottile;
- Analisi GMNIA (Geometrically and Materially Nonlinear Analysis with Imperfections) che consente di tenere conto della presenza di imperfezioni e di condurre analisi in grandi spostamenti
Libreria OpenSEES© 64 bit (moduli aggiuntivi a pagamento)
Il modulo OpenSees rappresenta una soluzione avanzata per l’analisi strutturale non lineare, pensata per i professionisti che desiderano portare la progettazione a un livello superiore. In dettaglio, il modulo prevede all’interno del modello di calcolo l’implementazione di:
- Isolatori Sismici: Questo modulo consente di modellare in modo realistico diversi sistemi di isolamento, come isolatori elastomerici (HDRB, LRB) e dispositivi a scorrimento (Friction Pendulum), riproducendone fedelmente il comportamento non lineare. Grazie al motore OpenSees, è possibile considerare fenomeni complessi come isteresi, degrado di rigidezza e dipendenza dalla velocità, aspetti fondamentali per una valutazione accurata della risposta sismica. Il progettista può controllare:
- spostamenti e drift alla base;
- forze trasmesse alla sovrastruttura;
- comportamento ciclico degli isolatori;
- verifiche in linea con le normative sismiche vigenti.
- Push-Over a Fibre: il modulo introduce una formulazione avanzata dell’analisi statica non lineare mediante modellazione a plasticità distribuita, superando i limiti degli approcci tradizionali a cerniere plastiche concentrate. A differenza della modellazione a plasticizzazioni concentrate, non è necessario definire a priori legami momento-curvatura semplificati, poiché il comportamento non lineare emerge direttamente dalle deformazioni delle fibre.
Nel modello a fibre, ogni sezione degli elementi strutturali viene discretizzata in sotto-domini (fibre) caratterizzati da leggi costitutive indipendenti. Questo consente di:
- integrare direttamente il legame σ–ε dei materiali (calcestruzzo confinato/non confinato, acciaio);
- valutare in modo continuo l’evoluzione della curvatura e della plasticizzazione lungo l’asta;
- cogliere fenomeni locali come softening, perdita di rigidezza e redistribuzione delle tensioni.
- Analisi Dinamica NON lineare: Utilizzando accelerogrammi reali e modelli non lineari (a fibre o a cerniere), il software tiene conto di plasticizzazioni, degrado e effetti ciclici, restituendo una risposta estremamente realistica in termini di spostamenti, sollecitazioni e danno.
- Dissipatori isteretici e/o viscosi: il modulo consente di modellare con precisione dispositivi dissipativi, simulandone il comportamento reale sotto azioni cicliche e dinamiche. È possibile valutare in modo accurato la capacità dei dissipatori di ridurre forze, spostamenti e domanda sismica sulla struttura. Il software consente anche la generazione di accelerogrammi spettrocompatibili.
- Vincoli dissipativi elastici lineari e non lineari: il modulo consente di modellare in modo semplice ma rigoroso collegamenti strutturali evoluti, capaci di assorbire e modulare l’energia sismica. Attraverso l’integrazione con OpenSees, è possibile rappresentare legami forza–spostamento sia lineari che non lineari, cogliendo con realismo il comportamento dei vincoli anche in campo plastico e sotto azioni dinamiche.
- Modello non lineare per tamponature: consente di simulare con precisione il comportamento delle pareti non portanti soggette a carichi statici e sismici, tenendo conto delle loro caratteristiche non lineari e della loro interazione con la struttura portante.
Grazie al motore OpenSees, il modulo gestisce:
- rotture locali e globali delle tamponature;
- contributo alla rigidezza e al comportamento dissipativo della struttura;
Questo permette di ottenere una rappresentazione realistica del comportamento complessivo dell’edificio, fondamentale per valutazioni sismiche accurate, progettazioni di interventi su strutture esistenti e ottimizzazione della sicurezza globale.
- Calcolo Parallelo: Il modulo Calcolo Parallelo di CDSWin sfrutta l’architettura multicore dei moderni processori per eseguire le analisi strutturali in modalità parallelizzata, riducendo drasticamente i tempi di elaborazione dei modelli più complessi.
- Pushover prive di impalcato rigido: il modulo consente di eseguire analisi pushover su strutture in cui la distribuzione dei carichi laterali non segue l’ipotesi tradizionale di impalcati rigidi. Grazie a questo approccio, è possibile:
- simulare in modo realistico strutture con piani flessibili o irregolari;
- valutare la redistribuzione delle forze tra gli elementi portanti senza vincoli rigidi artificiali;
- analizzare meccanismi di collasso locali e globali più aderenti alla reale risposta della struttura;
- integrare l’analisi con modelli a fibre e dispositivi dissipativi tramite OpenSees.
- Incamiciature per aste in cemento armato: permette di modellare e verificare interventi di rinforzo su travi e pilastri esistenti mediante incamiciature in calcestruzzo armato o fibrorinforzato.
Grazie all’integrazione con OpenSees, il modulo consente di:
- simulare l’aumento di sezione e rigidezza degli elementi rinforzati;
- considerare l’interazione tra materiale esistente e nuovo in maniera non lineare;
- valutare l’influenza del rinforzo sulla capacità a flessione, taglio e torsione;
- integrare l’analisi con pushover a fibre e verifiche sismiche avanzate.
- Rinforzi FRP: consente di progettare e analizzare interventi di consolidamento strutturale mediante fibre polimeriche rinforzate (FRP) su elementi in cemento armato, acciaio o muratura.
Grazie all’integrazione con OpenSees, il modulo permette di:
- modellare il comportamento non lineare del sistema rinforzato, considerando l’interazione tra materiale esistente e FRP;
- simulare l’incremento di resistenza, rigidezza e duttilità degli elementi strutturali;
- valutare l’efficacia dei rinforzi su flessione, taglio, torsione e confinamento dei pilastri;
- integrare il rinforzo nelle analisi pushover, dinamiche non lineari e sismiche, ottenendo una stima realistica della risposta globale.
Il modulo MacroMuri3D per CDMa Win, basato sul solutore non lineare OpenSees, introduce una modellazione avanzata degli edifici in muratura mediante tecnica a macroelementi. Il modello, derivato dalla letteratura scientifica e sviluppato da STS, descrive i maschi murari come elementi bidimensionali a comportamento non lineare calibrati per rappresentare i principali meccanismi resistenti e le modalità di collasso della muratura, sia nel piano che fuori piano.
La formulazione con macroelementi quadrangolari e triangolari consente la modellazione di geometrie irregolari e aperture non allineate, superando i limiti del modello a telaio equivalente (SAM) e riducendo l’onere computazionale rispetto alle analisi FEM non lineari. Le analisi push-over evidenziano risultati comparabili ai modelli tradizionali per edifici regolari, con maggiore efficacia nella simulazione di configurazioni strutturali complesse.
L’analisi I.D.A. (Incremental Dynamic Analysis) è uno strumento che consente di condurre la verifica sismica di strutture esistenti. La filosofia di verifica dell’analisi I.D.A. è analoga a quella dell’analisi Push-Over, e cioè consiste nel sollecitare la struttura con azioni simiche di intensità crescente verificando il raggiungimento dei diversi stati limite. La differenza fra i due tipi di analisi risiede nella modellazione dell’azione sismica. Infatti mentre nell’analisi Push-Over questa è schematizzata tramite forze orizzontali di piano nel metodo I.D.A. la struttura è sollecitata tramite accelerogrammi. Ne consegue che l’analisi I.D.A. consente di superare le limitazioni della Push-Over, risultando applicabile anche quando non sono presenti piani sismici o nel caso di strutture che non rispettano requisiti di regolarità. Ovviamente però nascono anche delle complicazioni. Infatti, così come avviene quando il sisma è modellato tramite accelerogramma, per ogni passo dell’analisi si dovranno considerare più accelerogrammi e quindi utilizzare i valori medi della risposta strutturale per condurre le verifiche del sistema strutturale. Ne segue che l’analisi I.D.A. risulterà inevitabilmente più onerosa da un punto di vista computazionale con incremento anche notevole dei tempi di analisi.
In CDS Win l’analisi I.D.A. è stata implementata sfruttando le potenzialità del solutore non-lineare Open Sees.
CDGs OpenSees intefacciato con CDS Win (sviluppato da STS) consente di estendere le analisi strutturali classiche includendo la modellazione non lineare del sistema terreno-fondazione, fondamentale per il calcolo dei cedimenti residui e l'analisi sismica (Time History o Pushover).
Ecco i punti chiave riguardanti i cedimenti residui in questo contesto:
- Finalità: Il modulo permette di calcolare i cedimenti residui in fondazione, in particolare allo stato limite di Danno e in condizioni post-sismiche, integrando l'interazione terreno-struttura (SSI).
- Modellazione del Terreno: In OpenSees, il terreno può essere modellato in modo non lineare, simulando la risposta sia di terreni coesivi che incoerenti che possono causare
cedimenti residui importanti). Nel modulo di calcolo portanza (CDGs), il terreno viene discretizzato e le molle p-y vengono generate automaticamente in funzione della stratigrafia, dei diametri del palo e delle caratteristiche meccaniche del terreno.
- Analisi dei Cedimenti: Attraverso l’analisi non lineare di tipo incrementale, il software monitora le deformazioni permanenti (residue) al termine dell'azione sismica, consentendo di valutare se la struttura soddisfa i requisiti di prestazione previsti dalle NTC 2018.
- Elementi Fondazione: Il sistema di solito utilizza molle non lineari (modelli p-y, t-z, Q-z) per le fondazioni superficiali o profonde (pali), non resistenti a trazione che accumulano spostamenti permanenti durante il ciclo sismico.
- Output: I risultati includono i profili di risposta delle travi rovesce, dei pali o le deformazioni della platea/plinti alla fine dell'analisi.
In sintesi, l'uso di OpenSees all'interno di CDS consente di superare l'ipotesi di comportamento elastico del suolo e le limitazioni di Brinch-Hansen, calcolando l'effetto "reale" del terreno sulla struttura dopo un terremoto.
Disponibile utilizzo dell’elemento finito solido TET4/TET10 elastico ed elasto-plastico formulato per analisi sia in regime di piccoli spostamenti sia in condizioni di grandi spostamenti. L’integrazione del solutore Opensees consente, anche in questo caso, di gestire le non linearità materiali e geometriche, garantendo stabilità numerica e affidabilità della risposta anche in presenza dei noti fenomeni di instabilità.