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Ingegneria strutturale e ingegneria del vento
(A cura di Gabriele Martufi)

 

Il crollo del ponte sospeso Tacoma Narrows nel 1940
(A cura di Gabriele Martufi)


Crollo del ponte sospeso Tacoma Narrows

Introduzione

La mattina del 7 novembre 1940 il ponte di Tacoma crollò abbattuto dal vento sostenuto che soffiava attraverso Puget Sound (Washington, Stati Uniti). All'epoca nessuno si preoccupò di studiare in modo approfondito le interazioni delle forze aerodinamiche tanto disastrose per i ponti sospesi flessibili e leggeri, semplicemente si riteneva che tali azioni non avrebbero intaccato una struttura di dimensioni imponenti come il Tacoma Narrows Bridge che, con una campata centrale di ben 853 metri, era il terzo ponte sospeso più lungo al mondo. L'unico a dissentire con il progetto redatto da Leon Solomon Moisseiff (1872-1943), ingegnere civile molto esperto e stimato, fu Theodore Condron che raccomandò di rinforzare la struttura, rimase inascoltato. Dopo il crollo la Federal Works Agency stabilì una commissione d'indagine con tecnici molto qualificati quali Othmar Hermann Ammann (1879-1965) e Theodore von Kármán (1881-1963) che scagionò il progettista, osservando che, se le pecche del ponte erano ovvie a uno sguardo retrospettivo, il progetto rispondeva a ogni criterio accettabile nella pratica.

Caratteristiche del ponte Tacoma Narrows

Progettista: Leon Solomon Moisseiff
Tipologia: ponte sospeso
Campata centrale: 853 metri
Materiali: acciaio e calcestruzzo
Snellezza longitudinale: 1/355
Snellezza laterale: 1/72
Data di apertura: 1/7/1940
Data del crollo: 7/11/1940

La flessibilità del Tacoma Narrows Bridge

La concezione strutturale del ponte di Tacoma si basava sull'ipotesi che il sostegno dei carichi dovesse essere affidato ai cavi e che la travata, flessibile e leggera, avrebbe dovuto solo assorbire le deformazioni dell'impalcato stesso. In pratica non venivano poste limitazioni alla deformabilità del ponte, difatti il rapporto tra l'altezza della sezione trasversale dell'impalcato (h=2.4 m) e la luce massima del ponte (L=853 m), la cosiddetta snellezza longitudinale (h/L), era molto piccola pari a 1/355; l'analoga snellezza laterale (b/L), rapporto tra la larghezza della sezione trasversale dell'impalcato (b=11.9 m) e la luce massima del ponte (L=853 m), era altrettanto piccola pari a 1/72, valori assolutamente proibitivi.

In sintesi il ponte era troppo deformabile a flessione e a torsione e per lo più molto leggero, di conseguenza era molto sensibile all'azione del vento, pertanto anche se era stato progettato correttamente dal punto di vista statico, non si era tenuto conto degli effetti (aero)dinamici.

Non è difficile capire fisicamente perché campate deboli in torsione siano soggette a movimenti torsionali. Poiché il vento non è mai perfettamente orizzontale, esso può iniziare a colpire l'impalcato, per esempio, dal basso, sollevando leggermente il lato sopravvento e abbassando il lato sottovento (fig. 7.6a). L'impalcato reagisce a questa deformazione ruotando all'indietro, abbassando il lato sopravvento e alzando il lato sottovento. Ora il vento colpisce l'impalcato dal di sopra, spinge in basso il lato sopravvento e alza il lato sottovento (fig. 7.6b). La struttura reagisce torcendosi all'indietro, ricominciando così il ciclo, e le oscillazioni crescono progressivamente in ampiezza fino alla rottura. Come vedremo, queste non sono oscillazioni risonanti, poiché un vento costante non ha un periodo e quindi non può essere in risonanza con le oscillazioni torsionali dell'impalcato (cit. Matthys Levy, Mario Salvadori, Perché gli edifici cadono, Bompiani).


Immagine tratta dal libro Perché gli edifici cadono di Matthys Levy e Mario Salvadori

Le cause del crollo: l'instabilità aeroelastica

A distruggere il ponte furono le oscillazioni torsionali amplificate, non da un fenomeno di risonanza, come erroneamente descritto su alcuni testi di fisica, ma nella realtà si instaurò una oscillazione aeroelastica autoeccitata, ovvero si verificò una instabilità aeroelastica.

La risonanza è un fenomeno fisico che si manifesta quando la frequenza della forza eccitante è uguale a una delle frequenze naturali* del sistema meccanico oscillante (*un sistema meccanico ha infinite frequenze proprie di oscillazione), in altri termini il fenomeno della risonanza è tale per cui una forza periodica anche debole (detta forzante) può produrre sollecitazioni e vibrazioni amplificate su un corpo che oscilli con la medesima frequenza della forzante, allo stesso modo in cui imprimendo al momento opportuno una piccola spinta ad un'altalena riusciamo ad aumentarne di molto l'ampiezza delle oscillazioni.

Il crollo del ponte avvenne alcune ore dopo che il processo vibrazionale si era instaurato, indotto da un vento praticamente costante dell'ordine di 65-68 Km/h e in assenza di raffiche forti ed improvvise, dunque viene a mancare la periodicità della forza eccitante, ovvero viene meno una condizione necessaria per l'instaurarsi della risonanza, d'altronde è inverosimile immaginare le raffiche di vento come una forza perfettamente periodica nel tempo e per lo più con una frequenza esattamente uguale a una delle frequenze proprie del ponte.

Nel caso in oggetto il vento può essere modellato matematicamente come un fluido avente velocità media costante e con piccole fluttuazioni nel tempo.

A causare il crollo del ponte, come dimostrano diversi studi, fu l'instabilità aeroelastica dovuta al fenomeno del flutter, più precisamente si verificò uno stall flutter (flutter di stallo) causato dalla separazione della corrente fluida, questo fenomeno è noto anche come flutter non classico, così chiamato perché in esso il ruolo della viscosità del fluido (vento) non è trascurabile e inoltre l'accoppiamento dinamico di più gradi di libertà della struttura non è una condizione necessaria al verificarsi dell'instabilità.

Questi fenomeni sono ben noti nell'ingegneria aerospaziale e aeronautica, ma va precisato che i fenomeni aeroelastici nell'ingegneria civile per quanto concettualmente vicini a quelli dell'ingegneria aerospaziale e aeronautica si differenziano per la diversa scala del fenomeno e per il più complesso campo aerodinamico, infatti la sezione del piano stradale di un ponte è molto diversa da quella di un profilo alare, in conseguenza di ciò il flusso contiene ampie zone separate (correnti staccate, turbolente e rotazionali) e pertanto le simulazioni in galleria del vento si rendono necessarie, in quanto la modellazione matematica non è attualmente in grado di cogliere tutti gli aspetti del fenomeno.

L'instabilità aeroelastica determinò il crollo del ponte Tacoma Narrows: il vento di velocità ragguardevole, i cui effetti statici erano tuttavia ampiamente previsti e tollerabili, ha soffiato per alcune ore, inducendo nella campata centrale oscillazioni torsionali di ampiezza inesorabilmente crescente. La rotazione torsionale dell'impalcato ha raggiunto angoli superiori ai 45° rispetto all'orizzontale, causando a un certo punto la rottura di uno dei cavi di sostegno che modificò istantaneamente la configurazione dinamica della struttura stessa, provocandone il collasso.

Uno dei primi studiosi ad interpretare il crollo del Tacoma Narrows Bridge mediante la teoria dell'instabilità aeroelastica fu Theodore von Kármán.

I fenomeni aerodinamici e aeroelastici

Prima di introdurre brevemente il fenomeno del flutter è opportuno distinguere i fenomeni di interazione vento-struttura in fenomeni aerodinamici e fenomeni aeroelastici con riferimento alle proprietà delle forze che risultano agire sulla struttura investita dal vento. Nei fenomeni aerodinamici la risposta della struttura pur avendo un ruolo non trascurabile nelle equazioni del moto non altera sostanzialmente la corrente sollecitante (flusso dell'aria), al contrario nei fenomeni aeroelastici il flusso dell'aria risulta completamente modificato dal moto della struttura.

Si sottolinea ulteriormente la differenza tra un fenomeno di risonanza ed uno di vibrazione autoeccitata, nel primo caso (risonanza) agisce sul sistema una forzante esterna assolutamente indipendente dal moto del sistema stesso, il quale ha peraltro più frequenze proprie, solo se la pulsante (forzante) ha una frequenza prossima ad una di queste si instaura il fenomeno della risonanza con amplificazione delle oscillazioni; nel caso delle vibrazioni autoeccitate invece, la forzante non è esterna, ma dipende dal moto del sistema, esattamente come altre forze (elastiche, inerziali, forze di attrito => smorzamento), nonché da alcuni parametri ovvero particolari valori (detti critici) i quali dividono la regione di stabilità, nella quale il moto si smorza, da quella di instabilità in cui il moto si amplifica. Corrispondentemente si parla di oscillazioni forzate come risposta alle forze aerodinamiche e di oscillazioni autoeccitate in presenza di fenomeni aeroelastici.

I problemi aeroelastici nell'ambito dell'ingegneria strutturale si suddividono in due grandi categorie: i problemi di aeroelasticità statica quali la torsional divergence (divergenza torsionale), i fenomeni di inversione per azionamento di un comando (ingegneria aerospaziale) e problemi di aeroelasticità dinamica quali il lock-in (fenomeno della sincronizzazione), vortex shedding (distacco dei vortici di von Kármán), flutter, buffeting, galloping.

Nell'ambito dell'ingegneria del vento ovvero nell'ingegneria civile strutturale i fenomeni aeroelastici vengono attualmente classificati in quattro categorie:

Fenomeni di aeroelasticità dinamica nell'ingegneria civile strutturale:

1 - distacco dei vortici (vortex shedding) e fenomeni di sincronizzazione (lock-in)
2 - le oscillazioni galoppanti (galloping)
3 - il flutter e il buffeting (fenomeno dovuto alla turbolenza, vento turbolento)

Fenomeni di aeroelasticità statica nell'ingegneria civile strutturale:

4 - la divergenza torsionale (torsional divergence)

Spesso è estremamente arduo, se non impossibile, individuare il limite di separazione tra i fenomeni aerodinamici e aeroelastici (i quali non sono completamente compresi e teorizzati) perché si influenzano a vicenda, il crollo del ponte di Tacoma Narrows ne è un esempio clamoroso.

Il flutter

Il fenomeno del flutter è una vibrazione aeroelastica autoeccitata che si instaura in una struttura in moto relativo rispetto a un fluido, quando si verificano particolari condizioni.

Il flutter può sempre verificarsi in ambito aeronautico, nelle strutture flessibili dell'ingegneria civile e nelle applicazioni industriali e meccaniche (sistemi rotanti, rotori di elicotteri, eliche, profili alari, turbine, palettature di turbomacchine, schiere rotoriche, instabilità d'asse di un condotto percorso da un fluido, ecc...), è legato alle variazioni delle forze aerodinamiche conseguenti al diverso orientamento che le parti della struttura, a causa delle loro stesse oscillazioni, assumono rispetto alla direzione del vento-flusso relativo.

In generale una sezione di forma generica (un impalcato di un ponte, un profilo alare, ecc...) è tale da modificare le linee di flusso della corrente fluida, generando dei disturbi distribuiti lungo la sezione stessa, e addirittura inducendo la separazione del flusso in corrispondenza di essa, fino ad innescare la formazione di vortici che defluiscono a valle dando vita ad una scia vorticosa (vortex shedding). Pertanto, quello che era un flusso irrotazionale, diviene un flusso rotazionale in corrispondenza della sezione, e conseguentemente la velocità delle particelle fluide, in prossimità della sezione, non è più tangente alla sezione in quanto si genera una componente verticale della velocità, innescando così delle vibrazioni aeroelastiche (flutter).

Va precisato che dal punto di vista aerodinamico vanno distinte (almeno) due situazioni di flutter: il flutter classico e lo stall flutter (flutter non classico).

Il flutter classico (flutter a due gradi di libertà flesso-torsionale) è caratterizzato dall'avere un flusso non separato nel retrocorpo (sezione streamline), ovvero il flusso segue il contorno del corpo stesso a causa dell'aerodinamicità/forma dei corpi coinvolti dal fenomeno (strutture alari, ponti sospesi di ultima generazione a sezione aerodinamica ottimizzata, ecc...); al contrario lo stall flutter è caratterizzato dalla separazione del flusso su una parte del corpo (correnti staccate, turbolente e rotazionali) o durante una parte del ciclo di oscillazione, in tale caso il flutter è ad un solo grado di libertà e si tratta di una instabilità torsionale dovuta alla non linearità della forza di portanza in vicinanza del fenomeno di stallo (perdita di portanza).

Premesso ciò, in generale, il fenomeno derivante da una vibrazione aeroelastica autoeccitata è caratterizzato da una precisa frequenza e può essere di tipo stabile (regione di stabilità) cioè che tende a smorzarsi o di tipo instabile (regione di instabilità, cioè con ampiezze che tendono ad amplificarsi, si parla di: instabilità aeroelastica, instabilità non euleriana, le oscillazioni autoeccitate divergono => divergenza delle sollecitazioni => collasso strutturale).

In generale esistono dei parametri, (fondamentale è la velocità del fluido nel moto relativo della struttura) la cui variazione continua permette di passare dai campi di valori per cui la risposta decade a quelli per cui essa si amplifica, in corrispondenza dei valori critici la risposta mantiene ampiezza costante nel tempo, indice del fatto che i moti elastici della struttura generano esattamente le forze aerodinamiche necessarie a sostenerli. Questa situazione limite costituisce il confine inferiore di tutti i fenomeni di instabilità dinamica compresi entro la generica denominazione di flutter, a rigore il termine flutter andrebbe utilizzato per la sola situazione limite, indicando con post-flutter i fenomeni che si svolgono nella regione instabile, è tuttavia comune utilizzare la dizione flutter nell'accezione più ampia, considerando che le manifestazioni di flutter sono assai molteplici.

Il flutter (nell'accezione più ampia) configura una risposta oscillatoria, che presenta ampiezza, velocità e accelerazione crescenti nel tempo, con un conseguente aumento dell'energia cinetica, tale energia è fornita dalle forze esterne, se queste sono conservative il loro lavoro viene tuttavia compiuto a spese di un potenziale ed è limitato e pertanto l'instabilità non si verifica, il flutter può quindi essere indotto solo da forze non conservative (forze aerodinamiche, vento, fluido).

Una volta innescatasi una vibrazione autoeccitata, l'energia cinetica della corrente-flusso d'aria che viene ad alimentarla è in così larga misura superiore all'energia che può essere assorbita dalla struttura da determinarne la rottura, in altri termini l'energia trasferita (estratta) dal fluido alla struttura risulta maggiore di quella dissipata e può condurre quindi al collasso della struttura se le tensioni che si raggiungono superano i valori di resistenza del materiale.

La stabilità o meno dell'oscillazione è dunque normalmente funzione della velocità relativa vento-struttura ed è quindi possibile definire dei valori critici della velocità, raggiunti i quali il flutter assume estrema pericolosità, è da tener presente che l'instabilità può verificarsi anche per una velocità critica relativamente bassa se la sezione della struttura è tale da favorire questo tipo di fenomenologia, tramite la formazione e il distacco dei vortici di von Kármán (vortex shedding) che innescano-amplificano le oscillazioni.

E' possibile prevenire l'instabilità aeroelastica mediante: una elevata rigidezza strutturale specie a torsione, posizionando opportunamente l'asse elastico e quello baricentrico nelle varie sezioni della struttura, un rigoroso bilanciamento delle superfici, oltre che con prove sperimentali sulle strutture nella galleria del vento a strato limite sviluppato e con sofisticati calcoli matematici e simulazioni numeriche.

L'analisi aeroelastica: il flutter

L'analisi aeroelastica si occupa dello studio dei fenomeni derivanti dall'interazione tra le forze elastomeccaniche strutturali e quelle aerodinamiche, trattasi pertanto di problemi accoppiati, classificabili, in generale e a tutto rigore, nell'ambito delle interazioni fluido-struttura (FSI: Fluid-Structure Interaction).

Nel caso in oggetto, il ponte sospeso rappresenta un sistema dinamico (sistema aeroelastico) costituito da due sotto-sistemi anch'essi dinamici, quello strutturale e quello aerodinamico, tra di loro strettamente dipendenti (interazione aeroelastica). Ciascun componente rappresenta un sistema a sé, con proprie caratteristiche dinamiche, propri modelli e tecniche di analisi.

Tra le diverse classi di problemi affrontabili, quello più importante, di vitale importanza per i ponti sospesi, è proprio lo studio del flutter. Nell'ambito dell'ingegneria civile strutturale sono state sviluppate, nel corso degli anni, svariate tecniche analitiche e modelli specifici per lo studio del flutter in ponti sospesi e ponti strallati di grande luce.

In generale lo studio del flutter può essere ricondotto allo studio della stabilità di un opportuno sistema lineare (o meglio linearizzato *), difatti lo studio classico del flutter (teoria del potenziale, fluido considerato ideale, si trascura la viscosità e la conduzione termica) valuta la stabilità in piccolo del sistema aeroelastico linearizzato tempo-invariante. La modellazione strutturale si basa sull'assunzione di comportamento elastico lineare con piccole deformazioni e nell'ipotesi che le forze aerodinamiche siano linearizzabili (*) e sulla rappresentazione modale attraverso un insieme discreto di modi propri tali da permettere di rappresentare correttamente la struttura oggetto di studio. In tal caso la dinamica strutturale è rappresentata da matrici (diagonali) generalizzate di massa, rigidezza, smorzamento e da un termine aerodinamico.

L'analisi del flutter, come altri problemi di stabilità, rappresenta dal punto di vista strettamente matematico lo studio degli autovalori del sistema, interessa valutare come il sistema strutturale si instabilizza per effetto dell'interazione con il sistema aerodinamico. Al di sotto della velocità di flutter tutti gli autovalori presentano parte reale negativa, cioè il sistema risulta asintoticamente stabile (regione di stabilità), ovvero qualsiasi perturbazione, a partire dalla condizione di equilibrio, col tempo si smorza e il sistema ritorna nella configurazione iniziale; al contrario, la condizione critica (che individua la velocità di flutter) è stabilita nel momento in cui un autovalore risulta avere parte reale nulla, con conseguente annullamento dello smorzamento del sistema e quindi amplificazione esponenziale delle oscillazioni.

Spesso la risoluzione del sistema presenta problematiche (a causa del termine aerodinamico) superabili attraverso trasformazioni analitiche ad hoc.

 

* L'analisi linearizzata contiene delle ipotesi semplificatrici alla base, specie per il termine aerodinamico, sede di non-linearità, queste sono appunto linearizzate in seguito all'ipotesi di piccoli spostamenti strutturali in modo da arrivare ad un operatore aerodinamico lineare. Tuttavia in alcuni casi di interesse ingegneristico queste assunzioni non sono lecite e il problema si complica notevolmente. In tutti i casi in cui non è lecito eseguire un'analisi linearizzata, i metodi classici basati sulla teoria del potenziale possono fornire dei risultati grossolanamente approssimati, per cui diviene necessario utilizzare modelli fluidodinamici più accurati che permettano la risoluzione completa del campo di moto attraverso le equazioni di Navier-Stokes.

Il calcolo delle forze aerodinamiche e i problemi di stabilità aeroelasticità richiedono quindi l'impiego di metodologie numeriche appartenenti alla classe della modellistica fisico-matematica e del calcolo scientifico, in particolare della fluidodinamica computazionale CFD e codici di calcolo FEM. Software recenti, sono in grado di risolvere problemi completi di FSI. Va altresì precisato che i metodi analitici e numerici, quali la CFD, forniscono risultati che, nel caso di flussi turbolenti intorno a corpi di geometria complessa, sono poco affidabili e pertanto scarsamente indicativi del campo di moto e di pressioni che effettivamente si genera sulla struttura nella realtà, per questo motivo è spesso necessario utilizzare i risultati provenienti da una sperimentazione su modelli (in scala opportuna) studiati in galleria del vento a strato limite sviluppato, ovvero particolari gallerie del vento in grado di riprodurre lo strato limite atmosferico nel quale la struttura si trova immersa nella realtà.

Le conclusioni

Nel drammatico crollo non ci furono per fortuna danni a persone o feriti, l'unica vittima fu il cane Tubby bloccato nell'auto destinata a precipitare nel fiume.

Per i successivi venticinque anni non si costruirono più ponti sospesi puri ovvero senza travate di rinforzo irrigidenti. L'effetto che tale crollo ebbe nel mondo accademico e professionale fu enorme, grazie al fatto che l'intero evento fu filmato fin dal suo inizio e l'interpretazione delle cause innescanti il crollo si è arricchita negli anni grazie agli innumerevoli studi svolti.

Oggi i fenomeni aerodinamici e aeroelastici sono ben documentati e studiati, e nell'ambito dell'ingegneria civile sono attivi corsi universitari quali: dinamica delle strutture, ingegneria del vento, aeroelasticità delle strutture, aerodinamica applicata, discipline che si occupano in modo approfondito dell'interazione vento-struttura.

Mediante lo studio di modelli matematici complessi e successive simulazioni nella galleria del vento a strato limite sviluppato è possibile prevedere con sufficiente approssimazione il comportamento reale della struttura in condizioni estreme. Grazie a questi studi è stato possibile costruire, in sicurezza, il ponte sospeso Akashi Kaikyo (Giappone) attualmente il più lungo al mondo, con una campata centrale di ben 1991 metri, aperto al traffico nel 1998. Nel 20XX è previsto l'inizio della costruzione del ponte sullo stretto di Messina, con una campata centrale di circa 3300 metri, sarà il ponte sospeso più lungo al mondo, di dimensioni spaventose al limite delle possibilità ingegneristiche attuali, questo progetto per la sua complessità ha coinvolto migliaia di ingegneri e numerosi centri di ricerca.

Il ponte sembrava essere tra quelle cose che durano per sempre; era impensabile che potesse crollare. Thornton Wilder

 

 

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Io esorto a studiare matematica pur chi si accinga a divenire avvocato o economista, filosofo o letterato; perché io credo e spero che non gli sarà inutile saper bene ragionare e chiaramente esporre. Alessandro Padoa

 

 

La modellistica fisico-matematica, le simulazioni numeriche e il calcolo scientifico
(A cura di Gabriele Martufi)

La modellistica fisico-matematica, ovvero il processo che mira a descrivere in termini matematici alcuni aspetti fisici del mondo, rappresenta oggi una colonna portante nelle scienze e nell'ingegneria, a completamento dell'analisi teorica e di quella sperimentale.


Immagine tratta dalla pubblicazione Calcoli di processo dell'ingegneria chimica. Introduzione al calcolo numerico a cura di
DAVIDE MANCA

ALFIO QUARTERONI matematico italiano (laurea honoris causa in ingegneria navale), tra i massimi esperti in ambito mondiale di modellistica, simulazione e calcolo numerico, evidenzia:

«Come avviene anche in altri settori di ricerca, la modellistica di per sé non è un'attività esclusivamente scientifica, anche se, naturalmente vi sono concetti universali che essa deve riprodurre, quali ad esempio la conservazione di massa e energia di un fluido, del momento d'inerzia di una struttura,..., vi è in effetti anche una componente artistica dietro una simulazione di successo, che deriva dal sapere quali domande ha senso porre, quale livello di dettaglio ha senso mettere nelle diverse componenti del modello, quali semplificazioni apportare in modo da favorire una sua integrazione con modelli diversi. In molti settori industriali e dell'ingegneria la modellistica matematica è ormai di uso consolidato. La straordinaria complessità delle applicazioni ingegneristiche/industriali ha spronato i matematici a riconsiderare il loro approccio: non più la scienza e l'ingegneria vanno verso l'analisi numerica, ma piuttosto gli analisti numerici vanno verso la scienza e l'ingegneria, ovvero pongono al centro della scena il problema in quanto tale e cercano di sviluppare modelli e algoritmi efficienti ed accurati. Questo cambio di paradigma ha determinato l'avvento del calcolo scientifico, ovvero della disciplina che consente di tradurre un modello matematico (risolubile in forma esplicita solo in rarissime situazioni) in algoritmi che possono essere implementati su calcolatori di straordinaria potenza. L'obiettivo della ricerca in analisi numerica e nel calcolo scientifico è la costruzione di algoritmi migliori per una simulazione efficace ed accurata (nei limiti della tolleranza prescritta) e per l'ottimizzazione di problemi di interesse reale che si incontrano nelle scienze e nell'ingegneria. In molte aree applicative, non solo la velocità del computer, ma anche l'efficienza degli algoritmi costituisce un fattore cruciale, per la fattibilità di risoluzione di un problema ingegneristico. La matematica non è solo un linguaggio, essa aggiunge valore: approfondimento della conoscenza, progettazione di algoritmi efficienti, ricerca di soluzioni ottimali. I modelli matematici se accuratamente sviluppati, possono offrire nuove possibilità per dominare la complessità ed esplorare nuove soluzioni, essi si ottengono spesso via astrazione, l'innovazione richiede flessibilità, la flessibilità richiede astrazione, il linguaggio dell'astrazione è la matematica».


Immagine tratta dalla pubblicazione Modellistica matematica per la simulazione, la progettazione e l'innovazione a cura di
ALFIO QUARTERONI

Note. La fluidodinamica computazionale (CFD - Computational Fluid Dynamics). Cenni storici

La conoscenza dettagliata del regime di moto del fluido che fluisce all'interno di un particolare dominio, sia esso l'interno di un condotto, di un dispositivo, lo spazio attorno una vettura, un ambiente, un grattacielo, un ponte sospeso,..., è spesso difficile da raggiungere.

Esistono fondamentalmente tre strade per affrontare il problema: la via analitica, quella sperimentale e quella computazionale.

L'approccio analitico risulta non praticabile nella maggior parte dei casi reali, dal momento che le geometrie sono troppo complicate per permettere la scrittura di equazioni differenziali risolvibili in forma chiusa.

L'analisi sperimentale di problemi di fluidodinamica locale in geometrie complesse presenta il principale limite di essere molto onerosa: necessita infatti, lo sviluppo di un prototipo (spesso in scala opportuna) e di un banco di prova strumentato o di una galleria del vento (nell'ambito dell'ingegneria del vento si utilizzano particolari gallerie del vento a strato limite sviluppato, che consentono di riprodurre e simulare, in modo adeguato, le condizioni reali).

L'approccio computazionale, ovvero la CFD, permette di simulare in maniera accurata e dettagliata il regime di moto di un fluido che fluisce all'intermo di un particolare dominio, attraverso la risoluzione numerica in forma discretizzata delle equazioni di Eulero o di Navier-Stokes (sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali), utilizzando sovente il metodo degli elementi finiti, delle differenze finite, dei volumi finiti o altre tecniche numeriche, la risoluzione numerica di tali equazioni consente di ottenere i valori di velocità e delle pressioni in ogni punto del dominio attraversato dal fluido.

Oggi la CFD viene usata per comprendere meglio la fisica dei fluidi ma fornisce anche un contributo irrinunciabile alla progettazione in numerosi ambiti ingegneristici/industriali.

Curioso e interessante evidenziare come la CFD, scienza computazionale per eccellenza che fa uso del calcolo scientifico per risolvere problemi governati da fluidi, sia nata ben prima dell'avvento dei computer. Negli anni '20 infatti, Lewis Fry Richardson (1881-1953), un inventore e matematico, il cui nome ricompare di tanto in tanto nella storia dei sistemi dinamici applicati, pubblicò Weather Prediction by Numerical Process, la relazione di un glorioso insuccesso: tentò di usare la matematica (differenze finite) nella previsione del tempo. Verso la fine del libro descrisse una visione fantastica, la Fabbrica del tempo. Immaginò un esercito sterminato di persone, ospitate in un grande edificio e sedute dinanzi a calcolatrici da tavolo che avevano l'aspetto di un registratore di cassa con una manovella laterale, le leve scorrevoli permettevano all'utente di impostare i numeri dell'operazione, e la manovella veniva ruotata una volta per la somma e più volte per la moltiplicazione, per sottrarre la si ruotava all'indietro, e la divisione veniva eseguita per mezzo di ripetute sottrazioni. Un matematico su un podio centrale dirigeva il loro lavoro, ed essi comunicavano fra loro per mezzo del telegrafo, di luci lampeggianti e di tubi pneumatici! Richardson stimò che occorressero 64000 persone per predire i fenomeni meteorologici in tempo reale. Questo scienziato, inventò il concetto di calcolo parallelo con molti decenni di anticipo!

La storia della fluidodinamica computazionale, così come quella delle altre scienze computazionali, procede parallelamente all'evoluzione dei computer. Gli anni '60 e '70 sono quelli dell'infanzia, la CFD interessava nicchie di ricercatori: ingegneri, fisici e matematici che formulavano le basi della nuova scienza computazionale applicando i metodi dell'analisi numerica alle equazioni della fluidodinamica. Gli anni '80 e i primi anni '90 rappresentano gli anni della grande crescita, quel periodo vede un grande investimento in ricerca e sviluppo, sia negli Stati Uniti che in Europa. Sono gli anni in cui vengono sviluppati i più moderni metodi numerici e i più realistici modelli di turbolenza, sia gli uni che gli altri tuttora in uso, infatti l'ultimo decennio non ha registrato particolari novità. Anche nel campo della generazione delle griglie computazionali (fondamentale requisito per una efficace applicazione dei metodi di calcolo) le attività di ricerca e sviluppo dedicate ai metodi non strutturati e adattivi (metodi adattativi) non hanno in fondo soddisfatto le aspettative: generare buone griglie nei casi di reale interesse applicativo, molto complessi dal punto di vista geometrico, continua oggi a rimanere un'attività molto difficile e molto dispendiosa in termini di tempo, e per la quale ancora non esiste il metodo ottimale. La seconda parte degli anni '90 e i primi anni di questo terzo millennio hanno comunque consacrato definitivamente la CFD, e la simulazione in generale, come uno strumento di analisi ingegneristica di pari rango rispetto alla sperimentazione: in fluidodinamica, la cosiddetta galleria del vento numerica (galleria del vento virtuale) è complementare (in alcuni casi addirittura sostitutiva) alle reali gallerie del vento.

Note. Il metodo degli elementi finiti (FEM - Finite Element Method). Cenni storici

La realtà è pluridimensionale, questa affermazione è, in sostanza, il motivo dell'interesse a sviluppare modelli matematici su equazioni a derivate parziali. Spesso anche un modello che utilizza equazioni differenziali ordinarie è il risultato di una semplificazione di un modello originariamente formulato in più variabili. Nella riduzione del modello si utilizzano solitamente ipotesi che riguardano la geometria (esistenza di simmetrie o di dimensioni trascurabili rispetto ad altre) oppure lo stato di un sistema (tipicamente il passaggio allo stato stazionario) o ancora la natura di un corpo (isotropia, omogeneità). A volte queste ipotesi permettono un'utile semplificazione del modello, ma questa non può essere la situazione generale. Per determinati obiettivi la forma particolare di un corpo, la sua composizione eterogenea e/o la presenza di stati transitori non possono essere trascurati senza che il modello perda di utilità. Di conseguenza si ha un aumento nel modello del numero delle dimensioni spaziali e/o l'introduzione di una variabile tempo. Il modello cresce di complessità, ma in corrispondenza (almeno questa è la speranza!) aumenta la sua capacità di rappresentare un fenomeno reale (cit. Valeriano Comincioli, Analisi numerica, metodi modelli applicazioni, McGraw-Hill, 1995).

Mediante l'impiego di equazioni differenziali è possibile descrivere il comportamento di problemi di varia natura: la risoluzione di equazioni riguardanti la teoria dell'elasticità permette, ad esempio, di studiare il comportamento di un corpo solido sotto l'influenza di carichi diversi e di calcolarne pertanto deformazioni, spostamenti e sollecitazioni (problema elastico), più in generale la risoluzione delle equazioni della fisica-matematica (l'equazione del calore, l'equazione di Laplace, l'equazione delle onde,...) consentono la soluzione dei più svariati problemi applicativi così come la risoluzione delle equazioni di Eulero o Navier-Stokes ci consentono di descrivere il comportamento dei fluidi, le equazioni di Maxwell costituiscono un'utile rappresentazione matematica dei campi elettromagnetici e così di seguito per altri problemi.
Nei casi semplici la risoluzione delle equazioni differenziali può essere fatta analiticamente ma, nel caso di sistemi più complessi di interesse applicativo/ingegneristico, che normalmente si riscontrano nella pratica ciò diviene impossibile. Per tale motivo gli approcci matematici che permettono di impiegare una approssimazione numerica risultano i più indicati. Tra questi, uno dei metodi numerici che si è dimostrato particolarmente efficace è il metodo degli elementi finiti abbreviato con FEM (Finite Element Method).

Il FEM è un metodo numerico (pertanto approssimato) che permette la risoluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali. Il metodo degli elementi finiti consiste nella discretizzazione di un assegnato dominio in elementi fra loro connessi in un numero finito di punti, vertici degli elementi chiamati nodi, in corrispondenza dei quali sono valutate le componenti di spostamenti incognite primarie del problema (nel caso del problema elastico). Lo stato tensionale e deformativo (problema elastico) all'interno del singolo elemento é ottenuto sulla base dei valori dei parametri nodali attraverso l'uso di opportune funzioni di forma. La scelta di tali funzioni, come pure del tipo di mesh con cui discretizzare il dominio è di importanza cruciale per una corretta convergenza della soluzione.
Le origini del FEM. Una prima idea che si avvicina al metodo di calcolo per elementi finiti era già comparsa nella Grecia antica: Eudosso di Cnido (408-355 a.C.) introdusse il metodo di esaustione ovvero un approccio matematico semplificato per calcolare aree e volumi relativi a superfici curve. L'idea di Eudosso è di approssimare queste figure mediante poligoni (semi)regolari, sia dall'interno che dall'esterno, l'area della figura curvilinea sarà compresa fra queste approssimazioni, e se queste tendono ad un limite comune, l'area della figura coinciderà con questo limite. Successivamente Archimede di Siracusa (287-212 a.C.) generalizzò il metodo di esaustione per calcolare aree e volumi, egli applicò il metodo al cerchio calcolando che pi-greco è compreso tra 3+(10/71) e 3+(10/70), poi estese il metodo alla sfera, alle superfici generate dalla rotazione di rettangoli, triangoli, parabole.
Nel XIX secolo e più precisamente nel 1851, Karl Heinrich Schellbach (1805-1892) descrive la soluzione di un problema di superficie minimale, questa soluzione sarà quella che più si avvicinerà al metodo di calcolo per elementi finiti. Più tardi, nel 1909 Walter Ritz (1878-1909) e nel 1915 Lord Rayleigh (John William Strutt) (1842-1919) pubblicheranno degli articoli che saranno il fondamento del calcolo FEM, altresì da segnalare il lavoro di Boris Grigorievich Galerkin (1871-1945) che nel 1915 pubblicò un suo metodo di integrazione approssimata delle equazioni differenziali oggi conosciuto come metodo di Galerkin (Galerkin method).
Grazie agli studi di Ritz e Rayleigh, nel corso degli anni '20 ci si rende conto che i problemi possono essere risolti più facilmente se, per descrivere lo stato degli spostamenti dei solidi, si utilizzano delle funzioni di base (funzioni di forma) e un principio variazionale. Inizialmente, tutti gli studi basati sul principio variazionale utilizzavano delle funzioni di base globali, riferite pertanto all'insieme della struttura. In seguito, il matematico Richard Courant (1888-1972) descrisse, a partire dal 1943 nella sua opera Variational methods for the solutions of problems of equilibrium and vibrations come utilizzare nella formulazione di Ritz delle funzioni di base con supporti locali e come il calcolo FEM possa essere eseguito a partire da questo principio.
Va altresì precisato che le idee di Courant si basavano sulle riflessioni del matematico Leonhard Euler (1707-1783) il quale, a sua volta, partendo dai lavori di Pierre De Fermat (1601-1665), Jakob Bernoulli (1655-1705) e Johann Bernoulli (1707-1783) ha sviluppato il calcolo variazionale, ed ha formulato nel 1743, il Principio del più piccolo effetto e ha aperto la via al calcolo FEM con la sua opera fondamentale Methodus inveniendi lineas curvas maximi minimive proprietate gaudentes sive solutio problematis isoperimetrici latissimo sensu accepti.

In sintesi l'idea di Ritz e Courant fu quella di descrivere il comportamento globale di un sistema complesso unendo più funzioni parametriche semplici ciascuna delle quali rappresentativa di una parte del sistema stesso. Partendo da questo concetto, la risoluzione di equazioni differenziali altro non è che la risoluzione delle incognite di un sistema di equazioni algebriche più semplici. Le incognite da calcolare sono, a seconda della situazione/applicazione, uno spostamento, una temperatura, un potenziale magnetico,..., per delle strutture complesse i sistemi di equazioni algebriche possono diventare enormi con un numero di incognite da calcolare che può andare da qualche migliaia fino a diversi milioni! Pertanto il lavoro di Courant, non aveva all'epoca nessuna applicazione pratica in quanto l'impiego di funzioni di base, una per ciascun elemento della formulazione FEM, porta ad un sistema di equazioni contenenti un numero enorme di incognite che risultava impossibile da risolvere senza un calcolatore elettronico. Dunque, non sorprende il fatto che il calcolo FEM si sia potuto sviluppare solamente quando i computer hanno raggiunto una adeguata potenza di calcolo.
All'inizio degli anni '60 comparvero i computer necessari ad effettuare tali calcoli e quindi i concetti di Courant poterono essere applicati. I primi lavori in questo campo sono dovuti a John H. Argyris (1913-2004) (dell'Imperial College di Londra poi passato all'Università di Stoccarda a partire dal 1959) e a Olgierd Cecil Zienkiewicz (1921). L'opera di Zienkiewicz è considerata come la prima monografia ingegneristica nel campo del calcolo per elementi finiti e si diffuse rapidamente nelle applicazioni delle scienze ingegneristiche, è anche doveroso ricordare altri matematici e ingegneri che hanno dato dei contributi importanti quali: A. Hrennikoff (Solutions of problems in elasticity by the framework method, 1941), D. McHenry (A lattice analogy for the solution of plane stress problems, 1943), Rudolf Zurmühl (1904-1966), Karl Marguerre (1906-1979), Eduard Pestel (1914-1988), Richard H. Gallagher (1928-1997).
Parallelamente agli studi di Argyris (Energy theorems and structural analysis, 1960) e Zienkiewicz (The FEM in structural and continuum mechanics, 1967) dal 1956 fino agli anni '70 un contributo fondamentale è opera dei ricercatori Edward L. Wilson, Ray W. Clough (Raymond Clough), Klaus-Jurgen Bathe dell'University of California (Berkeley).
Il metodo di calcolo per elementi finiti diviene una formulazione generale nell'ambito della meccanica delle strutture nel 1956 quando viene utilizzato con successo nella Boeing Airplane Company da  M. J. Turner, Ray W. Clough, Harold C. Martin e L. P. Topp per la risoluzione di problemi complessi di ingegneria strutturale aeronautica che pubblicano Stiffness and deflection of complex structures.
La denominazione il metodo degli elementi finiti è utilizzata nel 1957 per la prima volta proprio dall'ingegnere Ray W. Clough che, in seguito, nel 1960 pubblica The Finite Element Method (FEM) in plane stress analysis, coniando universalmente la denominazione Finite Element Method (FEM).
L'ingegnere civile strutturista Edward L. Wilson fu il primo a migliorare la chiarezza del calcolo strutturale attraverso l'apporto della notazione matriciale, estendendo successivamente tale metodo di calcolo, nell'ambito dell'industria e nell'ingegneria aeronautica. La notazione matriciale diventa infatti necessaria, per affrontare un problema, quando si lavora con delle strutture complesse che richiedono dei sistemi di equazioni con numerosi gradi di libertà. I sistemi di equazioni con molti gradi di libertà (indicativamente con più di 10 gradi di libertà nel caso in cui il calcolo sia fatto manualmente) non poterono essere risolti in un arco di tempo ragionevole fino agli anni '50. La necessità di studiare delle strutture in griglia che implicassero 50 o più gradi di libertà si è fatta sentire soprattutto nell'industria aeronautica e parallelamente nell'ingegneria civile strutturale, ma la possibilità di risolvere questo genere di problemi è divenuta possibile solamente con l'introduzione dei primi calcolatori.
Nel 1963 Wilson e Clough sviluppano il SMIS (Symbolic Matrix Interpretive System) un software, basato sull'analisi matriciale delle strutture, per analisi strutturali statiche e dinamiche. Successivamente con l'avvento del linguaggio di programmazione FORTRAN, nel 1969 Wilson inizia lo sviluppo del SAP (Structural Analysis Program) e nel 1973 è disponile il SAP IV il primo programma di calcolo strutturale distribuito su scala mondiale, è iniziata l'era dei software di calcolo strutturale.
Negli anni '70, i calcoli FEM erano effettuati unicamente in grandi aziende, università o in centri di calcolo da personale altamente specializzato (NASA, BOEING, IBM, COMPUTERS AND STRUCTURES INC. BERKELEY). A quel tempo i programmi disponibili richiedevano per il loro funzionamento delle macchine enormi (mainframes), che solo poche società potevano permettersi e i risultati venivano stampati su migliaia di fogli e dovevano poi essere analizzati.
Oggigiorno, avendo a disposizione computer decisamente più potenti che in passato, si possono elaborare modelli più complessi in minor tempo, grazie inoltre alle interfacce grafiche ora disponibili, si può preparare un modello e ottenerne i risultati con un decimo del budget necessario in passato.

Poiché la fase di modellizzazione resta ancora la fase più lunga e delicata del metodo di calcolo, si cerca, sempre più spesso, di partire direttamente da modelli geometrici prodotti attraverso CAD (Computer Aided Design).

Il metodo degli elementi finiti è attualmente uno strumento potente e disponibile a dai costi ragionevoli. Il tempo di modellizzazione è ormai considerevolmente ridotto in quanto anche l'utilizzo dei programmi di calcolo è divenuto estremamente agevole. Va altresì evidenziato che anche se il calcolo FEM è diventato sempre più accessibile con la disponibilità sempre più di software user friendly, la conoscenza delle teorie che ne stanno alla base, la conoscenza dei suoi limiti di applicabilità, l'interpretazione dei risultati, continuano ad essere e sono di competenza dell'analista numerico esperto. Ciò è ancor più vero oggi che in passato, in quanto il calcolo FEM non sostituisce le conoscenze tecniche dell'ingegnere e nemmeno la sua padronanza della fisica, il calcolo FEM è solo uno strumento e pertanto risulta veramente efficace solo quando è impiegato da personale altamente qualificato e con esperienza.

Oggi nell'industria, grazie al metodo di calcolo per elementi finiti, i prodotti possono essere studiati e ottimizzati a partire dalla fase di progettazione fino alla loro effettiva realizzazione. Così facendo è possibile ridurre contemporaneamente sia il tempo di progettazione che il numero di prototipi. Il calcolo FEM permette inoltre di economizzare le risorse e di ottenere dei prodotti innovativi e di miglior qualità.

Il FEM permette oggi di rispondere a numerosi quesiti nell'ambito dell'ingegneria (civile, meccanica, navale, aerospaziale, aeronautica,...) e delle scienze, le sue applicazioni sono vastissime, solo per citarne alcune: calcolo strutturale nel campo della statica, della dinamica, della geotecnica, della meccanica, analisi termiche, analisi di componenti MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), studio della fisica dei fluidi, analisi acustiche, bioingegneria, applicazioni industriali,..., in casi in cui diversi fenomeni fisici sono associati tra loro, è il caso dei problemi accoppiati (multifisica). Alcuni dei maggiori ricercatori contemporanei: Boerje Langefors, Ivo M. Babuska, Peter Wriggers, Erwin Stein, Robert L. Taylor, Philippe G. Ciarlet.

Il matematico gioca un gioco in cui egli stesso inventa le regole. Il fisico gioca un gioco in cui le regole sono fornite dalla Natura. Ma, con il passare del tempo, diventa sempre più evidente che le regole che il matematico trova interessanti sono quelle che la Natura ha scelto. Paul Adrien Maurice Dirac

Problemi accoppiati e modellazione multifisica

Molti problemi di natura fisica che gli ingegneri devono affrontare e risolvere, coinvolgono l'interazione simultanea di due o verosimilmente più fenomeni fisici (multifisica), infatti la maggior parte dei problemi ingegneristici presentano un certo grado di interazione di vario genere, questa importante e vastissima classe di problemi vengono abitualmente denominati problemi accoppiati.

Fluidi come aria, vento, acqua,…, possono interagire con elementi strutturali tipo edifici, ponti sospesi, grattacieli, dighe, strutture offshore, componenti meccanici, aeromobili, contenitori in pressione,…, in tal caso si parla di interazione fluido-struttura (FSI - Fluid-Structure Interaction). Nell'ambito dell'ingegneria strutturale l'FSI riveste un'importanza primaria: trattasi di un vero fenomeno multi-fisico nel quale un fluido, fluendo intorno o all'interno di una struttura, causa dei cambiamenti di forma nelle pareti indotti da pressioni e/o forze di taglio, o innesca dei moti/rotazioni. In alcuni casi la FSI può essere stazionaria, ovvero le forze indotte dal fluido sono esattamente bilanciate dalle forze di reazione interne della struttura, raggiungendo una deformazione di equilibrio nel flusso stesso, ma più spesso l'FSI è un fenomeno transitorio e complesso, nel quale la deformazione della struttura è dinamica e varia nel tempo. In entrambi i casi la FSI coinvolge l'accoppiamento multi-fisico tra la meccanica dei fluidi (fluidodinamica) e quella dei solidi (teoria elastica). Va precisato che in molti casi, gli ingegneri possono assumere che, per quanto riguarda l'aspetto pratico dell'analisi, l'effetto di un sistema non si trasmetta immediatamente sugli altri, oppure che l'interazione, se pur presente, può essere trascurata all'interno di un particolare contesto/problema. Un esempio tipico è la forza esercitata dal vento su un edificio tozzo o la forza idrodinamica esercitata dal mare su una grande e imponente piattaforma offshore, in questi casi, la forza agente sulla struttura può essere calcolata assumendo questa come rigida e, conseguentemente, trascurando la sua interazione con il fluido.

Inoltre bisogna tener presente che il ruolo degli strumenti analitici tradizionali è limitato, in quanto non sono in grado di risolvere il problema accoppiato completo, pertanto gli ingegneri eseguono analisi approssimate, in alcuni casi questo conduce a sovra-dimensionamenti (pur di rimanere in sicurezza), in altri casi addirittura a progetti completamente sbagliati e pericolosi (si pensi proprio al crollo del ponte di Tacoma).

La multifisica è un settore di ricerca in piena evoluzione e numerosi e importanti centri di ricerca sono attivi nello sviluppo di metodologie teoriche, numeriche e computazionali per la soluzione di problemi accoppiati. Attualmente sono già disponibili alcuni codici di calcolo che integrano solutori FEM (per analisi strutturale), solutori  termici (per analisi di radiazione/convezione/conduzione), solutori  CFD (per analisi fluidodinamiche) e codici espliciti per simulazioni di processo e analisi di crash, in grado di affrontare/simulare i più svariati problemi di multifisica. Questi software avanzati e di ultima generazione, hanno la capacità di interagire e di trasferire automaticamente, per esempio nelle analisi FSI, il campo delle pressioni calcolato dal solutore CFD al solutore FEM e viceversa trasferire gli spostamenti nodali calcolati dal solutore FEM al solutore CFD, iterando fino alla convergenza della soluzione, similmente per altri problemi accoppiati, tuttavia non mancano problematiche e difficoltà numeriche e computazionali.


Immagine tratta dalla brochure Multiphysics solutionANSYS

L'universo è un'equazione differenziale. Jules Henri Poincaré

 

Riferimenti bibliografici e libri consigliati

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C. A. Brebbia, J. J. Condor, Fondamenti del metodo degli elementi finiti (per ingegneri strutturisti), CLUP, 1979

Adolfo Frabetti, Romano Passigato, Fem-Due. Prima scuola sul metodo degli elementi finiti, Pitagora, 1984

Carlo Gavarini, Dinamica delle strutture, ESA, 1989

Michele Mele, Problemi avanzati nella costruzione dei ponti, CISM, 1991

Valeriano Comincioli, Analisi numerica, metodi modelli applicazioni, McGraw-Hill, 1995

Mario P. Petrangeli, Progettazione e costruzione di ponti. Con cenni di patologia e diagnostica delle opere esistenti, CEA, 1996

Matthys Levy, Mario Salvadori, Perché gli edifici cadono, Bompiani, 1997

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Erasmo Viola, Fondamenti di dinamica e vibrazione delle strutture. Vol. 1: Sistemi discreti, Pitagora, 2001

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La matematica onora lo spirito umano. Gottfried Wilhelm Leibniz

 

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Autore e webmaster Gabriele Martufi - Ultimo aggiornamento 29/1/2014
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