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[[File:Tacoma Narrows Bridge destruction.oggogv|right|160px|thumb|Collasso strutturale da Flutter]]

[[Immagine:Try3.gif|right|160px|thumb|Instabilità strutturale]]

L''''Instabilità delle strutture''' (o '''stabilità delle strutture''') è una branca della [[Meccanica delle strutture]], e quindi della [[Scienza delle costruzioni]], che si occupa dello studio e della modellazione dei comportamenti nonlineari delle [[Struttura resistente|strutture]] legati ai fenomeni di [[Stabilità interna|instabilità]] delle relative configurazioni di [[Equilibrio statico|equilibrio]]. Il problema della stabilità è spesso associato a fenomeni di collasso strutturale, pertanto la '''teoria della stabilità delle strutture''' riveste un ruolo fondamentale in [[ingegneria strutturale]], [[ingegneria aerospaziale|aerospaziale]] e [[ingegneria nucleare|nucleare]], e in diversi problemi di [[ingegneria meccanica]] e [[ingegneria geotecnica|geotecnica]], di [[geofisica]] e di [[scienza dei materiali]].

I fenomeni di instabilità strutturale indotti da particolari azioni di [[carico strutturale|carichi]] non-[[forza conservativa|conservativi]] (p.e., prodotti dal [[vento]] e generalmente da [[fluidi]]) sono detti di '''''[[instabilità fluidodinamica|instabilità dinamica]]''''' o di '''''[[Flutter]]'''''. Per strutture soggette a [[forza conservativa|carichi (interni ed esterni) conservativi]], i fenomeni di instabilità sono anche detti di ''nonlinearità geometrica'', in quanto riconducibili al generale carattere nonlineare del legame cinematico tra i [[Deformazione#Misure di deformazione pura|descrittori interni della deformazione]] e i descrittori esterni del [[spostamento (fisicacinematica)|campo di spostamenti]] che ne rappresenta la [[Deformazione#Cambiamenti di configurazione|configurazione deformata]] di equilibrio.

Anche se tali fenomeni in teoria possono riguardare qualsiasi struttura, in presenza o meno di nonlinearità fisica del materiale di cui sono costituite, la teoria della stabilità delle strutture fa prevalente riferimento al comportamento di strutture [[Elasticità (meccanica)|elastiche]] ''snelle'', intendendo proprio come '''''snella''''' una struttura per la quale gli effetti di nonlinearità geometrica intervengono molto prima che siano sensibili gli effetti di nonlinearità materiale, che quindi sono trascurabili rappresentadone il [[Relazioni costitutive|comportamento costitutivo]] secondo il modello di [[Legge di Hooke|elasticità lineare]]. In tale accezione, la teoria della stabilità delle strutture rientra nel quadro della ''Teoria nonlineare dell'elasticità''.

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==Cenni storici==

La Teoria della stabilità elastica trova i primordi matematici nel [['700]], negli studi sulla '''''Elastica''''' di [[Eulero]] <ref> [[Eulero|Euler, L.]], 1744.</ref>, che fornisce il ''carico critico di buckling'' associato a diverse forme di inflessione della configurazione critica della trave elastica. Ricadute applicative di tale teoria si ebbero solo nel [[19esimo secolo]], con l'uso di tipologie strutturali snelle in acciaio: una versione linearizzata dell'approccio euleriano fu infatti estesa per ricavare il carico critico di diversi problemi ingegneristici, e trovò agli inizi del [[XX secolo]] nel '''''metodo dell'equilibrio indifferente''''' di [[Stepan Prokof'evič Timošenko|Timoshenko]] <ref> riassunto in ([[Stepan Prokof'evič Timošenko|Timoshenko, S.P.]], and Gere, J.M., 1961)</ref> un paradigma operativo per la stima della capacità portante di diverse tipologie strutturali, in particolare [[piastre]] e [[Guscio (struttura)|gusci cilindrici]]. Intanto, tra la fine dell'800 e gli inizi del '900, il concetto di stabilità è definito in modo rigoroso da un punto di vista matematico dai lavori di [[Henri Poincaré|Poincarè]] e [[Aleksandr Michajlovič Ljapunov|Liapunov]].

La prassi ingegneristica consolidata fu messa in dubbio nei primi decenni del XX secolo da discordanze osservate sperimentalmente e, soprattutto, da una serie di crolli di [[silos]] cilindrici progettati secondo il metodo dell'equilibrio indifferente. La dicotomia tra teoria ed esperienza fu ricondotta in un quadro unitario dalla '''''teoria della stabilità elastica''''' presentata da [[Warner T. Koiter|Koiter]] nella sua celebre tesi di dottorato <ref> [[Warner T. Koiter|Koiter, W.T.]], 1945.</ref>. Scritta in olandese durante gli anni della seconda guerra mondiale, il lavoro di Koiter rimase semisconosciuto fino alla fine degli [[anni '60]], quando fu riscoperto e tradotto in inglese. Il lavoro di Koiter, benchè ben attento agli aspetti matematici della teoria della stabilità dell'equilibrio di Liapunov, conserva il carattere ingegneristico di cogliere l'essenza dei fenomeni fisici osservati. <ref> Elishakoff, I., 2000. </ref> Tale teoria mise per la prima volta l'accento sull'influenza del comportamento ''post-critico'' ai fini della valutazione della capacità portante della struttura, sottolineando come nel caso di comportamento post-critico instabile (il caso dei cilindri caricati lungo la loro direttrice), la struttura potesse diventare fortemente ''sensibile a piccole imperfezioni iniziali'' (della geometria o della modalità di applicazione del carico), con una riduzione notevole della capacità portante rispetto al carico critico. Nel caso dei cilindri tale riduzione arrivava a produrre un carico massimo circa 10 volte inferiore al carico critico con imperfezioni di forma geometrica dell'ordine solo di un decimo dello spessore: ciò spiegava il perchè dei crolli osservati nei silos, essendo questi progettati stimando la capacità portante sulla base del solo carico critico.

La teoria di Koiter fu negli anni successivi universalmente accettata<ref> Un parere non concorde sul ruolo di Koiter è espresso in: (Villaggio, P., 2001).</ref> come la pietra miliare per lo studio dei fenomeni di instabilità delle strutture elastiche. La teoria tuttavia, ricca di risultati dal punto di vista qualitativo, era ritenuta povera da un punto di vista quantitativo nel caso di strutture in scala reale, troppo complesse da poter essere rappresentate mediante approcci manuali-analitici. Tale limite fu dimostrato falso a partire dagli [[anni '80]] mediante una serie di lavori <ref>si veda p.e.: Casciaro(Pignataro Ret a., 1982) e (Casciaro et al., 1991,1992). </ref> che collocarono, con sufficiente accuratezza, la teoria di Koiter in un contesto di analisi numerica ad [[elementi finiti]], e pertanto estendendola potenzialmente a qualsiasi tipologia strutturale.

== La teoria della stabilità di Koiter ==

{{cassetto

|titolo=''Notazioni e simbologia''

Per strutture soggette a [[forza conservativa|carichi conservativi]] crescenti linearmente con un parametro <math> \lambda </math> (<math>p[\lambda]=\lambda \hat{p} </math>), caratterizzate da un'[[Continuo di Cauchy#Materiali elastici ed iperelastici|energia di deformazione]] <math>\Phi[u]</math> (dove <math>u </math> rappresenta il [[Campo (matematica)|campo]] di [[Spostamento (fisica)|spostamenti]] compatibile con i vincoli cinematici interni ed esterni della struttura) e da un [[Energia potenziale|potenziale dei carichi]] <math>p[\lambda] u </math>, le configurazioni di equilibrio sono caratterizzate dalla [[Calcolo delle variazioni|condizione di stazionarietà]] della [[Energia potenziale|energia potenziale]] totale

|colore=#ABCDEF

|larghezza=350px

|allineamento=destra

|testo=

*<math>u</math> : campo di spostamenti;

*<math>\lambda</math> : parametro amplificativo del carico;

*<math>(.)'\delta u</math>: [[Derivata funzionale|derivata di Frèchet]] rispetto al campo <math>u</math>

*<math>\hat{(.)}</math>: [[derivata]] rispetto al parametro <math>\lambda</math>

*<math>\Pi[u,\lambda]</math> : [[funzionale]] dell'energia potenziale totale;

*<math>\Pi'\delta u</math> : [[Derivata funzionale|variazione prima]] del funzionale <math>\Pi[u,\lambda]</math>;

*<math>\Pi''\dot{v} \delta u</math> : [[Derivata funzionale|variazione seconda]] del funzionale <math>\Pi[u,\lambda]</math>;

*<math>\Pi ^{n}\dot{v}^n \delta u</math> : [[Derivata funzionale|variazione n-esima]] del funzionale <math>\Pi[u,\lambda]</math>;

}}

Per strutture soggette a [[forza conservativa|carichi conservativi]] crescenti linearmente con un parametro <math> \lambda </math> (<math>p[\lambda]=\lambda \hat{p} </math>), caratterizzate da un'[[Continuo di Cauchy#Materiali elastici ed iperelastici|energia di deformazione]] <math>\Phi[u]</math> (dove <math>u </math> rappresenta il [[Campo (matematica)|campo]] di [[Spostamento (fisicacinematica)|spostamenti]] compatibile con i vincoli cinematici interni ed esterni della struttura) e da un [[Energia potenziale|potenziale dei carichi]] <math>p[\lambda] u </math>, le configurazioni di equilibrio sono caratterizzate dalla [[Calcolo delle variazioni|condizione di stazionarietà]] della [[Energia potenziale|energia potenziale]] totale

:<math>\Pi[u,\lambda]=\Phi[u]-\lambda p\, u=staz_u

</math>

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:<math>\Pi'[u,\lambda]\, \delta u=0\;\;,\;\;\forall \delta u

</math>

dove <math>()'\delta u</math> indica la [[Derivata funzionale|derivata di Frèchet]] rispetto al campo <math>u</math>.<ref>La notazione di [[analisi funzionale]] utilizzata richiama quella suggerita in: (Budiansky B., 1974).</ref> Per carichi variabili, le soluzioni del precedente problema possono essere rappresentate da valori <math>(u, \lambda )</math>: tali [[punto (matematica)|"punti"]] descrivono in opportuni [[Spazio (matematica)|spazi]] una o più [[Curva (matematica)|"curve"]] dette '''''percorsi di equilibrio''''' della struttura.

=== Il caso di biforcazione semplice ===

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</math>

A partire dalla conoscenza del percorso fondamentale <math>u^f[\lambda]</math>, la strategia di Koiter si articola nella seguente sequenza algoritmica:<ref>vedi (Casciaro et a., 1991,1992)</ref>

*[step 1] : calcolo del punto di biforcazione <math>\lambda_b</math> e del modo primario di buckling <math>\dot{v}_b</math> (dalla risoluzione del problema di biforcazione lungo <math>u^f[\lambda]</math>)

::<math>\Pi_b'' \dot{v}_b \delta u=0 \;\;,\;\;\forall \delta u\;\;,\;\; \|\dot{v}_b\| =1

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==== Le imperfezioni geometriche e di carico ====

Una struttura manifesta un fenomeno di biforcazione dei percorsi di equilibrio come risultato di una ideale combinazione di forma geometrica e di distribuzonedistribuzione dei carichi applicati: la struttura in tal caso è detta '''''perfetta'''''. Nei casi reali, in presenza di inevitabili, anche se piccole, deviazioni da tale geometria e da tale distribuzione di carichi ('''''imperfezioni geometriche e di carico''''') la struttura non manifesta il fenomeno di biforcazione ed è detta '''''imperfetta'''''. Il percorso di equilibrio della struttura imperfetta è tuttavia condizionato, in termini

qualitativi e quantitativi, dai percorsi di equilibrio della struttura perfetta di riferimento, anche se può presentare differenza significative in termini di capacità portante (e si parla in tal caso di '''''sensibilità alle imperfezioni''''').

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</math>

mediante l'introduzione di opportuni coefficienti scalari <math>\mu</math> che parametrizzano l'effetto dell'imperfezione. Tale strategia permette di giungere ad una semplice trattazione monoparametrica (in

termini di <math>\epsilon</math>) dell'influenza delle imperfezioni sull'andamento del percorso di equilibrio della struttura imperfetta ed, in particolare, sugli eventuali valori di carico limite. In altri termini, nell'ambito di un approccio perturbativo di analisi, l'analisi di sensibilità alle imperfezioni è condotta in modo semplice ed efficiente da un punto di vista computazionale: per ogni nuovo valore dell'imperfezione la ricostruzione del percorso di equilibrio richiede solo la risoluzione ex-novo di una sola equazione scalare nonlineare.

=== Il caso di biforcazione multipla ===

Nel caso di biforcazione semplice è implicitàimplicita l'ipotesi che i fenomeni di buckling sono dominati dall'unica nonlinearità associata alla configurazione critica conseguita per il più piccolo lavore del parametro di carico. Comunque, biforcazioni semplici isolate rappresentano un caso limite nella complessità dei fenomeni osservabili nelle strutture snelle dove, a causa dell'ottimizzazione operata in fase di progetto, il percorso fondamentale presenta gruppiuna molteplicità di punti critici a valori molto prossimi del carico, da cui si dipartono una molteplicità di percordi di equilibrio diramati: tale situazione è detta di '''''modi multipli''''' di buckling. In queste condizioni i diversi modi critici possono interagire tra loro, condizionando pesantemente il percorso di equilibriocomportamento della struttura. In particolare tali fenomeni di interazione possono conferire alla struttura una forte sensibilità, in termini di riduzione della capacità portante, a piccole imperfezioni nella forma geometrica della struttura o nei carichi applicati. Tali fenomeni di interazione devono pertanto essere messi in conto nell'analisi.

Una generalizzazione della strategia perturbativa al caso di modi multipli (simultanei o quasi simultanei) è ottenuta mettendo in conto esplicitamente tale molteplicità nella forma con cui è ricostruito alla Galerkin il generico percorso di equilibrio, facendo uso della più ricca varietà di biforcazione <ref>vedi (Casciaro et a., 1991,1992), (Salerno & Casciaro, 1997), (Lanzo & Garcea, 1996)</ref>

A generalization of the pembation strategy to the case of multiple simultaneous or nearly

:<math>

simultaneous critical modes is described in References 10, 17 and 18. Referring to this theoretical

u= \lambda \hat{u} +\sum_{i=1}^m \xi_i \dot{v}_i + \tfrac{1}{2}

framework and with the same simplifying hypothesis used in Reference 11, the equilibrium paths

\sum_{i,j=1}^m \xi_i \xi_j \ddot{w}_{ij} </math>

are expressed asymptotically in the form

dove

* <math>\dot{v}_{(i=1,\ldots,m)}</math> sono gli ''m'' modi di buckling messi in conto nell'analisi, cioè soluzione del seguente problema di biforcazione multipla lungo il percorso fondamentale

::<math>

\Pi''[\lambda_i \hat{u}] \dot{v}_i \delta u = 0 \;,\;\forall\, \delta u

\;,\;

-\Pi_b''' \hat{u}_b \dot{v}_i \dot{v}_j=\delta_{ij} \hspace{1cm}

\mbox{(\$\delta_{ij}\$ is the Kronecker's symbol)}

</math>

* <math>\ddot{w}_{ij}</math> sono i mosi secondari di buckling assiciati ai modi primari, cioè soluzione dei problemi:

::<math>

\Pi''_b\ddot{w}_{ij} \delta u+\Pi'''_b \dot{v}_i\dot{v}_j \delta u = 0, \hspace{0.5cm} \Pi_b \hat{u} \dot{v}_i \ddot{w}=0, \;\;\forall \delta u: \Pi_b \hat{u} \dot{v}_i \delta u=0

\hspace{0.5cm}(i,j=\{1,\ldots,m\}) .

</math>

La proiezione alla Galerkin del problema di equilibrio nella varietà di biforcazione fornisce le relazioni di legame tra gli ''m+1'' parametri scalari <math>(\lambda,\xi_1,\ldots,\xi_m)</math> che completano la ricostruzione del percorso. Nel caso di un percorso fondamentale con piccoli spostamenti precritici, tali relazioni si semplificano nelle

:<math>

\xi_k (\lambda-\lambda_k)=

+\tfrac{1}{2} \sum_{i,j=1}^m \xi_i \xi_j {\cal A}_{ijk}

+\tfrac{1}{6} \sum_{i,j,h=1}^m\xi_i\xi_j\xi_h {\cal B}_{ijhk}

\;, \;\; \{k=1,\ldots,m\} </math>

con [[Forma differenziale|forme]] cubiche e quartiche definite dalle

::<math>

{\cal A}_{ijk}=\Pi'''_b \dot{v}_i \dot{v}_j \dot{v}_k \;\;\,\;\;

{\cal B}_{ijhk}=\Pi''''_b \dot{v}_i \dot{v}_j

\dot{v}_h\dot{v}_k- \Pi''_b (\ddot{w}_{ij}\ddot{w}_{hk}+

\ddot{w}_{ih}\ddot{w}_{jk}+\ddot{w}_{ik}\ddot{w}_{jh})

</math>

Tale strategia di analisi, che estende al caso di modi multipli quasi-simultanei la teoria di Koiter

dei modi multipli a valori coincidenti di carico, fornisce una descrizione sintetica, nella varietà di biforcazione, del complesso comportamento energetico della struttura e dei relativi fenomeni di interazione modale. Le relazioni <math>(\lambda,\xi_1,\ldots,\xi_m)</math> condensano le maggiori nonlinearità del comportamento

strutturale e risultano quindi fortemente nonlineari.

Tuttavia la dimensione ridotta del sistema (il numero ''m'' di nodi considerati) ne rende

agevole la risoluzione mediante standard strumenti di analisi.

==== L'analisi di sensibilità alla imperfesioni ====

A causa della distribuzione [[random|aleatoria]] delle imperfezioni, un'accurata analisi di sensibilità deve metter in conto un largo range di possibili imperfezioni, variabili sia come forma <math>(\tilde{p}[\lambda],\tilde{u})</math> che come entità <math>\epsilon</math>. In un approccio perturbativo alla Koiter, una valutazione sufficientemente approssimata dei percorsi di equilibrio delle strutture imperfette può essere facilmente ottenuta, e a costi computazionali limitati, ricercando la soluzione del problema di equilibrio della struttura imperfetta nella stessa varietà di biforcazione definita dalla risoluzione della struttura perfetta

:<math>

u= \lambda \hat{u} +\sum_{i=1}^m \xi_i \dot{v}_i + \tfrac{1}{2}

\sum_{i,j=1}^m \xi_i \xi_j \ddot{w}_{ij} </math>

La presenza delle imperfezioni in tale approccio semplicemente ridefinisce il legame finale <math>(\lambda,\xi_1,\ldots,\xi_m)</math>

:<math>

\epsilon

(\lambda\, \Pi_b'''\tilde{u}\hat{u}\dot{v}_k+\tilde{p}[\lambda]\dot{v}_k)+\xi_k (\lambda-\lambda_k)=

+\tfrac{1}{2} \sum_{i,j=1}^m \xi_i \xi_j {\cal A}_{ijk}

+\tfrac{1}{6} \sum_{i,j,h=1}^m\xi_i\xi_j\xi_h {\cal B}_{ijhk}

\;, \;\; \{k=1,\ldots,m\} </math>

con l'aggiunta di alcuni coefficienti scalari che unici tengono conto dell'effetto delle imperfezioni.

Comunque, mentre nel caso di biforcazione semplice l'unico modo di buckling esauriva lo spazio delle forme delle imperfezioni significative ai fini dell'analisi, nel caso di ''m'' modi multipli una completa analisi di sensibilità alle imperfezioni deve essere eseguita nel relativo spazio ''m''-dimensionale (<math>\infty^m</math> possibili imperfezioni). Si dimostra tuttavia che le distribuzioni di imperfezioni più significative per l'analisi sono quelle associate a direzioni di minimo/massimo delle forme cubiche e quartiche del problema. <ref>''teoria dei percorsi di minimo'' di Ho (1974), Koiter (1976) e Salerno (1997).</ref>

== Note ==

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==Bibliografia==

* [[Eulero|Euler, L.]], 1744. ''Methodus Inveniendi Lineas Curvas Maximi Minimive Proprietate Gaudentes (Appendix, De Curvis Elasticis)''. Marcum Michaelem Bosquet, Lausanne.

* Elishakoff, I., 2000. Elastic stabilty: from Euler to Koiter there was none like Koiter. ''Meccanica'', vol 35, pp 375-380.

* Budiansky B., 1974. Theory of Buckling and Post-Buckling Behavior of Elastic Structures. Advances in Applied Mechanics Volume 14, 1974, Pages 1–65.

* Casciaro, R., Lanzo, A. D. and Salerno, G., 1991. Computational problems in elastic structural stability. In: ''Nonlinear Problems in Engineering'' (C. Carmignani and G. Maino eds.). World Scientific publ., Singapore.

* Casciaro, R., Salerno, G. and Lanzo, A. D., 1992. Finite element asymptotic analysis of slender elastic structures: a simple approach. ''Int. J. Num. Meth. Eng.'', vol 35, pp 1397-1426.

* Elishakoff, I., 2000. Elastic stabilty: from Euler to Koiter there was none like Koiter. ''Meccanica'', vol 35, pp 375-380.

* [[Eulero|Euler, L.]], 1744. ''Methodus Inveniendi Lineas Curvas Maximi Minimive Proprietate Gaudentes (Appendix, De Curvis Elasticis)''. Marcum Michaelem Bosquet, Lausanne.

* Ho, D, 1974. Buckling load of nonlinear systems with multiple eigenvalues, ''Int. J. Solids Struct.'', vol 10, pp. 1315--1330.

* [[Warner T. Koiter|Koiter, W.T.]], 1945. ''Over de stabiliteit van het elastische evenwicht''. Dissertation, Delft, Holland (Translation: ''On the Stability of Elastic Equilibrium'', NASA TT-F-10833, 1967 and AFFDL-TR-70-25, 1970).

* Koiter, W. T., 1976. Current trend in the theory of buckling, in B. Budiansky (ed.), ''Buckling of structures'', Proc. of IUTAM Symposium, Cambridge 1974, Springer--Verlag, Berlin.

* Lanzo, A.D., Garcea, G., 1996. Koiter's analysis of thin-walled structures by a finete element approach. ''Int. J. Num. Meth. Eng.'', vol. 39 (17), pp 3007–3031.

* [[Aleksandr Michajlovič Ljapunov|Lyapunov A.M.]], 1983. ''The General Problem of the Stability of Motion'' (In Russian), Doctoral dissertation, Univ. Kharkov 1892 English translations: (1) ''Stability of Motion'', Academic Press, New-York & London, 1966 (2) ''The General Problem of the Stability of Motion'', (A.T. Fuller trans.) Taylor & Francis, London 1992. Included is a biography by Smirnov and an extensive bibliography of Lyapunov's work.

* Pignataro, M., Di Carlo, A. and Casciaro, R., 1982. On nonlinear beam model from the point of view of computational post--buckling analysis. ''Int. J. Solids Structures'', vol 18 (4), pp 327--347.

* Salerno, G., Casciaro, R., 1997. Jumping mode and attractive paths in multimode elastic buckling, ''Int. J. Num. Meth. Eng.'', vol. 40 (5), pp 833–861.

* Thompson, J.M.T., 1982. Instabilities and Catastrophes in Science and Engineering. John Wiley and Sons, Chichester, New York.

* [[Stepan Prokof'evič Timošenko|Timoshenko, S.P.]], Gere, J.M., 1961. Theory of Elastic Stability. McGraw-Hill, New York.