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 non lineari delle strutture legati ai fenomeni di instabilità delle relative configurazioni di 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, aerospaziale e nucleare, e in diversi problemi di ingegneria meccanica e geotecnica, di geofisica e di scienza dei materiali.

I fenomeni di instabilità strutturale indotti da particolari azioni di carichi non-conservativi (p.e., prodotti dal vento e generalmente da fluidi) sono detti di instabilità dinamica o di flutter. Per strutture soggette a 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 descrittori interni della deformazione e i descrittori esterni del campo di spostamenti che ne rappresenta la 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 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 rappresentandone il comportamento costitutivo secondo il modello di elasticità lineare. In tale accezione, la teoria della stabilità delle strutture rientra nel quadro della Teoria nonlineare dell'elasticità.

Lo studio della instabilità dinamica rimanda al concetto di stabilità secondo Liapunov e richiede lo studio dinamico del moto della struttura. Nel caso invece di strutture elastiche soggette a carichi (interni ed esterni) conservativi, lo studio dei fenomeni di instabilità si riduce, sulla base del Criterio di Dirichlet-Lagrange (e di Koiter per sistemi continui), allo studio delle sole configurazioni di equilibrio statico. In tal caso pietra miliare della teoria della stabilità elastica delle strutture è la Teoria perturbativa di Koiter.

Storia La Teoria della stabilità elastica trova i primordi matematici nel Settecento, negli studi sulla Elastica di EuleroEuler, 1744., 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 XIX 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 Timoshenkoriassunto in (Timoshenko and Gere, 1961) un paradigma operativo per la stima della capacità portante di diverse tipologie strutturali, in particolare piastre e gusci cilindrici. Intanto, tra la fine dell'Ottocento e gli inizi del Novecento, il concetto di stabilità è definito in modo rigoroso da un punto di vista matematico dai lavori di Poincarè e 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 silo 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 Tjardus Koiter nella sua celebre tesi di dottoratoKoiter, 1945.. Scritta in olandese durante gli anni della seconda guerra mondiale, il lavoro di Koiter rimase semisconosciuto fino alla fine degli anni sessanta, quando fu riscoperto e tradotto in inglese. Il lavoro di Koiter, benché 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.Elishakoff, 2000. 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 perché 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 accettataUn parere non concorde sul ruolo di Koiter è espresso in Villaggio, 2001. 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 ottanta mediante una serie di lavorisi veda p.e.: (Pignataro et a., 1982) e (Casciaro et al., 1991, 1992). 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

Per strutture soggette a carichi conservativi crescenti linearmente con un parametro (), caratterizzate da un'energia di deformazione (dove rappresenta il campo di spostamenti compatibile con i vincoli cinematici interni ed esterni della struttura) e da un potenziale dei carichi , le configurazioni di equilibrio sono caratterizzate dalla condizione di stazionarietà dell'energia potenziale totale

espressa equivalentemente dalla seguente equazione dei lavori virtuali

dove indica la derivata di Frèchet rispetto al campo .La notazione di analisi funzionale utilizzata richiama quella suggerita in (Budiansky, 1974). Per carichi variabili, le soluzioni del precedente problema possono essere rappresentate da valori : tali "punti" descrivono, in opportuni spazi, una o più "curve" dette percorsi di equilibrio della struttura.

L'instabilità (e la crisi) delle strutture è associata o ad un fenomeno di carico limite (o snapping), cioè a una configurazione di massimo valore del carico portante della struttura lungo un suo percorso di equilibrio, o ad un fenomeno di biforcazione (o buckling) dei suoi percorsi di equilibrio. Tale due tipologie di crisi strutturale sono ricondotte a una trattazione unitaria nel quadro della teoria perturbativa di Koiter.

Il caso di biforcazione semplice La caratteristica essenziale della strategia perturbativa di Koiter è la ricostruzione di un fenomeno di biforcazione tra un percorso di equilibrio fondamentale per ipotesi analitico in , già noto o estrapolato a partire dalle condizioni iniziali della struttura, ed un percorso di equilibrio diramato, ricostruito in forma asintotica approssimata a partire dalla risoluzione del problema critico lungo il percorso fondamentale

( è l'operatore di rigidezza tangente) in termini del più piccolo valore del carico di biforcazione e della associata forma del modo primario di buckling .

Tale obbiettivo è conseguito predefinendo una forma asintotica opportuna del percorso diramato

e ricercando alla Galërkin in tale varietà la soluzione approssimata del problema di equilibrio

A partire dalla conoscenza del percorso fondamentale , la strategia di Koiter si articola nella seguente sequenza algoritmica:vedi (Casciaro et a., 1991, 1992) [step 1] : calcolo del punto di biforcazione e del modo primario di buckling (dalla risoluzione del problema di biforcazione lungo )

[step 2] : calcolo della pendenza post-critica del percorso diramato (dalla prima condizione di ortogonalità di Fredholm):

[step 3] : calcolo del modo secondario di buckling tramite la

[step 4] : calcolo della curvatura post-critica del percorso diramato (dalla seconda condizione di ortogonalità di Fredholm):

[step 5] : ricostruzione fino al secondo ordine asintotico del percorso di equilibrio diramato

Le imperfezioni geometriche e di carico

Una struttura manifesta un fenomeno di biforcazione dei percorsi di equilibrio come risultato di un'ideale combinazione di forma geometrica e di distribuzione 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 imperfetta non manifesta il fenomeno di biforcazione ma, spesso, un fenomeno di carico limite. 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 differenze significative in termini di capacità portante (e si parla in tal caso di sensibilità alle imperfezioni).

In conclusione, per piccole imperfezioni geometriche e di carico , i percorsi di equilibrio della struttura perfetta caratterizzano con il loro andamento il comportamento di intere famiglie di strutture imperfette, al variare dell'entità dell'imperfezione. In tal caso l'approccio perturbativo può essere esteso alla ricostruzione del percorso di equilibrio della struttura imperfetta ricercando alla Galerkin una soluzione approssimata del problema di equilibrio nella stessa varietà di biforcazione definita dalla risoluzione della struttura perfetta

ma ridefinendo il legame secondo la

mediante l'introduzione di opportuni coefficienti scalari che parametrizzano l'effetto dell'imperfezione geometrica o di carico:

Tale strategia permette di giungere a una semplice trattazione monoparametrica (in termini di ) dell'influenza delle imperfezioni sull'andamento del percorso di equilibrio della struttura imperfetta e, 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.

Le imperfezioni implicite: ricostruzione perturbativa di un fenomeno di carico limite

Esistono strutture che presentano un percorso di equilibrio naturale che tende naturalmente a produrre un fenomeno di carico limite e per le quali non è univocamente definita una struttura perfetta di riferimento. Tale caso è ricondotto nella precedente trattazione perturbativa mediante un'operazione di estrapolazione, a partire dalle condizioni iniziali della struttura, di un opportuno percorso di equilibrio assunto come fondamentale