La sicurezza di ponti e viadotti è diventata un tema di estrema priorità dopo la tragedia del viadotto Polcevera. Con l’introduzione dei Bridge Management System (BMS) è possibile creare degli ambienti in-cloud adatti per controllare lo stato di salute delle opere day-by-day.
L’avvento dei modelli informativi infraBIM rende le BMS degli ambienti intuitivi con la possibilità di gestire e interrogare la struttura tridimensionalmente. Il collegamento BMS-BIM è stato realizzato utilizzando il software infraBIM Midas CIM (https://www.cspfea.net/prodotti/midas-cim/).
Negli ultimi anni, in Italia, il settore delle infrastrutture si è concentrato sul tema della gestione e manutenzione di ponti e viadotti esistenti.
La maggior parte delle strutture sono state costruite nel Dopoguerra impiegando le tecniche costruttive in calcestruzzo armato con armatura lenta e pretesa. Dopo i gravi casi legati al collasso di infrastrutture esistenti, nel Maggio 2020 l’Assemblea Generale del CSLLPP ha approvato le Linee Guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza e il monitoraggio dei ponti esistenti [1].
È necessario censire ogni struttura in modo da poterne conoscere tutte le caratteristiche geometriche, morfologiche e strutturali. Per le infrastrutture con grandi danneggiamenti, quindi con classe di attenzione alta, l’attenzione è maggiore ed è necessario, oltre ai controlli con ispezioni periodiche o straordinarie in situ, attuare preventivamente dei sistemi di sorveglianza e monitoraggio.
In particolare, il monitoraggio strutturale o Structural Health Monitoring (SHM) ha lo scopo di sviluppare sistemi autonomi in grado di monitorare in continuo permettendo di identificare non solo il danneggiamento strutturale, ma anche di capire come i danni si verificano nella struttura (analisi predittive).
Conoscendo appieno tutte le informazioni necessarie per una corretta conoscenza dell’opera, si devono creare degli spazi dedicati dove l’ispettore ha la possibilità di interrogare le singole infrastrutture, il Bridge Management System (BMS).
Esso è un sistema di gestione dei manufatti basato su un database interno dove si ha la catalogazione di tutti i documenti riguardanti l’opera, un sistema di procedure per definire i vari interventi di manutenzione o di adeguamento, i modelli di calcolo che permettono di predire le condizioni degli elementi, la stima dei costi e lo stato di sicurezza dell’opera.
Per poter visualizzare e interagire la struttura tridimensionale è necessario impiegare dei modelli informativi infraBIM. Per lo sviluppo del caso studio, è stato impiegato il software commerciale infraBIM Midas CIM. Esso ha la peculiarità di poter generare geometrie complesse, allineare automaticamente in modo parametrico gli elementi al tracciato del ponte e definire una gerarchia strutturale che permette di contestualizzare ogni porzione dell’infrastruttura.
Midas CIM: il software dedicato ai ponti e viadotti
La decisione di modellare con il software Midas CIM è dettata dalla necessità di avere un applicativo incentrato sulla modellazione informativa dedicata ai ponti.
In termini di tempistiche e di facilità d’uso, l’impiego di un software BIM adatto alle strutture con direzione prevalentemente lineare rispetto ad altri applicativi basati su una modellazione per piani, risulta essere estremamente vantaggioso.
Midas CIM, come il software Midas Civil dedicato all’analisi e alla progettazione in campo civile infrastrutturale, è un applicativo infraBIM dedicato alla modellazione di ponti e viadotti nuovi ed esistenti.
Esso è composto da moduli esterni e interni che trattano la modellazione informativa 3D (Modeler), la redazione di tavole 2D (Drafter), la definizione di fasi costruttive e la creazione di computi metrici 4D (Construction) e, infine, la collaborazione con il software FEM Midas Civil (Analysis).
Un caso studio
Il ponte oggetto dello studio fa parte dell’Autostrada A4 Padova-Venezia, di competenza Concessioni Autostradali Venete SpA. Esso fu realizzato in più epoche consecutive con processi di demolizione, ricostruzione e adeguamento. Il primo processo di costruzione avvenne tra il 1932 e il 1934: si componeva di un unico impalcato realizzato in carpenteria metallica con schema reticolare continuo.
Negli anni 1961 e 1962 vi fu la demolizione parziale della vecchia struttura con la conservazione delle spalle e delle pile con la realizzazione di due nuovi impalcati in calcestruzzo armato lato Sud e Nord.
Gli elementi poggianti sulle pile comprendono una struttura a cassone, mentre per il restante impalcato si hanno delle travi prefabbricate in calcestruzzo armato a doppio T dotate di soletta di ripartizione e di traversi. Lo schema statico è riconducibile al sistema Gerber e tutte le strutture di impalcato sono realizzate con cavi post-tesi ad andamento parabolico.
Le prime manutenzioni avvennero tra il 1979 e il 1980, quando si svolse un’ispezione straordinaria e furono riscontrate delle anomalie legate ai materiali strutturali e agli elementi non strutturali.
Negli anni 1990 e 1991, la carreggiata venne allargata con la realizzazione di una corsia supplementare in carpenteria metallica collegata con la struttura esistente. Lo schema statico della nuova struttura è in linea con quello della struttura esistente. Per la realizzazione del nuovo impalcato è stato necessario progettare un ampliamento delle spalle e delle pile in modo da poter sorreggere la struttura.
Le fasi di modellazione
Data la complessità dell’opera e la pesantezza del modello, è stato necessario suddividerla in due sottomodelli differenti, impalcato Nord e Sud, e successivamente unirli in un unico modello globale.
Prima di tutto si è svolto uno studio mirato ad apprendere le singole caratteristiche strutturali andando ad analizzare in dettaglio: la documentazione dell’epoca, le indagini fotografiche e le prove in situ. Questo passaggio è di estrema importanza perché la struttura ha subito diverse modifiche nel corso degli anni e, in alcuni casi, il progetto risulta diverso rispetto gli elaborati grafici.
Definito il work flow, si è passati alla modellazione nel software Midas CIM del primo impalcato lato Nord (Figura 3A) e successivamente lato Sud (Figura 3B).
Per iniziare, sono stati realizzati gli elementi della sottostruttura, come pile e spalle, gli elementi della sovrastruttura e delle entità relative alle indagini in situ e sensori. Terminato il modello, per ogni elemento è stata assegnata una gerarchia strutturale con lo scopo di renderlo ottimizzato in fase di esportazione. La trattazione più approfondita di questo aspetto verrà affrontata nei prossimi paragrafi.
Le point libraries
All’interno del software Midas CIM, in particolare nel modulo Modeler, gli oggetti creati dalle point libraries hanno lo scopo di indicare degli elementi strutturali che fanno riferimento ad un singolo punto di riferimento, cioè quegli elementi aventi caratteristiche senza una dimensione principale di estrusione. Nel caso studio sono stati implementati spalle, pile e dispositivi di appoggio.
Le pile del ponte (Figura 4) sono due e hanno entrambe una sezione simil ovale. Dati gli interventi effettuati negli anni, la base è costituta da muratura, per la struttura in cap, e la restante parte in ca, per la struttura in acciaio. Le spalle (Figura 5), rispetto alle pile, hanno una configurazione molto più articolata. Esse sono composte da una porzione in muratura e calcestruzzo armato.
Tra le pile e l’impalcato, sono stati modellati i dispositivi appoggi (Figure 7A e 7B) e i baggioli. Per entrambi gli elementi sono stati ritrovati, nella documentazione storica, le esatte geometrie e i materiali.
Le curve libraries
Le curve libraries vengono impiegate per la modellazione di elementi caratterizzati da una dimensione principale, una linea di estrusione, come travi ed impalcati stradali. Nel caso studio, sono stati modellati in particolare: elementi cassone in cap, travi in cap e in acciaio (Figura 6), soletta di collegamento ed elementi non strutturali come il manto stradale e i guardrail.
Data la configurazione a ponte “sghembo”, l’impiego del comando skew ha permesso di facilitare la modellazione del tracciato. Nelle strutture in cap, la difficoltà maggiore è stata il posizionamento degli elementi di irrigidimento tra le travi; essi risultano perpendicolari agli elementi strutturali e non seguono l’inclinazione in pianta. Nella struttura in acciaio, dove si ha un cambio uniforme di sezione, è stato necessario modellare singolarmente ogni elemento di controventatura.
All’interno degli stessi è stato possibile introdurre degli elementi in dettaglio, tra i quali i bulloni. Gli elementi non strutturali, come guardrail (Figura 8) e manto stradale, sono riferiti alla reale configurazione del ponte.
Le assembly unit
Per la definizione delle campate, le assembly unit permettono di combinare le due precedenti librerie al fine di creare elementi infrastrutturali dotati di una certa ripetitività. Proprio per la possibilità di poter ripetere questi elementi strutturali nel modello, sono state definite per l’impalcato Nord e Sud, delle Assembly Unit riferite agli elementi strutturali e non strutturali.
Per definire la posizione dei template relativi alle singole campate, sono stati creati tutti i tracciati suddividendoli in più porzioni. All’interno di Midas CIM si può definire un andamento planimetrico, altimetrico e con inclinazione trasversale variabile; non definite nel caso studio in oggetto avendo una configurazione regolare.
La gerarchia strutturale
Definito il modello finale del ponte, compreso di entità riferite agli strumenti di monitoraggio e indagini in situ, è stato necessario creare una gerarchia strutturale. Questo processo è estremamente importante per poter gestire il ponte nelle fasi successive di controllo e in fase di esportazione in formato aperto .IFC.
All’interno di esse è possibile ritrovare quattro macrocategorie riguardati: sovrastruttura, sottostruttura, sensori e indagini in situ. Inizialmente, è stato suddiviso a seconda degli impalcati Nord e Sud.
Nel caso in dettaglio della sovrastruttura, si ha una suddivisione per tipologia strutturale come impalcato in acciaio, calcestruzzo ed elementi non strutturali. Analogo avviene per la sottostruttura. I sensori e le indagini in sito sono suddivisi in base alla tecnologia impiegata e alle tipologie di prove eseguite in situ.
La gerarchia strutturale e la conoscenza finale dell’opera permettono di definire come gli oggetti devono essere modellati. Questo aspetto influenza i BIM users durante il processo di modellazione: infatti, come per i modelli FEM in fase di definizione dell’analisi, i modelli BIM dipendono dal risultato finale a cui si deve giungere.
Un esempio importante è definire a priori se il caso studio analizzato risulti essere un’infrastruttura esistente da censire e monitorare o si tratti di nuova costruzione.
L’esportazione in formato aperto .IFC e l’analisi del dato
Il primo processo di esportazione dal software Midas CIM è avvenuto definendo i parametri di esportazione come forme geometriche, tipologia di dato informativo degli elementi e gerarchia strutturale. In fase di definizione dei parametri è consigliato impiegare una mesh molto fitta in modo da mantenere il più possibile fedeli le caratteristiche geometriche.
Definita l’esportazione in formato .IFC sono stati impiegati due differenti visualizzatori opensource, BIMVision e FZKViewer. Questo processo è necessario per avere una doppia conferma delle informazioni contenute nel
formato aperto. Esso ha risposto correttamente in termini di qualità grafiche e informative e si hanno delle corrispondenze con le caratteristiche implementate nel modello infraBIM.
Successivamente, è stato svolto un processo di verifica modificando le impostazioni di esportazione predefinite nel software e ricercando la soluzione migliore per avere un output ottimizzato.
Nelle piattaforme di gestione è necessario avere dei file leggeri ma con tutte le informazioni contenute al suo interno attraverso passaggi iterativi: lo scopo finale è quello di avere dei modelli adatti all’impiego prefissato.
Conclusioni
La modellazione con l’impiego del software infraBIM Midas CIM ha dato dei risultati estremamente positivi in termini di resa grafica che interscambio dati con il formato aperto .IFC.
Il software facilita di molto la modellazione della infrastruttura essendo un software BIM orizzontale e non verticale.
La possibilità di esportare la gerarchia strutturale permette di avere un ottimo mezzo implementabile all’interno delle BMS, grazie alla possibilità di selezionare i singoli elementi, per poter facilitare l’ispettore in fase di consultazione dell’opera.
Bibliografia
[1]. Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici – “Linee Guida per la classificazione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti, 2020.
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