Pietro Palumbo(1), Valentina Boretti(1), Mattia Mairone(1), Marco Givonetti(1), Davide Masera(2)
(1) R&D, Masera Engineering Group Srl e (2) CEO Masera Engineering Group Srl
Il progresso nel campo dei software di progettazione architettonica e ingegneristica ha ampliato la possibilità di integrare fasi della progettazione attraverso programmi e tool innovativi e di grande impatto.
Tuttavia, con l’industria delle infrastrutture che abbraccia la digitalizzazione per incrementare la produttività e rimanere aggiornata con le nuove tecnologie e innovazioni, si assiste a un quadro di costi crescenti per la produzione, problemi di sostenibilità e scadenze ravvicinate. Di conseguenza, un numero crescente di ingegneri civili si rivolge alla progettazione parametrica e ai flussi di lavoro basati sul BIM come risposta a queste limitazioni.
In particolare, i ponti sono strutture complesse sotto diversi aspetti, dalla progettazione alla costruzione, soprattutto a causa della loro geometria eterogenea e vincolata, degli elevati carichi di progetto e delle particolari condizioni al contorno.
Inoltre, i tempi stretti e la richiesta di tempistiche celeri nell’industria dell’ingegneria civile richiedono un nuovo approccio. Il presente articolo illustra un approccio BIM parametrico che minimizza le attività ripetitive che richiedono tempo, introducendo parametri e relazioni numeriche tra di essi.
Questo migliora il processo di progettazione, aumentando l’efficienza e riducendo tempi e sforzi. L’approccio è applicabile a ponti a graticcio, a ponti in calcestruzzo con sezione a cassone, ponti a travata mista in acciaio e calcestruzzo, consentendo un’analisi efficiente di diverse configurazioni strutturali per esplorare una gamma di soluzioni innovative ed economicamente vantaggiose.
Il BIM per la modellazione delle informazioni nelle strutture
Il Building Information Modeling (BIM) è un processo che costruisce, analizza, documenta e valuta virtualmente una rappresentazione digitale degli attributi fisici e funzionali di una struttura prima di effettuare revisioni iterative fino a documentare il modello ideale. Il modello BIM è un database virtuale che contiene dati di gestione, oltre a disegni tecnici, calcoli strutturali e costi di costruzione.
Il BIM è stato adattato alla progettazione di ponti prendendo il nome di Bridge Information Modeling (BrIM). Il BrIM considera le caratteristiche fisiche e funzionali dei ponti e fornisce informazioni per il loro intero ciclo di vita. Una perfetta rappresentazione grafica e funzionale di un ponte e i risultati della sua progettazione sono forniti da modelli di ponti 3D intelligenti, che migliorano la qualità della progettazione, il lavoro di squadra e la costruibilità dell’opera.
La progettazione parametrica nel BIM
La modellazione parametrica prevede la creazione di un modello geometrico flessibile che incorpora parametri e relazioni numeriche tra di essi e viene implementato utilizzando codici di visual programming.
In un modello parametrico, l’utente interagisce direttamente con la geometria per generare le componenti strutturali, invece di ridefinirle come nella modellazione diretta. Di conseguenza, un modello parametrico diventa un quadro ottimale che offre soluzioni multiple in base ai valori imposti per ciascuno dei parametri, senza la necessità di ridefinire il modello.
Pertanto, il BIM con modellazione parametrica fornisce tutti gli strumenti per un flusso di lavoro completo, dalla progettazione alla costruzione e alla manutenzione, consentendo il riutilizzo dei dati e riducendo i costi. Grazie a strumenti di programmazione e di visualizzazione grafica come Grasshopper, un plug-in di Rhinoceros 7, gli Ingegneri strutturali possono implementare un flusso di lavoro parametrico senza precedenti esperienze di programmazione.
A differenza della modellazione manuale di nodi ed elementi nello spazio 3D, la costruzione degli oggetti è guidata da regole e funzioni di relazione tra di essi. Il flusso di lavoro si basa sulla definizione di parametri di input come coordinate, dimensioni o curve e su regole di script visivi che agiscono su tali parametri, generando la geometria o l’output desiderato in Grasshopper.
Le operazioni ripetitive e gli aggiornamenti delle modifiche del modello geometrico vengono automatizzati integrando il progetto parametrico in un software di modellazione parametrica 3D, Tekla Structures.
Ciò consentirà agli Ingegneri di produrre in modo rapido, preciso e semplice un modello di ponte 3D realmente costruibile, soddisfacendo qualsiasi requisito di livello di sviluppo (LOD) e garantendo la coerenza di tutti i prodotti consegnati, compresi il modello, i disegni e gli elenchi dei materiali. Inoltre, il modello agli elementi finiti del ponte per l’analisi strutturale viene generato dal modello geometrico parametrico.
Lo sviluppo di un modello parametrico è organizzato secondo un flusso di lavoro che è suddiviso in diverse fasi: definizione del modello geometrico, definizione del modello architettonico e definizione del modello strutturale.
Sviluppo del modello geometrico
La fase di definizione del modello geometrico prevede l’identificazione dei parametri principali che consentono di adattare il modello generico ai requisiti specifici del progetto. Il processo di selezione si basa su criteri ingegneristici per differenziare i parametri essenziali da quelli meno critici. Questi parametri sono:
- allineamento;
- numero di travi e distanza tra gli assi;
- numero e posizione delle travi trasversali;
- lunghezza delle travi;
- sezione delle travi;
- dimensioni della soletta;
- sistemi di controventamento.
Le fasi successive prevedono la definizione degli elementi della sezione trasversale del ponte attraverso un cluster, che è una raccolta di componenti Grasshopper per creare travi longitudinali e trasversali e diaframmi. Inoltre, il codice genera i collegamenti elastici e rigidi tra gli elementi necessari per l’analisi strutturale.
Una volta definiti gli elementi trasversali, questi vengono posizionati correttamente lungo l’allineamento del ponte in base agli input dell’utente tramite un altro cluster. La Figura 1 presenta i due cluster progettati per eseguire la definizione degli elementi trasversali.
Il passo seguente coinvolge la creazione delle travi longitudinali collegando gli elementi trasversali. L’algoritmo consente la valutazione delle variazioni delle proprietà, come la larghezza efficace o le proprietà delle sezioni trasversali fessurate. Infine, il posizionamento corretto degli elementi di controventatura orizzontale lungo l’allineamento del ponte avviene in modo parametrico. La Figura 2 illustra il modello geometrico generico risultante del disegno parametrico.
Sviluppo del modello architettonico
La fase successiva del presente flusso di lavoro comprende la definizione 3D globale e locale del ponte in Tekla Structures (Figura 3). Questa operazione viene eseguita con il collegamento “Grasshopper-Tekla Structures live link” che consente il trasferimento automatico delle informazioni da Rhinoceros; pertanto, l’utente deve solo modificare i parametri in Rhinoceros e il modello verrà aggiornato automaticamente in Tekla Structures.
Definizione del modello a elementi finiti
Per la realizzazione del modello strutturale, tra i vari elementi utilizzabili per la modellazione FEM si è scelto il modello a grigliato, che dà luogo a una rete di elementi beam situati sullo stesso piano che riflettono le caratteristiche di rigidezza sia longitudinale che trasversale della struttura del ponte. Come per travi e traversi, anche la soletta è rappresentata da elementi beam fittizi.
Le proprietà degli elementi longitudinali sono calcolate in base alla sezione trasformata composita, considerando la differenza di modulo elastico delle travi e della soletta. Inoltre, la costante torsionale è determinata dalla somma della costante torsionale della trave e della metà della costante torsionale della soletta.
Successivamente, le informazioni geometriche precedentemente definite vengono convertite per l’utilizzo in Midas Civil tramite un componente Python personalizzato all’interno dell’ambiente Grasshopper, come illustrato in Figura 4. Inoltre, agli elementi vengono assegnati una serie di casi di carico predefiniti e i corrispondenti carichi applicati.
Applicazione del flusso di lavoro
Per illustrare la metodologia proposta, il flusso di lavoro parametrico viene utilizzato per progettare sia un ponte a tre travi in composito che un ponte a travi scatolari in calcestruzzo. Si inizia stabilendo la geometria globale principale del ponte, l’allineamento o asse del ponte (Figura 5).
Il passo successivo è la definizione della sezione trasversale come presentata in Figura 6. Per il ponte in composito, gli elementi diaframma vengono creati. In seguito, le sezioni sono posizionate lungo l’asse del ponte assicurando il corretto collegamento degli elementi alle travi principali utilizzando rigid links. I diaframmi orizzontali sono posizionati e i pilastri definiti.
Per il ponte a travi scatolate, invece, la sezione trasversale viene definita in Rhinoceros e, in seguito, viene estrusa lungo l’allineamento. La Figura 7 riporta i modelli geometrici.
Una volta convalidata la corretta impostazione geometrica in Grasshopper, gli elementi nativi vengono convertiti attraverso il plugin Python personalizzato per generare un file MCT, compatibile con il software Midas Civil. Questo approccio stabilisce una connessione tra le impostazioni geometriche e le varie caratteristiche degli elementi, come la sezione trasversale e i carichi. Dopodiché, i modelli sono pronti per essere analizzati (Figura 8).
Per affrontare la modellazione geometrica 3D, si utilizza Rhinoceros-Tekla Structures Live Link. Sfruttando i componenti specifici, le connessioni vengono realizzate tramite parametri che consentono di adattarsi agli obiettivi delle configurazioni strutturali. (Figura 9).
Conclusioni
Mediante l’utilizzo di Grasshopper e Rhinoceros viene implementata la modellazione parametrica, ottenendo un modello 3D versatile in Tekla Structures e consentendo la valutazione della risposta strutturale in un modello agli elementi finiti in Midas Civil. Il risultato è un flusso di lavoro completo che consente di progettare e analizzare ponti geometricamente complessi in modo efficiente. Questo approccio offre numerosi vantaggi rispetto ai flussi di lavoro tradizionali non interoperabili.
Lo strumento presentato offre vantaggi significativi che migliorano il processo di progettazione e garantiscono risultati di alta qualità. Aumenta la produttività e la flessibilità consentendo agli utenti di testare e analizzare in modo efficiente diverse alternative, portando alla scoperta di soluzioni innovative ed economicamente vantaggiose. Inoltre, questo algoritmo non è limitato alle tipologie di ponti e viadotti descritti in precedenza, poiché può essere applicato anche a ponti con altri schemi statici e altri sistemi di funzionamento.
Adottando questo approccio, tutte le operazioni vengono condotte all’interno di un’interfaccia unificata, facilitando il consolidamento dei dati e riducendo al minimo il rischio di perdita di informazioni e di errori. Inoltre, la metodologia presenta un elevato livello di adattabilità, garantendo l’incorporazione di nuove tecnologie e l’utilizzo dei più recenti strumenti digitali per identificare soluzioni ottimali.
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