Progettazione e modellazione BIM di dettagli in acciaio su strutture miste. Il caso del ponte sul fiume Fella

La modellazione dei dettagli in acciaio

Nella progettazione delle infrastrutture complesse, in particolare per quelle in carpenteria metallica o con struttura mista acciaio-calcestruzzo, come ponti e viadotti, la modellazione dei dettagli in acciaio all'interno di un ambiente BIM (Building Information Modeling) rappresenta una fase cruciale. Le sfide che emergono in questo contesto sono numerose e includono diversi aspetti legati alla progettazione, alla scelta degli strumenti adottati e all'interoperabilità tra le varie discipline coinvolte.

Durante la fase di progettazione esecutiva di un'infrastruttura, emergono specifiche esigenze tecniche, come le soluzioni progettuali necessarie per il collegamento tra sottostruttura e impalcato. Inoltre, in questa fase è essenziale pianificare azioni che tengano conto delle fasi successive, non solo della costruzione ma anche della manutenzione, considerando aspetti come l'accessibilità e la facilità di ispezione delle aree critiche. Questi fattori richiedono un aumento del livello di dettaglio, sia in termini di dettaglio geometrico (LOG) che di dettaglio informativo (LOI), necessari per una progettazione precisa ed efficace.

Dal punto di vista della modellazione, uno dei temi centrali riguarda la scelta degli strumenti software da adottare. Spesso, i software disponibili risultano particolarmente efficaci alternativamente per la modellazione di elementi in calcestruzzo o per quelli in acciaio. Questa situazione impone la necessità di coordinare più software, gestendo modelli di elementi differenti anche a livelli di dettaglio diversificati, oppure di utilizzare un unico software, seguendo però specifiche accortezze per adattarlo alle esigenze della modellazione geometrica.

Infine, è essenziale stabilire un flusso di informazioni stabile e coerente tra la rappresentazione del progetto e il calcolo strutturale, soprattutto per quanto riguarda la gestione dei nodi critici. In un contesto di progettazione integrata, la precisione e l'accuratezza nella rappresentazione dei dettagli in acciaio sono fondamentali per garantire non solo la corretta esecuzione delle opere, ma anche la loro durabilità e sicurezza nel tempo.

Il progetto del Ponte Fella

Il progetto del Ponte Fella rappresenta un esempio concreto delle problematiche descritte, con la progettazione di un ponte a struttura mista acciaio-calcestruzzo. Questo progetto esecutivo riguarda la realizzazione di un nuovo ponte sul Fiume Fella, situato nei comuni di Amaro (spalla ovest) e Venzone (spalla est), lungo la S.S. 52, tratto di competenza di Friuli-Venezia Giulia Strade S.p.a. (FVGS). L'area dell'intervento ospita due ponti paralleli: uno ex-ferroviario, ora utilizzato in fase provvisoria come via stradale alternativa, e il secondo, il ponte oggetto di intervento. Tra le soluzioni progettuali esaminate dalla stazione appaltante, la demolizione e ricostruzione del ponte è risultata la scelta più vantaggiosa e sostenibile, permettendo la ricostruzione dell'opera nella stessa posizione (Figura 1).

Caratteristiche geometriche dell’opera

Il progetto prevede la realizzazione di un impalcato bi-trave in struttura mista acciaio-calcestruzzo. Le sovrastrutture poggiano su sei pile poste all’interno dell’alveo del torrente Fella; mentre le due spalle, sono state arretrate rispetto a quelle esistenti affinché il nuovo sistema fondazionale indiretto non interferisca con quello delle spalle esistenti. Le luci delle 7 campate variano tra i 40,00 m degli impalcati di riva ed i 55,00 m per quelli posti in adiacenza alla campata centrale che ha luce 52,50m.

La lunghezza complessiva dell’impalcato è quindi di 342,50 m. La cadenza delle campate è stata studiata affinché la realizzazione delle nuove opere di sottofondazione afferenti alle 6 nuove pile non interferisca con quelle delle 17 pile esistenti. La livelletta del nuovo impalcato è stata alzata di 1,10m rispetto alla configurazione esistente per garantire un franco idraulico minimo di 1,50 m rispetto la quota dell’acqua in condizione di massima piena (Tr = 200 anni) (Figura 2).

Prestazioni e modellazione

L’esecuzione del progetto ha previsto a titolo premiale anche la creazione e la consegna di un modello openBIM, che rispecchiasse il livello di sviluppo della progettazione, secondo un livello di maturità da UNI 11337-1:2017 Livello 2 Elementare, in cui il progetto BIM vede la collaborazione e la condivisione delle informazioni BIM tra i vari attori del progetto: le informazioni vengono coordinate e integrate per garantire una migliore comunicazione e collaborazione tra le parti coinvolte nel progetto.

Questo livello implica infatti una maggiore coerenza nella gestione delle informazioni BIM, ma non necessariamente una completa integrazione dei dati. Nonostante l’iterazione non complessa con altri attori, essendo E2B l’unico progettista, è stato possibile definire una coerente gestione del modello informativo a diversi livelli di dettaglio geometrico, e soprattutto definire internamente dei processi per la gestione degli elementi di dettaglio in acciaio e l’uso del modello BIM per gestire le scelte progettuali e per il calcolo progettuale.

Nei paragrafi seguenti, saranno presentate le soluzioni progettuali adottate in riferimento alle criticità più rilevanti del ponte in oggetto. Inoltre, verranno illustrate alcune soluzioni implementate nell'esecuzione del modello BIM per quanto riguarda il livello di dettaglio informativo e la gestione del livello di dettaglio geometrico.

Modello BIM e gestione degli aspetti geometrici e informativi

La modellazione del progetto esecutivo è stata eseguita a partire dalle seguenti informazioni in ingresso quali: ricerca cartografica e sui documenti catastali, analisi geologica-geomorfologica, il tracciato della nuova infrastruttura stradale, la ricostruzione tridimensionale del lotto su cui insiste l’intervento (DEM 10m) e infine la nuvola di punti dell’infrastruttura viaria esistente.

Di queste in particolare era necessario definire come vincoli progettuali e geometrici, le vie di attacco ed entrambi i lati.

Struttura spaziale del progetto e organizzazione dei modelli

Per quanto riguarda strettamente la modellazione, il primo aspetto trattato è la scomposizione dell’opera: in un primo livello disciplinare, suddiviso in stradale, strutturale e smaltimento acque. Per la parte strutturale, l’opera è poi scomposta secondo due prospettive principali: organizzativa e tecnica. Da un lato, la stazione appaltante richiede una suddivisione dell’opera, ottenendo così uno schema ad albero del modello, che distingue la sottostruttura, l’impalcato e la struttura superficiale.

Dal punto di vista tecnico-informatico, l’impalcato è separato in due modelli; uno di essi, infatti, contiene i diaframmi trasversali, modellati con un livello di dettaglio geometrico compatibile con un LOD E, permettendo una più agevole gestione dei giunti in acciaio. Inoltre, alla stazione appaltante sono stati consegnati dei file IFC nelle versioni IFC 4 Add2 e IFC 4.3, secondo quanto previsto dal D.M. 312/2021.

A questo riferimento, quindi, la scomposizione spaziale pienamente prevista e allineata alla logica dei ponti della versione IFC 4.3, è adattata ad una scomposizione spaziale propria degli edifici nel file di output in quanto il software di modellazione utilizzato è strettamente connesso ad una logica verticale di modellazione.

Nel nome del IfcBuildingStorey è quindi indicata la dicitura della classe spaziale e del relativo PedefinedType, ad esempio il primo livello inferiore è denominato IfcFacilityPart.SUBSTRUCTURE

Sottostruttura

Per quanto riguarda le sottostrutture, l’intervento prevede la realizzazione ex-novo di due spalle e di sei pile. La sfida principale della modellazione riguarda la presenza di strutture esistenti interferenti con le nuove opere a rinforzo della costruzione. Per spalle e pile sono adottati i seguenti approcci.

Spalle

Le spalle sono state progettate in posizione arretrata rispetto a quelle esistenti. Tale approccio consente la realizzazione del nuovo sistema fondazionale composto da 5+5 pali di lunghezza pari a 28,00m che non interferiscono con le spalle esistenti. All’interno del modello è stato quindi possibile definire l’ingombro delle spalle preesistenti ad un livello di dettaglio geometrico schematico LODC, per procedere poi con modellazione del nuovo progetto delle spalle (Figura 3 A).

Pile

Le pile circolari di diametro pari a 2,90 m garantiscono la migliore sezione ai fini idraulici e per i fenomeni di scalzamento, a formazione del piano di posa dell’impalcato le stesse prevedono un pulvino di sezione rettangolo-semicircolare di lunghezza pari a 9,00m, larghezza 2.9m e altezza di 2,25m. Le sezioni di pulvino e pila sono raccordate con raggio costante pari a 2.20m.

Esse sono sorrette da un sistema fondazionale di tipo a pozzo che verrà realizzato in ghiaia eterogenea, mediante cassoni prefabbricati circolari da varare con il sistema dell’auto-affondamento con escavo delle ghiaie poste al loro interno. Una volta completata l’installazione degli elementi modulari i “pozzi” avranno diametro 3,30m ed altezza complessiva di circa 8,50 m (Figura 3 B).

All’interno di ogni pozzo verranno realizzati n.10 pali trivellati tra loro secanti di diametro pari a 0,88 m e lunghezza pari a 30m. Tale sistema di fondazioni, già adottato su opere simili, si è dimostrato estremamente efficace nel minimizzare gli effetti dello scalzamento grazie al minimo ingombro garantendo, grazie alla propria rigidezza e resistenza, l’assorbimento sia delle azioni verticali che orizzontali.

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