La modellazione parametrica di gallerie per l’ottimizzazione del progetto in corso d’opera

Uno dei maggiori problemi nella realizzazione di opere in sotterraneo, come le gallerie, è dovuto all'imprecisione legata alla caratterizzazione del terreno attraversato. L'obiettivo del presente lavoro consiste nel fornire alcuni spunti per limitare l'impatto che può avere tale incertezza nei progetti di strutture in sotterraneo. 

Il caso studio sul quale si è applicata la metodologia di seguito descritta riguarda il primo chilometro della galleria di Arco, facente parte del collegamento stradale Passo San Giovanni – Cretaccio, la cui realizzazione è iniziata nel maggio del 2018.
Il tunnel ha uno sviluppo complessivo di 2791 metri, di cui 2713 scavati in naturale e 78 metri costituiti da brevi tratti iniziali di galleria artificiale. La pendenza massima del tunnel è pari al 5%. Il lavoro si concentra sul primo chilometro di galleria. L’attraversamento del tratto oggetto di studio interessa due tipologie di ammasso roccioso di buona qualità: calcare oolitico di Loppio ed una formazione di Rotzo.

Questo lavoro è oggetto di una recentissima tesi presso l’Università degli Studi di Trento che vede come relatori il Prof. Alessandro Gajo a supervisione della parte geotecnica ed il Prof. Maurizio Costantini per l’implementazione di una procedura interoperabile con l’uso di strumenti BIM (Building Information Modeling).

I software a supporto di questa tesi sono stati forniti da Harpaceas (Tekla Structures come ambiente BIM Strutturale e Flac 3D per il calcolo geotecnico).

Flac3D è lo strumento che permette di effettuare calcoli e analisi numeriche per fondazioni, cedimenti, capacità portanti, pendii, paratie, gallerie, filtrazioni, consolidazione e studio dei fenomeni di creep e termici.

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Infine, il lavoro vede la collaborazione della Provincia Autonoma di Trento che ha messo a disposizione il progetto esecutivo della galleria ed inoltre fornirà i dati di monitoraggio (non appena saranno disponibili) per avere un confronto con i risultati del calcolo numerico.

Un processo interoperabile

Al fine di concretizzare l’obiettivo appena descritto, è necessario sviluppare una modellazione di tipo parametrico, così da attribuire uno o più parametri alla tipologia di scavo nel modello geotecnico e associare lo scavo ad una determinata tipologia di rivestimento provvisorio e definitivo nel modello strutturale. In questo modo, modificando i parametri nel modello geotecnico si avrà una modifica istantanea della tipologia strutturale e di conseguenza diventa possibile procedere con una stima di costi e tempi che tale variazione al progetto richiede. 

Questo metodo, inoltre, fornisce la possibilità di svolgere simulazioni con diverse tipologie di rivestimento e di scavo in modo da valutare la soluzione ottimale.

Nel presente lavoro è stata scelta un’interoperabilità di tipo Open, che consente ai Progettisti di scegliere per ogni disciplina coinvolta nel processo il software che ritiene più adatto alle proprie esigenze; l’utilizzo di formati di scambio aperti (del tipo IFC 2x3) eventualmente unito ad applicativi specificatamente studiati per ottimizzare il dialogo, consente di creare un flusso di informazioni continuo tra i vari programmi

Nello specifico si è svolta la modellazione infrastrutturale del tracciato, quella strutturale dei rivestimenti della galleria e la modellazione geotecnica del terreno e delle fasi di scavo così da poter svolgere analisi di tipo geotecnico all'interno del software di calcolo specialistico Flac3D.

La modellazione parametrica della galleria è stata svolta in Rhinoceros 6 mediante l’utilizzo del plug-in di Grasshopper, all’interno del quale è possibile includere l’espansione Grasshopper Tekla Link, la quale offre la possibilità di creare un’interoperabilità tra l’ambiente strutturale Tekla Structures e quello di modellazione geotecnica Rhinoceros.

Schema del processo di ottimizzazione.

1. Schema del processo di ottimizzazione.

Sfruttando i metodi previsti dalle NTC 2018, il metodo osservazionale e di back analysis, è possibile determinare i parametri che caratterizzano l'ammasso roccioso, come l'RMR, la convergenza ed il detensionamento del cavo della galleria.

Sviluppando una modellazione di tipo parametrico è stato possibile attribuire alla tipologia di scavo uno o più parametri relativi alle discontinuità dell’ammasso roccioso nel modello geotecnico e, in una fase successiva, associare la tipologia di scavo alla tipologia di rivestimento all'interno del modello strutturale. 

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Seguendo questa logica, nel momento in cui vengono superate le soglie limite previste dal progetto, si richiamerà una variazione istantanea della tipologia strutturale semplicemente modificando i parametri nel modello geotecnico; di conseguenza sarà possibile stimare costi e tempi che questa variazione di progetto comporta. Questo metodo inoltre offre la possibilità di svolgere simulazioni con diverse tipologie di rivestimento e di scavo in modo da valutare la soluzione ottimale.

Le fasi del processo

La modellazione della galleria è stata svolta in diversi step: prima di tutto è stato costruito un modello 3D dell'infrastruttura viaria; successivamente sono state modellate le varie tipologie strutturali in Tekla Structures; è stata poi effettuata la modellazione della morfologia del terreno e delle fasi di scavo della galleria mediante Rhinoceros e Grasshopper; infine, si sono attribuiti i parametri meccanici ai terreni per svolgere le analisi geotecniche in FLAC 3D.

Il progetto esecutivo della galleria prevede cinque diverse tipologie strutturali (fig. 2 a sinistra) più o meno rigide e resistenti. Tali tipologie vengono scelte per i diversi tratti in relazione alle caratteristiche degli ammassi rocciosi, all’attraversamento delle zone di faglia e alle zone di variazione della tipologia di terreno.

Le ultime due sezioni a destra in figura 2 sono tipologie relative a zone di allargo, atte a garantire la sicurezza in galleria.

Tekla Structures ha consentito una modellazione di dettaglio di sezioni molto complesse e soprattutto di lavorare in modo parametrico, per cui gli oggetti legati tra loro da determinate relazioni continuano a rispettare tali reciproche relazioni al variare di uno di essi.
Fin nel dettaglio sono state modellati inoltre le centine metalliche con i loro piatti di giunzione e i rinforzi (fig. 3). È possibile anche notare l’inserimento già nel modellatore BIM strutturale delle chiodature in calotta (fig. 2 a sinistra) che sono state poi trasferite come elementi cable dotati di interfaccia in Flac3D.

Tipologie strutturali in Tekla Structures

Per il corretto inserimento (posizionamento e rotazione) di queste sezioni lungo il tracciato in Tekla, è possibile trasformarle in componenti customizzati e cliccare semplicemente su due punti di riferimento (fig. 4). Il tracciato è stato importato dal modellatore BIM Infrastrutturale. Inoltre, con l’espansione Bridge Creator di Tekla è possibile riprodurre in serie le varie sezioni lungo il tracciato. 

In realtà, al fine di parametrizzare al massimo i modelli, non è stata scelta questa opzione, bensì è stata proposta una sinergia tra il modellatore Rhinoceros e il plug-in Grasshopper di Tekla Structures. L’interoperabilità tra il modello strutturale e geotecnico è stata necessaria per raggiungere uno degli obiettivi del lavoro: modificare un parametro geotecnico per avere una variazione istantanea della tipologia di rivestimento definitivo nel modello strutturale. Questo è possibile mediante il link Tekla Structures – Grasshopper.

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