Il Digital Twin Numerico: un nuovo paradigma per lo studio dei fenomeni geotecnici

Nell’attuale fase di trasformazione digitale, l’ingegneria civile e in particolare la geotecnica si trovano a confrontarsi con una quantità di dati senza precedenti. Le opere monitorate generano flussi continui di informazioni provenienti da sensori, dispositivi IoT, modelli informativi e piattaforme eterogenee. Questa abbondanza informativa, pur rappresentando un’opportunità straordinaria, pone un interrogativo fondamentale: come trasformare questa massa di dati in conoscenza utile, capace di supportare decisioni affidabili in tempi rapidi?

È proprio in questo scenario che si inserisce con crescente forza il concetto di Digital Twin, una tecnologia ormai matura in settori come automotive, aerospace e manufacturing, e oggi destinata a rivoluzionare anche il modo in cui vengono monitorate, analizzate e gestite le opere geotecniche.

Il Digital Twin non è semplicemente la copia virtuale di un’opera reale, ma un sistema dinamico che evolve insieme al suo corrispettivo fisico. La sua natura è intrinsecamente integrata: raccoglie, armonizza e interpreta dati provenienti da fonti differenti, restituendo un quadro aggiornato e coerente dello stato dell’opera. Se il BIM ha introdotto una digitalizzazione orientata principalmente alla progettazione e alla costruzione, fornendo una rappresentazione informativa statica dell’asset, il Digital Twin compie un salto concettuale decisivo.

La sua funzione non è descrivere come l’opera è stata progettata, ma spiegare come l’opera si comporta realmente, diventando un unico punto di verità in cui geometria, sensori, simulazioni e analisi convergono in un ecosistema digitale continuamente sincronizzato con la realtà (Figura 1).

Nel contesto delle infrastrutture, questo concetto assume un valore particolarmente rilevante. Le opere civili sono sistemi complessi e in continua evoluzione, esposti all’ambiente, ai carichi, al degrado e a una molteplicità di interazioni che variano nel tempo. La possibilità di mantenere un modello digitale costantemente aggiornato permette di comprendere non solo lo stato presente dell’opera, ma anche la sua evoluzione futura, favorendo una gestione più consapevole della sicurezza, della manutenzione e dei rischi operativi.

Tra le diverse modalità con cui può essere costruito un Digital Twin, l’approccio che parte dalla modellazione numerica rappresenta una delle innovazioni più significative nel campo della geotecnica. In questo caso, il gemello digitale non nasce da un modello tridimensionale geometrico, ma da un modello di calcolo basato su metodi agli elementi finiti o alle differenze finite. Il cuore del DT diventa dunque un modello numerico avanzato, progettato per simulare con accuratezza i meccanismi di interazione terreno-struttura, la risposta deformativa, le condizioni di stabilità e i processi non lineari che caratterizzano il comportamento dei terreni e delle opere di sostegno.

Ciò che rende davvero innovativo il Digital Twin numerico è la sua capacità di aggiornarsi continuamente sulla base dei dati misurati. La sensoristica installata sull’opera alimenta in tempo reale il modello, che viene calibrato attraverso tecniche di analisi inversa. Questa calibrazione dinamica consente di ridurre progressivamente lo scarto tra le simulazioni e la risposta osservata, trasformando il modello di calcolo in un organismo digitale in grado di apprendere dal comportamento reale dell’opera. In questo modo, il DT numerico diventa una rappresentazione sempre fedele dello stato interno dell’infrastruttura, anche nelle sue parti non direttamente misurabili.

L’integrazione tra monitoraggio e modellazione crea un circolo virtuoso. I dati reali non sono più semplici serie temporali da visualizzare in grafici, ma acquisiscono un significato fisico all’interno del modello. Allo stesso tempo, il modello non è più uno strumento statico di progetto, ma un simulatore in tempo reale del comportamento dell’opera, in grado di mostrare come essa reagisce a sollecitazioni esterne o a cambiamenti nei parametri geotecnici. In presenza di algoritmi di intelligenza artificiale, questa capacità si amplia ulteriormente, permettendo di individuare pattern anomali, anticipare condizioni critiche e generare previsioni su scenari futuri con un grado di affidabilità crescente.

Nel settore geotecnico, intrinsecamente caratterizzato da incertezza, eterogeneità e complessità, l’introduzione del Digital Twin numerico ha un impatto particolarmente trasformativo. Le opere in terra e i pendii naturali costituiscono sistemi difficilmente interpretabili basandosi sui soli dati di monitoraggio, proprio perché i fenomeni interni non sono direttamente osservabili.

L’applicazione di un DT numerico supera questo limite, permettendo di ricostruire in modo continuo il quadro tensionale e deformativo del pendio, di seguirne l’evoluzione nel tempo e di comprenderne la reale vulnerabilità.

Nel caso, ad esempio, del monitoraggio di pendii in roccia rinforzati con chiodature, le misure dell’azione assiale in questi elementi strutturali, inserite all’interno di un Digital Twin numerico, diventano informazioni chiave per aggiornare il modello, calibrare le proprietà meccaniche del terreno, ricostruire gli spostamenti profondi e individuare eventuali segnali precoci di instabilità. Il gemello digitale si trasforma così in uno strumento operativo che accompagna l’opera lungo tutto il suo ciclo di vita, supportando la progettazione degli interventi, il monitoraggio dell’efficacia e la valutazione predittiva dei possibili scenari evolutivi.

In questa prospettiva, il Digital Twin numerico rappresenta una vera e propria rivoluzione per la gestione delle opere geotecniche. Non si limita a osservare, ma interpreta; non si limita a descrivere, ma prevede; non si limita a riportare il passato, ma anticipa il futuro. Il presente articolo ha l’obiettivo di approfondire questo concetto, illustrando un’applicazione concreta in cui i dati raccolti dal monitoraggio di un pendio vengono integrati in continuo con un modello numerico realizzato tramite FLAC, mostrando come questa sinergia tra fisico e digitale possa diventare un alleato fondamentale nella comprensione e nella gestione dei fenomeni geotecnici più complessi.

La sensoristica abilitante

Il dialogo costante tra l'opera fisica e il suo gemello digitale, che è il cuore del processo, è reso possibile da sistemi di monitoraggio avanzati, capaci di fornire dati accurati e in tempo reale. Un esempio rappresentativo di tecnologia abilitante in questo contesto è la soluzione sviluppata da Tokbo, specializzata nella digitalizzazione delle giunzioni filettate.

Il sistema si basa su una rete di bulloni strutturali sensorizzati che permettono di monitorare da remoto e in continui parametri fisici cruciali per la sicurezza e la performance dell'opera. Per l'applicazione specifica del presente esempio, questa tecnologia consente di misurare con precisione la forza di serraggio che agisce sull'ancoraggio, un dato fondamentale per valutarne l'efficacia nel tempo.

Oltre a ciò, i sensori sono in grado di rilevare la temperatura, le vibrazioni e l'inclinazione. I dati raccolti vengono trasmessi tramite un gateway a una piattaforma software dedicata, che li rende accessibili e analizzabili. L'architettura del sistema è flessibile, offrendo soluzioni sia cablate, ideali per grandi strutture, sia in modalità "mild wireless" con alimentazione autonoma da pannello solare, rendendola particolarmente adatta per installazioni in zone isolate o di difficile accesso, come spesso accade per le opere geotecniche.

Il processo operativo: dal dato del sensore all'aggiornamento del modello numerico

Il flusso di lavoro è totalmente contenuto all'interno dell'ambiente di calcolo geotecnico alle differenze finite FLAC2D, dove è stato implementato un modello numerico rappresentativo del pendio in esame, completo della sua stratigrafia e degli elementi strutturali di rinforzo, in questo caso chiodature (schematizzate come elementi "cable").

La procedura può essere descritta dai seguenti passaggi chiave:

• 1. Acquisizione Dati Sensori
  Il processo viene avviato dall'utente eseguendo direttamente dall'interfaccia di FLAC uno script dedicato. Questo script funge da orchestratore dell'intero flusso, gestendo la comunicazione tra il software di calcolo e la piattaforma di monitoraggio esterna.
  • La prima azione è quella di aprire una finestra di dialogo che richiede all'utente di definire l'intervallo temporale di interesse, specificando data e ora di inizio e fine.
  • Cliccando su "Avvia Monitoraggio", lo script si connette al server di Tokbo e scarica i dati grezzi registrati dai sensori nell'intervallo specificato.
• 2. Selezione e Trasferimento Dati 
  Una volta acquisiti i dati, una seconda finestra mostra all'utente l'elenco dei sensori disponibili, identificati tramite il loro MAC Address, e ne riporta lo stato operativo.
  • L'utente può selezionare quali sensori specifici utilizzare per l'aggiornamento del modello. Questa fase è cruciale per poter focalizzare l'analisi solo su punti di misura pertinenti o per escludere eventuali sensori in manutenzione.
  • Dopo la selezione, il comando "Trasferisci dati a Flac" elabora i dati scelti e li formatta in file di input leggibili dal software.
• 3. Elaborazione Statistica e Importazione nel software di calcolo A questo punto, l’utente è chiamato a scegliere un'operazione statistica da applicare alle serie storiche di dati scaricate per ogni sensore.
  • Scegliendo ad esempio l’opzione “MAX”, per ogni chiodatura monitorata, verrà utilizzato il valore massimo di forza assiale registrato nell'intervallo di tempo definito. Si tratta di un approccio che mira a valutare il modello nelle condizioni di maggiore sollecitazione riscontrate.
  • I valori massimi calcolati per ciascun sensore vengono quindi mostrati nella console di FLAC, fornendo un riscontro numerico immediato prima dell'aggiornamento grafico (Figura 3).

• 4. Aggiornamento del Modello Numerico e Visualizzazione dei Risultati
  Questa è la fase conclusiva e più significativa del processo, in cui il Digital Twin prende vita.
  
  • I valori di forza elaborati vengono assegnati agli elementi "cable" corrispondenti nel modello FLAC.
  • Cambiando la visualizzazione del plot per mostrare la "Cable Axial Force", il modello grafico si aggiorna istantaneamente. Le chiodature vengono ora rappresentate con una scala cromatica che illustra l'intensità della forza assiale, permettendo una valutazione visiva immediata dello stato di sollecitazione degli ancoraggi. Inoltre, della label (“OK”) mostrano il corretto funzionamento del sensore (Figura 4).
  • Infine, è possibile visualizzare direttamente in FLAC anche un grafico temporale che riporta l'andamento della forza assiale misurata da ciascun sensore nel tempo, consentendo un'analisi più approfondita delle variazioni e dei trend (Figura 5).

In sintesi, la procedura automatizza il processo di aggiornamento di un modello numerico geotecnico sulla base di dati misurati sul campo. Questo non solo garantisce che il modello sia costantemente rappresentativo della realtà, ma trasforma l'analisi numerica da uno strumento statico di progettazione a una piattaforma dinamica per la gestione e la manutenzione dell'opera.

In questo esempio, l'applicazione pratica del concetto di Digital Twin numerico si concretizza in un flusso di lavoro strutturato che permette di creare un ponte robusto e automatizzato tra il mondo fisico e quello digitale.

La procedura illustrata si svolge interamente all'interno dell'ambiente di calcolo geotecnico alle differenze finite FLAC2D, dove viene prima di tutto implementato il modello numerico del pendio in esame, una rappresentazione fedele che include la stratigrafia dei terreni, le loro proprietà meccaniche e la disposizione degli interventi di stabilizzazione, in questo caso le chiodature, modellate attraverso elementi strutturali "cable".

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