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InfraBIM, FEM e stampa 3D: il digitale è reale

È possibile progettare le infrastrutture ottimizzando i processi infraBIM e FEM? L’interoperabilità è un mezzo per passare dal digitale al reale? Scoprilo in questo articolo.

Progettare il futuro: l’utilizzo di Midas CIM nella modellazione infraBIM del Ponte da Vinci a Sasso Marconi

La progettazione infrastrutturale è un settore in continua evoluzione sia nel mondo reale che in quello digitale. Negli ultimi anni, l’aumento della digitalizzazione e dell’utilizzo di tecnologie avanzate, ha portato ad un cambiamento significativo nella progettazione infrastrutturale.

L’utilizzo dell’infraBIM, BIM per le infrastrutture, consente una maggiore efficienza, accuratezza e collaborazione. In questo articolo esploreremo la modellazione infraBIM applicata ad un caso reale e come questi modelli possono essere trasformati in rappresentazioni reali.

Il caso studio in oggetto riguarda il Ponte da Vinci a Sasso Marconi (BO), un ponte ad arco incastrato che supera il fiume Reno. L’impalcato portato si presenta come un tipico viadotto in cemento armato con travate in continuità a due o tre campate. Il software utilizzato per la modellazione informativa è Midas CIM, un applicativo infraBIM, che si basa su processi di creazione e gestione di modelli digitali contenenti tutte le informazioni caratteristiche delle infrastrutture come ponti, viadotti e gallerie. L’impiego della modellazione parametrica lineare, specializzata per le infrastrutture, ha permesso di creare una rappresentazione precisa del ponte rendendo semplice ed intuitivo il processo di modellazione.

Modellazione parametrica della struttura: studio dei dettagli costruttivi e della geomorfologia

La prima fase di modellazione della struttura ha richiesto uno studio approfondito della documentazione originale per concepire i dettagli e le criticità di modellazione dell’opera. È stato creato un tracciato rettilineo per la sovrastruttura e uno curvilineo per la sottostruttura. Con Midas CIM, sono state create librerie per gli elementi strutturali suddivise in tre categorie:

  • Point Libraries: sono degli elementi strutturali posizionati “puntualmente” all’interno del modello, tra cui elementi di fondazione, traversi di collegamento, spalle e nervature verticali ed orizzontali;
  • Curve Libraries: sono degli elementi strutturali basati su una linea generatrice e caratterizzati dalla loro parametricità. Nella fase di modellazione, sono stati definiti elementi come la struttura dell’arco, elementi portati e non portati della sovrastruttura;
  • Assembly Unit: consentono di creare modelli parametrici ripetibili nel progetto, combinando gli elementi delle Point / Curve Libraries.

Bridge Management System: il ruolo di Midas CIM nella manutenzione dei ponti esistenti
Negli ultimi anni il settore delle infrastrutture si è concentrato sul tema della gestione e manutenzione di ponti e viadotti esistenti. Lo sviluppo dei sistemi di monitoraggio (SHM) e l’impiego day-by-day delle piattaforme di gestione (BMS) permette di avere un controllo continuo sullo stato di salute delle infrastrutture. Il ruolo del BIM consente di avere uno scambio informatizzato ordinato e degli ambienti intuitivi in fase di consultazione. Il software Midas CIM è un applicativo adatto alla modellazione infraBIM di ponti nuovi ed esistenti.
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Terminata la fase di modellazione della struttura, sono stati aggiunti elementi di dettaglio come le armature lente dell’arco. Questo passaggio ha confermato le potenzialità parametriche del software poiché tutte le armature seguono il tracciato curvilineo impostato inizialmente. Definendo delle viste “sezionate” degli elementi strutturali in Midas CIM e un software CAD dinamico Midas Drafter, è possibile passare dal 3D al 2D e creare tavole per confrontarle con quelle originali e verificarne il risultato.

Modellazione infraBIM del Ponte da Vinci con aggiunta di armature lente.

La modellazione è stata completata geo referenziando il modello e introducendo la geomorfologia del territorio. Le coordinate spaziali del punto di origine del ponte sono state utilizzate per creare una superficie di riferimento tramite il GIS integrato nel software. Con l’impiego degli elaborati grafici dell’epoca, è stato possibile ottenere informazioni sulla stratigrafia del terreno e crearne una rappresentazione tramite interpolazione di punti. La modellazione dei riporti al di sotto delle spalle ha consentito di simulare una fase costruttiva aggiuntiva di cantierizzazione.

Foto 2: presenza della geomorfologia del territorio

Interoperabilità

L’interscambio di dati tra diversi software è una delle principali caratteristiche di Midas CIM, poichè permette di collaborare con altri software BIM – authoring ed è specializzato nello scambio di informazioni tra i software Midas Civil e Midas FEA NX.

Midas CIM vs Midas Civil

All’interno del software Midas CIM è presente un modulo che consente di generare informazioni utili per la creazione di modelli analitici all’interno del modello infraBIM. Nel caso studio, sono stati introdotti rigid link per simulare l’ingombro delle sezioni, elastic link per simulare il comportamento dei dispositivi di appoggio e vincoli esterni per simulare i gradi di vincolo della struttura.

Con l’impiego del modulo Analysis, è stato possibile selezionare gli elementi FEM riconosciuti come 1D, 2D, creare una mesh e tener conto del peso proprio. Le informazioni vengono scambiate direttamente da Midas CIM o esportate in formato .mct compatibili con Midas Civil. Il modello FEM è stato verificato confrontando tutte le geometrie, i vincoli e il peso proprio avviando una prima analisi per determinare l’accuratezza del modello.

Foto 3: Confronto modelli analitici di Midas CIM e Midas Civil

Midas CIM vs Midas FEA NX

Per far collaborare i due software, Midas CIM e Midas FEA NX, è stato necessario esportare il modello in formato .x_t (parasolid) da Midas CIM. Dopo l’esportazione e l’importazione all’interno di Midas FEA NX, le geometrie risultano solide per la parte strutturale e superfici per la stratigrafia. Questo consente di avere un modello quasi completo in termini di geometrie accelerando il processo di progettazione della struttura.

Midas FEA NX vs Stampa 3D

Come è possibile trasformare un modello digitale in un modello concreto, reale? Il software Midas FEA NX consente di esportare completamente o parzialmente il modello in formato .stp. STEP è un formato di scambio dati 3D standard impiegato in tutti i software di slicing. Un software di slicing o slicer, come Ultimaker Cura, è un’applicazione che converte il modello 3D in istruzioni che possono essere utilizzate dalle stampanti 3D, permettendo di definire tutti i parametri di stampa ed esportarli in formato G-code leggibile dalle stesse.

Il processo di stampa 3D del ponte è stato eseguito suddividendolo in vari elementi per poterlo realizzare in una scala adeguata utilizzando come materiale un filamento in PLA+ con rifinitura nera opaca. Durante la stampa, le impostazioni prevedevano una temperatura dell’ugello di 235°, temperatura del piatto 60° e velocità di ritrazioni maggiori del normale per superare eventuali problemi legati agli sbalzi strutturali. Una volta completata la stampa, gli elementi sono stati assemblati per creare il modello finale del ponte.

Foto 4: Metodologia per trasformare un modello digitale in un modello reale

BIM e FEM possono incrementare l'efficienza del processo di modellazione per gli ingegneri strutturisti

In questo articolo è stato possibile osservare come l’architettura del software infraBIM Midas CIM sia flessibile in base alle necessità anche molto diverse dal proprio settore. La combinazione tra BIM e FEM può incrementare l’efficienza del processo di modellazione per gli ingegneri strutturisti e geotecnici fino al 70-80%, riducendo notevolmente la modellazione geometrica. È importante comprendere come un modello BIM possa essere utilizzato per creare modelli reali utilizzando tecnologie additive come la stampa 3D, creando un legame diretto tra idea, schizzo, modellazione 3D e modello reale.

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