Strumenti di gestione | Ricerca e caso applicativo

La metodologia Bim per l’adeguamento sismico di edifici esistenti, pianificazione e controllo del cantiere

La metodologia Bim mostra un’efficacia operativa anche nel supporto di tematiche innovative e di ricerca e si propone come un efficace strumento di controllo e verifica di attività ad alta complessità, ancor più se combinata a moderne metodologie.

L'autore | Ing. Mauro De Luca Picione Dottore di Ricerca in ingegneria edile, libero professionista e docente a contratto, Università degli Studi della Basilicata.

L’autore | Ing. Mauro De Luca Picione
Dottore di Ricerca in ingegneria edile, libero professionista e docente a contratto, Università degli Studi della Basilicata.

Nel percorso di analisi sulla metodologia di lavoro basata sul Building Information Modeling (Bim) e, più precisamente, sul contributo che la stessa può dare ai diversi aspetti del settore delle costruzioni, si è voluto affrontare un tema di interesse crescente e innovativo, sia dal punto di vista metodologico che tecnologico e strategico: l’adeguamento sismico degli edifici. In diverse zone del Paese, quelle storicamente soggette a eventi sismici «frequenti e regolari», la sensibilità verso possibili fenomeni calamitosi è particolarmente elevata e l’argomento diviene oggetto di discussione in ambito professionale, sociale ed economico.
Il tema del possibile utilizzo della metodologia Bim è stato affrontato con il contributo dell’ing. Marco Vona, ricercatore di Tecnica delle Costruzioni e docente di Progetto di Strutture e Riabilitazione Strutturale presso l’Università degli studi della Basilicata, e del dott. Angelo Anelli.

L'autore | Ing. Vittorio Mottola Laureato in ingegneria edile, libero professionista e imprenditore edile, consulente software tecnico.

L’autore | Ing. Vittorio Mottola
Laureato in ingegneria edile, libero professionista e imprenditore edile, consulente software tecnico.

Si tratta degli autori di un recente lavoro di ricerca sulla applicazione di metodi multi-criteri e multidisciplinari (Multi Criteria Decision Making, Mcdm) per l’individuazione delle strategie di intervento ottimali su edifici esistenti in calcestruzzo armato.
Gli interventi sugli edifici esistenti intelaiati in c.a., siano di rinforzo, di miglioramento e/o adeguamento sismico, rappresentano una problematica il cui interesse è in costante crescita sia dal punto di vista della ricerca scientifica, in continua evoluzione per la definizione di metodologie e tecniche innovative sempre meno invasive, sia dal punto di vista professionale e sociale.

Il processo di definizione e realizzazione dell’intervento edilizio, e in particolar modo delle fasi di cantierizzazione, richiede una elevata specificità delle competenze necessarie per affrontare lavorazioni così delicate.

Bim

Per loro stessa natura questi interventi sono, infatti, caratterizzati da grandi complessità operative in tutte le fasi, sia a causa della difficoltà a ottenere una reale conoscenza della struttura sia in relazione alla necessità di garantire la continuità di fruizione degli edifici oggetto di intervento stessi.
Tali problematiche rendono gli interventi sugli edifici esistenti fonte di opportunità lavorative da una parte e vere e proprie sfide professionali dall’altra. Superfluo sottolineare l’inevitabile vantaggio sociale che si può avere evitando che eventi calamitosi portino vittime e di danni.

Rilievo della struttura: particolare del pilastro e dell’area di intervento.

Rilievo della struttura: particolare del pilastro e dell’area di intervento.

All’interno dell’ampio argomento in tema di interventi sul costruito è di particolare interesse l’adeguamento di edifici con funzioni pubbliche/strategiche.
Quest’ultimo rappresenta, infatti, uno dei temi più stimolanti per la ricerca, mostrandosi come un caso multi disciplinare e con aspetti di significativa rilevanza in termini di pianificazione e progettazione del cantiere che debbono essere opportunamente considerati fin dalle fasi iniziali di individuazione delle ottimali strategie di intervento.
Prendendo spunto dal lavoro di ricerca svolto si vuole evidenziare il possibile contributo che la metodologia Bim based può fornire, anche a integrazione dei metodi Mcdm, nella definizione e gestione di un intervento complesso come quello descritto nel lavoro di ricerca.

Rilievo della struttura: particolare del pilastro e dell’area di intervento.

Rilievo della struttura: particolare del pilastro e dell’area di intervento.

Nella multidisciplinarietà del tema e nelle esigenze di progettazione e pianificazione del sito di intervento, infatti, l’uso di software operanti su piattaforma Bim permette di gestire il necessario flusso d’informazioni, supportare l’intero processo decisionale ma, soprattutto, di progettare il cantiere e le sequenze operative delle differenti lavorazioni fin dalle fasi iniziali di definizione dell’intervento stesso.
«L’aspetto peculiare del caso oggetto della ricerca», riferisce il prof. Vona, «risiede nella specificità degli interventi su edifici fruiti e con funzioni strategiche. In questi casi, diviene rilevante e condizionate l’esigenza di mantenere in esercizio l’intera struttura, o parti di essa, durante le fasi esecutive dell’intervento».

Rilievo della struttura complessità del sito con i differenti pilastri da tagliare.

Rilievo della struttura complessità del sito con i differenti pilastri da tagliare.

Quanto sottolineato diviene, in termini di progettazione dell’intervento, una necessità puntuale di programmazione e gestione delle attività di cantiere dovendo far coesistere le esigenze di rapidità e precisione esecutiva con quelle legate alla sicurezza dei lavoratori, degli utenti e della struttura in genere.
La metodologia Bim, una volta definito il modello digitale dell’edificio e dei suoi componenti, permette di simulare e valutare strategicamente le differenti soluzione proposte per l’intervento attraverso una struttura dinamica di fasi e sotto fasi di lavoro, una puntuale identificazione dei componenti oggetto di attività, delle aree di intervento e delle zone che restano aperte alla fruizione degli utenti.
Dal modello stesso si possono estrarre, in fase di definizione dell’intervento, prima dei lavori e durante gli stessi in caso di varianti in corso d’opera, tutte le informazioni necessarie alla definizione degli elaborati di progetto dell’intervento e del cantiere a essi necessario.

Schemi di intervento, sequenza operativa del ringrosso della struttura, del taglio dei pilastri e l’inserimento degli isolatori sui blocchi A1 e A2.

Schemi di intervento, sequenza operativa del ringrosso della struttura, del taglio dei pilastri e l’inserimento degli isolatori sui blocchi A1 e A2.

L’applicazione. Il caso studio trattato, diretto dal prof. Vona, riguarda l’individuazione della strategia di intervento ottimale, condotta progettando e pianificando differenti soluzioni di intervento di adeguamento sismico di un complesso scolastico nel quale, sin dalle fasi iniziali sono state considerate, con le metodologie innovative suddette, tutte le problematiche relative alle fasi di lavorazione. Il plesso, sito nel territorio comunale di Sulmona (Aq), è stato realizzato nel corso degli anni ’80-’90. Le strutture intelaiate in c.a. sono state progettate utilizzando il valore dell’azione sismica per zona sismica di I categoria (S=12).

 

Schemi di intervento, sequenza operativa del ringrosso della struttura, del taglio dei pilastri e l’inserimento degli isolatori sui blocchi A3 e A4.

Schemi di intervento, sequenza operativa del ringrosso della struttura, del taglio dei pilastri e l’inserimento degli isolatori sui blocchi A3 e A4.

Il complesso è composto da diversi edifici. Quelli destinati ad aule didattiche sono quattro e si elevano per complessivi quattro impalcati, tre fuori terra con interpiano pari 3,75m più copertura con geometria a doppia falda, sviluppando una superficie coperta complessiva di 1580 mq. Il lavoro di definizione e progettazione dell’intervento ha richiesto una fondamentale fase di indagine orientata a ottenere, ben oltre i requisiti minimi di normativa, accurate informazioni geometriche delle componenti strutturali e non, dei materiali e dei dettagli costruttivi, i cui risultati sono stati posti a base della fase di valutazione e della successiva definizione dell’intervento.
Le fasi di valutazione della resistenza alle azioni sismiche e gravitazionali sono state condotte mediante un modello di calcolo agli elementi finiti, utilizzando sia analisi dinamiche lineari sia analisi statiche nonlineari, coerentemente all’impostazione normativa vigente Ntc2008. Dai risultati della valutazione sono state definite le differenti opzioni di adeguamento.

Fase. 1

Fase. 1

Per supportare l’individuazione della soluzione ottimale e il confronto tra le differenti tecniche e soluzioni si è fatto uso, come ha descritto il prof. Vona, di metodi multi criterio che consentono di definire un percorso decisionale razionale, non legato esclusivamente alle valutazioni derivanti dall’esperienza del singolo progettista e dei desiderate soggettivi della committenza.
Ampiamente utilizzati in molti settori economici e ingegneristici, i metodi Mcdm si basano sulla definizione di criteri di valutazione, attribuzione di pesi a essi relativi, valutazione delle alternative d’intervento rispetto ai criteri di giudizio prescelti. I metodi multi-criteri di selezione dell’intervento, divenuti ormai esigenza per la corretta individuazione della strategia da adottare, possono essere associati alle potenzialità del Building Information Modeling tramite la proposizione di un modello esaustivo e completo della fase di esecuzione dell’intervento ipotizzato, rendendo visibili e facilmente leggibili sia le fasi operative che gli aspetti logistici e di sicurezza fin dalle fasi decisionali iniziali.

Fase. 2

Fase. 2

È evidente come vi sia una sinergia funzionale tra l’approccio multi criterio e la metodologia Bim; infatti, una volta definito il modello dell’edificio digitale, sullo stesso possono essere simulate le diverse soluzioni utili a contribuire alla definizione dei «pesi» da attribuire ai differenti parametri, le differenti soluzioni tecnologiche ipotizzate per confrontarle e individuare la più rispondente ai requisiti del caso.
È interessante sottolineare come già nell’attività di analisi multi criterio hanno un peso significativo i parametri legati alla gestione del cantiere e della sicurezza – tema di approfondimento e integrazione con la metodologia Bim based del presente articolo – parametri complementari necessari a valutare tutte le difficoltà operative e complessivamente l’invasività e la fattibilità dell’intervento proposto rispetto sia alle problematiche di valenza strettamente tecnica sia a quelle inerenti l’utilizzo degli edifici in contemporanea all’esecuzione degli interventi.

Fase. 3

Fase. 3

Le soluzioni tecnologiche che sono state confrontate con il metodo multi criterio si caratterizzano per filosofie di intervento radicalmente diverse l’una dall’altra: isolamento alla base, fasciatura con Frp, incamiciatura in c.a./acciaio, controventi dissipativi.
«Le alternative di intervento sono state confrontate», riporta ancora il prof. Vona, «attraverso il metodo Topsis, mediate la definizione di quattro fasi applicative del metodo. Fase 1: costruzione della matrice di decisione normalizzata R, necessaria a causa della presenza di diverse unità di misura nella matrice D. Fase 2: costruzione della matrice di decisione normalizzata pesata V nella quale ciascuna colonna della matrice decisionale normalizzata R è stata moltiplicata per il peso del criterio a essa corrispondente. Fase 3: determinazione della soluzione ideale A*, individuando per ciascun criterio, la migliore prestazione offerta dalle alternative in gioco, e della soluzione negativa ideale A-, ottenuta combinando le peggiori prestazioni delle alternative rispetto a ciascun criterio. Fase 4: calcolo della distanza di ciascuna alternativa (reale) dalle due alternative virtuali A* e A- e determinazione della distanza relativa Ci* delle alternative dalla soluzione ideale».

La metodologia Bim si ritiene possa essere efficace nel supportare l’attività decisionale in generale e in particolare nella definizione dei valori  (tabella 1) da attribuire ai criteri C3, C4, C5, C7, C8 potendo simulare le differenti soluzioni.
La scelta finale per l’intervento oggetto di studio è caduta sulla soluzione che prevede la realizzazione e messa in opera del sistema di isolamento alla base secondo una sequenza di fasi e sotto fasi ben definita: ringrosso delle travi di fondazione; ringrosso della base dei pilastri; posizionamento, un pilastro per volta, di due martinetti a contrasto con la struttura di rinforzo precedentemente realizzata.
Il trasferimento delle sollecitazioni, dovute ai soli carichi verticali, dovrà essere realizzato considerando le risultanze di apposite analisi numeriche condotte considerando i carichi effettivamente agenti al momento dalla messa in opera di dispositivi; realizzazione della base d’appoggio dei dispositivi di isolamento; taglio del pilastro al piano di fondazione con lama circolare diamantata; accurata preparazione dell’orizzontalità della superficie di appoggio mediante malta autolivellante e antiritiro, e posizionamento corretto delle necessarie zanche di ancoraggio; posa in opera dei dispositivi di isolamento utilizzando martinetti a contrasto con la struttura della fondazione rinforzata; trasferimento del carico dai martinetti di sostegno, disposti lateralmente, al dispositivo di isolamento; solidarizzazione del dispositivo (mediante iniezione di malta antiritiro e a rapido indurimento) alla struttura di fondazione; rimozione dei martinetti di sostegno laterali.

Fase. 4

Fase. 4

Dalla descrizione delle fasi proposte per il caso studio in oggetto emerge con chiarezza che una delle esigenze da soddisfare per la gestione di un intervento sul costruito è la gestione del sistema documentale dinamico sia per la progettazione che per il monitoraggio continuo della commessa e delle sue fasi. Si tratta di definire un sistema di dettagliati e dinamici Layout grafici e documentali progressivi descrittivi delle diverse attività che fungano da veicolo delle informazioni di progetto, di tipo operativo e di sicurezza.
La realizzazione di un siffatto sistema documentale può avvenire attraverso soluzioni basate su modelli tradizionali, come per esempio software Cad 2D/3D, che, tuttavia, sono onerosi in termini di tempi e costi, oltre che meno immediati nella restituzione e interpretazione delle fasi. L’approccio attraverso il Building Information Modeling, si pone come una possibile soluzione e una interessante opportunità; infatti, tale metodologia, gestendo in un unico luogo digitale il sistema delle informazioni di progetto, di cantiere e di sicurezza, permette di simulare la sequenza delle fasi di lavoro e di supportare la produzione documentale necessaria.
L’utilizzo del Bim per il supporto a cantieri anche ad alta complessità operativa è una soluzione promettente che trova applicazione e utilità nella definizione di modelli intelligenti che con continuità permettono di simulare la fase di progetto, di verificare con continuità in fase esecutiva lo sviluppo dei lavori, il rispetto delle previsioni progettuali e, in generale, l’efficacia delle ipotesi operative individuate.

In conclusione, seppure in un’analisi teorica ma sufficientemente dettagliata e applicativa, la metodologia Bim mostra un’efficacia operativa anche nel supporto di tematiche innovative e di ricerca e si propone come un efficace strumento di controllo e verifica di attività ad alta complessità, ancor più se combinata a moderne metodologie quali i metodi Mcdm.

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