L’attività di ricerca svolta in merito all’incarico dal titolo “Building Information Modeling e Analisi Strutturale per la Conservazione del Patrimonio”, è stata articolata in diverse fasi.
Durante la prima fase è stato approfondito il tema del Building Information Modeling applicato al patrimonio culturale. Sono stati, in particolare, valutati i vari aspetti della rappresentazione digitale applicata ai Beni storico–archeologici. E’ stato verificato come la tecnologia digitale del B.I.M., portatrice di numerosi vantaggi per i progettisti durante il processo progettuale, possa essere declinata con successo anche alle casistiche di intervento strutturale sul patrimonio culturale. La traduzione delle informazioni geometriche degli edifici storici esistenti, acquisite utilizzando le tecniche diffuse di laser scanning costituisce, infatti, ancora una criticità nel processo successivo dell’analisi strutturale.
Con la seconda fase si è quindi iniziato a indagare sui diversi aspetti che caratterizzano l’interazione tra analisi strutturale e rappresentazione digitale e sui possibili approcci metodologici per integrare la rappresentazione geometrica digitale nel campo della disciplina dell’analisi strutturale. L’attività di ricerca della terza fase ha incentrato lo studio sui diversi metodi di analisi strutturale applicata al patrimonio culturale e sui risultati che è necessario ottenere analizzando il comportamento strutturale degli edifici storico–archeologico esistenti.
Successivamente è stato analizzato l’oggetto di intervento del progetto attraverso il metodo della comparazione e quindi attraverso lo studio di strutture simili a quelle da indagare. Sono stati presi in esame Beni storico–archeologici della stessa tipologia e sono stati esaminati dal punto di vista strutturale. Si è proceduto ad approfondire la metodologia più adatta per valutare la sicurezza delle strutture archeologiche, riferendosi in particolare agli aspetti che caratterizzano l’interazione tra analisi strutturale e rappresentazione digitale e sui risultati da conseguire attraverso le tecniche grafiche digitali basate sul rilievo con laser scanner.
Durante la fase suindicata, è stato studiato l’ interfaccia del software Midas GEN ai fini della rappresentazione grafica degli elementi strutturali caratteristici dei Beni archeologici e dell’analisi strutturale degli stessi.
Il software permette di avere a disposizione una libreria di elementi finiti molto vasta (elementi “truss”, “beam”, “wall”, “shell-plate”, “solid”, tutti con molteplici tipi di comportamento). La gestione di tutte le tipologie strutturali è completa e si ha la possibilità di attivare o disattivare in qualsiasi fase gli elementi finiti, i vincoli, i parametri dei materiali, i carichi, il tutto senza creare file multipli o analisi di restart.
La possibilità di importare ed esportare il modello 3D dà origine all’integrazione con Autodesk© Revit Structure, Tekla Structures e tutti i software capaci di elaborare in prima fase la nuvola dei punti di un edificio, generate dal rilievo con laser scanner.
Midas/Gen offre quindi la possibilità di analizzare agevolmente strutture esistenti realizzate in materiali diversi e disomogeni, ipotizzando con qualsiasi intervento di consolidamento e miglioramento sismico.
Ogni materiale è modellato numericamente con gli algoritmi migliori attualmente disponibili a livello mondiale. Nei casi che saranno esaminati nell’ambito del progetto, le murature a conci disomogenei di una Torre e di una Villa rappresentativa saranno elaborate con il modello di materiale “Strumas”, del Prof. Pande, collaboratore di Zienkiewicz all’Università di Swansea (UK). Questo modello, specificamente sviluppato per le murature, presente in MIDAS/Gen sia in versione lineare che non lineare, permette di considerare in dettaglio i blocchi di muratura e i corsi di malta, così come ottenuti da un rilievo in situ (come richiesto da NTC2008).
Tale fase risulta intermedia tra quella che ha caratterizzato i precedenti mesi di ricerca ossia la fase metodologica, fondamentale ai fini del progetto di ricerca e quella applicativa che caratterizzerà i successivi mesi e che porterà ai risultati finali del progetto.
Durante la fase suindicata, è stato realizzato il modello tridimensionale di un Bene Archeologico preso ad esempio (Palazzo di Re Barbaro a Porto Torres in Sardegna).
Attraverso l’elaborazione della nuvola dei punti, è stato possibile ricavate un dettagliato rilievo della costruzione. Con l’utilizzo dei più conosciuti programmi di grafica in 2D e 3D, è stata ricavata la consistenza morfologica e con un passaggio importante dal modello di rappresentazione grafica al modello strutturale, è stato possibile individuare solo le parti strutturali dell’edificio. Tale fase è necessaria ai fini dell’individuazione dell’ossatura della costruzione. Infatti, eliminando tutti gli elementi che, seppur “formando” la costruzione, non partecipano strutturalmente al modello di analisi, sono stati visualizzati sull’ interfaccia del software Midas/GEN tutti gli elementi strutturali caratteristici del Bene archeologico ed è stato possibile precedere all’analisi strutturale degli stessi (fase che verrà approfondita successivamente).
La possibilità di modellare tridimensionalmente un Bene Archeologico, partendo da un rilievo con Laser Scanner e di importare ed esportare il modello 3D da Autodesk© Revit Structure, Tekla Structures a Midas/GEN, dà origine al momento chiave dell’integrazione tra le discipline scientifiche della rappresentazione e delle strutture, caratteristico del progetto di ricerca.

Dopo aver realizzato il modello tridimensionale di un Bene altamente rappresentativo del settore archeologico, attraverso l’elaborazione della scansione effettuata con laser scanner è stata ricavata la consistenza morfologica della costruzione e, con un passaggio fondamentale dal modello di rappresentazione grafica al modello strutturale, è stato possibile individuare le sole parti strutturali, modellate poi mediante elementi finiti solidi ne software di analisi strutturale Midas/Gen.
Grazie alle prestazioni di tale software, si è proceduto quindi all’analisi non lineare del modello 3D strutturale della costruzione, al fine di verificare l’intera procedura messa a punto. Sono stati successivamente verificati gli elementi strutturali al variare delle diverse condizioni di carico, ed è stato possibile evidenziare sia gli stati tensionali sia identificare le porzioni murarie sede di concentrazione di tensioni e le situazioni maggiormente critiche.

Il procedimento sperimentato per la realizzazione del modello strutturale di Palazzo Re Barbaro a Porto Torres e per l’analisi strutturale dello stesso, è stato applicato per Villa dei Misteri a Pompei.
La villa di epoca romana è ubicata fuori dalle mura nord dell’antica città di Pompei. Si presenta a carattere rustico-residenziale con pianta quadrata e poggia in parte su un terrapieno ed in parte è sostenuta da un criptoportico, formato da arcate cieche.
Venne sepolta dall’eruzione del Vesuvio del 79 d.C. e riportata alla luce a partire dal 1909.
Attualmente il rilievo geometrico digitalizzato presenta parti di struttura ben conservata e parti a rudere.
L’applicazione della metodologia B.I.M. consente la suddivisione del modello tridimensionale in differenti parti, ognuna collegata all’altra per mezzo di punti fissi ma, allo stesso tempo, ognuna indipendente dall’altra per caratteristiche intrinseche (materiche, geometriche, formali, etc…).
Partendo dalla planimetria della Villa, considerando il punto di partenza a quota 0.00m, è stata creata una griglia spaziale 30cmx 30cmx30cm che ha dato origine ad una maglia strutturale.
Dal punto di incontro della griglia con i punti della struttura rilevata in pianta sono stati ricavati punti dai quali sono stati elevati i setti murari.
A tali elementi è stato data una consistenza sia dal punto di vista grafico, con la creazione di solidi pieni, sia dal punto di vista sostanziale con l’attribuzione di caratteristiche materiche e di comportamento meccanico.
Una volta ottenuta la scansione completa della Villa con la strumentazione laser ed è stata definita la nuvola dei punti, è possibile inserire questa all’interno della griglia facendo coincidere punti di riferimento scelti.
Intersecando la griglia spaziale con la nuvola dei punti, viene ricavato il profilo di ciascuna parete muraria, identificato con polilinee. Con la mesh spaziale di base viene ricavato il modello tridimensionale della struttura agli elementi finiti (metodo FEM). Con l ’assegnazione delle caratteristiche meccaniche a ciascun prisma del modello agli elementi finiti si procede all’analisi strutturale per qualsiasi azione esterna (vento, sisma etc..)
Solo attraverso l’integrazione tra il metodo di rappresentazione grafica della struttura realizzato con Midas/GEN e la nuvola dei punti generata dall’elaborazione dei punti di scansione del laser, si riesce a definire completamente e con precisione il modello strutturale della Villa.
Il procedimento sperimentato per la realizzazione del modello strutturale di Palazzo Re Barbaro a Porto Torres e per l’analisi strutturale dello stesso, è stato applicato per Villa dei Misteri a Pompei.
La villa di epoca romana è ubicata fuori dalle mura nord dell’antica città di Pompei. Si presenta a carattere rustico-residenziale con pianta quadrata e poggia in parte su un terrapieno ed in parte è sostenuta da un criptoportico, formato da arcate cieche.
Venne sepolta dall’eruzione del Vesuvio del 79 d.C. e riportata alla luce a partire dal 1909.
Attualmente il rilievo geometrico digitalizzato presenta parti di struttura ben conservata e parti a rudere.
L’applicazione della metodologia B.I.M. consente la suddivisione del modello tridimensionale in differenti parti, ognuna collegata all’altra per mezzo di punti fissi ma, allo stesso tempo, ognuna indipendente dall’altra per caratteristiche intrinseche (materiche, geometriche, formali, etc…).
Partendo dalla planimetria della Villa,

considerando il punto di partenza a quota 0.00m, è stata creata una griglia spaziale 30cmx 30cmx30cm che ha dato origine ad una maglia strutturale.

Dal punto di incontro della griglia con i punti della struttura rilevata in pianta sono stati ricavati punti dai quali sono stati elevati i setti murari.
A tali elementi è stato data una consistenza sia dal punto di vista grafico, con la creazione di solidi pieni, sia dal punto di vista sostanziale con l’attribuzione di caratteristiche materiche e di comportamento meccanico.
Una volta ottenuta la scansione completa della Villa con la strumentazione laser ed è stata definita la nuvola dei punti, è possibile inserire questa all’interno della griglia facendo coincidere punti di riferimento scelti.
Intersecando la griglia spaziale con la nuvola dei punti, viene ricavato il profilo di ciascuna parete muraria, identificato con polilinee. Con la mesh spaziale di base viene ricavato il modello tridimensionale della struttura agli elementi finiti (metodo FEM). Con l ’assegnazione delle caratteristiche meccaniche a ciascun prisma del modello agli elementi finiti si procede all’analisi strutturale per qualsiasi azione esterna (vento, sisma etc..)
Solo attraverso l’integrazione tra il metodo di rappresentazione grafica della struttura realizzato con Midas/GEN e la nuvola dei punti generata dall’elaborazione dei punti di scansione del laser, si riesce a definire completamente e con precisione il modello strutturale della Villa.

La sperimentazione numerica eseguita su parti di muratura particolarmente irregolari ha generato un affinamento della metodologia studiata fino a questo punto della ricerca.

Si era arrivati alla realizzazione di una prima parte del modello strutturale di Villa dei Misteri a Pompei (work in progress).

Si è pensato a questo punto di integrare le operazioni finora elaborate con una fase di sperimentazione.

Le caratteristiche murarie di Villa dei Misteri rendono l’applicazione della metodologia B.I.M. strutturale molto interessanti per la presenza di irregolarità murarie.

La nuvola dei punti elaborata, proveniente dai punti di scansione generati dal rilievo con laser scanner ha la caratteristica di restituire perfettamente “la pelle” della costruzione che va ad indagare.

Grazie alla creazioni di una griglia media spaziale di misura idoneamente scelta ed i punti del modello rappresentativo della nuvola, come descritto in precedenza, sarà possibile andare a modellare perfettamente quelle che sono le reali morfologie murarie della fabbrica.

Più è dettagliato il modello strutturale tridimensionale e più sarà possibile analizzare in modo dettagliato la struttura ed il suo comportamento.

L’intera operazione che si va a sperimentare numericamente parte dal rilievo con laser scanner di una parte di muratura molto irregolare e facente parte di uno scavo archeologico preso ad esempio. L’elemento strutturale grazie ai punti di scansioni e alla meshatura della superficie prende subito un’identità realistica.

Riproducendo la maglia con solidi prismatici collegati l’uno all’altro per mezzo di punti fissi ed avendo caratteristiche materiche, di forma, geometriche e di comportamento meccanico, si ricava il modello tridimensionale della struttura agli elementi finiti (metodo FEM), e si procede all’analisi strutturale per qualsiasi azione esterna (vento, sisma etc..).

Come mostrano le immagini, una stessa parte di muratura irregolare presenta differenti fasi di graficizzazione. Dai punti della scansione alla realizzazione di una maglia poligonale per arrivare alla meshatura superficiale.

 

 

A tale fase applicativa di ricerca ne è seguita un’altra caratterizzata dall’approfondimento della normativa vigente in materia di valutazione della sicurezza sismica del patrimonio culturale esistente.

Negli anni ’90 fu elaborata e realizzata dall’Istituto Centrale per il Restauro la Carta del Rischio del Patrimonio Culturale che concretizzava il concetto di “restauro preventivo”, ossia la filosofia della prevenzione anche nel campo dei beni culturali. Il progetto voleva rispondere alla duplice necessità di evitare danni e perdite nel settore delle opere d’arte e dei monumenti e consentire interventi leggeri,di manutenzione e riparazione preventiva, sicuramente più compatibili e meno snaturanti delle operazioni di restauro vere e proprie, oltre ad essere economicamente meno onerosi.

Tutto ciò fu concretizzato nella realizzazione di un sistema di banca dati capace di raccogliere, elaborare e gestire informazioni e dati relativi all’intero patrimonio nazionale archeologico e monumentale, cercando, su base statistica, di individuare i rapporti esistenti tra il patrimonio culturale e il suo stato di conservazione e i fattori che ne possono provocare il deperimento.

Era una classica applicazione del concetto di rischio, inteso come possibilità che un evento possa provocare danni ai beni culturali, e assunto essere una funzione della pericolosità (intensità e probabilità che si verifichino eventi dannosi), e della vulnerabilità (capacità del bene di fronteggiare ciascun evento esterno).

Uno degli assunti di base della Carta del Rischio consisteva quindi nella possibilità di pervenire a misurazione di ciascun aspetto del rischio, compresa la vulnerabilità. Il tracciato del progetto era incardinato su due livelli di analisi: un primo basato su schede sintetiche, i cui dati servivano per il calcolo di un indice di vulnerabilità, e un secondo livello, più approfondito ma sempre basato su un sistema di schedatura, finalizzato alla valutazione dello stato di conservazione.

Nella Carta del Rischio la vulnerabilità era quindi calcolata statisticamente, utilizzando un numero adeguato di variabili che descrivono le condizioni minime necessarie per la conservazione del bene. L’acquisizione delle informazioni necessarie era previsto avvenire attraverso una fase di schedatura (basata su un rilievo geometrico dei singoli elementi, compresi quelli strutturali) e una previsione delle possibili forme di degrado (con specifica attenzione alle azione dei normali fattori climatici, quali pioggia, vento, variazioni di temperatura e umidità).

In tale ambito si può e si deve inserire oggi anche la componente più strettamente strutturale, contemplando, nel calcolo dell’indice di vulnerabilità, anche azioni esterne quali quelle sismiche.

Oggi, e ne è un esempio quanto si sta facendo nell’ambito di questo percorso di ricerca per l’area archeologica di Pompei, è possibile pervenire a una fase di conoscenza (includendovi anche il rilievo geometrico digitale con attrezzature avanzate) molto più approfondita, che sia di base per la valutazione di indici di vulnerabilità o di sicurezza che includano anche quelli statici e sismici. Tutto ciò anche alla luce della procedura messa a punto nel corso di questa attività di ricerca che consente una efficace costruzione di un modello strutturale dettagliato utilizzando, in via pressochè automatica e informatizzata, il rilievo eseguito attraverso attrezzature laser scanner.

La valutazione della vulnerabilità statica e sismica, fondamentale per determinare il livello di sicurezza di ciascuna opera, è oggi parte integrante delle normative vigenti, ma può essere differentemente condotta. In tale ambito, deve essere infatti innanzitutto definito il parametro o i parametri, ritenuti maggiormente rappresentativi e gestibili da un punto di vista operativo, che possono identificare la vulnerabilità stessa.

Per l’azione sismica ci sono diverse possibilità tra cui

Ad esempio, l’intensità macrosismica rappresenta un parametro vantaggioso vista la sua diretta correlabilità attraverso una scala di intensità con i danni causabili da un evento sismico, ma è poco vantaggiosa perchè di difficile correlazione con i valori di tipo spettrale che permettono di definire la pericolosità sismica. Le grandezze spettrali offrono invece tale possibilità di correlazione mediante un’analisi strutturale, avendo un chiaro significato meccanico, ma consentono una minore possibilità di valutare il danno prodotto. Quest’ultimo può tuttavia essere espresso mediante indici, i quali, successivamente, attraverso una scala standardizzata, possono essere correlati a un parametro di tipo economico.

Nell’ultimo trentennio sono state messe a punto diverse metodologie per la stima della vulnerabilità, ovvero di un indice di vulnerabilità. In questa fase della ricerca sono state quindi esaminate in dettaglio quelle maggiormente accreditate (metodo delle matrici di probabilità di danno, metodo delle curve di fragilità, metodo Hazus sviluppato dalla Federal Emergency Management Agency americano, procedure basate sul metodo N2 adottato dall’Eurcodice 8 o più in generale sul metodo dello spettro di capacità), anche se basate su procedure diverse da quella appena introdotta, per valutarne la possibile applicazione al patrimonio archeologico di Pompei.

Tra le possibili procedure si è ritenuto maggiormente opportuno, in questa sede, fare riferimento a una metodologia di tipo meccanico, in cui il danno è valutato per via analitica attraverso un’analisi della struttura del tipo non lineare. Il danno è quindi associato al raggiungimento di uno stato limite, identificato dal raggiungimento di una prestabilita situazione limite o dall’attivazione di un meccanismo di collasso della struttura, mentre l’azione sismica è espressa in termini massima accelerazione al suolo, inquadrando il tutto rigorosamente nello schema delle vigenti normative, NTC 2008 (Norme Tecniche per le Costruzioni) e Direttiva 2011 (Valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale con riferimento alle NTC 2008). Per tale ragione si è ritenuto opportuno effettuare anche un’analisi comparativa tra le NTC del 2008 e l’aggiornamento attualmente in approvazione, per valutarne le modifiche.
Nella fase precedente erano state collegate le due parti con le quali era stata suddivisa la Villa (per praticità di esecuzione) con una operazione di merging tra le sezioni orizzontali e verticali ricavate dalla nuvola dei punti generata dal rilievo con laser scanner.

In questa fase finale del progetto, le relazioni tra il settore della rappresentazione e quello delle strutture realizzano insieme l’obiettivo della ricerca stessa ossia la Modellazione strutturale agli elementi finiti di Villa dei Misteri in Pompei.

Grazie alla modellazione B.I.M. alla base del progetto di ricerca, si è riprodotto in maniera veritiera tutto l’apparato strutturale della villa. Non sono state tralasciate le variazioni dei paramenti murari che sono stati fedelmente rappresentati da tetraedri.

Le coordinate spaziali sono rimaste invariate nel passaggio dalla digitalizzazione del rilievo geometrico generato dalla nuvola dei punti alla modellazione B.I.M. strutturale della Villa. Questo ha determinato un’ottima riuscita delle reciprocità d’azione dei due settori disciplinari (rappresentazione estrutture) che hanno saputo coniugare insieme i vari aspetti del virtuale e della modellazione e insieme hanno raggiunto un unitario obiettivo che è appunto la tridimensionalità del modello della Villa e l’analisi del modello a elementi finiti sotto carichi verticali e sotto l’azione sismica.

Per completezza di risultati sono elaborate analisi lineari e non lineari della Villa.

Tutto il processo di analisi strutturale è stato guidato dal programma di calcolo Midas /GEN. La precisione di elaborazione dei dati di tale software è elevatissima infatti grazie a questo aspetto, la Villa dei Misteri è stata indagata strutturalmente nella sua interezza e ha generato risultati interessanti dal punto di vista statico e risultati particolarmente attraenti dal punto di vista sismico.

Nelle figure che seguono, la modellazione spaziale generata dal software Midas/GEN evidenzia i particolari paramenti murari con tutte le loro caratteristiche morfologiche ed esalta anche gli elementi costituenti la struttura della Villa diversificando il comportamento meccanico delle parti dalle caratteristiche materiche delle stesse.