leStrade n. 1956 aprile 2024

Modellazione FEM e digital twin
I gemelli digitali impiegati per il monitoraggio dei
manufatti della rete autostradale consentono un
continuo scambio di informazioni tra il dominio fisico
della struttura reale e il dominio virtuale del
modello di simulazione ingegneristica. Questi “simulation-based
digital twins” integrano, infatti,
degli accurati modelli agli elementi finiti, sviluppati
fedelmente sulla base della documentazione
esistente, considerando l’esatta geometria,
le proprietà termomeccaniche, e le varie fasi di
costruzione e tensionamento che hanno avuto
luogo durante lo sviluppo delle singole opere ed
eventuali successivi interventi di ampliamento o
rinforzo strutturale.
In una modellazione per fasi, ogni componente
strutturale viene aggiunto al modello in step
successivi, partendo da uno stato di stress e spostamento
nullo, analogamente a come avviene
durante la costruzione reale. Le simulazioni tengono
in considerazione effetti non lineari dipendenti
dal tempo quali viscosità (fluage) e ritiro
del calcestruzzo.
Il comportamento nel tempo di ogni elemento
strutturale dipende dalla sua effettiva data di
installazione. Tenere in considerazione tali effetti
è fondamentale per descrivere correttamente
il comportamento anelastico della struttura,
e in particolare l’interazione tra elementi
strutturali installati in periodi differenti (per
esempio, negli interventi di ampliamento del
viadotto dei Parchi o del viadotto Tortona). La
modellazione tiene inoltre conto delle proprietà
termo meccaniche dei materiali utilizzati, permettendo
di descrivere gli effetti indotti da variazione
di temperatura.
Prendendo come riferimento il modello FEM realizzato
per il viadotto dei Parchi, in analogia con
le procedure di calcolo eseguite in fase di progettazione
dell’opera, viene analizzato il comportamento
combinato di tre campate successive,
modellando accuratamente le interazioni tra
le stesse.
L’impalcato, le pile e le fondazioni sono stati modellati
utilizzando elementi finiti di tipo brick a 20
nodi con funzioni di forma quadratiche. Le barre
Dywidag e i tiranti di tensionamento sono stati
modellati utilizzando specifici elementi in grado
di sostenere puramente azioni assiali.
Il modello è stato sviluppato per poter supportare
differenti altezze delle pile, in accordo con
quanto effettuato in fase di progettazione e con
le caratteristiche reali dell’opera. In particolare,
sono stati creati modelli per pile di altezza di 7,5,
12,5 e 17,5 metri.
Fig. 6: Confronto tra
il viadotto Forlanini
e il suo gemello digitale.
Fig. 6: Comparison between
the Forlanini viaduct and
its digital twin.
Fig. 7: Confronto tra
il viadotto dei Parchi
e il suo gemello digitale
(vista laterale).
Fig. 7 : Comparison between
the Parchi Viaduct and its
digital twin (side view).
Fig. 8: Calibrazione mediante
analisi inversa.
Fig. 8: Calibration through
inverse analysis.
Al fine dell’esecuzione delle verifiche secondo
normativa e del calcolo del coefficiente di utilizzo
della struttura, le azioni interne vengono calcolate
dalla piattaforma mediante integrazione
numerica degli stress degli elementi brick tridimensionali.
L’analisi delle misure
A partire dal modello iniziale, è caratteristica fondamentale
del gemello digitale la possibilità di
adattare le sue proprietà sulla base dell’effettivo
comportamento della struttura, identificando
prontamente l’insorgere di eventuali danni.
L’obiettivo del gemello digitale è di minimizzare
automaticamente la discrepanza tra il modello
di calcolo ed i dati misurati, al fine di ottenere
una affidabile valutazione dello stato tensionale
della struttura, sulla base della sua intera storia
di carico, e del suo comportamento in corrispondenza
di carichi agenti.
Il gemello digitale effettua quindi l’aggiornamento
e la calibrazione automatica del modello sulla
base dei dati di monitoraggio che vengono continuamente
acquisiti. La soluzione utilizza delle
tecniche avanzate per analisi inversa in tempo
reale (real-time back-analysis) per la calibrazio-
ne del gemello digitale, volte a minimizzare la
discrepanza tra i dati misurati dai sensori installati
sull’opera, e i risultati delle simulazioni numeriche.
In particolare, la piattaforma esegue
in automatico, ed in continuo, procedure di calibrazione
al fine di identificare qualsiasi parametro
strutturale incognito (o per il quale ci sia
una significativa incertezza) che governi i risul-
English Version
Discrete sensors
Different series of sensors were applied to the structures,
with positions varied from time to time depending
on the static scheme and constraint characteristics,
always consisting of thermometers, triaxial accelerometers,
displacement transducers and biaxial inclinometers
(fig. 3).
More precisely, triaxial accelerometers with MEMS
technology were used, with a measurement range between
± 2 g, a frequency band between 0 and 500 Hz,
and a spectral noise level between ± 22.5 μg/Hz^0.5;
MEMS technology biaxial inclinometers with measurement
range of ± 15°, resolution of 0.001°; Potentiometric
displacement transducers with measuring range
0÷150 mm and precision of 0.05 mm.
In general, the accelerometers and inclinometers were
positioned along the lateral edges of the decks in correspondence
with the on-axis sections and at the quarters
of the spans, on top of the piers the inclinometers
and displacement transducers were provided to measure
the rotations and displacements of the supports,
finally the thermometers were installed to detect the
temperature in the entire area of interest of the structures.
The sensors were wired and connected to a satellite
synchronization device and to a local control unit (UCL)
which manages all the elements for the connection of
the optic fiber transmission BUS, the acquisition of data
from the field sensors, their organization into databases
and preparation for sending them to the cloud.
The “Viadotto dei Parchi” and the distributed
optic fiber sensors (DOFS)
The “Viadotto dei Parchi” is the most important work on
the eastern ring road of Milan (A51). The original project,
signed by the engineer Silvano Zorzi, dates back to 1970
and presents a typical structure consisting of a deck plate,
continuous and integral with the piers, with spans of 24
m, with a zero-moment point imposed, for each span, at
7 m from the pier axis, and materialized by a Gerber type
saddle. The two motorway carriageways are supported
by two viaducts having the characteristics described and
parallel to each other with a distance between centers of
approximately 29 ÷ 30 m, with a total length of approximately
3,000 m.
In 1992, in conjunction with the construction of the third
lane of the Eastern Ring Road of Milan, the structures of
the viaduct were also enlarged. The distance between the
two viaducts made it possible to create two new structures,
one for each carriageway, in the internal space between
the two existing ones (fig. 4).
The considerable length and number of spans of the work
suggested the adoption of a system of distributed fiber
optic sensors (DOFS) for the acquisition of temperature,
deformation, and vibration measurements.
These sensors are distinguished from the “discrete” optic
fiber ones, often used for measurements on road structures
and bridges, generally based on fiber Bragg gratings
(FBG). These devices measure punctual deformation using
a spectroscopic technique and are usually used in chains
of a few dozen points. For this reason, they can only meas-
Infrastrutture&Mobilità
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