Salzano, Antonio (2015) Metodologie BIM per la progettazione integrata di interventi di riqualificazione e rinforzo strutturale orientati alla sostenibilità ambientale. [Tesi di dottorato]

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Abstract

L'attività di ricerca descritta nella presente tesi di dottorato nasce dalla prima esperienza in Regione Campania di Dottorati in Azienda, finanziata con fondi Por Fse 2007-2013. In particolare, l'azienda che ha accolto con fervente entusiasmo e altrettanta professionalità l'attività di dottorato è l'Associazione Costruttori Edili di Napoli (ACEN). L'ACEN è un'associazione tra aziende private che opera nel settore delle costruzioni con finalità di salvaguardia e tutela dell'imprenditoria, di sviluppo e progresso dell'industria delle costruzioni, di qualificazione professionale delle imprese del settore e del loro avanzamento tecnologico. Date le finalità dell'Associazione, gli obiettivi dell'attività di dottorato sono stati definiti durante diversi mesi di confronto e collaborazione tra il Dipartimento di Strutture per l'Ingegneria e l'Architettura e l'ACEN. Perseguendo il fine di un progetto vasto e comune, i costruttori hanno manifestato l'esigenza di implementare e indagare nuovi metodi e procedure che potessero rendere più efficiente il processo edilizio e che fornissero strumenti per il monitoraggio e il controllo dei tempi e dei costi degli interventi edilizi. Il Dipartimento universitario, d'altro canto, seguendo il crescente interesse scientifico riferito allo sviluppo sostenibile nel settore delle costruzioni, hanno diretto le scelte verso lo studio e l'approfondimento di materiali e tecniche per l'edilizia con basso impatto ambientale. Pertanto si è cercato di interpretare le esigenze dei diversi soggetti coinvolti, stabilendo di approfondire alcune tematiche che, attualmente, governano la scena mondiale del settore delle costruzioni, quali la progettazione integrata e lo sviluppo sostenibile. Quest'ultimi principi rappresentano, appunto, i due fili conduttori che hanno ispirato le diverse attività descritte nei capitoli di cui la tesi si compone nonché, chiaramente, il titolo del presente lavoro: "Metodologie BIM per la progettazione integrata di interventi di riqualificazione e rinforzo strutturale orientati alla sostenibilità ambientale". Il Building Information Modeling (BIM), è una metodologia di progettazione e gestione delle opere civili che permette l'integrazione in un modello 3D, unico e condiviso, di tutti i livelli di progettazione quali architettonico, strutturale ed impiantistico, mediante una modellazione parametrica ad oggetti. Ogni oggetto non è più una mera rappresentazione grafica, riconoscibile per mezzo di dettagli o legende, ma un elemento 3D ricco di informazioni di vario genere che descrivono il comportamento meccanico, termico e funzionale dell'oggetto fino ad arrivare a dettagli specifici come il costo, il produttore, la provenienza e lo stato manutentivo dello stesso. Le forti potenzialità del BIM nell'archiviazione e gestione delle informazioni generate durante tutto il processo edilizio, dalla fase di ideazione di un'opera, passando per la progettazione e la realizzazione fino alla sua fase di uso, identifica tale metodologia come strumento a supporto della gestione di tutto il ciclo di vita delle opere civili. Il BIM risponde a pieno alle esigenze delle imprese di costruzioni che oggi si trovano ad affrontare realizzazioni di opere sempre più complesse con una richiesta di prestazioni sempre più elevata in uno scenario di crisi del settore. Pertanto, il controllo accurato delle quantità, dei costi e il monitoraggio contestuale dei tempi, tramite la gestione del cronoprogramma integrata con il modello BIM, sono le potenzialità che maggiormente hanno catturato l'interesse da parte di ACEN nell'affrontare questo tema di ricerca. L'attività di studio e ricerca sul BIM è stata integrata al tema dello sviluppo sostenibile del settore delle costruzioni, incentrato sull'implementazione di strumenti a supporto dei professionisti per facilitare il processo di decision making in un'ottica di riduzione degli impatti ambientali delle opere civili. La sostenibilità e l'eco-compatibilità dei materiali e dei processi produttivi dell'edilizia, sono oggi criteri che influenzano tutto il settore, a partire dalle strategie politiche di investimento fino a diventare parametri di preferenza per l'aggiudicazione di gare d'appalto. Da alcuni anni si sono infatti sviluppati diversi strumenti per la valutazione e la certificazione della sostenibilità nel campo dell'edilizia, come i sistemi di rating (es. LEED e Itaca), che risultano molto utilizzati anche nella pratica professionale. Un'altra metodologia che sta avendo una forte affermazione nel settore edilizio, soprattutto nell'industria di prodotto, è il Life Cycle Assessment (LCA). Tale strumento permette di valutare gli impatti sull'ambiente di un prodotto o un processo, durante tutto il suo ciclo di vita, tenendo conto della fase di estrazione dei materiali, della fase di produzione e/o realizzazione, della fase di uso e, infine, della fase di dismissione o riciclo. Tale approccio alla valutazione degli impatti ambientali è anche noto come "from cradle to grave", espressione anglosassone che evidenzia in maniera esaustiva la filosofia life cycle-oriented. La metodologia LCA è dunque molto diffusa per la valutazione degli impatti sull'ambiente dei singoli materiali o dei processi produttivi industriali, ma non è ancora molto utilizzata per valutare gli impatti di sistemi complessi come le opere civili. Quest'aspetto, approfondito durante la trattazione, è determinato dalla forte complessità nel condurre tali analisi e dall'enorme quantità di dati e di informazioni da reperire e gestire. La gestione della complessità delle analisi LCA attraverso gli strumenti offerti dalla progettazione integrata BIM rappresenta sicuramente il minimo comune denominatore di tutte le attività seguite, svolte ed infine rappresentate nel presente elaborato. L'obiettivo di gestire valutazioni di impatto ambientale LCA-based con la metodologia BIM è quello di ampliare il campo delle ipotesi progettuali e del decision making degli operatori del settore delle costruzioni in modo tale da progettare e realizzare opere volte al minor impatto sull'ambiente. Un altro caso applicativo, di tale integrazione, è stato trattato con riferimento al consolidamento degli edifici esistenti ed in particolare alla valutazione di LCA di diverse tecniche di intervento per il rinforzo sismico per il raggiungimento del miglioramento e adeguamento sismico. E' ben noto che in Italia il patrimonio edilizio è caratterizzato da un'elevata vulnerabilità e gli ultimi eventi sismici, che hanno interessato il territorio nazionale, hanno confermato tale stato di degrado. Sebbene alcune aree italiane siano state classificate come sismiche già dalle ultime decadi del ventesimo secolo, negli edifici esistenti, si riscontrano sistematicamente regole sismiche di progetto obsolete che non sono in grado di assicurare un adeguato livello di sicurezza. Le strutture in cemento armato, realizzate prima delle moderne norme antisismiche, che rappresentano una parte significativa dell'edilizia italiana, sono state progettate per resistere primariamente ai carichi verticali, il che comporta scarsa qualità dei materiali, mancanza di cura nei dettagli costruttivi e soprattutto una ridotta quantità di armatura trasversale. I dati ISTAT del 14° censimento della popolazione e degli edifici hanno rilevato che per il solo costruito in cemento armato il 35% degli edifici sono stati costruiti prima dell'emanazione della Legge 2/2/74 n.64, in cui compaiono le prime disposizioni in materia antisismica. Il dato diventa ancora più allarmante se si considera che solo nel 2003, con l'emanazione dell'O.P.C.M. 3274, è stata effettuata una riclassificazione sismica del territorio italiano e sono comparse prescrizioni sismiche di moderna concezione. E' lecito ritenere che la maggior parte delle strutture esistenti soffrono di carenze strutturali e quindi necessitano di interventi di rinforzo sismico. Tuttavia il forte interesse per la riqualificazione degli edifici esistenti non nasce solo da una spingente necessità strutturale ma anche dall'andamento degli investimenti nell'industria delle costruzioni. In Italia, infatti, l'industria delle costruzioni mostra una diminuzione degli investimenti di circa il 32,1% dal 2008 al 2014 destinati alla realizzazione di nuove opere; di contro, si registra un aumento di investimenti per il recupero delle costruzioni esistenti di circa il 17% dal 2008 al 2014 [1] (CRESME ricerche SPA, 2014). Per tali motivi si è scelto di dedicare una particolare attenzione allo studio della vulnerabilità sismica di un edificio esistente che rispecchia le caratteristiche di una parte del costruito presente sul territorio italiano; lo studio è stato corredato da valutazione di LCA delle tecniche di rinforzo sismico con l'obiettivo di condurre un'analisi comparativa delle stesse. Quest'ultimo aspetto ha conferito alla parte di adeguamento e miglioramento sismico una connotazione innovativa e assolutamente in linea con le nuove necessità di protezione e controllo dell'ambiente. L'elaborato di tesi si articola, quindi, in cinque capitoli di cui si riporta una breve discussione del contenuto. Il Capitolo 1 illustra nel dettaglio la metodologia BIM, le sue potenzialità e i campi di applicazioni nella gestione della progettazione, nella realizzazione dell'opera, nell'organizzazione del cantiere e nella fase di gestione post operam (Facility Management). Si affrontano, inoltre, i diversi livelli di dettaglio della modellazione BIM comparandoli con i livelli di progettazione previsti dalla normativa italiana. Il Capitolo 2 affronta la modellazione di oggetti BIM, in particolare, della categoria di elementi strutturali e non strutturali. Per i primi si illustra come caso applicativo quello di un pilastro caratterizzato dai parametri relativi alle caratteristiche meccaniche e geometriche; mentre per gli elementi non strutturali si descrive la modellazione di un serramento per esterni e stratigrafia di una pavimentazione. Il Capitolo 3 descrive un caso di studio rappresentato da un'opera di nuova costruzione progettata in maniera tradizionale mediante un approccio CAD-oriented e riprogettata mediante un approccio BIM-oriented. Il progetto fa riferimento alla costruzione della Cassa Edile di Napoli inserita nel contesto della Cittadella dei Servizi degli Enti Paritetici di Napoli. Tale intervento prende vigore dalle intuizioni di Luigi Cosenza che progettò la Cittadella circa cinquant'anni fa, ma che fu realizzata solo in parte. Il progetto e tutta la documentazione sono stati messi a disposizione da ACEN. Il Capitolo 4 descrive un framework per integrare nella metodologia BIM analisi di impatto ambientale LCA-oriented. Dopo un'articolata disamina della procedura LCA, è descritta la metodologia d'interpretazione dei risultati IMPACT2002+. In tale attività si è sviluppato un prototipo di tool software che permette di effettuare analisi di LCA direttamente dal computo metrico dei materiali e delle lavorazioni necessarie per la realizzazione di un'opera. Tale attività nasce dalla collaborazione tra il Dipartimento di Strutture per l'Ingegneria e l'Architettura dell'Università Federico II di Napoli, il Consorzio TRE (Tecnologie per il Recupero Edilizio), il centro di ricerca AMRA (Analisi e Monitoraggio del Rischio Ambientale) e la società ACCA Software nell'ambito del progetto VINCES (Valutazione Integrata del Ciclo di vita per l'Edilizia Sostenibile). Nel Capitolo 5 si presenta una metodologia BIM-based di valutazione degli impatti ambientali relativi a diverse strategie progettuali di rinforzo sismico su una struttura esistente. La metodologia è applicata ad un caso di studio, per il quale, si è condotto preliminarmente un progetto simulato per ottenere tutti i dati necessari alla valutazione di vulnerabilità sismica di un edificio tipo mediante analisi statica non lineare. Note le crisi strutturali è stato realizzato il progetto di consolidamento strutturale mediante l'utilizzo di diverse tecniche di rinforzo sismico volte all'ottenimento sia del miglioramento sia dell'adeguamento sismico. Una volta noti gli interventi di rinforzo necessari, sono state condotte analisi di LCA degli stessi e sono state effettate analisi comparative che hanno consentito di individuare, tra tutte le tipologie di intervento, quella con il minor impatto ambientale.

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