From laser clouds to BIM and finite element analysis : the case study of Castel Masegra

The main aim of this thesis work is to investigate the possibility to transform an accurate BIM model of an historical building, obtained from a laser scanner survey, into a 3D Finite Element Model, able to exploit all the geometrical information collected and rationalized during the workflow. In particular, the case study chosen for this purpose is Castel Masegra, the castle that dominates the city of Sondrio, originally built in the XI century, then expanded and modified many times over the centuries. The traditional approach to structural analysis relies on the creation of a specific model, more or less simplified, only for this purpose. With the advent of BIM technology, this process is starting to change, at least for which concerns new buildings. In fact, thanks to the increasing level of BIM interoperability, the same model created by the building designers can be used for many purposes, exchanging the information between the different figures involved in a project. In particular, for the structural field, specific BIM packages exist and can perform finite element analysis; however they can deal only with simple and regular geometric objects. For which concerns instead existing buildings, and in particular historical ones, this procedure results to be not feasible for many reasons, one of which is the complexity of real geometry with respect to the theoretical one, typical of the design phase. In order to try to overpass these limitations, all the phases necessary to transform a laser cloud into a detailed BIM model have been performed, always keeping in mind the final goal. The transformation of a 3D architectonic model into a finite element model with the meshing procedure may appear to be a trivial operation, but, in reality, a lot of subtle measures, not trivial at all, have to be taken, in order to get a compatible and regular mesh. For this reason, it is important that, starting already from the first modelling phases, the operator is not caring only about the beauty and the perfection of the shape, but he has to be very conscious of the requirements needed for a structural model, so he needs a background also in this field. However, we will prove that a drastic reduction of the quality of the model is not necessary. What is fundamental instead, is a rationalization of the shapes to be included in the model, being able to distinguish the irregularities and complexities that can influence the bearing behaviour of an element, such as vaults or irregular walls, from the small irregularities, related only to the masonry texture or to the superficial plaster layers. Starting from the very first phases of the laser scanner survey, the work has been completed following also the diagnostic investigations carried out on the castle and its historical analysis, that is a fundamental step for the complete understanding of the structure. In fact considering the several modifications that the castle has undergone during the centuries, an analysis per construction stages has been implemented, in order to follow the stress history. The assignment of the different material properties, provided from the diagnostic analyses, has also been based on the subdivision in the different construction epochs. Lastly, the reliability of the model has been tested, comparing the result obtained from the model with the tensional states measured in situ. In this sense, the deep interdisciplinary of this work has to be underlined: beyond the main goal of preserving complex geometries from BIM to a finite element model, all the other aspects necessary to get a reliable structural model and to better understand the building features have been investigated and taken into consideration. The obtained results will show that the conversion of the BIM model into a finite element one is feasible, but this is not a trivial task.

Lo scopo principale di questo lavoro di tesi è quello di indagare la possibilità di trasformare un accurato modello BIM, rappresentante un edificio storico e ottenuto mediante rilievo laser scanner, in un modello 3D ad elementi finiti, capace di sfruttare tutte le informazioni geometriche raccolte e razionalizzate durante tutto il processo. A tale scopo, il caso studio scelto è Castel Masegra, fortezza che domina la città di Sondrio, sorta nel XI secolo, ma ampliata e modificata numerose volte nel corso dei secoli. L'approccio tradizionale delle analisi strutturali prevede la creazione di un modello apposito, più o meno semplificato, utile solo a tale scopo. Con l'avvento della tecnologia BIM, tale processo sta iniziando a cambiare, almeno per quanto riguarda le nuove costruzioni. Infatti, grazie al crescente livello di interoperabilità BIM, il medesimo modello creato dai progettisti può essere utilizzato per molti fini, scambiando informazioni tra le diverse figure coinvolte in un progetto. In particolare, per quanto riguarda l'ambito strutturale, esistono specifici pacchetti BIM che consentono di svolgere un'analisi agli elementi finiti; tuttavia questi ultimi sono in grado di gestire solo geometrie semplici e regolari. Per quanto riguarda invece gli edifici esistenti, e in particolare quelli storici, questa strada non è percorribile per diverse ragioni, una delle quali è la complessità della geometria reale rispetto a quella teorica tipica della fase di progetto. Per cercare di superare queste limitazioni, tutte le fasi necessarie alla trasformazione di una nuvola di punti in un modello BIM dettagliato, sono state affrontate, tenendo sempre in considerazione l'obiettivo finale. La trasformazione di un modello architettonico 3D in un modello ad elementi finiti attraverso la procedura di meshatura, può sembrare un'operazione banale, ma, in realtà, devono essere presi molti piccoli accorgimenti, per nulla banali, al fine di ottenere una mesh regolare e congruente. Per questo motivo risulta importante che, già dalle prime fasi modellative, l'operatore non si curi solo dell'estetica e della perfezione delle forme, ma sia conscio dei requisiti necessari per un modello strutturale: per questo motivo è fondamentale che abbia anche delle basi in quest'ambito. In ogni caso, verrà provato che una drastica riduzione della qualità del modello non è necessaria. Ciò che risulta fondamentale invece è una razionalizzazione delle forme da includere nel modello, distinguendo le irregolarità e le complessità che possono influenzare il comportamento strutturale di un elemento, come ad esempio volte o muri irregolari, da quelle piccole irregolarità legate solo alla tessitura muraria o allo strato superficiale di intonaco. Questo lavoro, iniziato dalle primissime fasi del rilievo laser, è stato completato seguendo anche le indagini diagnostiche svolte sul castello e la sua analisi storica, la quale risulta fondamentali per comprendere appieno la struttura. Considerando infatti le numerose modifiche e rimaneggiamenti che il castello ha subito durante i secoli, si è implementata un’analisi per fasi costruttive, in modo da seguire la storia degli stati tensionali; anche l’assegnazione delle diverse proprietà dei materiali determinate dalle analisi diagnostiche si è basata sulla suddivisione nelle diverse epoche di costruzione. Infine, l’affidabilità del modello è stata testata confrontando i risultati ottenuti in termini di sforzi con gli stati tensionali misurati in situ. In tal senso, la profonda interdisciplinarietà di questo lavoro va sottolineata: oltre allo scopo finale di includere geometrie complesse dal BIM in un modello ad elementi finiti, sono stati esaminati e considerati tutti gli aspetti necessari ad una migliore comprensione dell'edificio e all'ottenimento di un modello strutturale affidabile. I risultati ottenuti dimostrano come la conversione del modello parametrico e la sua razionalizzazione a fini strutturali siano obiettivi realizzabili, ma tale operazione non è affatto banale.