Rilievo digitale, semantica e modellazione H-BrIM per la valutazione dello stato di salute dei ponti ferroviari in muratura

Doctoral Dissertation Doctoral Program in Evaluation and Mitigation of Urban and Land Risks 34th Cycle Survey, semantics, and H-BrIM modeling for health assessment of masonry railroad bridges Raissa Garozzo Supervisor: Prof. Cettina Santagati - DICAr, University of Catania Cosupervisors: Prof.ssa Mariateresa Galizia - DICAr, University of Catania Prof. Ivo Caliò - DICAr, University of Catania Belén Riveiro Rodriguez - CINTEXC, Universidad de Vigo Università degli Studi di Catania 2023   Abstract Masonry arch bridges are an important part of Europe's road and railway heritage due to their integration with the environment, relatively low costs-maintenance, and high durability. However, lack of preservation and inherent obsolescence threatens this heritage, resulting in structural weaknesses and reduced functionality or total unviability. Developing effective and integrated procedures for characterizing the structural conditions, identifying potential vulnerabilities, and studying their geometric configurations, construction techniques, and documentary heritage is essential to preserve both the heritage value and infrastructural functionality. The present work focuses on the development of innovative methodologies for the knowledge and documentation of historic masonry arch bridges, with the ultimate goal of preserving their historical and engineering value. The research is undertaken in the context of the significant number of masonry arch bridges that have been abandoned or threatened by inherent obsolescence and lack of maintenance. The research project involves the analysis of established and emerging Scan-to-HBrIM (Historical/heritage bridge information modelling) procedures for masonry arch bridges, to develop effective procedures for characterizing the structural conditions of the bridges and identifying potential vulnerabilities, including the creation of a knowledge framework (ontology) that can be used for bridge modeling. The research goals include the formulation of operational protocols for surveying and modeling masonry bridges, the development of a knowledge system for providing an organized and easily applicable framework for data management, and the creation of a semantic structures for improving interoperability between models and information management systems. The chosen case study for this research is the system of bridges of the Circumetnea railway in Sicily, Italy. The railway connects Catania to Riposto, almost encircling Mount Etna. The Circumetnea bridges are important heritage assets at risk and hence offer a suitable study subject for the research objectives. Moreover, these bridges hold significant historical value as it serves as a testament to the industrialization period of the Sicilian territory. The proposed methodology is structured in three phases: a cognitive phase for knowing and documenting the case studies, a semantic phase for designing the bridge computational ontology, a segmentation phase for organically extracting information from the point cloud, and an information modeling phase for creating parametric components. The innovation of the present work lies in proposing a methodical and consistent application of surveying paradigms revisited from the perspective of surveying masonry arch bridges. Additionally, a complete bridges semantic structure, including structural, architectural, and design aspects, is proposed and described. The work also proposes an automated and expeditious method for providing a quick assessment of the geometrical characteristics of the bridge starting from point clouds obtained by field surveys.

I ponti ad arco in muratura sono una parte importante del patrimonio stradale e ferroviario europeo grazie alla loro integrazione con l'ambiente, ai costi di manutenzione relativamente bassi e all'elevata durabilità. Tuttavia, la mancanza di interventi di conservazione e l'obsolescenza intrinseca di tali manufatti, minacciano questo patrimonio, con conseguenti criticità strutturali e una ridotta funzionalità o la totale inagibilità. Lo sviluppo di procedure efficaci e integrate per la caratterizzazione delle condizioni strutturali, l'identificazione delle potenziali vulnerabilità e lo studio delle configurazioni geometriche, delle tecniche costruttive e del patrimonio documentale è essenziale per preservare il valore del patrimonio e la funzionalità delle infrastrutture. Il presente lavoro si concentra sullo sviluppo di metodologie innovative per la conoscenza e la documentazione dei ponti storici ad arco in muratura, con l'obiettivo finale di preservarne il valore storico e ingegneristico. Il progetto di ricerca prevede l'analisi delle procedure Scan-to-HBrIM (Historical/Heritage Bridge Information Modelling) consolidate ed emergenti per i ponti ad arco in muratura, al fine di sviluppare procedure efficaci per la caratterizzazione delle condizioni strutturali dei ponti e l'identificazione delle potenziali vulnerabilità, compresa la creazione di una base di conoscenze (ontologia). Gli obiettivi della ricerca includono la formulazione di protocolli operativi per il rilievo, lo sviluppo di un sistema di conoscenza per fornire un quadro organizzato e facilmente applicabile per la gestione dei dati e la creazione di strutture semantiche per migliorare l'interoperabilità tra modelli e sistemi di gestione delle informazioni. Il caso di studio scelto è il sistema di ponti della Ferrovia Circumetnea in Sicilia, Italia. La ferrovia collega Catania a Riposto, quasi circondando l'Etna. I ponti della Circumetnea sono un importante patrimonio a rischio e rappresentano quindi un oggetto di studio adatto agli obiettivi della ricerca. Inoltre, questi ponti hanno un valore storico significativo, in quanto testimoniano il periodo di industrializzazione del territorio siciliano. La metodologia proposta è strutturata in diverse fasi: una fase cognitiva per la conoscenza e la documentazione dei casi di studio, una fase semantica per la progettazione dell'ontologia computazionale dei ponti, una fase di segmentazione per l'estrazione delle informazioni dalla nuvola di punti e una fase di modellazione delle informazioni per la creazione di componenti parametrici. L'innovazione del presente lavoro consiste nel proporre un'applicazione metodica e coerente dei paradigmi di rilievo rivisitati per l'applicazione nei ponti ad arco in muratura. Inoltre, viene proposta e descritta una struttura semantica completa dei ponti, che comprende aspetti strutturali, architettonici e progettuali. Il lavoro propone anche un metodo automatizzato e veloce per fornire una rapida valutazione delle caratteristiche geometriche del ponte a partire dalle nuvole di punti ottenute dai rilievi sul campo, oltre alla creazione di schede specifiche per la classificazione dei ponti e la catalogazione del relativo materiale storico-documentale.