Dissertations / Theses on the topic 'SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE DELL'INGEGNERIA - INDIRIZZO INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE'

2013/2014
Gli impianti funiviari sono soggetti alle normative italiane ed europee (PTS Prescrizioni Tecniche Speciali e Normativa Europea) che regolano il funzionamento dell’infrastruttura, sovrastruttura e delle componenti di sicurezza. Il rispetto dei limiti imposti sono determinanti per la sicurezza dell’impianto stesso e delle persone coinvolte. Non tutti questi parametri però, sono controllati durante le periodiche prove di collaudo, nonostante essi siano decisivi per la sicurezza. Si pensi ad esempio alla valutazione dell’entità delle oscillazioni trasversali e longitudinali al senso di marcia, fenomeno che ha causato l’incidente avvenuto su una seggiovia dell’Appennino toscano (gennaio 2015), dove, a causa di un’interruzione di corrente, l’arresto dell’impianto ha innescato un moto oscillatorio tale da far sobbalzare e precipitare alcuni sciatori. La strumentazione satellitare permetterebbe di conoscere la posizione assoluta dell’oggetto monitorato e se integrate da sensori inerziali, di conoscerne anche l’assetto. A partire da queste considerazioni, sono state analizzate delle metodologie innovative GNSS (Global Navigation Satellite System) e GPS/INS (INertial System), applicate in un settore particolare, quale quello dei trasporti speciali aerei, al fine di caratterizzare in maniera più completa il comportamento dinamico di un veicolo in condizioni critiche (ad esempio a seguito di brusche frenate) e farne un confronto con la normativa vigente. Le componenti hardware del dispositivo GNSS/INS sono state montate all’interno di un contenitore rigido, per facilitarne il trasporto, l’ancoraggio alla seggiola o cabina e per accelerare la fase di rilievo con la Stazione Totale per l’inserimento dei parametri di installazione nel software di elaborazione dati, Applanix POS PAC LV. E’stato quindi implementato un programma ad hoc in ambiente Matlab, per la gestione dei dati, in particolare: per la sincronizzazione fra i vari dispositivi, per la rotostraslazione dei sistemi di riferimento, per l’interpolazione dei dati, per il filtraggio e l’estrazione automatica alcuni particolari eventi. Dai risultati ottenuti è stata dimostrata l’adeguatezza di queste tecniche innovative, con le quali è stato possibile determinare il comportamento dinamico del veicolo, in termini di posizione assoluta (con precisione centimetrica), velocità ed accelerazione effettiva del veicolo (i valori di velocità ed accelerazione visibili sul pulpito di comando della stazione motrice sono riferiti all’argano di trazione e non corrispondono sempre con quelli del veicolo). Implementando le funzioni del programma sviluppato in ambiente Matlab ed ottimizzando alcune procedure,le tecniche GNSS in modalità cinematica interferenziale alle doppie differenze finite e GPS/INS, potrebbero completare le attuali prove di collaudo degli impianti funiviari.
XXVII Ciclo
1985

2013/2014
Le tecniche di analisi numeriche in campo non lineare delle strutture in legno sulla base delle prove sperimentali su singoli componenti, elementi strutturali e interi edifici si sono molto evolute nell'ultimo decennio. Numerosi ricercatori si sono dedicati a sviluppare modelli per simulare il comportamento ciclico in campo non lineare (chiodi, hold down, viti e squadrette a taglio) e i risultati di numerosi modelli numerici sono stati confrontati con i risultati sperimentali in termini di forza massima, degrado di rigidezza ,resistenza, spostamento massimo e ultimo, energia dissipata. Questo lavoro di tesi segue la linea della progettazione basata sul Performance Based Design. Nella prima parte della stessa viene approfondita l’analisi statica non lineare per determinare la curva di capacità degli elementi e dei sistemi strutturali a telaio leggero e X-Lam. Nella seconda parte si analizza il problema del miglioramento delle performance delle strutture in X-Lam mediante l'uso delle masse accordate (Tuned Mass Dampers). Queste vengono progettate con tecniche di ottimizzazione, allo scopo di ridurre al meglio le accelerazioni massime che in genere accompagnano questa tipologia strutturale.
XXVII Ciclo
1979

2013/2014
Many old masonry structures still in use need to be assessed considering the safety requirements proposed by current building codes. To this aim, the use of detailed numerical models, allowing the description of complex mechanical phenomena such as anisotropy, softening and crack propagation, could become tremendously beneficial. Although a large number of material models with different degrees of complexity have been recently proposed in the literature, the calibration of the model material parameters, which is critical for an accurate response prediction, has received remarkably less attention. This has resulted in a gap between the potential of these models and their actual use. This thesis is aimed at developing a consistent approach for the calibration of numerical model parameters for masonry structures by means of inverse techniques. After an introduction and a literature review discussing current numerical modelling strategies for masonry structures and the Inverse Problems theory, the optimisation tool utilised in this thesis is described. It makes use of Genetic Algorithms, and it has been previously applied to a number of different problems, from optimal design to the identification of base-isolated bridges. One of the major challenges of Inverse Problems is handling the noisy data and assessing the uncertainty of the results given by the optimisation algorithm. A numerical strategy for choosing the optimal sensor layout is proposed, aimed at minimising the influence of the noise in the calibration. Uncertainty in the calibration has been considered in all numerical and experimental examples studied, leading to an approach based on the use of a set of numerical validation models. This allows a realistic evaluation of the field of applicability of the estimated parameters. The approach has been applied to a novel in-situ test for the calibration of the material parameters for a mesoscale masonry representation. The proposed setup has been designed for low-invasive in-situ experimental static tests on existing structures. In the test, flat-jacks are utilised to apply a specific stress state within a masonry wall. The results, in terms of displacements recorded by LVDTs or optical devices are then analysed by means of inverse techniques in order to estimate the basic parameters of the interface elements simulating the mortar joints. The effectiveness of the test set-up has been studied applying analytical formulations and using the results of numerical simulations. The results of an experimental campaign based on the use of the proposed experimental procedure are then reported and critically discussed. The thesis ends with the conclusions, where it is confirmed that the proposed calibration approach can be effective adopted in the characterization of masonry in existing structures. Finally some directions for the future research related to this work are proposed.
XXVII Ciclo
1985

2013/2014
Nella presente tesi si sono analizzate le principali problematiche relative alla modellazione non lineare delle strutture composte intelaiate in zona sismica. Nella prima parte si sono esaminati in dettaglio i criteri attualmente adottati nella progettazione classica delle strutture intelaiate composte acciaio-calcestruzzo, facendo principalmente riferimento alle indicazioni sismiche fornite dall’Eurocodice 8. Successivamente si è affrontato il tema della progettazione del giunto composto, a questo proposito si è definito un iter progettuale con una procedura semplificata passo-passo utilizzando un software sviluppato in Excel. Tale software è stato sviluppato con lo scopo principale di facilitare la progettazione dei giunti saldati e flangiati indicando i passi e le verifiche da eseguire fino all’ottenimento della risposta in termini di momento-rotazione. La procedura di progettazione è stata poi validata sulla base di un test sperimentale per entrambi i giunti. Nel terzo capitolo è stata affrontata la tematica relativa alla modellazione non lineare della struttura con riferimento ad un telaio multipiano oggetto di studio di ricerca presso l’università del Sannio. Le non linearità del telaio si sono modellate prima attraverso l’uso di cerniere rigido-plastiche e in un secondo momento attraverso molle elasto-plastiche unite alla trave ed alla colonna con dei tratti rigidi. Sono stati forniti tutti i dettagli per una corretta modellazione e uso con il software agli elementi finiti Sap2000 al fine di condurre una analisi statica non lineare di “Pushover”. Per meglio comprendere i reali meccanismi che si vengono a realizzare in prossimità delle zone nodali, si è considerata la modellazione solida 3D agli elementi finiti facendo riferimento al software Abaqus/CAE. Anche in questo caso è stata presentata una procedura di modellazione passo-passo, atta a rendere semplice anche questo tipo di analisi. La modellazione 3D è stata applicata sia alla tipologia di giunto saldato che a quello flangiato. In particolare, si sono analizzati a fondo i modelli di materiale impiegati, studiando la derivazione dei parametri che ne governano il loro comportamento. Si sono inoltre introdotte diverse tecniche di modellazione delle interazioni tra gli elementi che compongono il giunto. Sulla base dei risultati dei test sperimentali condotti presso l’Università Federico II di Napoli, è stato validato il modello agli elementi finiti solidi proposto. L'analisi della risposta numerica ottenuta, sotto un carico monotono si è dimostrata coerente con l’inviluppo della risposta ciclica sperimentale, sia per le risposte locali che per quelle globali. Questo tipo di modellazione si è inoltre dimostrata in grado di predire adeguatamente anche i fenomeni di instabilità locale che avvengono nelle fasi finali di comportamento del giunto. In conclusione, si può affermare che la tesi qui sviluppata può costituire un primo punto di partenza per la progettazione sismica delle strutture composte acciaio-calcestruzzo, argomento particolarmente complesso e articolato. Inoltre, il fatto che il modello numerico agli elementi finiti di tipo solido sviluppato si sia dimostrato particolarmente affidabile per lo studio di questo tipo di strutture, può fare propendere per un suo ampio utilizzo nello sviluppo preliminare di nuovi prototipi di giunti composti.
XXVII Ciclo
1969

2013/2014
A partire dallo studio della nascita e dello sviluppo delle riflessioni intorno alle questioni ambientali, nell’ambito del presente lavoro sono stati affrontati i temi relativi alla sostenibilità nel settore dell’edilizia introducendo l’approccio life cycle thinking e in particolare la metodologia life cycle assessment LCA. Dopo aver studiato la metodologia LCA a partire dalle sue origini e sviluppo fino alla sua codificazione, sono state illustrate le principali applicazioni di tale strumento. La parte successiva ha riguardato l’applicazione della metodologia ad un caso di studio rappresentato dai pannelli Cross Laminated Timber CLT prodotti dall’azienda Diemme Legno snc di Pontebba. In seguito all’applicazione della metodologia LCA al caso di studio è stata condotta un’analisi critica che ha permesso una migliore individuazione di pregi e criticità della stessa, soprattutto in riferimento al relativo utilizzo nell’ambito di materiali, prodotti e organismi edilizi. Quindi, sono stati analizzati passo passo tutti gli aspetti principali legati ad ogni fase della metodologia e dagli esiti di questa analisi è stato possibile individuare dei possibili ambiti di sviluppo della stessa. In particolare, essendo l’interpretazione dei potenziali impatti ambientali possibile solo attraverso la comparazione, è stata avanzata una proposta volta alla definizione di un sistema utile per poter definire dei livelli prestazionali, o benchmark, che permetta una contestualizzazione dei risultati degli studi LCA. Tali benchmark sono definiti per prodotto edilizio e in virtù del sistema proposto, sono continuamente aggiornati in funzione dell’evolversi del contesto tecnologico e ambientale. Tramite l’utilizzo dei benchmark inoltre, i progettisti potranno interpretare in modo più chiaro i risultati di studi LCA e quindi effettuare scelte ecologicamente consapevoli.
XXVII Ciclo
1988

2013/2014
E’ evidente come l’urbanistica e il progetto urbanistico debbano ora misurarsi con una ‘nuova questione urbana’ (Secchi 2010), delineata dalla sempre più urgente sfida ambientale, dai problemi legati all’accessibilità e mobilità e dalle diseguaglianze sociali sempre più accentuate (Secchi 2010). Oggi la questione ambientale, determinata da fattori antropogenici e dal surriscaldamento globale, solleva nuove incognite e interrogativi a cui l’urbanistica è chiamata a trovare risposte. L’impermeabilità dei suoli, l’inquinamento dell’acqua, del suolo e dell’aria, il clima urbano, lo smaltimento dei rifiuti, il deterioramento del ciclo delle acque sono conseguenze dirette dell’urbanizzazione dei territori; a peggiorare il critico equilibrio ambientale, gli impatti dei cambiamenti climatici incidono sul bilancio qualitativo e quantitativo delle risorse naturali, aggravano la vulnerabilità del territorio agli eventi atmosferici e mettono a rischio la sicurezza - e l’abitabilità - delle città. Studi recenti suggeriscono come i sistemi urbani, vulnerabili e al tempo stesso responsabili di questi fenomeni, debbano mettere in atto misure di difesa per far fronte alle conseguenze legate al cambio climatico. La pianificazione territoriale e la progettazione urbana, per la comprensione panottica delle risorse naturali e ambientali, giocano un ruolo rilevante nel rendere il territorio urbanizzato meno vulnerabile e più ‘resiliente’. Non vi è dubbio che l’urbanistica debba assumere un atteggiamento proattivo e propositivo di fronte a questa situazione, intraprendendo azioni che adattino gli spazi urbani agli impatti dei cambiamenti climatici, rivalutando l’efficacia delle proprie politiche in un orizzonte di più ampio respiro. La crisi ambientale sembra allora mettere in gioco nuove prospettive di ricerca e di azione su cui la disciplina deve tornare a riflettere. Se ogni crisi e questione urbana ha portato alla luce nuovi temi (Secchi 2013), oggi allora si presenta un’opportunità, per l’urbanistica, di ridefinizione degli obiettivi disciplinari e l’ipotesi di un nuovo campo di indagine, riflessione e progetto per la città. Un’occasione a un ritorno alla cura del territorio, a una presa di coscienza dell’irreversibilità dei processi progettuali sull’ambiente (e sul sistema climatico) e sul bisogno di agire, in termini di adattamento, sulla città esistente. Oggigiorno sembra che l’urbanistica abbia acquisito queste responsabilità e il concetto di ‘rischio’ legato agli eventi ‘naturali’ correlati agli effetti collaterali del cambiamenti climatici fa parte oramai del palinsesto disciplinare. Oltre alla riduzione delle cause che determinano i rischi del surriscaldamento globale, i piani di ultima generazione hanno avviato processi di trasformazione urbana in grado di accogliere, adattandosi, le conseguenze dei cambiamenti climatici all’interno di un progetto olistico che tiene assieme le varie ‘questioni urbane’. Se le strategie di mitigazione e le relative politiche urbane di riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra hanno ormai ampiamente individuato chiare e sperimentate modalità di attuazione e realizzazione anche all’interno della disciplina urbanistica, quelle relative all’adattamento agli impatti dei cambiamenti climatici restano tuttora abbastanza vaghe e indefinite. Le soluzioni intraprese dalle città europee si muovono in differenti direzioni: quelle maggiormente condivise sembrano essere accomunate da concetti quali ‘resilienza’, ‘intelligenza’, ‘eco’. Però, all’interno della disciplina, questi concetti hanno difficile traduzione e rischiano di diventare dei concetti facilmente fraintesi, come è avvenuto in passato per la ‘sostenibilità’. La ricerca è strutturata in due parti. La prima è volta a ricostruire lo stato dell’arte disciplinare riguardo i temi dell’adattamento delle città ai cambiamenti climatici. Senza pretesa di esaustività, l’obiettivo consiste nell’individuare presupposti teorici e culturali, direzioni e modalità intraprese all’interno del dibattito disciplinare. La seconda parte, invece, riveste un carattere principalmente operativo e si muove a partire dalle letture di casi in cui il progetto degli spazi aperti affronta le problematiche climatiche in maniera propositiva, traducendo le esigenze di sicurezza e abitabilità in occasione di rigenerazione urbana. Infine all’interno della sezione ‘Apparati’ vengono riportate alcune parole chiave per il progetto climate-proof e un repertorio dei dispositivi spaziali che agiscono per favorire l’adattamento degli spazi pubblici agli impatti collaterali dei mutamenti climatici.
XXVII Ciclo
1982

2010/2011
Il presente lavoro affronta lo studio di due problematiche idrogeologiche complesse e molto diverse tra loro, mediante un approccio geofisico integrato con le indispensabili indagini geologiche e idrogeologiche: (1) caratterizzazione delle risorse sotterranee solforose in ambiente montano al fine di localizzare una o più aree adatte alla perforazione e quindi all’estrazione di acque solforose; (2) caratterizzazione idrogeofisica di un area golenale soggetta a forti eterogeneità locali che possono influenzare il flusso, alterando consistentemente la conduttività idraulica. I risultati delle indagini geofisiche costituiscono nei casi descritti un indispensabile supporto funzionale per comprendere approfonditamente le aree studiate con particolare riguardo alla ricostruzione dei sistemi acquiferi, circuiti idrogeologici e disponibilità di risorse idriche e termali al fine di realizzare un'azione progettuale ingegneristica mirata e consistente.
XXIV Ciclo
1977

2010/2011
The semi-distributed rainfall-runoff model, TOPOMODEL is applied to predict the ‎response of Monticano River basin to rain events. TOPMODEL is a topographic based ‎model in which the topographic index has an essential role. Topographic index is a ‎function of the Digital Elevation Model (DEM) resolution. ‎ The high resolution LiDAR data with 1-2 points per meter square, is used as ‎topographic data to generate DEMs, calculate the topographic index as well as extracting ‎the hydrological features. Due to significant effect of the DEM resolution on the ‎topographic index and hydrological features accuracy, different DEMs with 25 m, 50 m, ‎‎100 m and 200 m grid size are generated using LiDAR data. Comparing the density ‎function of topographic index with different resolutions indicate that by decreasing the ‎resolution there is a shift toward the higher values as well as increasing the topographic ‎constant λ from 7.36 for 25 m resolution to 10.32 corresponding to 200 m grid size.‎ TOPMODEL is applied to simulate the six events namely; 20-21 December 1997, 6-7 ‎November 2000, 10-12 August 2002, 21-23 January 2003 , 31 October-1November 2004 ‎and 22-26 December 2009. The model successfully simulates flood levels, with respect to ‎both their extent and to peak time.‎ The sensitivity analysis for scale parameter m and lateral transmissivity T0 shows that ‎the coefficient m affects much more than T0 on the hydrograph shape and peak value.‎ The effect of DEM resolution on the model results is examined. The model results are ‎different, but the differences are very small except for events 2003 and 2009. The results ‎of simulations based on 25 m grid size are very close to those of 50 m grid size, while the ‎simulated discharges using 100 m and 200 m grid size are overestimated.‎ The efficiency of the simulations are calculated for all events using different ‎topographic index distributions. The efficiency of model is in a range of 0.86 for event ‎‎2009 to 0.99 for event 2002. The high values of efficiency can be due to effect of accurate ‎topographic index distribution and hydrological features extracted from high resolution ‎topographic data.‎ The simulation based on DEM with 25 m resolution shows slightly higher efficiency ‎values. This means that generating higher resolution DEM with respect to suggested 50 m ‎grid size for TOPMODEL, may give a more accurate output as it is evident from this ‎study.‎
XXIV Ciclo
1980

2011/2012
L’argomento trattato nella ricerca verte sul tema della modellazione del legame fra incidentalità stradale e caratteristiche dell’infrastruttura. L’attività di ricerca ha puntato allo sviluppo, nel contesto italiano, di un modello analitico per la previsione del livello di incidentalità atteso su tronchi omogenei di strade extraurbane, legandolo a indicatori delle caratteristiche geometriche, ambientali e di traffico di tali tronchi. Inizialmente sono stati passati in rassegna i principali modelli di previsione proposti a livello internazionale, tra cui la prima versione dell’Highway Safety Manual (HSM). Parallelamente si è analizzato il software IHSDM, con particolare attenzione al modulo CPM (Crash Prediction Module). Si è quindi cercato di testare l’applicabilità al contesto italiano di tale modulo, studiando l’incidentalità di due tronchi stradali della rete regionale del Friuli Venezia Giulia. Il test ha messo in evidenza i limiti di trasferibilità del modello statunitense alla realtà italiana. L’analisi della letteratura esistente ha permesso di individuare i principali aspetti da considerare nell’elaborazione di un modello previsionale dell’incidentalità (tecniche di regressione, approcci metodologici, distribuzione di probabilità, forme funzionali, variabili esplicative, indicatori di bontà del modello). Una volta verificata la disponibilità di dati nella realtà italiana e accertata la possibilità di utilizzare gli stessi, sono state definite le procedure per la scelta del campione. In un primo tempo si è testata la metodologia individuata su un campione di dati di dimensioni limitate (circa 20 tronchi stradali in ambito extraurbano), ricercando eventuali relazioni fra il fenomeno accidentogeno, l’entità dei flussi veicolari e alcuni parametri geometrici caratteristici del singolo tronco stradale. Per questo studio preliminare il campione è stato suddiviso in tronchi omogenei sulla base del solo andamento planimetrico. Per l’implementazione del modello è stata utilizzata la tecnica delle regressioni lineari generalizzate, adottando come distribuzione statistica della variabile indipendente quella di Poisson. Il test è stata l’occasione per l’approfondimento degli strumenti software da utilizzare per la modellazione statistica. Dal momento che tale test ha fornito risultati confortanti, nel prosieguo dell’attività la ricerca è stata portata avanti secondo le stesse modalità, ponendosi come obbiettivo un sostanzioso ampliamento del campione di studio. A tale scopo l’analisi è stata estesa alla regione Veneto, andando a reperire dati utili presso le varie Amministrazioni. Oltre a questo si è provveduto ad effettuare due campagne di monitoraggio del traffico (estiva ed invernale) sulla rete regionale (ex statale) del Friuli Venezia Giulia. Grazie alla concessione accordata da Friuli Venezia Giulia Strade S.p.A. e da diverse Amministrazioni Comunali, durante tali campagne (durate complessivamente 5 mesi) sono stati rilevati i flussi veicolari su circa 30 sezioni stradali. In questo modo si è potuto disporre di un campione di estensione complessiva pari a quasi 300 km di rete extraurbana. Su tale campione, suddiviso in tronchi omogenei sulla base del medesimo criterio adottato nello studio preliminare, si è tentato di mettere a punto un modello considerando svariati indici legati alla geometria dell’asse stradale, mediante la stessa tecnica di regressione adottata in precedenza. I risultati forniti dall’analisi si sono rivelati poco significativi. È stata quindi rivista integralmente la metodologia di suddivisione in tronchi omogenei, effettuando la messa a punto dei modelli su due diverse basi di dati. La prima ha considerato soli tronchi stradali di lunghezza pari ad un chilometro, mentre il secondo ha preso in considerazione tratti di lunghezza variabile (mediamente pari a circa 3 km). In entrambi i casi sono stati introdotti dei criteri di suddivisione dei tronchi (criteri di omogeneità) più rigorosi rispetto alla prima analisi, andando a considerare l’altimetria della strada e fattori di carattere ambientale. Contestualmente alla definizione di tali criteri è stata proposta l’applicazione di una metodologia statistica per la verifica sistematica ed oggettiva dell’omogeneità planimetrica della linea d’asse. L’analisi di regressione è stata effettuata assumendo una distribuzione statistica della variabile indipendente di tipo Binomiale Negativa, che rispetto alla distribuzione di Poisson presenta dei vantaggi nella modellazione dell’overdispersion. Le analisi statistiche hanno prodotto risultati di particolare interesse in termini applicativi. I modelli risultanti mostrano una buona correlazione tra le variabili individuate e il fenomeno accidentogeno. Inoltre grazie all’utilizzo di variabili esplicative di facile determinazione, essi risultano applicabili con facilità alla realtà italiana, proponendosi come strumenti di supporto all’analisi di sicurezza, sia nel caso di nuove infrastrutture stradali che in quello di strade esistenti. Combinando i risultati del modello con lo storico di incidentalità registrato è possibile produrre valutazioni più attendibili dell’incidentalità attesa caratteristica del tronco stradale, da cui una stima più rigorosa del beneficio derivante da un possibile intervento di adeguamento.
XXIV Ciclo
1983

2010/2011
Nello studio dei sistemi di trasporto l’acquisizione e l’utilizzo di informazioni corrette e aggiornate sullo stato dei sistemi rappresentano da sempre elementi di centrale importanza per la produzione di analisi adeguate ed affidabili. Sfortunatamente in molti ambiti applicativi le informazioni disponibili per le analisi sono invece spesso carenti o di bassa qualità, e il loro utilizzo si traduce in risultati affetti da elevata incertezza e talvolta di dubbia validità. I processi di evoluzione tecnologica che interessano campi quali l’informatica, l’elettronica e le telecomunicazioni stanno rendendo progressivamente più semplice e conveniente l’acquisizione di rilevanti quantità di dati di interesse per le analisi trasportistiche, sia tradizionalmente raccolti per studi trasportistici (ad esempio dati di traffico rilevati su tronchi stradali) sia non direttamente connessi ad un uso trasportistico (ad esempio segnali Bluetooth e GPS provenienti da dispositivi di telefonia mobile). Tuttavia in molti casi l’ampia disponibilità di dati, soprattutto nel secondo caso, non si traduce in immediata spendibilità applicativa. I dati sono infatti spesso disomogenei dal punto di vista informativo, caratterizzati da una qualità non necessariamente elevata e spesso richiedono onerosi processi di verifica e validazione. In questi particolari contesti l’applicazione di tecniche di Data Mining può dimostrarsi una soluzione indubbiamente vantaggiosa. Esse infatti, per loro intrinseca natura, rendono possibile la gestione efficace di grandi quantità di dati e la produzione di risultati sempre più robusti all’aumentare delle dimensioni della base di dati disponibile. Sulla base di queste considerazioni questo lavoro di tesi si è concentrato in primo luogo su un’attenta revisione delle più consolidate tecniche di Data Mining, individuando gli ambiti applicativi, nel campo dei trasporti, in cui esse possono rappresentare dei validi strumenti di analisi. Con il termine Data Mining si fa riferimento al processo di estrazione dell’informazione presente in un certo insieme di dati, finalizzato ad individuare relazioni “nascoste” nei dati stessi o comunque a sintetizzare in modalità nuove la visione su di essi. Esso rappresenta una parte di un più ampio processo di estrazione della conoscenza, che inizia con un’accurata selezione e trasformazione dei dati disponibili (come detto i dati sottoposti a “mining” sono spesso raccolti con altri obiettivi) e si conclude con un’attenta interpretazione e valutazione dei risultati. Uno schema di classificazione generalmente accettato suddivide le tecniche di Data Mining in sei categorie in rapporto alla funzione considerata: stima (reti neurali, modelli di regressione, alberi decisionali), previsione (reti neurali, alberi decisionali), classificazione (k-nearest neighbour, alberi decisionali, reti neurali), raggruppamento (tecniche di clustering, Self-Organising-Maps), associazione (regole di associazione) e descrizione (regole di associazione, clustering, alberi decisionali). Nel presentare un quadro d’insieme dell’ampia letteratura esistente in materia, uno specifico rilievo è stato dato alle più consolidate tecniche di classificazione, raggruppamento e associazione, in quanto maggiormente impiegate nei diversi contesti applicativi. Successivamente è stato tracciato uno stato dell’arte per ciò che attiene le applicazioni in ambito trasportistico. In tal senso la revisione dei lavori prodotti ha evidenziato la notevole flessibilità d’uso di queste tecniche e la loro crescente diffusione applicativa. Molti sono infatti i filoni di ricerca che hanno beneficiato di queste tecniche innovative; tra questi nel lavoro di tesi si sono evidenziati alcuni tra i più interessanti: la previsione a breve termine dei flussi di traffico da dati storici o in real-time (traffic forecasting), l’identificazione e la quantificazione dei fattori che influenzano i fenomeni di incidentalità, l’analisi di sistemi di gestione delle pavimentazioni stradali e di sistemi di monitoraggio del traffico. La seconda parte della tesi si è invece focalizzata su un’applicazione delle tecniche di Data Mining allo studio del funzionamento di un sistema viario, attraverso una revisione critica della Procedura FHWA (Federal Highway Administration) per il monitoraggio del traffico stradale. La scelta di questo filone di ricerca è data dal fatto che la raccolta di informazioni sui volumi di traffico è un aspetto rilevante nell’attività di pianificazione dei trasporti (ambito stradale), quale componente significativa del processo conoscitivo. D’altra parte i costi legati alla gestione dei sistemi di monitoraggio, sia per attrezzature che per personale, richiedono una crescente attenzione alla loro progettazione, al fine di ottenere la massima qualità dei risultati. Negli Stati Uniti la FHWA definisce periodicamente alcune linee guida per migliorare questi aspetti attraverso la Traffic Monitoring Guide (2001) e ha raggiunto progressivamente un ruolo di riferimento per altre agenzie dello stesso tipo in altre parti del mondo, Italia compresa. Tale procedura è basata sull’uso congiunto di rilievi di diversa durata (rilievi in continuo con strumenti fissi e rilievi di breve durata con apparecchiature portatili) ed è finalizzata principalmente alla stima del Traffico Giornaliero Medio Annuo (Annual Average Daily Traffic, AADT). L’analisi della letteratura esistente ha individuato la lacuna principale della procedura FHWA nella determinazione dei gruppi tipologici di strade sulla base dei profili temporali di traffico e nell’assegnazione delle sezioni monitorate con rilievi di breve durata a questi gruppi. L’approccio elaborato si è pertanto posto l’obiettivo di migliorare la procedura relativamente a questi due aspetti rilevanti. Per trattare l’esistenza di situazioni di incerta attribuzione di una sezione stradale ad un certo gruppo tipologico, specie quando non è semplice fornire una chiara definizione in termini trasportistici (ad esempio strada “pendolare” o “turistica”), sono state adottate tecniche di Fuzzy Clustering, garantendo un’opportuna trattazione formale del problema. Per quanto concerne il secondo aspetto, le sezioni non monitorate in continuo vengono inserite nel gruppo tipologico più simile rispetto ai profili temporali di traffico osservati. Per effettuare l’assegnazione di queste sezioni ai gruppi tipologici, l’approccio proposto ha utilizzato una Rete Neurale Artificiale, opportunamente progettata per mantenere l’incertezza presente nella fase di creazione dei gruppi fino alla fine del processo. L’output della rete è infatti rappresentato dall’insieme delle probabilità di appartenenza del rilievo di breve durata ai diversi gruppi tipologici ed è interpretato utilizzando la teoria di Dempster-Shafer. Le misure di incertezza associate all’output (indici di non-specificità e discordanza) permettono di descrivere sinteticamente la qualità dell’informazione disponibile. L’approccio proposto è stato implementato considerando i dati di monitoraggio provenienti dal programma SITRA (Sistema Informativo TRAsporti) della Provincia di Venezia. Rispetto all’ambito applicativo di interesse è stata verificata la validità dell’approccio, confrontando i risultati ottenuti nella stima dell’AADT con precedenti approcci proposti in letteratura. L’analisi comparativa dei risultati ha permesso di rilevare una migliore accuratezza delle stime e soprattutto la possibilità, assente nei precedenti approcci, di evidenziare eventuali carenze informative (dovute all’esiguo numero di dati) e la necessità di procedere con ulteriori rilievi di traffico. I risultati positivi ottenuti in questa fase sperimentale hanno permesso di avviare il progetto per la realizzazione di uno strumento software di immediata spendibilità applicativa
In the study of transportation systems, the collection and the use of correct information of the state of the system represent a central point for the development of reliable and proper analyses. Unfortunately in many application fields information is generally obtained using limited, scarce and low-quality data and their use produces results affected by high uncertainty and in some cases low validity. Technological evolution processes which interest different fields, including Information Technology, electronics and telecommunications make easier and less expensive the collection of large amount of data which can be used in transportation analyses. These data include traditional information gathered in transportation studies (e.g. traffic volumes in a given road section) and new kind of data, not directly connected to transportation needs (i.e. Bluetooth and GPS data from mobile phones). However in many cases, in particular for the latter case, this large amount of data cannot be directly applied to transportation problems. Generally there are low-quality, non-homogeneous data, which need time consuming verification and validation process to be used. Data Mining techniques can represent an effective solution to treat data in these particular contexts since they are designed to manage large amount of data producing results whose quality increases as the amount of data increases. Based on these facts, this thesis first presents a review of the most well-established Data Mining techniques, identifying application contexts in transportation field for which they can represent useful analysis tools. Data mining can be defined as the process of exploration and analysis which aims to discover meaningful patterns and ‘’hidden’’ rules in the set of data under analysis. Data Mining could be considered a step of a more general Knowledge Discovery in Databases Process, which begins with selection, pre-processing and transformation of data (“mined” data are generally collected for reasons different from the analysis) and is completed with the interpretation and evaluation of results. A classification scheme generally accepted identifies six categories of DM techniques, which are related to the objective one would achieve from the analysis: estimation (neural networks, regression models, decision trees), prediction (neural networks, decision trees), classification (k-nearest neighbor, decision trees, neural networks), clustering (clustering techniques, Self-Organizing-Maps), affinity grouping or association (association rules) and profiling (association rules). In the review of the wide literature concerning Data Mining methods, particular attention has been devoted to the well-established technique of clustering, classification and association, since they are the most applied in different application contexts. The literature review process has been further extended to Data Mining applications in the transportation field. This review highlights the great flexibility of use of these techniques and the increasing number of applications. Many research topics have taken advantages of these innovative tools and some of them are presented due to their interest: short-term traffic flow forecasting from historical and real-time data, identification and quantification of factor risks in accident analysis, analysis of pavement management systems and traffic monitoring systems. The second part of the thesis has focused on the application of Data Mining techniques to road system analysis, through a critical review of U.S. Federal Highway Administration (FHWA) traffic monitoring approach. The choice of this topic is due to the fact that traffic monitoring activities represent a relevant aspect of highway planning activities, as a part of the knowledge process. However data collection activities produce relevant management costs, both for equipment and personnel, therefore monitoring programs need to be designed with attention to obtain the maximum quality of results. In the U.S.A., the Federal Highway Administration (FHWA) provides guidance for improving these aspects by way of its Traffic Monitoring Guide (TMG) (FHWA, 2001), which has a reference role for other similar agencies in the world. The FHWA procedure is based on two types of counts (short duration counts taken with portable traffic counters and continuous counts taken with fixed counters) and has the main objective of determine the Annual Average Daily Traffic (AADT). Critical review of literature on this topic has pointed out that the most critical aspects of this procedure are the definition of road groups based on traffic flow patterns and the assignment of a section to a road group using short counts. The proposed approach has been designed to solve both issues. The first issue is related to situations for which road section could belong to more than one road group, and the groups cannot be easily defined in transportation terms, (e.g. “commuter road”, “recreational road”). The proposed approach introduces Fuzzy Clustering techniques, which adopt an analytical framework consistent with this kind of uncertainty. Concerning the second issue, road sections monitored with short counts are assigned to the road group with more similar traffic patterns. In the proposed approach an Artificial Neural Network is implemented to assign short counts to roads groups. The Neural network is specifically designed to maintain the uncertainty related to the definition of road groups until the end of the estimation process. In fact the output of the Neural Network are the probabilities that the a specific short counts belongs to the road groups. These probabilities are interpreted using the Dempster-Shafer theory; measures of uncertainty related to the output (indices of non-specificity and discord) provide an assessment of the quality of information in a synthetic manner. The proposed approach have been implement on a case study, using traffic data from SITRA (Sistema Informativo TRAsporti) monitoring program of the Province of Venice. In this specific context the approach has been validated and the results obtained (AADT estimates) from the proposed method have been compared with those obtained by two approaches proposed in previous studies. The comparative analysis highlights that the proposed approach increases the accuracy of estimates and gives indication of the quality of assignment (depending on sample size) and suggests the need for additional data collection. The positive results obtained in the experimental phase of the research have led to the design of a software tool to be used in next future in real world applications.
XXIV Ciclo
1983

2013/2014
Negli ultimi anni le tecniche di idrodinamica numerica CFD hanno permesso di effettuare simulazioni al computer riguardanti l’ interazione tra solidi e fluidi. L’utilizzo dei software CFD permette una simulazione assolutamente realistica dei fenomeni idrodinamici, permettendo al progettista/programmatore di analizzare in tempi relativamente brevi molteplici soluzioni, onde sceglierne la migliore e di conseguenza molteplici macro o micro modifiche sulla carena prescelta, per valutarne l’impatto in termini di resistenza al moto, assetto, tenuta al mare, comfort. Negli ultimi anni si è visto un crescente utilizzo di algoritmi matematici di ottimizzazione multiobiettivo associati a modellatori 3d parametrici e successivamente a solutori CFD BEM a potenziale. Tali applicazioni tipicamente consentono di trovare le forme ottimali che, nel rispetto dei vincoli imposti, generino la minima resistenza d’onda ad una o più determinate velocità. Associare un processo di ottimizzazione ad un solutore viscoso RANS consente invece, conoscendo una moltitudine di parametri fisici in più, di ottimizzare seguendo più obiettivi ed in particolar modo la capacità di poter valutare l’effetto dell’attrito consente di poter ottimizzare le forme al fine di ridurre la resistenza totale all’avanzamento. Fino a ieri però un processo di ottimizzazione associato a simulazioni CFD RANS, se pur teoricamente possibile, era di fatto raramente utilizzato in quanto sconveniente a causa dell’enorme mole di calcoli da eseguire per valutare la bontà di centinaia di soluzioni diverse, rendendo troppo lungo ed oneroso il processo. Minimizzando il numero di celle computazionali riducendo così i tempi ei costi di simulazioni in ogni caso risultati adeguati, si dimostra come il modo simulazioni RANS viscosi saranno molto più utili rispetto a potenziali metodi BEM . Scopo infatti di questo lavoro è stato quello di associare un processo di ottimizzazione di carena basato sulla riduzione della RESISTENZA TOTALE ALL’AVANZAMENTO valutata attraverso l’utilizzo di simulazioni CFD RANSE eseguite con un dominio di calcolo a basso numero di celle. Tale dominio di calcolo deriva dall’accurato sviluppo di una procedura standardizzata che permette di eseguire simulazioni RANSE con una griglia standard che garantisce la bontà del risultato anche se “COARSE”. La presente trattazione oltre a fornire una panoramica sullo stato dell’arte in letteratura, presenta lo sviluppo di una metodologia atta ad eseguire simulazioni a basso numero di celle in maniera standardizzata, sviluppando tre tipi di meshatura standard, suddividendo le carene da studiare in tre differenti famiglie raggruppate per similitudine di geometrie e velocità di funzionamento e pertanto accomunate da una similare formazione ondosa : Round Bilge Displacement Hull, Round Bilge and Hard Chine Semiplaning Hull (Single and Multi-Hull), Hard Chine Planing Hull. Si è successivamente passati alla determinazione dei metodi di ottimizzazione investigando le potenzialità ed i limiti dei diversi metodi noti per eseguire ottimizzazioni multi-obiettivo, compreso il metodo „Sherpa“ basato su un robusto algoritmo combinato e progressivo finalizzato al raggiungimento della soluzione ottima riducendo automaticamente il numero di casi da simulare. Il processo di ottimizzazione in oggetto è stato applicato ad una innovativa carena semi-planante a spigolo dotata di bulbo prodiero a lama: si è partiti da una carena di base che soddisfaceva tutti i requisiti di progetto e, nel rispetto dei vincoli imposti, parametrizzata la carena ed impostati i set-up di calcolo, al termine dell’ottimizzazione si è ottenuta la geometria ottimale della stessa al fine della riduzione della resistenza totale a due differenti velocità (crociera e massima). Al termine delle attività si è proceduto con l’esecuzione di test in vasca navale su modello in scala per validare i risultati ottenuti per via numerica. La possibilità di ottenere simulazioni viscose con domini “standardizzati” a basso numero di celle permette l’analisi comparativa di molteplici soluzioni progettuali contenendo tempi e costi e con la certezza che i risultati siano realistici ed affidabili. L’innovativa standardizzazione studiata permette inoltre una riduzione del tempo di preparazione del set-up permettendo all’operatore di lanciare una simulazione su una nuova carena in pochi minuti, senza dover effettuare laboriose meshature ad-hoc e controlli di grid-independence dei risultati. L’utilizzo di queste griglie standard permette inoltre, come spiegato, di utilizzare le simulazioni CFD RANSE anche per eseguire ottimizzazioni multi-obiettivo riguardanti, per esempio, la riduzione della resistenza totale all’avanzamento. Senza griglie di questo tipo, raffinate ottimizzazioni basate su solutori viscosi sarebbero spesso antieconomiche. Difatti i risultati cui il presente lavoro è pervenuto riguardano un sensibile abbattimento dei tempi di calcolo necessari all’esecuzione di un’ottimizzazione morfologica di carena basata sulla minimizzazione della resistenza a due differenti velocità: in meno di 700 ore di calcolo con un tradizionale server a 12 core, ovvero in circa 80 ore utilizzando un centro di calcolo a 100 core, si riescono ad ottenere risultati importanti validi per fare delle valutazioni in senso assoluto sulla potenza necessaria all’imbarcazione per raggiungere le velocità prestabilite. Una procedura di questo tipo permette da una parte la possibilità di lavorare sulla resistenza totale o su altre quantità fisiche espresse dal solutore RANSE, dall’altra per la sua velocità e la sua semplicità d’utilizzo, consente l’avvicinamento alla CFD anche a progettisti di piccole imbarcazioni che fino ad oggi per problematiche di tempo e di budget non potevano approcciare ad una tecnologia così raffinata per progettare le loro carene. Difatti in un prossimo futuro l’utilizzo diffuso di tecniche di ottimizzazione o anche semplicemente di comparazione ed analisi di carene destinate ad imbarcazioni grandi e piccole, potrà contribuire in maniera significativa al risparmio di Potenza motrice installata a bordo (es. Grazie alla riduzione della resistenza totale), consentendo da una parte risparmi economici di carburante e dall’altra, soprattutto, una riduzione delle emissioni nocive in atmosfera.
In recent years, the techniques of numerical hydrodynamic CFD allowed to perform computer simulations on the interaction between fluids and solids. The use of CFD software allows an absolutely realistic simulation of hydrodynamic phenomena, enabling the designer to analyze several solutions relatively quickly, in order to choose the best hull and therefore various macro or micro changes on the hull chosen, in order to evaluate its impact in terms of resistance, trim angle, seakeeping, comfort. In recent years we have seen an increasing use of mathematical algorithms for multi-objective optimisation related to 3D parametric modelers and then to potential CFD BEM solvers. Typically these applications allow you to find the optimal shape that, while respecting the constraints imposed, generate the minimum wave resistance to one or more certain speeds. The association of optimisation processes to a viscous RANSE solver enables to optimize following more targets, knowing a multitude of physical parameters in addition. In particular, the ability to assess the effect of friction on the hull’s shape, in order to reduce the total resistance. Until yesterday, however, an optimisation process associated with CFD RANSE simulations was in fact rarely used in the industrial sector, because it was considered quite inappropriate though theoretically possible. It was due to the large amount of calculations to be performed to evaluate the goodness of hundreds of different solutions, making the process too long and expensive. The present work demonstrates how viscous RANSE simulations methods can be easily used through number of computational cells minimization and the consequent reduction of time and costs of simulations. Indeed, the aim of this work has been to associate an hull optimisation process based on the reduction of total resistance, evaluated through the use of CFD RANSE simulations performed through computational domain with low number of cells. This calculation domain derives from the accurate development of a standardized procedure which allows to make RANSE simulations with a standard grid ensuring the accuracy of the result even if "COARSE". The present research, as well as providing an overview of the state of the art in literature, shows the development of an innovative methodology able to perform simulations with low number of cells in a standardized way, developing three types of standard meshing, dividing the hulls to be studied in three different families grouped by similarity of geometry and operation speed and having therefore in common a similar wave pattern: Round Bilge Displacement Hull, Round Bilge and Hard Chine Semiplaning Hull (Single and Multi-Hull), Hard Chine Planing Hull. The work subsequently involved the determination of the methods of optimisation investigating potentiality and limits of several already known methods to perform multi-objective optimisation, including the "Sherpa" one, based on a robust combined progressive algorithm aiming to achieve the optimal solution, automatically reducing the number of cases to be simulated. The optimization process has been applied to an innovative semi-planing hard-chine hull with blade bulbous bow: the process started from a basic hull matching all the project requirements and, respecting the imposed constraints, the hull has been parameterized and the calculation set-up has been established. At the end of the optimisation , the best hull geometry has been obtained in order to achieve the reduction of the total resistance at two different speeds (cruise and maximum). At the end of these activities, a towing tank tests on a scale model was carried out in order to validate the results numerically obtained. The chance to get viscous simulations with "standardized" domains with low number of cells allows comparative analysis of multiple design solutions by reducing time and cost, with the certainty that the results are realistic and reliable ones. The innovative process of standardization also makes a reduction in the time of preparation of the set-up allowing the operator to run a simulation on a new hull in a few minutes without having to make laborious ad-hoc meshing activities and grid-independence controls of results. The use of these standard grids also allows, as already said, the use of CFD RANSE simulations also to perform multi-objective optimizations relating to, for example, the reduction of the total resistance. Without such kind of grids, fine optimization based on viscous solvers would be often uneconomical. In fact, these work’s results concern a significant reduction in computation time necessary for the execution of a morphological hull optimization based on the resistance minimization at two different speeds. In less than 700 hours of calculation with a traditional 12 core server, or in about 80 hours using a to 100 cores computer-center, it is possible to achieve important results available to give some absolute assessments on the necessary power to the hull to reach the target speeds. A procedure like this, on one side, allows the opportunity to work on the total resistance or other physical quantities expressed by the RANSE solver, on the other side - thanks to its speed and its simplicity of use - enables the approach to the CFD also for small boats’ designers who, due to lack of time and budget, could not approach to a so refined hulls designing technology, up to now. In the near future the widespread use of optimization techniques, or even just comparative and analysis ones on hulls for large and small boats, will be able to significantly contribute to save engine power installed on board (i.e. by reducing the total resistance), allowing both economic fuel savings and, above all, a strong toxic emissions reduction in the atmosphere.
XXVII Ciclo
1984

2013/2014
Il continuo aumento della richiesta di energia elettrica e la conseguente crescita dei valori di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre crea sempre più la necessità di attuare modifiche sostanziali non solo nei metodi di produzione dei settori energetico e industriale, ma anche nella vita di ogni abitante del pianeta. Questa tesi analizza la possibilità di utilizzare l'energia solare per la produzione di acqua fredda grazie alla contemporaneità tra la disponibilità di energia rinnovabile e la richiesta di raffrescamento durante il periodo estivo. Due diversi impianti sperimentali, dotati di collettori solari a tubi evacuati commerciali e chiller ad adsoprbimento di piccole dimensioni (20 kW), sono stati monitorati ed i primi risultati sperimentali sono presentati in questo studio. Per studiare soluzioni diverse e trovare un design ottimale, un modello di simulazione dinamica è stato creato e testato utilizzando il software commerciale TRNSYS 17.
XXVII Ciclo
1984

2010/2011
Recentemente, la richiesta architettonica sempre più spinta di trasparenza e luminosità ha favorito la diffusione nell’edilizia del vetro come materiale da costruzione. Sebbene si tratti di un materiale ancora poco conosciuto rispetto ad altri materiali convenzionali, il vetro trova, infatti, ampia applicazione nelle realizzazioni strutturali più innovative. Anche se le soluzioni architettoniche proposte trovano ampio consenso, spesso la difficoltà principale consiste nel dimensionare adeguatamente tali elementi e nel preservarne l’integrità da eventuali fenomeni di instabilità. Con riferimento a questo tema, nella presente tesi vengono proposte alcune significative formulazioni analitiche per la verifica di stabilità di elementi in vetro monolitico, stratificato o vetro-camera, con particolare attenzione per il comportamento di travi compresse, travi inflesse, pannelli sottoposti a compressione nel piano o taglio nel piano. Allo stesso tempo, viene studiato il comportamento di facciate in vetro-acciaio sottoposte a carico da esplosione, con riferimento specifico a due tipologie di facciata note come facciate continue a lastre indipendenti, controventate da un sistema di cavi pretesi, e facciate a pannelli, nelle quali le lastre di vetro sono sostenute da un telaio metallico di supporto. Per ciascuna tipologia di facciata, vengono evidenziate le criticità dovute a carichi da esplosione di varia intensità mediante opportuni modelli numerici. Inoltre, viene analizzato l’effetto di eventuali dispositivi in grado di mitigarne le componenti principali assorbendo e/o dissipando parte dell’energia d’ingresso associata all’evento esplosivo.
Recently, due to aesthetic and architectural requirements of transparency and lightness, the use of glass as a structural material showed a strong increase. Although its load carrying behavior is actually not well-known, glass finds large application in modern and innovative buildings. Nevertheless, the main difficulties are related to the proper design of these structural elements and in the preservation of their integrity, avoiding possible buckling phenomena. In this context, this Doctoral Thesis proposes a series of interesting analytical formulations suitable for the buckling verification of monolithic, laminated, insulated structural glass element, with particular attention for the load carrying behavior of beams in compression or in bending, as well as for the buckling response of glass panels subjected to in-plane compression or shear. At the same time, the Thesis focuses also on the dynamic behavior of two different typologies of steel-glass façades subjected to air blast loads, whit particular attention to the analysis of cable-supported façades and conventional curtain walls, in which a metallic frame supports the glass panels. In both the circumstances, accurate numerical simulations are performed to highlight the criticalities of similar structural systems, in presence of high-level or medium / low-level air blast loads. Finally, the structural benefits of possible devices able to mitigate the effects of explosions in the main components of these façades, by partly storing / dissipating the incoming energy, are investigated numerically and analytically.
XXIV Ciclo
1983

2013/2014
The numerical simulation of wake and free-surface flow around ships is a complex topic that involves multiple tasks: the generation of an optimal computational grid and the development of numerical algorithms capable to predict the flow field around a hull. In this work, a numerical framework is developed aimed at high-resolution CFD simulations of turbulent, free-surface flows around ship hulls. The framework consists in the concatenation of “tools” in the open-source finite volume library OpenFOAM®. A novel, flexible mesh-generation algorithm is presented, capable of producing high-quality computational grids for free-surface ship hydrodynamics. The numerical framework is used to solve some benchmark problems, providing results that are in excellent agreement with the experimental measures.
XXVII Ciclo
1981

2013/2014
Durability and cost are the major limiting factors in current PEM fuel cells development and commercialization. Electrocatalyst materials are the main responsible of both cost of the entire fuel cell stack and its degradation during operation [1,2]. In this research durability and degradation have been investigated in high temperature PEM fuel cells (HT-PEMFCs). Specific diagnostic techniques have been studied and tested for the investigation of electrocatalyst structural properties. An experimental sensibility analysis has been carried out with the purpose to assess advantages and limitations of the use of cyclic voltammetry to determine the electrocatalyst ECSA in H3PO4/PBI high temperature PEM fuel cells. Small angle x-ray scattering (SAXS) has been used to obtain structural information of the electrocatalyst nanoparticles, such as size and distribution. A procedure to characterize HT-PEMFCs MEAs by means of SAXS has been developed and tested. Transmission electron microscopy (TEM) is a complementary technique to SAXS: it has been used to validate the diagnostic method and to compare the results. Electrocatalyst evolution during long-term operation has been studied and related with performance loss. Specific stress test protocols have been developed to accelerate electrocatalyst degradation in commercial HT-PEMFC MEAs operated in single cell configuration. Two MEAs have been subjected to load cycling and one to start/stop cycling. One of the two testing protocols based on load cycling included open circuit (OC) condition in each cycle with the purpose to study the effects of frequent and short OCs during operation on MEA durability and electrocatalyst evolution. Specific start-up and shutdown procedures have been used in the start/stop test in order to limit other degradation mechanisms. Cell voltage and polarization curves have been recorded to monitor cell performance during the durability tests. The electrocatalyst structural evolution induced by load cycling has been characterized with SAXS and TEM. The stress test protocols have been effective to accelerate performance and electrocatalyst degradation of the MEA. The voltage decay rate at 200 mAcm-2 was higher than 25 μVh-1 in the samples subjected to load cycles. The start/stop cycling caused a performance degradation of 18 μV/cycle at 222 mAcm-2 during the first 450 cycles of the test. Regarding the diagnostic techniques used to characterize the electrocatalyst, cyclic voltammetry (CV) seems not to be particularly reliable when performed at high temperatures (>100°C) due to the high dependence of the voltammogram shape to humidity conditions. SAXS, on the other hand, seems to be an effective tool to investigate structural properties of PEMFC electrocatalysts. SAXS analysis showed that after 100,000 load cycles the mean size of the platinum nanoparticles more than doubled. TEM results varied about 30% from the SAXS results: this divergence could be due to a very different population size of the nanoparticles that have been analysed in the two methods. Moreover, the preparation of the sample used in TEM may have strongly influenced the electrocatalyst structure. Finally, a visualization of the electrocatalyst structural evolution on large areas of the MEAs subjected to load cycling showed preferential directions of the particles growth that could be due to the position of the channels on the flow-field plates of the fuel cell.
XXVII Ciclo
1987

2013/2014
This research is focused on the condition monitoring of electrical machines and its long term purpose is to monitor electrical and mechanical faults at the same time, in non-stationary conditions (variable load and speed), with a single piece of hardware. The Instantaneous Angular Speed (IAS) measurement of an electrical machine is proposed and analysed in order to detect the fault development inside it. Chapter 1 introduces some basic principles about the maintenance of an electrical machine. Machine unscheduled downtimes are frequently caused by bearing faults, and rotor/stator faults. Monitoring systems are needed when the machine is very important for the plant (cost, safety). In this chapter, the electrical machine’s behaviour is also examined. Induction electrical machines have been chosen for this research. A review of the excitation frequencies is reported in the chapter. In the last section, characteristic fault frequencies (from mechanical and electrical sources) are collected. Chapter 2 presents the IAS measurement and its signal processing. The IAS is the measurement of the shaft rotating speed in order to visualize what’s happening during a single or in multiple turns. There are many measurement methods which are based either analogical to digital conversion or which use counters. Analogical to digital methods use a standard data acquisition board. Counter methods have to use specific hardware that is more expensive, but with less data to store. In this research, the counter method is used, combined with the Elapsed Time (ET) counting technique. Chapter 3 describes the encoder system. Its output signal is acquired with an oscilloscope and with the counter board. The signal’s differences are highlighted. In this chapter, the measurement’s source of errors are listed: the encoder’s geometrical error, the counter’s quantization error, the clock stability and the general electrical noise. Chapter 4 collects all the experimental tests done during the PhD research. Three experimental test rigs are shown and two measurements at Nidec ASI S.p.A. are reported. Note that the experimental test rigs were designed and built at the Università degli Studi di Trieste during the three years of the PhD. Experimental Test Rig 1 (ETR1) is used to understand the electrical motor’s behaviour with varying speed, the difference between the IAS and the speed acquired with the Torsional Laser Vibrometer, the difference between the IAS and the acceleration signal measured with an accelerometer located on the motor’s stator, the effect of the unbalance in the IAS measurement. Experimental Test Rig 2 (ETR2) allows to examine the load effect on the IAS measurement, the magneto-motive force harmonics, the slip and the rotor effects. Experimental Test Rig 3 (ETR3) is designed in order to detect the Inner Race Bearing Fault (Ball Pass Frequency Inner - BPFI) with varying load. The acceleration, the voltage and the current are compared with the Instantaneous Angular Speed. The motor is also tested with an unbalanced power supply. The two measurements at Nidec ASI S.p.A show how the IAS measurement could be implemented in an industrial machine larger than the one tested in the laboratory. This research presents the pros and cons of the IAS measurement, highlighting the capability of detecting BPFI bearing fault, feeling the load variations owing to the brake system (a synchronous generator), measuring the Fundamental Train Frequency of an healthy bearing, detecting unbalance in the rotor and other special features. The author would like to thank the Fondo Sociale Europeo, the Regione Friuli Venezia Giulia and Nidec ASI S.p.A (an electrical motor company) for the sponsorship and the collaboration during the three PhD years covered by the SHARM project ”Manutenzione Preventiva Integrata”.
Questo studio è focalizzato al monitoraggio dello stato di salute delle macchine elettriche con l'obbiettivo finale di monitorare danni meccanici ed elettrici, in condizioni non stazionarie (carico e velocità variabili), con un singolo sistema hardware. Viene quindi proposta ed analizzata la misura della Velocità Angolare Istantanea (Instantaneous Angular Speed - IAS) di una macchina elettrica allo scopo di prevedere l'insorgere di guasti al suo interno. Il Capitolo 1 introduce i principi base relativi alla manutenzione di macchine elettriche. Di frequente, le fermate non programmate sono conseguenti a danni su cuscinetti e su rotore/statore. I sistemi di monitoraggio sono indispensabili quando la macchina è molto importante nel contesto dell'impianto, considerazione esaminata sia dal punto di vista del costo che della sicurezza. In questo capitolo, viene analizzato anche il funzionamento della macchina elettrica. Dopo un'attenta valutazione, per lo sviluppo di questa ricerca sono state selezionate le macchine ad induzione asincrone. Nel capitolo è riportata anche un'analisi bibliografica sulle frequenze caratteristiche delle forzanti elettromagnetiche presenti. Nell'ultima sezione vengono elencate le frequenze tipiche dei danni rilevabili in misure di tipo vibrazionale ed elettrico. Il Capitolo 2 presenta la misura IAS. Questa rappresenta la misurazione della velocità di rotazione dell'albero e viene analizzata con accuratezza, individuando la relazione tra velocità di rotazione e le caratteristiche dell'encoder; inoltre vengono descritti i vari processamenti del segnale. Tale sistema permette di visualizzare ciò che sta accadendo alla macchina durante il suo funzionamento, in una o più rotazioni. Esistono metodi di misura basati o sulla conversione analogico-digitale o che prevedono l’impiego di contatori. I primi si servono di una scheda di acquisizione dati standard, mentre i secondi richiedono l'utilizzo di un hardware specifico, che alle volte può risultare più costoso, ma permette di acquisire i dati occupando una quantità inferiore di memoria. In questa tesi si è scelto di utilizzare un contatore per eseguire la misura IAS, sfruttando il conteggio Elapsed Time (ET). Il Capitolo 3 descrive l'encoder. Il segnale in uscita dal dispositivo viene acquisito con una scheda contatore e con un oscilloscopio in modo da confrontare ed analizzare le differenze presenti. In questo capitolo vengono elencate le tipologie di errore presenti nel sistema encoder: l'errore geometrico, l'errore di quantizzazione, l'errore dovuto alla stabilità del clock interno e l'errore dovuto a fonti esterni di rumore elettrico. Il Capitolo 4 raccoglie tutti i test sperimentali condotti durante il dottorato. Sono stati progettati e costruiti tre setup allo scopo di evidenziare particolari aspetti e problematiche; sono riportate anche due misure eseguite presso la sala prove dell'azienda Nidec ASI S.p.A. Il setup Experimental Test Rig 1 (ETR1) è stato utilizzato per conseguire le seguenti finalità: capire il funzionamento del motore elettrico con velocità variabile, analizzare la differenza della velocità acquisita con un torsiometro laser ed una scheda contatore, confrontare una misura vibrazionale (accelerometro posizionato sullo statore del motore) e la misura IAS, analizzare l'effetto dello sbilanciamento sulla misura IAS. Il setup Experimental Test Rig 2 (ETR2) permette di esaminare l'effetto del carico sulla misura IAS, le armoniche della forza elettromotrice, l'effetto dello slip e del rotore. Il setup Experimental Test Rig 3 (ETR3) è progettato in modo da evidenziare un difetto sulla guida interna di un cuscinetto, considerando anche un carico variabile. L'accelerazione, il voltaggio e la corrente sono confrontate con la Velocità Angolare Istantanea. Il motore viene testato anche applicando una tensione di alimentazione sbilanciata. Le due misure rilevate in Nidec ASI S.p.A dimostrano che la misura IAS può essere implementata in macchine industriali di grandi dimensioni e non solo nei setup di laboratorio. Questa ricerca espone gli aspetti positivi e negativi della misura IAS, evidenziando le capacità di individuare un danno sulla guida interna di un cuscinetto, captare le variazioni di carico prodotte dal freno (un generatore sincrono), misurare la Fundamental Train Frequency di un cuscinetto in buona salute, individuare uno sbilanciamento ed altre funzionalità. L'autore vuole ringraziare il Fondo Sociale Europeo, la Regione Friuli Venezia Giulia e l'azienda Nidec ASI S.p.A (produttore di macchine elettriche di medio-grandi dimensioni) per la sponsorizzazione e la collaborazione durante i tre anni di dottorato previsti dal progetto SHARM ”Manutenzione Preventiva Integrata”.
XXVII Ciclo
1983

2013/2014
Gli alti livelli di comfort che sono richiesti oggigiorno a bordo di navi da crociera e mega-yachts, portano i progettisti a concentrare la loro attenzione sul problema del rumore strutturale. I motori diesel quattro tempi che sono installati a bordo nave come motori principali o diesel generatori, sono tra le principali sorgenti di rumore strutturale. Per questa ragione, al fine di ridurre l’energia vibrazionale generata da queste sorgenti e trasmessa, tramite le strutture nave, ai locali alloggio, i motori diesel sono sospesi mediante elementi resilienti. Tali elementi resilienti disaccoppiano la sorgente di rumore e vibrazioni (motore diesel) dal mezzo di propagazione (le strutture nave) e isolano dunque la sorgente dalle strutture riceventi. I livelli di rumore strutturale misurati alle fondazioni del motore diesel dipendono dai livelli di velocità misurati sulla sorgente (cioè ai piedi del motore diesel), dai livelli di impedenza meccanica degli elementi resilienti e dai livelli di mobilità meccanica delle fondazioni del motore diesel. Il single-point approach è un approccio semplificato per la previsione dei livelli di rumore strutturale che trascura l’interazione tra elementi resilienti. Secondo tale teoria, al fine di ridurre il rumore strutturale trasmesso attraverso gli elementi resilienti alle strutture nave, si deve ridurre l’impedenza meccanica degli elementi resilienti così come la mobilità meccanica delle fondazioni del motore diesel. In altre parole, si devono aumentare la rigidezza dinamica degli elementi resilienti così come l’impedenza meccanica delle fondazioni del motore diesel. Ad oggi, l’impedenza meccanica degli elementi resilienti può essere ricavata solo mediante prove sperimentali in laboratorio, mentre la mobilità meccanica del motore diesel è solitamente misurata quando la nave è in costruzione. Dunque non vi è la possibilità di predire, in fase progettuale, il rumore strutturale dovuto ai motori diesel. In questa tesi, viene presentata una procedura per la simulazione del rumore strutturale dovuto a motori diesel marini. La procedura si basa su test sperimentali e simulazioni numeriche. Nella prima parte della tesi sono richiamate le basi teoriche necessarie per l’esecuzione delle procedure numeriche e delle prove sperimentali. Sono dunque presentati i risultati delle analisi numeriche per simulare la mobilità delle fondazioni dei motori diesel marini. I risultati delle analisi FEM sono stati validati mediante confronto dei risultati delle analisi numeriche con i dati ottenuti da una campagna di misure eseguite a bordo nave. Successivamente sono presentati i risultati di una serie di prove eseguite per collaudare una nuova macchina sperimentale per misurare l’impedenza meccanica degli elementi resilienti. Lo scopo del collaudo era definire una procedura per l’utilizzo della macchina e per l’esecuzione di prove sperimentali in accordo alla ISO 10846, che è considerata normativa di riferimento per questo tipo di prove. Si è dunque proceduto con l’esecuzione di prove sperimentali eseguite su un elemento resiliente per motori diesel marini. Le prove sono state eseguite a differenti carichi statici. I risultati di queste prove sperimentali sono stati utilizzati per settare un modello numerico che simuli il comportamento non-lineare del componente in gomma del resiliente. I risultati ottenuti sia dalle prove sperimentali sia dalle simulazioni numeriche sono stati utilizzati per predire il rumore strutturale generato dai motori diesel, in accordo al single-point approach. I risultati ottenuti dall’applicazione del metodo sono stati confrontati con misure eseguite a bordo e sono stati discussi per evidenziare vantaggi e svantaggi dell’applicazione del metodo. Le procedure numeriche per la simulazione del comportamento dinamico del resiliente e della fondazione costituiscono un primo passo per l’ottimizzazione del sistema di isolazione del motore diesel marino.
The high level of comfort that is required today on board cruise vessels and mega-yachts, leads the designers to focus their attention on structure-borne noise issues. Four-stroke diesel engines that are installed on board as main diesel engines for the propulsion system and as gen-sets, are usually the main sources of structure-borne noise. For this reason, the diesel engines are usually resiliently mounted in order to reduce the vibration energy generated by these sources and transmitted through the ship structures to the accommodation areas. These mounts decouple the noise and vibration source (diesel engine) from the means of wave propagation (ship structures) and so, they isolate the source from the receiving structures. The structure-borne noise levels measured at the diesel engine foundation depend on the velocity levels measured at the source (diesel engine feet), on the mechanical impedance levels of the resilient mounts and on the mechanical mobility levels of the diesel engine foundation. The simplified theory of the single-point approach neglects the interaction among the resilient mounts. According to this theory, to decrease the structure-borne noise transmitted through the resilient mounts towards the ship structures, the mechanical impedance of the resilient mounts as well as the mechanical mobility of the diesel engine foundation are to be lowered. In other words the dynamic stiffness of the resilient mounts has to be decreased and the mechanical impedance of the diesel engine foundation has to be increased. To date, the mechanical impedance of real resilient mounts can only be obtained by laboratory tests and the mechanical mobility of the diesel engine foundation is usually measured when the ship is under construction, so it is not available for predictive analyses. In the thesis, a procedure for simulating the structure-borne noise generated by marine diesel engine is discussed. The procedure is based on both experimental tests and numerical simulations. In the first part of the thesis, some notes on the theoretical background are presented. Then, the results of FE analyses for simulating the mechanical mobility of a diesel engine foundation are shown. The FE models have been validated by the results of a measurement campaign carried out on board a ship. Then, the results of a series of tests performed to tune a new test rig, designed and built up at the University of Trieste for measuring the mechanical impedance of resilient mounts, are discussed. The campaign for tuning the test rig has been carried out in order to set an experimental procedure that allows achieving results in compliance with the ISO 10846 Standard, which is a sound reference for this kind of tests. As a case study, a large resilient mount for marine diesel engines has been tested to achieve its mechanical impedance curve at different static pre-loads. The outcomes of the experimental tests have been used for tuning the best numerical model of the resilient mount that properly takes into account the nonlinear behaviour of the rubber core. The data of the experimental tests carried out on board ships as well as in laboratory and the outcomes of numerical simulations have been used to predict the structure-borne noise according to the single-point approach. The outcomes achieved by the application of the method have been compared with on board measurements and pros and cons of the method are widely discussed. Moreover, the numerical procedures for the simulation of the dynamic behaviour of the resilient mount and the diesel engine foundation, pave the way for the optimization of the decoupling system of marine diesel engines.
XXVII Ciclo
1982