La caratterizzazione probabilistica del sottosuolo come strumento per l’ottimizzazione della progettazione integrata dei sistemi geotermici

L’utilizzo del reservoir geotermico superficiale a scopi termici / frigoriferi è una tecnica consolidata che permette di sfruttare, tramite appositi “geoscambiatori”, un’energia presente ovunque ed inesauribile, ad un ridotto prezzo in termini di emissioni climalteranti. Pertanto, il pieno sfruttamento di questa risorsa è in linea con gli obiettivi del Protocollo di Kyoto ed è descritto nella Direttiva Europea 2009/28/CE (Comunemente detta: Direttiva Rinnovabili). Considerato il notevole potenziale a fronte di costi sostenibili di installazione ed esercizio, la geotermia superficiale è stata sfruttata già dalla metà del ventesimo secolo in diversi contesti (geografici, geologici e climatici) e per diverse applicazioni (residenziali, commerciali, industriali, infrastrutturali). Ciononostante, solo a partire dagli anni 2000 la comunità scientifica e il mercato si sono realmente interessati ed affacciati all’argomento, a seguito di sopraggiunte condizioni economiche e tecniche. Una semplice ed immediata dimostrazione di ciò si ritrova nel fatto che al 2012 non esiste ancora un chiaro riferimento tecnico condiviso a livello internazionale, né per la progettazione, né per l’installazione, né per il testing delle diverse applicazioni della geotermia superficiale, questo a fronte di una moltitudine di articoli scientifici pubblicati, impianti realizzati ed associazioni di categoria coinvolte nel primo decennio del ventunesimo secolo. Il presente lavoro di ricerca si colloca all’interno di questo quadro. In particolare verranno mostrati i progressi della ricerca svolta all’interno del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali nei settori della progettazione e del testing dei sistemi geotermici, nonché verranno descritte alcune tipologie di geoscambiatori innovative studiate, analizzate e testate nel periodo di ricerca.

Procedure e strumenti innovativi per lo sfruttamento sostenibile delle risorse minerarie

L'approvvigionamento di risorse minerali e la tutela dell'ambiente sono spesso considerate attività contrapposte ed inconciliabili, ma in realtà rappresentano due necessità imprescindibili per le società moderne. Le georisorse, in quanto non rinnovabili, devono essere valorizzate in maniera efficiente, adoperando strumenti che garantiscano la sostenibilità ambientale, sociale ed economica degli interventi estrattivi. La necessità di tutelare il territorio e migliorare la qualità della vita delle comunità locali impone alla Pubblica Amministrazione di implementare misure per la riqualificazione di aree degradate, ma fino ai primi anni '90 la normativa di settore non prevedeva strumenti a tal proposito, e ciò ha portato alla proliferazione di siti estrattivi dismessi e abbandonati senza interventi di recupero ambientale. Il presente lavoro di ricerca fornisce contributi innovativi alla pianificazione e progettazione sostenibile delle attività estrattive, attraverso l'adozione di un approccio multidisciplinare alla trattazione del tema e l'utilizzo esperto dei Sistemi Informativi Geografici, in particolare GRASS GIS. A seguito di una approfondita analisi in merito agli strumenti e le procedure adottate nella pianificazione delle Attività Estrattive in Italia, sono stati sviluppati un metodo di indagine ed un sistema esperto per la previsione ed il controllo delle vibrazioni indotte nel terreno da volate in cava a cielo aperto, che consentono di ottimizzare la progettazione della volata e del sistema di monitoraggio delle vibrazioni grazie a specifici strumenti operativi implementati in GRASS GIS. A supporto di una più efficace programmazione di interventi di riqualificazione territoriale, è stata messa a punto una procedura per la selezione di siti dismessi e di potenziali interventi di riqualificazione, che ottimizza le attività di pianificazione individuando interventi caratterizzati da elevata sostenibilità ambientale, economica e sociale. I risultati ottenuti dimostrano la necessità di un approccio esperto alla pianificazione ed alla progettazione delle attività estrattive, incrementandone la sostenibilità attraverso l'adozione di strumenti operativi più efficienti.

Sicurezza privata e sicurezza partecipata. Le imprese private del settore sicurezza in Italia tra subalternità e sussidirietà

La ricerca esamina il ruolo delle imprese che svolgono attività di sicurezza privata in Italia (oggi definita anche "sussidiaria" o "complementare") in relazione allo sviluppo delle recenti politiche sociali che prevedono il coinvolgimento di privati nella gestione della sicurezza in una prospettiva di community safety. Nel 2008/2009 le politiche pubbliche di sicurezza legate al controllo del territorio hanno prodotto norme con nuovi poteri “di polizia” concessi agli amministratori locali e la previsione di associazione di cittadini per la segnalare eventi dannosi alla sicurezza urbana (“ronde”). Nello stesso periodo è iniziata un’importante riforma del settore della sicurezza privata, ancora in fase di attuazione, che definisce le attività svolte dalle imprese di security, individua le caratteristiche delle imprese e fissa i parametri per la formazione del personale. Il quadro teorico del lavoro esamina i concetti di sicurezza/insicurezza urbana e di società del rischio alla luce delle teorie criminologiche legate alla prevenzione situazionale e sociale e alla community policing. La ricerca sul campo si basa sull’analisi del contenuto di diverse interviste in profondità con esponenti del mondo della sicurezza privata (imprenditori, dirigenti, studiosi). Le interviste hanno fatto emergere che il ruolo della sicurezza privata in Italia risulta fortemente problematico; anche la riforma in corso sulla normativa del settore è considerata con scarso entusiasmo a causa delle difficoltà della congiuntura economica che rischia di compromettere seriamente la crescita. Il mercato della sicurezza in Italia è frastagliato e scarsamente controllato; manca un’azione di coordinamento fra le diverse anime della sicurezza (vigilanza privata, investigazione, facility/security management); persiste una condizione di subalternità e di assenza di collaborazione con il settore pubblico che rende la sicurezza privata relegata in un ruolo marginale, lontano dalle logiche di sussidiarietà.

Modelizzazione spazio-temporale delle dinamiche di uso del suolo ed analisi comparativa di differenti approcci predittivi. Uso integrato di SIG e telerilevamento nello studio dei processi di deforestazione nella regione La Joyanca in Peten, Guatemala

L’uso frequente dei modelli predittivi per l’analisi di sistemi complessi, naturali o artificiali, sta cambiando il tradizionale approccio alle problematiche ambientali e di rischio. Il continuo miglioramento delle capacità di elaborazione dei computer facilita l’utilizzo e la risoluzione di metodi numerici basati su una discretizzazione spazio-temporale che permette una modellizzazione predittiva di sistemi reali complessi, riproducendo l’evoluzione dei loro patterns spaziali ed calcolando il grado di precisione della simulazione. In questa tesi presentiamo una applicazione di differenti metodi predittivi (Geomatico, Reti Neurali, Land Cover Modeler e Dinamica EGO) in un’area test del Petén, Guatemala. Durante gli ultimi decenni questa regione, inclusa nella Riserva di Biosfera Maya, ha conosciuto una rapida crescita demografica ed un’incontrollata pressione sulle sue risorse naturali. L’area test puó essere suddivisa in sotto-regioni caratterizzate da differenti dinamiche di uso del suolo. Comprendere e quantificare queste differenze permette una migliore approssimazione del sistema reale; é inoltre necessario integrare tutti i parametri fisici e socio-economici, per una rappresentazione più completa della complessità dell’impatto antropico. Data l’assenza di informazioni dettagliate sull’area di studio, quasi tutti i dati sono stati ricavati dall’elaborazione di 11 immagini ETM+, TM e SPOT; abbiamo poi realizzato un’analisi multitemporale dei cambi uso del suolo passati e costruito l’input per alimentare i modelli predittivi. I dati del 1998 e 2000 sono stati usati per la fase di calibrazione per simulare i cambiamenti nella copertura terrestre del 2003, scelta come data di riferimento per la validazione dei risultati. Quest’ultima permette di evidenziare le qualità ed i limiti per ogni modello nelle differenti sub-regioni.

Influenza della variabilità spaziale sul trasporto reattivo

La tesi ha per obiettivo di quantificare gli effetti che la variabilità spaziale del mezzo poroso ha sull'evoluzione di un sistema geochimico. Le reazioni di dissoluzione o precipiazione di minerali modificano la struttura microscopica del mezzo, e con essa le proprietà idrodinamiche del sistema, la permeabilità in modo particolare. La variabilità spaziale iniziale del mezzo può essere causa della formazione di digitazioni o canalizzazioni? La prima parte della tesi tratta il cambiamento di scala, necessario per passare da una simulazione geostatistica su griglia fine al calcolo di trasporto su una tessellazione più grossolana. Nel caso del codice di calcolo Hytec, che implementa uno schema ai volumi finiti basato su discretizzazione in poligoni di Voronoï, sono stati confrontati diversi metodi di calcolo della permeabilità equivalente, seguendo differenti criteri. La seconda parte riguarda i calcoli di trasporto reattivo condotti su famiglie di simulazioni geostatistiche del mezzo; l'influenza della variabilità spaziale iniziale sull'evoluzione dei sistemi viene quantificata grazie ad opportune grandezze osservabili. Sono state studiate due reazioni distinte: un caso di dissoluzione, in maniera più approfondita, e più rapidamente un caso di precipitazione, il cui effetto complessivo è quello di riequilibrare il sistema.

Integrazione di tecnologie non distruttive per la caratterizzazione di rocce ornamentali

ABSTRACT: The dimension stone qualification through the use of non-destructive tests (NDT) is a relevant research topic for the industrial characterisation of finite products, because the competition of low-costs products can be sustained by an offer of highqualification and a top-guarantee products. The synthesis of potentialities offered by the NDT is the qualification and guarantee similar to the well known agro-industrial PDO, Protected Denomination of Origin. In fact it is possible to guarantee both, the origin and the quality of each stone product element, even through a Factory Production Control on line. A specific disciplinary is needed. A research developed at DICMA-Univ. Bologna in the frame of the “OSMATER” INTERREG project, allowed identifying good correlations between destructive and non-destructive tests for some types of materials from Verbano-Cusio-Ossola region. For example non conventional ultrasonic tests, image analysis parameters, water absorption and other measurements showed to be well correlated with the bending resistance, by relationships varying for each product. In conclusion it has been demonstrated that a nondestructive approach allows reaching several goals, among the most important: 1) the identification of materials; 2) the selection of products; 3) the substitution of DT by NDT. Now it is necessary to move from a research phase to the industrial implementation, as well as to develop new ND technologies focused on specific aims.

Caratterizzazione meccanica multiscala di materiali rocciosi strutturalmente complessi

The research work was aimed at studying, with a deterministic approach, the relationships between the rock’s texture and its mechanical properties determined at the laboratory scale. The experimentation was performed on a monomineralic crystalline rock, varying in texture, i.e. grains shape. Multi-scale analysis has been adopted to determine the elasto-mechanical properties of the crystals composing the rock and its strength and deformability at the macro-scale. This let us to understand how the structural variability of the investigated rock affects its macromechanical behaviour. Investigations have been performed on three different scales: nano-scale (order of nm), micro-scale (tens of m) and macro-scale (cm). Innovative techniques for rock mechanics, i.e. Depth Sensing Indentation (DSI), have been applied, in order to determine the elasto-mechanical properties of the calcite grains. These techniques have also allowed to study the influence of grain boundaries on the mechanical response of calcite grains by varying the indents’ sizes and to quantify the effect of the applied load on the hardness and elastic modulus of the grain (indentation size effect, ISE). The secondary effects of static indentation Berkovich, Vickers and Knoop were analyzed by SEM, and some considerations on the rock’s brittle behaviour and the effect of microcracks can be made.

Characterization of geothermal reservoirs’ parameters by inverse problem resolution and geostatistical simulations

BTES (borehole thermal energy storage)systems exchange thermal energy by conduction with the surrounding ground through borehole materials. The spatial variability of the geological properties and the space-time variability of hydrogeological conditions affect the real power rate of heat exchangers and, consequently, the amount of energy extracted from / injected into the ground. For this reason, it is not an easy task to identify the underground thermal properties to use when designing. At the current state of technology, Thermal Response Test (TRT) is the in situ test for the characterization of ground thermal properties with the higher degree of accuracy, but it doesn’t fully solve the problem of characterizing the thermal properties of a shallow geothermal reservoir, simply because it characterizes only the neighborhood of the heat exchanger at hand and only for the test duration. Different analytical and numerical models exist for the characterization of shallow geothermal reservoir, but they are still inadequate and not exhaustive: more sophisticated models must be taken into account and a geostatistical approach is needed to tackle natural variability and estimates uncertainty. The approach adopted for reservoir characterization is the “inverse problem”, typical of oil&gas field analysis. Similarly, we create different realizations of thermal properties by direct sequential simulation and we find the best one fitting real production data (fluid temperature along time). The software used to develop heat production simulation is FEFLOW 5.4 (Finite Element subsurface FLOW system). A geostatistical reservoir model has been set up based on literature thermal properties data and spatial variability hypotheses, and a real TRT has been tested. Then we analyzed and used as well two other codes (SA-Geotherm and FV-Geotherm) which are two implementation of the same numerical model of FEFLOW (Al-Khoury model).

Soil-structure interaction during tunnelling in urban area: observations and 3D numerical modelling

This work illustrates a soil-tunnel-structure interaction study performed by an integrated,geotechnical and structural,approach based on 3D finite element analyses and validated against experimental observations.The study aims at analysing the response of reinforced concrete framed buildings on discrete foundations in interaction with metro lines.It refers to the case of the twin tunnels of the Milan (Italy) metro line 5,recently built in coarse grained materials using EPB machines,for which subsidence measurements collected along ground and building sections during tunnelling were available.Settlements measured under freefield conditions are firstly back interpreted using Gaussian empirical predictions. Then,the in situ measurements’ analysis is extended to include the evolving response of a 9 storey reinforced concrete building while being undercrossed by the metro line.In the finite element study,the soil mechanical behaviour is described using an advanced constitutive model. This latter,when combined with a proper simulation of the excavation process, proves to realistically reproduce the subsidence profiles under free field conditions and to capture the interaction phenomena occurring between the twin tunnels during the excavation. Furthermore, when the numerical model is extended to include the building, schematised in a detailed manner, the results are in good agreement with the monitoring data for different stages of the twin tunnelling. Thus, they indirectly confirm the satisfactory performance of the adopted numerical approach which also allows a direct evaluation of the structural response as an outcome of the analysis. Further analyses are also carried out modelling the building with different levels of detail. The results highlight that, in this case, the simplified approach based on the equivalent plate schematisation is inadequate to capture the real tunnelling induced displacement field. The overall behaviour of the system proves to be mainly influenced by the buried portion of the building which plays an essential role in the interaction mechanism, due to its high stiffness.