Sulla progettazione in zona sismica di strutture dotate di dissipatori fluido-viscosi: proposta di una metodologia

CHAPTER 1:FLUID-VISCOUS DAMPERS In this chapter the fluid-viscous dampers are introduced. The first section is focused on the technical characteristics of these devices, their mechanical behavior and the latest evolution of the technology whose they are equipped. In the second section we report the definitions and the guide lines about the design of these devices included in some international codes. In the third section the results of some experimental tests carried out by some authors on the response of these devices to external forces are discussed. On this purpose we report some technical schedules that are usually enclosed to the devices now available on the international market. In the third section we show also some analytic models proposed by various authors, which are able to describe efficiently the physical behavior of the fluid-viscous dampers. In the last section we propose some cases of application of these devices on existing structures and on new-construction structures. We show also some cases in which these devices have been revealed good for aims that lies outside the reduction of seismic actions on the structures. CHAPTER 2:DESIGN METHODS PROPOSED IN LITERATURE In this chapter the more widespread design methods proposed in literature for structures equipped by fluid-viscous dampers are introduced. In the first part the response of sdf systems in the case of harmonic external force is studied, in the last part the response in the case of random external force is discussed. In the first section the equations of motion in the case of an elastic-linear sdf system equipped with a non-linear fluid-viscous damper undergoing a harmonic force are introduced. This differential problem is analytically quite complex and it’s not possible to be solved in a closed form. Therefore some authors have proposed approximate solution methods. The more widespread methods are based on equivalence principles between a non-linear device and an equivalent linear one. Operating in this way it is possible to define an equivalent damping ratio and the problem becomes linear; the solution of the equivalent problem is well-known. In the following section two techniques of linearization, proposed by some authors in literature, are described: the first technique is based on the equivalence of the energy dissipated by the two devices and the second one is based on the equivalence of power consumption. After that we compare these two techniques by studying the response of a sdf system undergoing a harmonic force. By introducing the equivalent damping ratio we can write the equation of motion of the non-linear differential problem in an implicit form, by dividing, as usual, for the mass of the system. In this way, we get a reduction of the number of variables, by introducing the natural frequency of the system. The equation of motion written in this form has two important properties: the response is linear dependent on the amplitude of the external force and the response is dependent on the ratio of the frequency of the external harmonic force and the natural frequency of the system only, and not on their single values. All these considerations, in the last section, are extended to the case of a random external force. CHAPTER 3: DESIGN METHOD PROPOSED In this chapter the theoretical basis of the design method proposed are introduced. The need to propose a new design method for structures equipped with fluid-viscous dampers arises from the observation that the methods reported in literature are always iterative, because the response affects some parameters included in the equation of motion (such as the equivalent damping ratio). In the first section the dimensionless parameterε is introduced. This parameter has been obtained from the definition of equivalent damping ratio. The implicit form of the equation of motion is written by introducing the parameter ε, instead of the equivalent damping ratio. This new implicit equation of motions has not any terms affected by the response, so that once ε is known the response can be evaluated directly. In the second section it is discussed how the parameter ε affects some characteristics of the response: drift, velocity and base shear. All the results described till this point have been obtained by keeping the non-linearity of the behavior of the dampers. In order to get a linear formulation of the problem, that is possible to solve by using the well-known methods of the dynamics of structures, as we did before for the iterative methods by introducing the equivalent damping ratio, it is shown how the equivalent damping ratio can be evaluated from knowing the value of ε. Operating in this way, once the parameter ε is known, it is quite easy to estimate the equivalent damping ratio and to proceed with a classic linear analysis. In the last section it is shown how the parameter ε could be taken as reference for the evaluation of the convenience of using non-linear dampers instead of linear ones on the basis of the type of external force and the characteristics of the system. CHAPTER 4: MULTI-DEGREE OF FREEDOM SYSTEMS In this chapter the design methods of a elastic-linear mdf system equipped with non-linear fluidviscous dampers are introduced. It has already been shown that, in the sdf systems, the response of the structure can be evaluated through the estimation of the equivalent damping ratio (ξsd) assuming the behavior of the structure elastic-linear. We would to mention that some adjusting coefficients, to be applied to the equivalent damping ratio in order to consider the actual behavior of the structure (that is non-linear), have already been proposed in literature; such coefficients are usually expressed in terms of ductility, but their treatment is over the aims of this thesis and we does not go into further. The method usually proposed in literature is based on energy equivalence: even though this procedure has solid theoretical basis, it must necessary include some iterative process, because the expression of the equivalent damping ratio contains a term of the response. This procedure has been introduced primarily by Ramirez, Constantinou et al. in 2000. This procedure is reported in the first section and it is defined “Iterative Method”. Following the guide lines about sdf systems reported in the previous chapters, it is introduced a procedure for the assessment of the parameter ε in the case of mdf systems. Operating in this way the evaluation of the equivalent damping ratio (ξsd) can be done directly without implementing iterative processes. This procedure is defined “Direct Method” and it is reported in the second section. In the third section the two methods are analyzed by studying 4 cases of two moment-resisting steel frames undergoing real accelerogramms: the response of the system calculated by using the two methods is compared with the numerical response obtained from the software called SAP2000-NL, CSI product. In the last section a procedure to create spectra of the equivalent damping ratio, affected by the parameter ε and the natural period of the system for a fixed value of exponent α, starting from the elasticresponse spectra provided by any international code, is introduced.

Sviluppo e validazione di un modello di film fluido per simulazioni CFD di motori a combustione interna

A wall film model has been implemented in a customized version of KIVA code developed at University of Bologna. Under the hypothesis of `thin laminar ow' the model simulates the dynamics of a liquid wall film generated by impinging sprays. Particular care has been taken in numerical implementation of the model. The major phenomena taken into account in the present model are: wall film formation by impinging spray; body forces, such as gravity or acceleration of the wall; shear stress at the interface with the gas and no slip condition on the wall; momentum contribution and dynamic pressure generated by the tangential and normal component of the impinging drops; film evaporation by heat exchange with wall and surrounding gas. The model doesn't consider the effect of the wavy film motion and suppose that all the impinging droplets adhere to the film. The governing equations have been integrated in space by using a finite volume approach with a first order upwind differencing scheme and they have been integrated in time with a fully explicit method. The model is validated using two different test cases reproducing PFI gasoline and DI Diesel engine wall film conditions.

Acqua: solvente elettivo in Organocatalisi e Biocatalisi

Water is a safe, harmless, and environmentally benign solvent. From an eco-sustainable chemistry perspective, the use of water instead of organic solvent is preferred to decrease environmental contamination. Moreover, water has unique physical and chemical properties, such as high dielectric constant and high cohesive energy density compared to most organic solvents. The different interactions between water and substrates, make water an interesting candidate as a solvent or co-solvent from an industrial and laboratory perspective. In this regard, organic reactions in aqueous media are of current interest. In addition, from practical and synthetic standpoints, a great advantage of using water is immediately evident, since it does not require any preliminary drying process. This thesis was found on this aspect of chemical research, with particular attention to the mechanisms which control organo and bio-catalysis outcome. The first part of the study was focused on the aldol reaction. In particular, for the first time it has been analyzed for the first time the stereoselectivity of the condensation reaction between 3-pyridincarbaldehyde and the cyclohexanone, catalyzed by morpholine and 4-tertbutyldimethylsiloxyproline, using water as sole solvent. This interest has resulted in countless works appeared in the literature concerning the use of proline derivatives as effective catalysts in organic aqueous environment. These studies showed good enantio and diastereoselectivities but they did not present an in depth study of the reaction mechanism. The analysis of the products diastereomeric ratios through the Eyring equation allowed to compare the activation parameters (ΔΔH≠ and ΔΔS≠) of the diastereomeric reaction paths, and to compare the different type of catalysis. While morpholine showed constant diasteromeric ratio at all temperatures, the O(TBS)-L-proline, showed a non-linear Eyring diagram, with two linear trends and the presence of an inversion temperature (Tinv) at 53 ° C, which denotes the presence of solvation effects by water. A pH-dependent study allowed to identify two different reaction mechanisms, and in the case of O(TBS)-L-proline, to ensure the formation of an enaminic species, as a keyelement in the stereoselective process. Moreover, it has been studied the possibility of using the 6- aminopenicillanic acid (6-APA) as amino acid-type catalyst for aldol condensation between cyclohexanone and aromatic aldehydes. A detailed analysis of the catalyst regarding its behavior in different organic solvents and pH, allowed to prove its potential as a candidate for green catalysis. Best results were obtained in neat conditions, where 6-APA proved to be an effective catalyst in terms of yields. The catalyst performance in terms of enantio- and diastereo-selectivity, was impaired by the competition between two different catalytic mechanisms: one via imine-enamine mechanism and one via a Bronsted-acid catalysis. The last part of the thesis was dedicated to the enzymatic catalysis, with particular attention to the use of an enzyme belonging to the class of alcohol dehydrogenase, the Horse Liver Alcohol Dehydrogenase (HLADH) which was selected and used in the enantioselective reduction of aldehydes to enantiopure arylpropylic alcohols. This enzyme has showed an excellent responsiveness to this type of aldehydes and a good tolerance toward organic solvents. Moreover, the fast keto-enolic equilibrium of this class of aldehydes that induce the stereocentre racemization, allows the dynamic-kinetic resolution (DKR) to give the enantiopure alcohol. By analyzing the different reaction parameters, especially the pH and the amount of enzyme, and adding a small percentage of organic solvent, it was possible to control all the parameters involved in the reaction. The excellent enatioselectivity of HLADH along with the DKR of arylpropionic aldehydes, allowed to obtain the corresponding alcohols in quantitative yields and with an optical purity ranging from 64% to >99%.

La gestione dell'acqua come oggetto d'indagine per la ricostruzione delle dinamiche insediamentali e delle trasformazioni del territorio. Il caso di Samarcanda nella Media Valle dello Zeravshan (Uzbekistan)

The Project dealt with the development of settlement pattern and the irrigation system in Samarkand oasis. The main topic of the research is the dating of the Dargom canal, the main water supply of Samarkand in the ancient times as well as today. The Project provided a new hypothesis on the chronology of Dargom, dated back to the Early centuires of the Current Era, in relation with the different phases of the settlement patterns. The researches were carried out with several international teams and schoalrs belonging to several disciplines.

Il Progetto Good Water Neighbors nella pratica quotidiana: il people to people approach alla prova delle comunità israeliane, palestinesi e giordane. L'acqua quale strumento di pace e di empowerment sociale nel quadro del conflitto arabo-israeliano

Il Medio Oriente è una regione in cui le scarse risorse idriche giocano un ruolo fondamentale nei rapporti e nelle relazioni tra gli Stati. Soprattutto nell'area di Israele, Palestina e Giordania la natura transfrontaliera delle fonti idriche condivise è considerata da qualche ricercatore come un catalizzatore del più ampio conflitto arabo-israeliano. Altri studiosi, tuttavia, vedono nella cooperazione regionale sulle risorse idriche un potenziale cammino verso una pace duratura veicolata dalla natura interdipendente delle fonti idriche comuni a più territori. Dato che l'acqua è l'elemento che per molti aspetti contribuisce allo sviluppo sociale ed economico e dato che le fonti idriche sotterranee e di superficie non conoscono confini e si muovono liberamente nel territorio, la cooperazione tra gli Stati rivieraschi delle risorse idriche dovrebbe arrivare a prevalere sul conflitto. Unica nel suo genere, l'ong trilaterale israelo-palestinese giordana Friends of the Earth Middle East, FoEME, ha fatto proprio tale auspicio e dal 1994 punta a sviluppare progetti di cooperazione per la salvaguardia del patrimonio naturale dell'area del bacino del fiume Giordano e del Mar Morto. Attraverso l'esperienza del Progetto Good Water Neighbors, GWN, avviato nel 2002, sta lavorando ad una serie di iniziative nel campo dell'environmental awareness e del social empowerment a favore di comunità  israeliane, palestinesi e giordane transfrontaliere che condividono risorse idriche sotterranee o di superficie. Operando inizialmente a livello locale per identificare i problemi idrico-ambientali di ogni comunità  selezionata e lavorare con i cittadini (ragazzi, famiglie e amministratori municipali) per migliorare la conoscenza idrica locale attraverso attività  di educazione ambientale, di water awareness e piani di sviluppo urbano eco-compatibile, il Progetto GWN ha facilitato a livello transfrontaliero i rapporti tra le comunità  confinanti abbattendo la barriera di sfiducia e sospetto che normalmente impedisce relazioni pacifiche, ha coadiuvato l'analisi dei problemi idrici comuni cercando di risolverli attraverso uno sforzo programmatico condiviso e sostenibile, per giungere infine a livello regionale ad incoraggiare la gestione idrica comune attraverso lo scambio di informazioni, il dialogo e lo sforzo/impegno cooperativo congiunto tra gli attori parte del GWN al fine di incentivare la pace attraverso l'interesse comune della tutela delle fonti idriche condivise. Gli approcci di local development e participation, le azioni di confidence building e il peacebuilding attraverso la tutela ambientale applicati con il metodo di bottom up all'interno di un contesto non pacificato come quello del conflitto arabo-israeliano, fanno del Progetto GWN un esperimento innovativo e originale. Le comunità  israeliane, palestinesi e giordane selezionate hanno imparato a migliorare le proprie condizioni idrico-ambiennali cooperando assieme e sfruttando l'interdipendenza dalle fonti idriche condivise, avviando nel contempo rapporti pacifici con società  sempre considerate nemiche. La sfida è stata quella di far comprendere le potenzialità  di una cooperazione locale, in vista di un coordinamento regionale e di uno sforzo comune in grado di generare un beneficio collettivo. La lezione appresa finora durante questi primi sette anni di Progetto è stata quella di capire che non è necessario attendere la fine del conflitto per poter essere di aiuto alle proprie comunità  o per un benessere personale, ma si può agire subito, anche nel pieno dell'Intifada al-Aqsa e con i coprifuoco.

Biomasse e loro quantificazione economica per un efficiente uso dell'energia

Biomasses and their possible use as energy resource are of great interest today, and the general problem of energy resources as well. In the present study the key questions of the convenience, from both energy and economy standpoints, have been addressed without any bias: the problem has been handled starting from “philosophical” bases disregarding any pre-settled ideology or political trend, but simply using mathematical approaches as logical tools for defining balances in a right way. In this context quantitative indexes such as LCA and EROEI have been widely used, together with multicriteria methods (such as ELECTRE) as decision supporting tools. This approach permits to remove mythologies, such as the unrealistic concept of clean energy, or the strange idea of biomasses as a magic to solve every thing in the field of the energy. As a consequence the present study aims to find any relevant aspect potentially useful for the society, looking at any possible source of energy without prejudices but without unrealistic expectations too. For what concerns biomasses, we studied in great details four very different cases of study, in order to have a scenario as various as much we can. A relevant result is the need to use biomasses together with other more efficient sources, especially recovering by-products from silviculture activities: but attention should be paid to the transportation and environmental costs. Another relevant result is the very difficult possibility of reliable evaluation of dedicated cultures as sources for “biomasses for energy”: the problem has to be carefully evaluated case-by-case, because what seems useful in a context, becomes totally disruptive in another one. In any case the concept itself of convenience is not well defined at a level of macrosystem: it seems more appropriate to limit this very concept at a level of microsystem, considering that what sounds fine in a limited well defined microsystem may cause great damage in another slightly different, or even very similar, microsystem. This approach seems the right way to solve the controversy about the concept of convenience.

Un piano territoriale per la riduzione della concentrazione di CO2 nell'atmosfera e la produzione energetica da fonti rinnovabili per mezzo della filiera delle biomasse

Il progetto propone uno studio per verificare la fattibilita' di un piano territoriale (ideato per il bacino del Po ma di fatto estendibile a tutti i bacini fluviali) per la creazione di una filiera di colture bioenergetiche (biomasse) che, trasportate per mezzo della navigazione fluviale (uno dei mezzi di trasporto a minore emissione di CO2), alimentino una o piu' centrali a nuova tecnologia che associno alla produzione di calore (teleriscaldamento e raffreddamento) e di energia la separazione dei fumi. La CO2 catturata dalla crescita delle biomasse e recuperata dalla combustione, puo' quindi essere segregata nel sottosuolo di aree costiere subsidenti contrastando il fenomeno dell’abbassamento del suolo. Ricavando benefici in tutti i passaggi di attuazione del piano territoriale (lancio dell'agricoltura bioenergetica, rilancio della navigazione a corrente libera, avvio di una economia legata alla logistica del trasporto e dello stoccaggio delle biomasse, generazione di energia pulita, lotta alla subsidenza) il progetto, di fatto, consente di catturare ingenti quantitativi di CO2 dall'atmosfera e di segregarli nel sottosuolo, riducendo l'effetto serra. Nel corso del Dottorato e' stata sviluppata una metodologia di valutazione della sostenibilita' economica ed ambientale del progetto ad un bacino fluviale, che consta di una modulistica di raccolta dei dati di base e di una procedura informatizzata di analisi.

Analisi ambientale della coltivazione di biomasse a scopo energetico con metodologia Life Cycle Assessment (LCA)

Lo scopo dello studio è un'analisi comparativa degli impatti ambientali, calcolati utilizzando la metodologia del Life Cycle Assessment, della fase agricola di 9 colture dedicate (lignocellulosiche, oleaginose e cereali) da biomassa, con diifferenti destinazioni energetiche (biocarburanti di I e II generazione ed energia elettrica). E' infine stata eseguita un'analisi "from cradle to grave" considerando anche le diverse tecnice di trasformazione possibili, con dati bibliografici. Sotto tutti i profili (impatto per ettaro, impatto per unità energetica generata, e impatto totale della filiera, risulta un netto vantaggio delle coltrue lignocellulosiche, e fra queste specialmente le poliennali.

Analisi numerica della combustione di gas a basso potere calorifico per applicazioni a microturbine a gas

Il presente lavoro si occupa dell’analisi numerica di combustione di gas a basso potere calorifico (gas di sintesi derivanti da pirolisi di biomasse). L’analisi è stata condotta su due principali geometrie di camera di combustione. La prima è un bruciatore sperimentale da laboratorio adatto allo studio delle proprietà di combustione del singas. Esso è introdotto in camera separatamente rispetto ad una corrente d’aria comburente al fine di realizzare una combustione non-premiscelata diffusiva in presenza di swirl. La seconda geometria presa in considerazione è la camera di combustione anulare installata sulla microturbina a gas Elliott TA 80 per la quale si dispone di un modello installato al banco al fine dell’esecuzione di prove sperimentali. I principali obbiettivi conseguiti nello studio sono stati la determinazione numerica del campo di moto a freddo su entrambe le geometrie per poi realizzare simulazioni in combustione mediante l’utilizzo di diversi modelli di combustione. In particolare è stato approfondito lo studio dei modelli steady laminar flamelet ed unsteady flamelet con cui sono state esaminate le distribuzioni di temperatura e delle grandezze tipiche di combustione in camera, confrontando i risultati numerici ottenuti con altri modelli di combustione (Eddy Dissipation ed ED-FR) e con i dati sperimentali a disposizione. Di importanza fondamentale è stata l’analisi delle emissioni inquinanti, realizzata per entrambe le geometrie, che mostra l’entità di tali emissioni e la loro tipologia. Relativamente a questo punto, il maggior interesse si sposta sui risultati ottenuti numericamente nel caso della microturbina, per la quale sono a disposizione misure di emissione ottenute sperimentalmente. Sempre per questa geometria è stato inoltre eseguito il confronto fra microturbina alimentata con singas a confronto con le prestazioni emissive ottenute con il gas naturale. Nel corso dei tre anni, l’esecuzione delle simulazioni e l’analisi critica dei risultati ha suggerito alcuni limiti e semplificazioni eseguite sulle griglie di calcolo realizzate per lo studio numerico. Al fine di eliminare o limitare le semplificazioni o le inesattezze, le geometrie dei combustori e le griglie di calcolo sono state migliorate ed ottimizzate. In merito alle simulazioni realizzate sulla geometria del combustore della microturbina Elliott TA 80 è stata condotta dapprima l’analisi numerica di combustione a pieno carico per poi analizzare le prestazioni ai carichi parziali. Il tutto appoggiandosi a tecniche di simulazione RANS ed ipotizzando alimentazioni a gas naturale e singas derivato da biomasse. Nell’ultimo anno di dottorato è stato dedicato tempo all’approfondimento e allo studio della tecnica Large Eddy Simulation per testarne una applicazione alla geometria del bruciatore sperimentale di laboratorio. In tale simulazione è stato implementato l’SGS model di Smagorinsky-Lilly completo di combustione con modelli flamelet. Dai risultati sono stati estrapolati i profili di temperatura a confronto con i risultati sperimentali e con i risultati RANS. Il tutto in diverse simulazioni a diverso valore del time-step imposto. L’analisi LES, per quanto migliorabile, ha fornito risultati sufficientemente precisi lasciando per il futuro la possibilità di approfondire nuovi modelli adatti all’applicazione diretta sulla MTG.

Componentistica avanzata per Impianti di Combustione a Biomassa

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente.