Second law analysis and simulation techniques for the energy optimization of buildings

The research activity described in this thesis is focused mainly on the study of finite-element techniques applied to thermo-fluid dynamic problems of plant components and on the study of dynamic simulation techniques applied to integrated building design in order to enhance the energy performance of the building. The first part of this doctorate thesis is a broad dissertation on second law analysis of thermodynamic processes with the purpose of including the issue of the energy efficiency of buildings within a wider cultural context which is usually not considered by professionals in the energy sector. In particular, the first chapter includes, a rigorous scheme for the deduction of the expressions for molar exergy and molar flow exergy of pure chemical fuels. The study shows that molar exergy and molar flow exergy coincide when the temperature and pressure of the fuel are equal to those of the environment in which the combustion reaction takes place. A simple method to determine the Gibbs free energy for non-standard values of the temperature and pressure of the environment is then clarified. For hydrogen, carbon dioxide, and several hydrocarbons, the dependence of the molar exergy on the temperature and relative humidity of the environment is reported, together with an evaluation of molar exergy and molar flow exergy when the temperature and pressure of the fuel are different from those of the environment. As an application of second law analysis, a comparison of the thermodynamic efficiency of a condensing boiler and of a heat pump is also reported. The second chapter presents a study of borehole heat exchangers, that is, a polyethylene piping network buried in the soil which allows a ground-coupled heat pump to exchange heat with the ground. After a brief overview of low-enthalpy geothermal plants, an apparatus designed and assembled by the author to carry out thermal response tests is presented. Data obtained by means of in situ thermal response tests are reported and evaluated by means of a finite-element simulation method, implemented through the software package COMSOL Multyphysics. The simulation method allows the determination of the precise value of the effective thermal properties of the ground and of the grout, which are essential for the design of borehole heat exchangers. In addition to the study of a single plant component, namely the borehole heat exchanger, in the third chapter is presented a thorough process for the plant design of a zero carbon building complex. The plant is composed of: 1) a ground-coupled heat pump system for space heating and cooling, with electricity supplied by photovoltaic solar collectors; 2) air dehumidifiers; 3) thermal solar collectors to match 70% of domestic hot water energy use, and a wood pellet boiler for the remaining domestic hot water energy use and for exceptional winter peaks. This chapter includes the design methodology adopted: 1) dynamic simulation of the building complex with the software package TRNSYS for evaluating the energy requirements of the building complex; 2) ground-coupled heat pumps modelled by means of TRNSYS; and 3) evaluation of the total length of the borehole heat exchanger by an iterative method developed by the author. An economic feasibility and an exergy analysis of the proposed plant, compared with two other plants, are reported. The exergy analysis was performed by considering the embodied energy of the components of each plant and the exergy loss during the functioning of the plants.

Environmental weathering of natural and artificial stones used in historical architecture: influence of microstructure and new restoration methods

For some study cases (the Cathedral of Modena, Italy, XII-XIV century; the Ducal Palace in Mantua, Italy, XVI century; the church of San Francesco in Fano, Italy, XIV-XIX century), considered as representative of the use of natural and artificial stones in historical architecture, the complex interaction between environ-mental aggressiveness, materials’ microstructural characteristics and degradation was investigated. From the results of such analyses, it was found that materials microstructure plays a fundamental role in the actual extent to which weathering mechanisms affect natural and artificial stones. Consequently, the need of taking into account the important role of material microstructure, when evaluating the environmental aggressiveness to natural and artificial stones, was highlighted. Therefore, a possible quantification of the role of microstructure on the resistance to environmental attack was investigated. By exposing stone samples, with significantly different microstructural features, to slightly acidic aqueous solutions, simulating clean and acid rain, a good correlation between weight losses and the product of carbonate content and specific surface area (defined as the “vulnerable specific surface area”) was found. Alongside the evaluation of stone vulnerability, the development of a new consolidant for weathered carbonate stones was undertaken. The use of hydroxya-patite, formed by reacting the calcite of the stone with an aqueous solution of di-ammonium hydrogen phosphate, was found to be a promising consolidating tech-nique for carbonates stones. Indeed, significant increases in the mechanical prop-erties can be achieved after the treatment, which has the advantage of simply con-sisting in a non-hazardous aqueous solution, able to penetrate deeply into the stone (> 2 cm) and bring significant strengthening after just 2 days of reaction. Furthermore, the stone sorptivity is not eliminated after treatment, so that water and water vapor exchanges between the stone and the environment are not com-pletely blocked.

Tuzla City (BiH): an example of geohazard induced by salt extraction

Salt deposits characterize the subsurface of Tuzla (BiH) and made it famous since the ancient times. Archeological discoveries demonstrate the presence of a Neolithic pile-dwelling settlement related to the existence of saltwater springs that contributed to make the most of the area a swampy ground. Since the Roman times, the town is reported as “the City of Salt deposits and Springs”; "tuz" is the Turkish word for salt, as the Ottomans renamed the settlement in the 15th century following their conquest of the medieval Bosnia (Donia and Fine, 1994). Natural brine springs were located everywhere and salt has been evaporated by means of hot charcoals since pre-Roman times. The ancient use of salt was just a small exploitation compared to the massive salt production carried out during the 20th century by means of classical mine methodologies and especially wild brine pumping. In the past salt extraction was practised tapping natural brine springs, while the modern technique consists in about 100 boreholes with pumps tapped to the natural underground brine runs, at an average depth of 400-500 m. The mining operation changed the hydrogeological conditions enabling the downward flow of fresh water causing additional salt dissolution. This process induced severe ground subsidence during the last 60 years reaching up to 10 meters of sinking in the most affected area. Stress and strain of the overlying rocks induced the formation of numerous fractures over a conspicuous area (3 Km2). Consequently serious damages occurred to buildings and infrastructures such as water supply system, sewage networks and power lines. Downtown urban life was compromised by the destruction of more than 2000 buildings that collapsed or needed to be demolished causing the resettlement of about 15000 inhabitants (Tatić, 1979). Recently salt extraction activities have been strongly reduced, but the underground water system is returning to his natural conditions, threatening the flooding of the most collapsed area. During the last 60 years local government developed a monitoring system of the phenomenon, collecting several data about geodetic measurements, amount of brine pumped, piezometry, lithostratigraphy, extension of the salt body and geotechnical parameters. A database was created within a scientific cooperation between the municipality of Tuzla and the city of Rotterdam (D.O.O. Mining Institute Tuzla, 2000). The scientific investigation presented in this dissertation has been financially supported by a cooperation project between the Municipality of Tuzla, The University of Bologna (CIRSA) and the Province of Ravenna. The University of Tuzla (RGGF) gave an important scientific support in particular about the geological and hydrogeological features. Subsidence damage resulting from evaporite dissolution generates substantial losses throughout the world, but the causes are only well understood in a few areas (Gutierrez et al., 2008). The subject of this study is the collapsing phenomenon occurring in Tuzla area with the aim to identify and quantify the several factors involved in the system and their correlations. Tuzla subsidence phenomenon can be defined as geohazard, which represents the consequence of an adverse combination of geological processes and ground conditions precipitated by human activity with the potential to cause harm (Rosenbaum and Culshaw, 2003). Where an hazard induces a risk to a vulnerable element, a risk management process is required. The single factors involved in the subsidence of Tuzla can be considered as hazards. The final objective of this dissertation represents a preliminary risk assessment procedure and guidelines, developed in order to quantify the buildings vulnerability in relation to the overall geohazard that affect the town. The historical available database, never fully processed, have been analyzed by means of geographic information systems and mathematical interpolators (PART I). Modern geomatic applications have been implemented to deeply investigate the most relevant hazards (PART II). In order to monitor and quantify the actual subsidence rates, geodetic GPS technologies have been implemented and 4 survey campaigns have been carried out once a year. Subsidence related fractures system has been identified by means of field surveys and mathematical interpretations of the sinking surface, called curvature analysis. The comparison of mapped and predicted fractures leaded to a better comprehension of the problem. Results confirmed the reliability of fractures identification using curvature analysis applied to sinking data instead of topographic or seismic data. Urban changes evolution has been reconstructed analyzing topographic maps and satellite imageries, identifying the most damaged areas. This part of the investigation was very important for the quantification of buildings vulnerability.

The assessment of change in rural landscape and the analysis of the driving forces. Proposal of a spatial model for the rural built environment

The presented study carried out an analysis on rural landscape changes. In particular the study focuses on the understanding of driving forces acting on the rural built environment using a statistical spatial model implemented through GIS techniques. It is well known that the study of landscape changes is essential for a conscious decision making in land planning. From a bibliography review results a general lack of studies dealing with the modeling of rural built environment and hence a theoretical modelling approach for such purpose is needed. The advancement in technology and modernity in building construction and agriculture have gradually changed the rural built environment. In addition, the phenomenon of urbanization of a determined the construction of new volumes that occurred beside abandoned or derelict rural buildings. Consequently there are two types of transformation dynamics affecting mainly the rural built environment that can be observed: the conversion of rural buildings and the increasing of building numbers. It is the specific aim of the presented study to propose a methodology for the development of a spatial model that allows the identification of driving forces that acted on the behaviours of the building allocation. In fact one of the most concerning dynamic nowadays is related to an irrational expansion of buildings sprawl across landscape. The proposed methodology is composed by some conceptual steps that cover different aspects related to the development of a spatial model: the selection of a response variable that better describe the phenomenon under study, the identification of possible driving forces, the sampling methodology concerning the collection of data, the most suitable algorithm to be adopted in relation to statistical theory and method used, the calibration process and evaluation of the model. A different combination of factors in various parts of the territory generated favourable or less favourable conditions for the building allocation and the existence of buildings represents the evidence of such optimum. Conversely the absence of buildings expresses a combination of agents which is not suitable for building allocation. Presence or absence of buildings can be adopted as indicators of such driving conditions, since they represent the expression of the action of driving forces in the land suitability sorting process. The existence of correlation between site selection and hypothetical driving forces, evaluated by means of modeling techniques, provides an evidence of which driving forces are involved in the allocation dynamic and an insight on their level of influence into the process. GIS software by means of spatial analysis tools allows to associate the concept of presence and absence with point futures generating a point process. Presence or absence of buildings at some site locations represent the expression of these driving factors interaction. In case of presences, points represent locations of real existing buildings, conversely absences represent locations were buildings are not existent and so they are generated by a stochastic mechanism. Possible driving forces are selected and the existence of a causal relationship with building allocations is assessed through a spatial model. The adoption of empirical statistical models provides a mechanism for the explanatory variable analysis and for the identification of key driving variables behind the site selection process for new building allocation. The model developed by following the methodology is applied to a case study to test the validity of the methodology. In particular the study area for the testing of the methodology is represented by the New District of Imola characterized by a prevailing agricultural production vocation and were transformation dynamic intensively occurred. The development of the model involved the identification of predictive variables (related to geomorphologic, socio-economic, structural and infrastructural systems of landscape) capable of representing the driving forces responsible for landscape changes.. The calibration of the model is carried out referring to spatial data regarding the periurban and rural area of the study area within the 1975-2005 time period by means of Generalised linear model. The resulting output from the model fit is continuous grid surface where cells assume values ranged from 0 to 1 of probability of building occurrences along the rural and periurban area of the study area. Hence the response variable assesses the changes in the rural built environment occurred in such time interval and is correlated to the selected explanatory variables by means of a generalized linear model using logistic regression. Comparing the probability map obtained from the model to the actual rural building distribution in 2005, the interpretation capability of the model can be evaluated. The proposed model can be also applied to the interpretation of trends which occurred in other study areas, and also referring to different time intervals, depending on the availability of data. The use of suitable data in terms of time, information, and spatial resolution and the costs related to data acquisition, pre-processing, and survey are among the most critical aspects of model implementation. Future in-depth studies can focus on using the proposed model to predict short/medium-range future scenarios for the rural built environment distribution in the study area. In order to predict future scenarios it is necessary to assume that the driving forces do not change and that their levels of influence within the model are not far from those assessed for the time interval used for the calibration.

Development of An Energy Modeling Approach to Analyse Historical Building Performance

In the last years the attentions on the energy efficiency on historical buildings grows, as different research project took place across Europe. The attention on combining, the need of the preservation of the buildings, their value and their characteristic, with the need of the reduction of energy consumption and the improvements of indoor comfort condition, stimulate the discussion of two points of view that are usually in contradiction, buildings engineer and Conservation Institution. The results are surprising because a common field is growing while remains the need of balancing the respective exigencies. From these experience results clear that many questions should be answered also from the building physicist regarding the correct assessment: on the energy consumption of this class of buildings, on the effectiveness of the measures that could be adopted, and much more. This thesis gives a contribution to answer to these questions developing a procedure to analyse the historic building. The procedure gives a guideline of the energy audit for the historical building considering the experimental activities to dial with the uncertainty of the estimation of the energy balance. It offers a procedure to simulate the energy balance of building with a validated dynamic model considering also a calibration procedure to increase the accuracy of the model. An approach of design of energy efficiency measures through an optimization that consider different aspect is also presented. All the process is applied to a real case study to give to the reader a practical understanding.

I dati metereologici per applicazioni energetiche e ambientali

Many energetic and environmental evaluations need appropriate meteorological data, as input to analysis and prevision softwares. In Italy there aren't adeguate meteorological data because, in many cases, they are incomplete, incorrect and also very expensive for a long-term analysis (that needs multi-year data sets). A possible solution to this problem is the use of a Typical Meteorological Year (TRY), generated for specific applications. Nowadays the TRYs have been created, using statistical criteria, just for the analysis of solar energy systems and for predicting the thermal performance of buildings, applying it also to the study of photovoltaic plants (PV), though not specifically created for this type of application. The present research has defined the methodology for the creation of TRYs for different applications. In particular TRYs for environmental and wind plant analysis have been created. This is the innovative aspect of this research, never explored before. In additions, the methodology of the generation for the PV TRYs has been improved. The results are very good and the TRYs generated for these applications are adeguate to characterize the climatic condition of the place over a long period and can be used for energetic and environmental studies.

La Ricostruzione 3D di Bologna nel XVI Secolo

Il lavoro presentato ha come oggetto la ricostruzione tridimensionale della città di Bologna nella sua fase rinascimentale. Tale lavoro vuole fornire un modello 3D delle architetture e degli spazi urbani utilizzabile sia per scopi di ricerca nell’ambito della storia delle città sia per un uso didattico-divulgativo nel settore del turismo culturale. La base del lavoro è una fonte iconografica di grande importanza: l’affresco raffigurante Bologna risalente al 1575 e situato in Vaticano; questa è una veduta a volo d’uccello di grandi dimensioni dell’intero tessuto urbano bolognese all’interno della terza cerchia di mura. In esso sono rappresentate in maniera particolareggiata le architetture civili e ecclesiastiche, gli spazi ortivi e cortilivi interni agli isolati e alcune importanti strutture urbane presenti in città alla fine del Cinquecento, come l’area portuale e i canali interni alla città, oggi non più visibili. La ricostruzione tridimensionale è stata realizzata tramite Blender, software per la modellazione 3D opensource, attraverso le fasi di modellazione, texturing e creazione materiali (mediante campionamento delle principali cromie presenti nell’affresco), illuminazione e animazione. Una parte della modellazione è stata poi testata all’interno di un GIS per verificare l’utilizzo delle geometrie 3D come elementi collegabili ad altre fonti storiche relative allo sviluppo urbano e quindi sfruttabili per la ricerca storica. Grande attenzione infine è stata data all’uso dei modelli virtuali a scopo didattico-divulgativo e per il turismo culturale. La modellazione è stata utilizzata all’interno di un motore grafico 3D per costruire un ambiente virtuale interattivo nel quale un utente anche non esperto possa muoversi per esplorare gli spazi urbani della Bologna del Cinquecento. In ultimo è stato impostato lo sviluppo di un’applicazione per sistemi mobile (Iphone e Ipad) al fine di fornire uno strumento per la conoscenza della città storica in mobilità, attraverso la comparazione dello stato attuale con quello ricostruito virtualmente.

Le aziende vitivinicole: da “machines à produire” a elementi di attrazione nel paesaggio. Proposte e criteri progettuali per l’efficienza funzionale e la qualità architettonica ed ambientale delle strutture ed infrastrutture della trasformazione enologica.

La ricerca ha per oggetto la messa a punto e applicazione di un approccio metaprogettuale finalizzato alla definizione di criteri di qualità architettonica e paesaggistica nella progettazione di aziende vitivinicole medio-piccole, che effettuano la trasformazione della materia prima, prevalentemente di propria produzione. L’analisi della filiera vitivinicola, della letteratura scientifica, della normativa di settore, di esempi di “architetture del vino eccellenti” hanno esplicitato come prevalentemente vengano indagate cantine industriali ed aspetti connessi con l'innovazione tecnologica delle attrezzature. Soluzioni costruttive e tecnologiche finalizzate alla qualità architettonica ed ambientale, attuali dinamiche riguardanti il turismo enogastronomico, nuove funzionalità aziendali, problematiche legate alla sostenibilità dell’intervento risultano ancora poco esplorate, specialmente con riferimento a piccole e medie aziende vitivinicole. Assunto a riferimento il territorio ed il sistema costruito del Nuovo Circondario Imolese (areale rappresentativo per vocazione ed espressione produttiva del comparto vitivinicolo emiliano-romagnolo) è stato identificato un campione di aziende con produzioni annue non superiori ai 5000 hl. Le analisi svolte sul campione hanno permesso di determinare: modalità di aggregazione funzionale degli spazi costruiti, relazioni esistenti con il paesaggio, aspetti distributivi e materico-costruttivi, dimensioni di massima dei locali funzionali alla produzione. Il caso studio relativo alla riqualificazione di un’azienda rappresentativa del comparto è stato utilizzato per la messa a punto e sperimentazione di criteri di progettazione guidati da valutazioni relative alle prestazioni energetiche, alla qualità architettonica e alla sostenibilità ambientale, economica e paesaggistica. L'analisi costi-benefici (pur non considerando le ricadute positive in termini di benessere degli occupanti ed il guadagno della collettività in termini di danni collegati all’inquinamento che vengono evitati in architetture progettate per garantire qualità ambientale interna ed efficienza energetica) ha esplicitato il ritorno in pochi anni dell’investimento proposto, nonostante gli ancora elevati costi di materiali di qualità e dei componenti per il corretto controllo climatico delle costruzioni.

La sostenibilità ambientale dal Progetto Edilizio al Piano Urbano: L'integrazione della variabile energetica nella pianificazione del territorio

La questione energetica ha assunto, negli ultimi anni, un ruolo centrale nel dibattito mondiale in relazione a quattro fattori principali: la non riproducibilità delle risorse naturali, l’aumento esponenziale dei consumi, gli interessi economici e la salvaguardia dell'equilibrio ambientale e climatico del nostro Pianeta. E’ necessario, dunque, cambiare il modello di produzione e consumo dell’energia soprattutto nelle città, dove si ha la massima concentrazione dei consumi energetici. Per queste ragioni, il ricorso alle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) si configura ormai come una misura necessaria, opportuna ed urgente anche nella pianificazione urbanistica. Per migliorare la prestazione energetica complessiva del sistema città bisogna implementare politiche di governo delle trasformazioni che escano da una logica operativa “edificio-centrica” e ricomprendano, oltre al singolo manufatto, le aggregazioni di manufatti e le loro relazioni/ interazioni in termini di input e output materico-energetiche. La sostituzione generalizzata del patrimonio edilizio esistente con nuovi edifici iper-tecnologici, è improponibile. In che modo quindi, è possibile ridefinire la normativa e la prassi urbanistica per generare tessuti edilizi energeticamente efficienti? La presente ricerca propone l’integrazione tra la nascente pianificazione energetica del territorio e le più consolidate norme urbanistiche, nella generazione di tessuti urbani “energy saving” che aggiungano alle prestazioni energetico-ambientali dei singoli manufatti quelle del contesto, in un bilancio energetico complessivo. Questo studio, dopo aver descritto e confrontato le principali FER oggi disponibili, suggerisce una metodologia per una valutazione preliminare del mix di tecnologie e di FER più adatto per ciascun sito configurato come “distretto energetico”. I risultati di tale processo forniscono gli elementi basilari per predisporre le azioni necessarie all’integrazione della materia energetica nei Piani Urbanistici attraverso l’applicazione dei principi della perequazione nella definizione di requisiti prestazionali alla scala insediativa, indispensabili per un corretto passaggio alla progettazione degli “oggetti” e dei “sistemi” urbani.

Utilizzo delle bande dell’Infrarosso Termico in tecniche di remote sensing per applicazioni in ambito urbano

Il presente studio si concentra sulle diverse applicazioni del telerilevamento termico in ambito urbano. Vengono inizialmente descritti la radiazione infrarossa e le sue interazioni con l’atmosfera terrestre, le leggi principali che regolano lo scambio di calore per irraggiamento, le caratteristiche dei sensori e le diverse applicazioni di termografia. Successivamente sono trattati nel dettaglio gli aspetti caratteristici della termografia da piattaforma satellitare, finalizzata principalmente alla valutazione del fenomeno dell'Urban Heat Island; vengono descritti i sensori disponibili, le metodologie di correzione per gli effetti atmosferici, per la stima dell'emissività delle superfici e per il calcolo della temperatura superficiale dei pixels. Viene quindi illustrata la sperimentazione effettuata sull'area di Bologna mediante immagini multispettrali ASTER: i risultati mostrano come sull'area urbana sia riscontrabile la presenza dell'Isola di Calore Urbano, anche se la sua quantificazione risulta complessa. Si procede quindi alla descrizione di potenzialità e limiti della termografia aerea, dei suoi diversi utilizzi, delle modalità operative di rilievo e degli algoritmi utilizzati per il calcolo della temperatura superficiale delle coperture edilizie. Tramite l’analisi di alcune esperienze precedenti vengono trattati l’influenza dell’atmosfera, la modellazione dei suoi effetti sulla radianza rilevata, i diversi metodi per la stima dell’emissività. Viene quindi introdotto il progetto europeo Energycity, finalizzato alla creazione di un sistema GeoWeb di supporto spaziale alle decisioni per la riduzione di consumi energetici e produzione di gas serra su sette città dell'Europa Centrale. Vengono illustrate le modalità di rilievo e le attività di processing dei datasets digitali per la creazione di mappe di temperatura superficiale da implementare nel sistema SDSS. Viene infine descritta la sperimentazione effettuata sulle immagini termiche acquisite nel febbraio 2010 sulla città di Treviso, trasformate in un mosaico georiferito di temperatura radiometrica tramite correzioni geometriche e radiometriche; a seguito della correzione per l’emissività quest’ultimo verrà trasformato in un mosaico di temperatura superficiale.

Architettura e verità. Emil Steffann architetto di chiese

La ricerca pone al suo centro lo studio dell'opera architettonica di Emil Steffann (1899-1968) la cui produzione realizzata consta, nel breve arco temporale che va dal 1950 al 1968, del ragguardevole numero di trentanove chiese, rappresentando un caso emblematico di progettazione e costruzione di edifici per il culto cristiano in grado di raffigurarne concretamente i principi fondativi liturgici, estetici e morfologici. L'architettura di Steffann, profondamente ispirata dallo spirito religioso, legata a figure primigenie che plasmano lo stare-insieme della comunità nella qualità corporea della materia, dove la presenza liturgica e monumentale si esprime nel silenzio e nella disponibilità di uno spazio circoscritto dai muri e direzionato dalla luce, concorre a definire nell'oggettivo amore per il vero la percezione estetico-teologica e la poetica formativa che connaturano, a nostro parere, progetto e segno della chiesa. Il testo concretizza il primo studio monografico completo di questo corpus architettonico e si basa sulla ricognizione diretta delle opere di Steffann; ne è derivata una narrazione non conseguente a un ordine cronologico o di presupposta importanza degli edifici, bensì che ricerca ed evidenzia corrispondenze tra nodi di una rete ideativa la quale, con diversi gradi di finitezza, in punti non sempre omogenei del tempo e dello spazio, denota un'esperienza autentica del comporre e del costruire. Il racconto individua gli oggetti architettonici, ne discute la consistenza aprendosi a riferimenti altri (in particolare il pensiero ecclesiologico-liturgico di Romano Guardini e quello estetico-teologico di Hans Urs von Balthasar) in grado di illuminarne la genesi e la manifestazione, li lega infine in sequenze analogiche. Una serie di tavole fotografiche originali, parte ineludibile e integrante della ricerca, testimonia dello stato attuale dei luoghi, connotando ulteriormente l'aspetto info-rappresentativo della loro composizione architettonica. In chiusura, la sintesi architetturale vuole essere uno strumento di verifica e progetto, quindi di trasposizione futura, correlato all'elaborazione documentaria.

Servizi di posizionamento e potenzialità degli atti di aggiornamento cartografico in coordinate assolute ETRF2000

Il contesto nazionale è cambiato recentemente per l’introduzione del nuovo Sistema Geodetico coincidente con quello Europeo (ETRS89, frame ETRF00) e realizzato dalle stazioni della Rete Dinamica Nazionale. Sistema geodetico, associato al cartografico UTM_ETRF00, divenuto per decreto obbligatorio nelle Pubbliche Amministrazioni. Questo cambiamento ha consentito di ottenere rilevamenti dei dati cartografici in coordinate assolute ETRF00 molto più accurate. Quando i dati così rilevati vengono utilizzati per aggiornamenti cartografici perdono le coordinate originarie e vengono adattati a particolari cartografici circostanti. Per progettare una modernizzazione delle mappe catastali e delle carte tecniche finalizzata a consentire l’introduzione degli aggiornamenti senza modificarne le coordinate assolute originarie, lo studio è iniziato valutando come utilizzare sviluppi di strutturazione dei dati topografici presenti nel Database Geotopografico, modellizzazioni 3D di fabbricati nelle esperienze catastali INSPIRE, integrazioni in ambito MUDE tra progetti edilizi e loro realizzazioni. Lo studio è proseguito valutando i servizi di posizionamento in tempo reale NRTK presenti in Italia. Inoltre sono state effettuate sperimentazioni per verificare anche in sede locale la precisione e l’affidabilità dei servizi di posizionamento presenti. La criticità della cartografia catastale deriva sostanzialmente dal due fatti: che originariamente fu inquadrata in 850 Sistemi e successivamente fu trasformata in Roma40 con una esigua densità di punti rimisurati; che fino al 1988 fu aggiornata con modalità non rigorose di bassa qualità. Per risolvere tali criticità si è quindi ipotizzato di sfruttare le modalità di rilevamento NRTK per aumentare localmente la densità dei punti rimisurati e reinquadrare le mappe catastali. Il test, realizzato a Bologna, ha comportato un’analisi preliminare per individuare quali Punti Fiduciali considerare coerenti con le specifiche cartografiche per poi utilizzarli e aumentare localmente la densità dei punti rimisurati. La sperimentazione ha consentito la realizzazione del progetto e di inserire quindi i prossimi aggiornamenti senza modificarne le coordinate ETRF00 ottenute dal servizio di posizionamento.

Valutazione della risposta sismica di edifici mediante modelli anelastici equivalenti

Nella presente tesi è proposta una metodologia per lo studio e la valutazione del comportamento sismico di edifici a telaio. Il metodo prevede la realizzazione di analisi non-lineari su modelli equivalenti MDOF tipo stick, in accordo alla classificazione data nel report FEMA 440. Gli step per l’applicazione del metodo sono descritti nella tesi. Per la validazione della metodologia si sono utilizzati confronti con analisi time-history condotte su modelli tridimensionali dettagliati delle strutture studiate (detailed model). I parametri ingegneristici considerati nel confronto, nell’ottica di utilizzare il metodo proposto in un approccio del tipo Displacement-Based Design sono lo spostamento globale in sommità, gli spostamenti di interpiano, le forze di piano e la forza totale alla base. I risultati delle analisi condotte sui modelli stick equivalenti, mostrano una buona corrispondenza, ottima in certi casi, con quelli delle analisi condotte sui modelli tridimensionali dettagliati. Le time-history realizzate sugli stick model permettono però, un consistente risparmio in termini di onere computazionale e di tempo per il post-processing dei risultati ottenuti.

Teoria e pratica dell'architettura solare - Morfologia, rendimento, strategia progettuale

La recente Direttiva 31/2010 dell’Unione Europea impone agli stati membri di riorganizzare il quadro legislativo nazionale in materia di prestazione energetica degli edifici, affinchè tutte le nuove costruzioni presentino dal 1° gennaio 2021 un bilancio energetico tendente allo zero; termine peraltro anticipato al 1° gennaio 2019 per gli edifici pubblici. La concezione di edifici a energia “quasi” zero (nZEB) parte dal presupposto di un involucro energeticamente di standard passivo per arrivare a compensare, attraverso la produzione preferibilmente in sito di energia da fonti rinnovabili, gli esigui consumi richiesti su base annuale. In quest’ottica la riconsiderazione delle potenzialità dell’architettura solare individua degli strumenti concreti e delle valide metodologie per supportare la progettazione di involucri sempre più performanti che sfruttino pienamente una risorsa inesauribile, diffusa e alla portata di tutti come quella solare. Tutto ciò in considerazione anche della non più procrastinabile necessità di ridurre il carico energetico imputabile agli edifici, responsabili come noto di oltre il 40% dei consumi mondiali e del 24% delle emissioni di gas climalteranti. Secondo queste premesse la ricerca pone come centrale il tema dell’integrazione dei sistemi di guadagno termico, cosiddetti passivi, e di produzione energetica, cosiddetti attivi, da fonte solare nell’involucro architettonico. Il percorso sia analitico che operativo effettuato si è posto la finalità di fornire degli strumenti metodologici e pratici al progetto dell’architettura, bisognoso di un nuovo approccio integrato mirato al raggiungimento degli obiettivi di risparmio energetico. Attraverso una ricognizione generale del concetto di architettura solare e dei presupposti teorici e terminologici che stanno alla base della stessa, la ricerca ha prefigurato tre tipologie di esito finale: una codificazione delle morfologie ricorrenti nelle realizzazioni solari, un’analisi comparata del rendimento solare nelle principali aggregazioni tipologiche edilizie e una parte importante di verifica progettuale dove sono stati applicati gli assunti delle categorie precedenti