Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems

Three dimensional (3D) printers of continuous fiber reinforced composites, such as MarkTwo (MT) by Markforged, can be used to manufacture such structures. To date, research works devoted to the study and application of flexible elements and CMs realized with MT printer are only a few and very recent. A good numerical and/or analytical tool for the mechanical behavior analysis of the new composites is still missing. In addition, there is still a gap in obtaining the material properties used (e.g. elastic modulus) as it is usually unknown and sensitive to printing parameters used (e.g. infill density), making the numerical simulation inaccurate. Consequently, the aim of this thesis is to present several work developed. The first is a preliminary investigation on the tensile and flexural response of Straight Beam Flexures (SBF) realized with MT printer and featuring different interlayer fiber volume-fraction and orientation, as well as different laminate position within the sample. The second is to develop a numerical analysis within the Carrera' s Unified Formulation (CUF) framework, based on component-wise (CW) approach, including a novel preprocessing tool that has been developed to account all regions printed in an easy and time efficient way. Among its benefits, the CUF-CW approach enables building an accurate database for collecting first natural frequencies modes results, then predicting Young' s modulus based on an inverse problem formulation. To validate the tool, the numerical results are compared to the experimental natural frequencies evaluated using a digital image correlation method. Further, we take the CUF-CW model and use static condensation to analyze smart structures which can be decomposed into a large number of similar components. Third, the potentiality of MT in combination with topology optimization and compliant joints design (CJD) is investigated for the realization of automated machinery mechanisms subjected to inertial loads.

Le figure femminili all'ombra di Cosa Nostra: la rappresentazione della donna mafiosa siciliana sulla stampa italiana del secondo dopoguerra

This thesis investigates the representation of Sicilian mafia women on the Italian press after the second postwar, in particular by examining three Italian newspapers, Il Corriere della Sera, L’Ora and Il Giornale di Sicilia. The focus is on the 1963 – 1983 twenty-year period, after which there has been a big change in the world of Sicilian crime organization with the phenomenon of pentitismo that changes a lot of thing in the whole universe of mafia. In this research there are two aspects very different but very central at the same time. On one hand the careful counting of quoted newspapers and the filing of the articles about general mafia and mafia women, which rendered a whole database about the interest for these woman figures founded in print, in a historical period never analyzed from this point of view; on the other hand the interpretation of these articles and the different representation forms. The founded material was compared with the cultural Italian history of that period to understand if there was a difference between general woman perception and that of mafia woman and if there was also an iconographic prototype of southern woman which it is possible to apply on photographs and descriptions. In fact the most important result of the thesis is to underline that, in front of a woman who belongs to mafia context, the Italia press represented the female gender as first and the mafia gender as the second one.

3D probability tomography: theoretical developments and applications to high-resolution geophysical prospecting

The theory of the 3D multipole probability tomography method (3D GPT) to image source poles, dipoles, quadrupoles and octopoles, of a geophysical vector or scalar field dataset is developed. A geophysical dataset is assumed to be the response of an aggregation of poles, dipoles, quadrupoles and octopoles. These physical sources are used to reconstruct without a priori assumptions the most probable position and shape of the true geophysical buried sources, by determining the location of their centres and critical points of their boundaries, as corners, wedges and vertices. This theory, then, is adapted to the geoelectrical, gravity and self potential methods. A few synthetic examples using simple geometries and three field examples are discussed in order to demonstrate the notably enhanced resolution power of the new approach. At first, the application to a field example related to a dipole–dipole geoelectrical survey carried out in the archaeological park of Pompei is presented. The survey was finalised to recognize remains of the ancient Roman urban network including roads, squares and buildings, which were buried under the thick pyroclastic cover fallen during the 79 AD Vesuvius eruption. The revealed anomaly structures are ascribed to wellpreserved remnants of some aligned walls of Roman edifices, buried and partially destroyed by the 79 AD Vesuvius pyroclastic fall. Then, a field example related to a gravity survey carried out in the volcanic area of Mount Etna (Sicily, Italy) is presented, aimed at imaging as accurately as possible the differential mass density structure within the first few km of depth inside the volcanic apparatus. An assemblage of vertical prismatic blocks appears to be the most probable gravity model of the Etna apparatus within the first 5 km of depth below sea level. Finally, an experimental SP dataset collected in the Mt. Somma-Vesuvius volcanic district (Naples, Italy) is elaborated in order to define location and shape of the sources of two SP anomalies of opposite sign detected in the northwestern sector of the surveyed area. The modelled sources are interpreted as the polarization state induced by an intense hydrothermal convective flow mechanism within the volcanic apparatus, from the free surface down to about 3 km of depth b.s.l..

Slope stability analysis by multi-temporal DEMs and 3D modelling: The 2002 and 2007 Stromboli landslide events

Natural hazard related to the volcanic activity represents a potential risk factor, particularly in the vicinity of human settlements. Besides to the risk related to the explosive and effusive activity, the instability of volcanic edifices may develop into large landslides often catastrophically destructive, as shown by the collapse of the northern flank of Mount St. Helens in 1980. A combined approach was applied to analyse slope failures that occurred at Stromboli volcano. SdF slope stability was evaluated by using high-resolution multi-temporal DTMMs and performing limit equilibrium stability analyses. High-resolution topographical data collected with remote sensing techniques and three-dimensional slope stability analysis play a key role in understanding instability mechanism and the related risks. Analyses carried out on the 2002–2003 and 2007 Stromboli eruptions, starting from high-resolution data acquired through airborne remote sensing surveys, permitted the estimation of the lava volumes emplaced on the SdF slope and contributed to the investigation of the link between magma emission and slope instabilities. Limit Equilibrium analyses were performed on the 2001 and 2007 3D models, in order to simulate the slope behavior before 2002-2003 landslide event and after the 2007 eruption. Stability analyses were conducted to understand the mechanisms that controlled the slope deformations which occurred shortly after the 2007 eruption onset, involving the upper part of slope. Limit equilibrium analyses applied to both cases yielded results which are congruent with observations and monitoring data. The results presented in this work undoubtedly indicate that hazard assessment for the island of Stromboli should take into account the fact that a new magma intrusion could lead to further destabilisation of the slope, which may be more significant than the one recently observed because it will affect an already disarranged deposit and fractured and loosened crater area. The two-pronged approach based on the analysis of 3D multi-temporal mapping datasets and on the application of LE methods contributed to better understanding volcano flank behaviour and to be prepared to undertake actions aimed at risk mitigation.

Sviluppo di impianti ceramici biomimetici a porosità controllata per la rigenerazione del tessuto osseo

La presente ricerca si inquadra nell’ambito della risoluzione dei problemi legati alla chirurgia ossea, per la cura e la sostituzione di parti di osso in seguito a fratture, lesioni gravi, malformazioni e patologie quali osteoporosi, tumori, etc… Attualmente la progettazione di impianti per le sostituzioni/rigenerazioni ossee richiede che i materiali sviluppati siano in grado di “mimare” la composizione e la morfologia dei tessuti naturali, in modo da generare le specifiche interazioni chimiche esistenti nei tessuti dell’organismo con cui vengono a contatto e quindi di biointegrarsi e/o rigenerare l’osso mancante nel miglior modo possibile, in termini qualitativi e quantitativi. Per lo sviluppo di sostituti ossei porosi sono state sperimentate 2 tecnologie innovative: il freeze-casting ed il foaming. Gli impianti ceramici realizzati hanno presentano una dimensione dei pori ed un’interconnessione adeguata sia per l’abitazione cellulare che per la penetrazione dei fluidi fisiologici e la vascolarizzazione. In particolare l’elevata unidirezionalità nei campioni ottenuti mediante freeze-casting si presenta molto promettente poiché fornisce cammini guida che migliorano la vascolarizzazione dell’impianto e l’abitazione cellulare in tempi rapidi e nella parte più interna dello scaffold. D’altra parte, la tecnologia del foaming ha permesso l’ottenimento di materiali apatitici ad alta porosità multidimensionale ed interconnessa con proprietà meccaniche implementate rispetto a tipologie precedenti e, lavorabili dopo sinterizzazione mediante prototipazione rapida. Per questo motivo, questi materiali sono attualmente in corso di sperimentazione, con risultati preliminari adeguati promettenti per un’applicazione clinica, come sostituti ossei di condilo mandibolare, sito estremamente critico per gli sforzi meccanici presenti. È stata dimostrata la possibilità di utilizzare lo scaffold ceramico biomimetico con la duplice funzione di sostituto osseo bioattivo e sistema di rilascio in situ di ioni specifici e di antibiotico, in cui la cinetica di rilascio risulta fortemente dipendente dalle caratteristiche chimico-fisico morfologiche del dispositivo (solubilità, area di superficie specifica,…). Per simulare sempre di più la composizione del tessuto osseo e per indurre specifiche proprietà funzionali, è stata utilizzata la gelatina come fase proteica con cui rivestire/impregnare dispositivi porosi 3D a base di apatite, con cui miscelare direttamente la fase inorganica calcio-fosfatica e quindi realizzare materiali bio-ibridi in cui le due fasi contenenti siano intimamente interagenti. Inoltre al fine di ridurre gli innumerevoli problemi legati alle infezioni ossee alcuni dei materiali sviluppati sono stati quindi caricati con antibiotico e sono state valutate le cinetiche di rilascio. In questa maniera, nel sito dell’impianto sono state associate le funzioni di trasporto e di rilascio di farmaco, alla funzione di sostituzione/rigenerazione ossee. La sperimentazione con la gelatina ha messo in luce proprietà posatamente sfruttabili della stessa. Oltre a conferire allo scaffold un implementata mimesi composizionale del tessuto osseo, ha infatti consentito di aumentare le proprietà meccaniche, sia come resistenza a compressione che deformazione. Unitamente a quanto sopra, la gelatina ha consentito di modulare la funzionalità di dispensatore di farmaco; mediante controllo della cinetica di rilascio, tramite processi di reticolazione più o meno spinti.

GIORNALISMO E GENOCIDIO. Discorsi, interpretazioni e memoria del caso Rwanda sulla stampa italiana

Cosa sappiamo del Genocidio? Cosa sappiamo del Rwanda? In che termini il giornalismo è elemento in comune di entrambi? La questione si fa più complicata in quanto vorremmo aggiungere a queste riflessioni il nodo della memoria. Che memoria abbiamo del Genocidio? Che memoria abbiamo del Rwanda? In che modo il giornalismo costruisce memoria? In questa tesi, abbiamo provato a rispondere a queste domande attraverso gli strumenti della semiotica del discorso e della cultura. Nella prima parte della ricerca abbiamo affrontato la nascita e l'affermazione della categoria di genocidio, l'invenzione e il Genocidio del Rwanda , indicando proposte per definire una possibile semiotica del genocidio. Nella seconda parte si è,invece, scesi nel particolare del discorso giornalistico, definendo i nodi teorici utili per mettere in luce i legami tra giornalismo e memoria e procedendo alle analisi della stampa italiana sul genocidio rwandese. Le conclusioni a cui si è giunti sono, rispetto alla costruzione giornalistica della realtà, che la stampa italiana ha ridotto quella complessità che ha caratterizzato ciò che abbiamo chiamato la biografia discorsiva del Rwanda. Questa stratificazione discorsiva viene risolta, o meglio, tradotta in enunciati che richiamano un odio tribale ancestrale, come se il Genocidio, laddove ne venisse descritta la pianificazione, non fosse altro che una conseguenza naturale di questo odio. Rispetto al rapporto tra memoria e giornalismo, abbiamo visto che è interrogabile rispetto alle dinamiche della cultura: si tratta, quindi, di considerare il ruolo di mediazione dei testi e la loro interpretazione. Ciò chiama in causa problemi di selezione e filtraggio, di inclusione ed esclusione, negoziazione di saperi condivisi, all’interno del problema più ampio della produzione del discorso e della cooperazione interpretativa.

Methodological improvement of 3D fluoroscopic analysis for the robust quantification of 3D kinematics of human joints

3D video-fluoroscopy is an accurate but cumbersome technique to estimate natural or prosthetic human joint kinematics. This dissertation proposes innovative methodologies to improve the 3D fluoroscopic analysis reliability and usability. Being based on direct radiographic imaging of the joint, and avoiding soft tissue artefact that limits the accuracy of skin marker based techniques, the fluoroscopic analysis has a potential accuracy of the order of mm/deg or better. It can provide fundamental informations for clinical and methodological applications, but, notwithstanding the number of methodological protocols proposed in the literature, time consuming user interaction is exploited to obtain consistent results. The user-dependency prevented a reliable quantification of the actual accuracy and precision of the methods, and, consequently, slowed down the translation to the clinical practice. The objective of the present work was to speed up this process introducing methodological improvements in the analysis. In the thesis, the fluoroscopic analysis was characterized in depth, in order to evaluate its pros and cons, and to provide reliable solutions to overcome its limitations. To this aim, an analytical approach was followed. The major sources of error were isolated with in-silico preliminary studies as: (a) geometric distortion and calibration errors, (b) 2D images and 3D models resolutions, (c) incorrect contour extraction, (d) bone model symmetries, (e) optimization algorithm limitations, (f) user errors. The effect of each criticality was quantified, and verified with an in-vivo preliminary study on the elbow joint. The dominant source of error was identified in the limited extent of the convergence domain for the local optimization algorithms, which forced the user to manually specify the starting pose for the estimating process. To solve this problem, two different approaches were followed: to increase the optimal pose convergence basin, the local approach used sequential alignments of the 6 degrees of freedom in order of sensitivity, or a geometrical feature-based estimation of the initial conditions for the optimization; the global approach used an unsupervised memetic algorithm to optimally explore the search domain. The performances of the technique were evaluated with a series of in-silico studies and validated in-vitro with a phantom based comparison with a radiostereometric gold-standard. The accuracy of the method is joint-dependent, and for the intact knee joint, the new unsupervised algorithm guaranteed a maximum error lower than 0.5 mm for in-plane translations, 10 mm for out-of-plane translation, and of 3 deg for rotations in a mono-planar setup; and lower than 0.5 mm for translations and 1 deg for rotations in a bi-planar setups. The bi-planar setup is best suited when accurate results are needed, such as for methodological research studies. The mono-planar analysis may be enough for clinical application when the analysis time and cost may be an issue. A further reduction of the user interaction was obtained for prosthetic joints kinematics. A mixed region-growing and level-set segmentation method was proposed and halved the analysis time, delegating the computational burden to the machine. In-silico and in-vivo studies demonstrated that the reliability of the new semiautomatic method was comparable to a user defined manual gold-standard. The improved fluoroscopic analysis was finally applied to a first in-vivo methodological study on the foot kinematics. Preliminary evaluations showed that the presented methodology represents a feasible gold-standard for the validation of skin marker based foot kinematics protocols.

Spectral-Element and Adjoint 3D Full-Wave Tomography for the Lithosphere of Central Italy

The primary objective of this thesis is to obtain a better understanding of the 3D velocity structure of the lithosphere in central Italy. To this end, I adopted the Spectral-Element Method to perform accurate numerical simulations of the complex wavefields generated by the 2009 Mw 6.3 L’Aquila event and by its foreshocks and aftershocks together with some additional events within our target region. For the mainshock, the source was represented by a finite fault and different models for central Italy, both 1D and 3D, were tested. Surface topography, attenuation and Moho discontinuity were also accounted for. Three-component synthetic waveforms were compared to the corresponding recorded data. The results of these analyses show that 3D models, including all the known structural heterogeneities in the region, are essential to accurately reproduce waveform propagation. They allow to capture features of the seismograms, mainly related to topography or to low wavespeed areas, and, combined with a finite fault model, result into a favorable match between data and synthetics for frequencies up to ~0.5 Hz. We also obtained peak ground velocity maps, that provide valuable information for seismic hazard assessment. The remaining differences between data and synthetics led us to take advantage of SEM combined with an adjoint method to iteratively improve the available 3D structure model for central Italy. A total of 63 events and 52 stations in the region were considered. We performed five iterations of the tomographic inversion, by calculating the misfit function gradient - necessary for the model update - from adjoint sensitivity kernels, constructed using only two simulations for each event. Our last updated model features a reduced traveltime misfit function and improved agreement between data and synthetics, although further iterations, as well as refined source solutions, are necessary to obtain a new reference 3D model for central Italy tomography.

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.

L'area dei Lungarni di Pisa nel tardo Medioevo (XIV-XV secolo). un tentativo di ricostruzione in 3D.

Lo scopo di questa ricerca è la ricostruzione dei Lungarni di Pisa nel Tardo Medioevo (XIV-XV secolo); lo studio intende sottolineare le trasformazioni urbanistiche che hanno cambiato il volto di Pisa nel corso del tempo e ricordare che l’area fluviale ebbe un ruolo di primo piano come baricentro commerciale ed economico della città, vocazione che si è in gran parte persa con l’età moderna e contemporanea. La metodologia seguita, affinata e perfezionata durante la partecipazione al progetto Nu.M.E. (Nuovo Museo Elettronico della Città di Bologna), si basa sull’analisi e il confronto di fonti eterogenee ma complementari, che includono precedenti studi di storia dell’urbanistica, un corpus di documentazione di epoca medievale (provvedimenti amministrativi come gli Statuti del Comune di Pisa, ma anche descrizioni di cronisti e viaggiatori), fonti iconografiche, tra cui vedute e mappe cinquecentesche o successive, e fonti materiali, come le persistenze medievali ancora osservabili all’interno degli edifici ed i reperti rinvenuti durante alcune campagne di scavo archeologiche. Il modello 3D non è concepito come statico e “chiuso”, ma è liberamente esplorabile all’interno di un engine tridimensionale; tale prodotto può essere destinato a livelli di utenza diversi, che includono sia studiosi e specialisti interessati a conoscere un maggior numero di informazioni e ad approfondire la ricerca, sia semplici cittadini appassionati di storia o utenti più giovani, come studenti di scuole medie superiori e inferiori.