Organic matter deposition/resuspension in a one-dimensional physical-biogeochemical model. A modelling study

The shallow water configuration of the gulf of Trieste allows the propagation of the stress due to wind and waves along the whole water column down to the bottom. When the stress overcomes a particular threshold it produces resuspension processes of the benthic detritus. The benthic sediments in the North Adriatic are rich of organic matter, transported here by many rivers. This biological active particulate, when remaining in the water, can be transported in all the Adriatic basin by the basin-wide circulation. In this work is presented a first implementation of a resuspension/deposition submodel in the oceanographic coupled physical-biogeochemical 1-dimensional numerical model POM-BFM. At first has been considered the only climatological wind stress forcing, next has been introduced, on the surface, an annual cycle of wave motion and finally have been imposed some exceptional wave event in different periods of the year. The results show a strong relationship between the efficiency of the resuspension process and the stratification of the water column. During summer the strong stratification can contained a great quantity of suspended matter near to the bottom, while during winter even a low concentration of particulate can reach the surface and remains into the water for several months without settling and influencing the biogeochemical system. Looking at the biologic effects, the organic particulate, injected in the water column, allow a sudden growth of the pelagic bacteria which competes with the phytoplankton for nutrients strongly inhibiting its growth. This happen especially during summer when the suspended benthic detritus concentration is greater.

Historic Building Information Modelling: il caso della Rocca di San Felice sul Panaro

Il Building Information Modelling nasce da un processo di integrazione sostenibile, basato sull'interoperabilità dei processi. La caratteristica vincente è la circolarietà delle informazioni: ogni informazione è gestita come parametro di un ricco e complesso modello parametrico dell'edificio; la geometria, i materiali, i costi ed i tempi sono gestiti come parametri internamente collegati e quindi variabili di uno stesso sistema. Nel caso di beni storici, la maggior parte degli edifici possiede vincoli intrinseci che influenzano tali parametri. I materiali non possono essere scelti liberamente, in quanto parte di un organismo esistente, la geometria dell'edificio è definita e difficilmente sarà variata negli interventi di recupero. Nella presente tesi si applica il metodo CLOUD2FEM al mondo dell'Historic Building Information Modelling (HBIM) concentrandosi sullo studio della Rocca Estense di San Felice sul Panaro, colpita dal sisma dell'Emilia e attualmente inagibile. La procedura CLOUD2FEM permette di trasformare le informazioni ricavate dal laser scanner in mesh chiuse e regolari, generando in modo semi-automatico un modello FEM 3D. Nel caso di costruzioni complesse, la cui geometria non può essere ricondotta a modelli semplificati, è necessario valutare l'attendibilità del modello strutturale. Nel caso in esame, la validazione è stata condotta mediante il confronto del danno rilevato con il danno simulato. La flessibilità del modello permette di aggiungere dettagli inizialmente non rilevati: ogni informazione è inserita nel modello attraverso un parametro differente, al fine di eseguire analisi sullo stato di fatto e su futuri stati di progetto con semplice aggiornamento dei parametri.

Modellazione muscoloscheletrica subject-specific: applicazione a casi clinici e analisi delle incertezze

Lo sviluppo sistematico di modelli subject-specific computerizzati per l’analisi di trattamenti personalizzati è attualmente una realtà. Infatti di recente sono state sviluppate molte tecnologie per la creazione di modelli virtuali ad elementi finiti, che ricreano accuratamente le geometrie specifiche del soggetto e tutte le proprietà fondamentali per ricreare le capacità motorie, basandosi su analisi d’immagine quantitative. Tuttavia, per determinare le forze agenti sul sistema, necessitiamo di una intera analisi di cammino, solitamente in combinazione con uno studio di simulazione di dinamica inversa. In questo elaborato, mi propongo di illustrare i procedimenti per creare un modello subject-specific partendo da dati di imaging (da tomografie computerizzate) di un paziente reale affetto da displasia congenita dell’anca, e gli strumenti che ci permettono di effettuare le simulazioni del modello, al fine di ottenere informazioni quantitative circa le grandezze che governano la dinamica del cammino del paziente. Il corpi rigidi del modello scheletrico saranno costruiti mediante la tecnica della segmentazione 3D, e verranno utilizzati per costruire un sistema articolato dotato di attuatori muscolo-tendinei e giunti articolari a due o tre gradi di libertà. Per conseguire questo obiettivo si farà uso del software, “NMSBuilder”, per poi inserirlo in un programma di simulazione di dinamica del movimento, “OpenSim”, che ci permetterà di calcolare forze muscolari, forze di contatto e momenti articolari del modello. Questi risultati saranno di fondamentale importanza per studiare riabilitazioni ad hoc per pazienti affetti da DCA che devono essere sottoposti ad artroprotesi totale. Lo scopo di questo studio sarà anche quello di analizzare la sensibilità delle previsioni dei modelli specifici durante la deambulazione tenendo conto delle incertezze nell'identificazione delle posizioni dei body-landmarks, della massima tensione muscolare e della geometria muscolo-tendinea.

Metabolism modelling of the Urban Water System of Oslo using the package UWOT

Oslo, capitale della Norvegia, sta sperimentando un’improvvisa crescita della popolazione e secondo le stime fornite da Statistics Norway si prevede un aumento di 200 000 abitanti entro il 2040. La crescita della popolazione comporterà un rilevante aumento di domanda di acqua e, insieme ad altri fattori quali l’età delle infrastrutture e i cambiamenti climatici, sarà responsabile di una notevole pressione sulle infrastrutture idriche presenti. In risposta alla necessità di tempestivi cambiamenti, il gestore del servizio idrico della città (Oslo VAV) ha deciso di finanziare progetti per migliorare la robustezza delle infrastrutture idriche. Il lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto E3WDM, istituito nel 2005 con lo scopo di definire una gestione più efficiente della risorsa idrica di Oslo. L’obiettivo generale della tesi è la creazione di un modello metabolico attraverso il software UWOT (Makropoulos et al., 2008) con lo scopo di rappresentare i consumi idrici di due tipiche tipologie abitative nella città di Oslo. L’innovazione di questo studio consiste nella definizione e nella modellazione della domanda idrica all’interno delle abitazioni ad un livello di dettaglio molto elevato. Il nuovo approccio fornito da UWOT consente la simulazione di differenti strategie di intervento e la successiva gestione ottimale della risorsa idrica in grado di minimizzare i consumi di acqua, di energia e i costi, compatibilmente con la domanda idrica richiesta. Il lavoro di tesi comprende: -La descrizione del software UWOT, in particolare lo scopo del modello, l’innovativo approccio adottato, la struttura e il procedimento per creare un modello del sistema idrico urbano. -La definizione dei dati richiesti per la simulazione dei consumi idrici all’interno delle abitazioni nella città di Oslo e i metodi utilizzati per raccoglierli -L’applicazione del modello UWOT per la definizione dei trend di consumi idrici e la successiva analisi dei risultati

Valutazione cinematica 3D di un test per il ritorno allo sport post-lesione di legamento crociato anteriore: confronto tra sistema optoelettronico e sensori indossabili

I sistemi di analisi del movimento sono in continua espansione e vengono sempre maggiormente utilizzati in ambito sportivo e riabilitativo. In particolare, la valutazione delle lesioni di LCA è, attualmente, affidata a procedure classiche, oltre che a strumenti analitici Gold Standard come il sistema optoelettronico. L’utilizzo dei sensori inerziali per l’analisi del movimento è in notevole aumento e sempre più utilizzato anche negli ambiti descritti. Tuttavia, è da valutare l’accuratezza di tali sistemi nell’esecuzione di gesti complessi ad alta dinamica. L’obiettivo del presente elaborato è stato quello di validare un sistema di sensori inerziali tramite uno optoelettronico, per lo svolgimento di specifici task motori in un’ottica di prevenzione dell’infortunio al LCA. Sono stati valutati 30 soggetti sani, attraverso l’utilizzo sincrono di due tecnologie: il sistema optoelettronico Vicon e il sistema inerziale Xsens. I movimenti svolti dai soggetti rientravano in un protocollo per la prevenzione del LCA, sviluppato presso il centro Isokinetic, il quale comprende 6 task ad elevata dinamica, ricorrenti negli sport maggiori. Si è evinta un’ottima correlazione e basso errore per tutti gli angoli articolari analizzati sul piano sagittale, una buona correlazione sul piano frontale per la maggior parte degli angoli (esclusi caviglia e pelvi), ed una minore riproducibilità sul piano trasverso, in particolare negli angoli di caviglia ginocchio e pelvi. I risultati hanno mostrato una scarsa dipendenza dalla tipologia di task analizzato. La tecnologia inerziale ha dimostrato di essere un’ottima alternativa per l’analisi del movimento in task specifici per la valutazione della biomeccanica di LCA. Le discrepanze evinte possono essere riconducibili ai diversi protocolli cinematici utilizzati ed al posizionamento dei markers. Evoluzioni della tecnologia potrebbero migliorare la precisione di questi sensori offrendo informazioni ancor più dettagliate dove ora ci sono lacune.

Data analysis of collapse mechanisms of a 3D printed groin vault in shaking table testing

The aim of this novel experimental study is to investigate the behaviour of a 2m x 2m model of a masonry groin vault, which is built by the assembly of blocks made of a 3D-printed plastic skin filled with mortar. The choice of the groin vault is due to the large presence of this vulnerable roofing system in the historical heritage. Experimental tests on the shaking table are carried out to explore the vault response on two support boundary conditions, involving four lateral confinement modes. The data processing of markers displacement has allowed to examine the collapse mechanisms of the vault, based on the arches deformed shapes. There then follows a numerical evaluation, to provide the orders of magnitude of the displacements associated to the previous mechanisms. Given that these displacements are related to the arches shortening and elongation, the last objective is the definition of a critical elongation between two diagonal bricks and consequently of a diagonal portion. This study aims to continue the previous work and to take another step forward in the research of ground motion effects on masonry structures.

Numerical modelling of hydrodinamics and morphodynamics for the Friuli Venezia Giulia coast

Integrated Coastal Zone Management (ICZM) should be considered as one of the main components to be able to implement sustainable development. Friuli Venezia Giulia region with its 93 km of coastline is committed to investing its resources in projects aimed at studying the evolution of the coast. In this report, reference will be made to the area in front of the municipality of Grado, where the Banco della Mula di Muggia is located. Starting from previous studies and surveys, morphology of the coastal stretch between the municipality of Grado and the mouth of the Isonzo river will be reproduced through numerical modeling tools, to simulate its hydrodynamic behavior on an annual basis and also as a function of significant events such as storms, calm events or floods of the Isonzo river. The software employed will be the MIKE by DHI with in particular the implementation of "Littoral Drift" and "MIKE 21/3" Coupled models. The first to calculate net and gross longshore transport on an annual basis along a transverse profile, the latter is a modelling system for coastal application that will be used for the analysis of significant events effects. Although not primary focus of this work, there will be included an initial review of finger bars. These particular sand formations are present at the south-western border of the Banco della Mula di Muggia and may have an impact on it. This work could form the starting point of future investigations to build on the findings of this report.

Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

B-R1ING MoCap: registrazione e riproduzione dei movimenti umani su avatar 3D in realtà aumentata

Già da qualche anno si è stati introdotti alla possibilità di vivere in un mondo virtuale; basta indossare un paio di visori di realtà aumentata, virtuale e mista che riproducono nell’ambiente circostante oggetti che fisicamente non esistono. Negli ultimi mesi, inoltre, questa possibilità sta diventando sempre più concreta con l’introduzione, da parte dei colossi dell’informatica, del concetto di "Metaverso": un universo parallelo completamente digitale dove sarà possibile svolgere ogni attività sociale. L’obiettivo di questa tesi è quello di contribuire in piccola parte a questo enorme progetto creando una modalità di interazione tra utenti virtuale ma che si basa su comportamenti del tutto reali. A questo proposito il titolo dell’elaborato è: \textit{“B-R1ING MoCap: registrazione e riproduzione dei movimenti umani su avatar 3D in realtà aumentata”}. Lo scopo del progetto è quello di permettere a una persona di registrare un video in cui c’è un soggetto in movimento, salvare i movimenti del soggetto in un pacchetto dati e infine riprodurlo su un \textit{avatar} 3D che viene fatto agire in realtà aumentata. Il tutto farà parte di un’applicazione “social network” che permette l’interazione tra utenti in questo modo. Un utente può quindi registrare i movimenti umani e inviarli ad un altro utente che può riprodurre il messaggio in realtà aumentata tramite il suo smartphone. Viene introdotto così un nuovo tipo di comunicazione digitale indiretta passando dalla comunicazione scritta, ormai salda da decenni nei messaggi, alla comunicazione orale, introdotta da qualche anno tramite i messaggi vocali, alla comunicazione gestuale resa possibile dal lavoro in oggetto. Le fasi principali del progetto sono state due: una in cui, dopo aver individuato la tecnica migliore, è stato effettuato il "motion capture", un’altra in cui il movimento registrato è stato trasformato in animazione per un soggetto 3D che viene visualizzata in realtà aumentata.

Numerical modelling of axially loaded piled foundations with physical tests validation

L'oggetto della tesi è la modellazione numerica di pali di fondazione per turbine eoliche in ambiente offshore. Il metodo di modellazione comprende l'interpretazione di prove CPT per l'estrapolazione dei parametri geotecnici del terreno, la creazione di un modello dell'interazione tra struttura e terreno tramite il software agli elementi finiti Abaqus, la sua verifica, l'ottimizzazione dell'estensione del modello del terreno e della mesh e la simulazione numerica del comportamento di pali caricati assialmente in compressione. Grazie al confronto con i risultati di test su modelli fisici, eseguiti nel laboratorio dell'istituto Fraunhofer IWES di Hannover, di tre pali aventi la stessa geometria ma installati in punti con diverse condizioni di compattazione della sabbia, è stata possibile la messa a punto di una strategia di simulazione più accurata possibile e la sua validazione. A conclusione del lavoro è stato eseguito un esempio di design di una fondazione jacket per una turbina eolica offshore.

Analysis of the impact of stationary energy storage systems in trolleybus grids using Simulink-based modelling

The voltage profile of the catenary between traction substations (TSSs) is affected by the trolleybus current intake and by its position with respect to the TSSs: the higher the current requested by the bus and the further the bus from the TSSs, the deeper the voltage drop. When the voltage drops below 500V, the trolleybus is forced to decrease its consumption by reducing its input current. This thesis deals with the analysis of the improvements that the installation of an BESS produces in the operation of a particularly loaded FS of the DC trolleybus network of the city of Bologna. The stationary BESS is charged by the TSSs during off-peak times and delivers the stored energy when the catenary is overloaded alleviating the load on the TSSs and reducing the voltage drops. Only IMC buses are considered in the prospect of a future disposal of all internal combustion engine vehicles. These trolleybuses cause deeper voltage drops because they absorb enough current to power their traction motor and recharge the on board battery. The control of the BESS aims to keep the catenary voltage within the admissible voltage range and makes sure that all physical limitations are met. A model of FS Marconi Trento Trieste is implemented in Simulink environment to simulate its daily operation and compare the behavior of the trolleybus network with and without BESS. From the simulation without BESS, the best location of the energy storage system is deduced, and the battery control is tuned. Furthermore, from the knowledge of the load curve and the battery control trans-characteristic, it is formulated a prediction of the voltage distribution at BESS connection point. The prediction is then compared with the simulation results to validate the Simulink model. The BESS allows to decrease the voltage drops along the catenary, the Joule losses and the current delivered by the TSSs, indicating that the BESS can be a solution to improve the operation of the trolleybus network.

What Bees Want: Algorithm-Aided Design di un'arnia progettata per le api e realizzata in Additive Manufacturing

L’importanza delle api per la vita sulla Terra ed il rischio alle quali sono sottoposte per via dell’azione dell’uomo sono ormai un dato di fatto. La concezione antropocentrica della natura e l’allevamento al solo fine produttivo di questi piccoli insetti, ha da sempre danneggiato il loro habitat e interferito con i loro cicli biologici. L’apicoltura, nata come un rapporto mutualistico in cui l’uomo offriva un rifugio alle api e loro in cambio provvedevano al suo nutrimento, si è trasformato in una dannosa dipendenza ed in un assoggettamento di questi insetti ai ritmi artificiali e tutt’altro che naturali della produzione rapida e seriale volta all’ottenimento di un profitto. Un’evidente prova di questa condizione, sono i rifugi per le api, le arnie. Ci siamo mai chiesti perché le arnie hanno questa forma? È quella che preferiscono le api, o quella che rende più pratici e veloci processi di costruzione, gestione e produzione? In natura le api colonizzano cavità quali tronchi cavi di alberi, forme lontane, per non dire diametralmente opposte a quelle in cui le vediamo vivere negli allevamenti. In questa ottica, il design e le nuove tecnologie, poste al servizio della Natura, conducono ad un punto di incontro tra le esigenze umane e quelle degli altri esseri viventi, delle api in questo caso. I concetti di Additive Manufacturing e Design Computazionale, permettono processi di produzione simili a quelli evolutivi naturali e trovano per questa motivazione un’applicazione ideale per progetti che si pongono come fine quello di discostarsi da una visione troppo artificiale, per riavvicinarsi alla perfezione e all’armonia delle leggi della Natura.

Gyrokinetic modelling of plasma transport and investigation on test particle dynamics

Turbulent plasmas inside tokamaks are modeled and studied using guiding center theory, applied to charged test particles, in a Hamiltonian framework. The equations of motion for the guiding center dynamics, under the conditions of a constant and uniform magnetic field and turbulent electrostatic field are derived by averaging over the fast gyroangle, for the first and second order in the guiding center potential, using invertible changes of coordinates such as Lie transforms. The equations of motion are then made dimensionless, exploiting temporal and spatial periodicities of the model chosen for the electrostatic potential. They are implemented numerically in Python. Fast Fourier Transform and its inverse are used. Improvements to the original Python scripts are made, notably the introduction of a power-law curve fitting to account for anomalous diffusion, the possibility to integrate the equations in two steps to save computational time by removing trapped trajectories, and the implementation of multicolored stroboscopic plots to distinguish between trapped and untrapped guiding centers. The post-processing of the results is made in MATLAB. The values and ranges of the parameters chosen for the simulations are selected based on numerous simulations used as feedback tools. In particular, a recurring value for the threshold to detect trapped trajectories is evidenced. Effects of the Larmor radius, the amplitude of the guiding center potential and the intensity of its second order term are studied by analyzing their diffusive regimes, their stroboscopic plots and the shape of guiding center potentials. The main result is the identification of cases anomalous diffusion depending on the values of the parameters (mostly the Larmor radius). The transitions between diffusive regimes are identified. The presence of highways for the super-diffusive trajectories are unveiled. The influence of the charge on these transitions from diffusive to ballistic behaviors is analyzed.

Approfondimento della modellazione parametrica per la valutazione delle capriate lignee. Analisi degli spostamenti e degli stati deformativi della copertura della Cattedrale di San Pietro a Bologna.

La presente tesi si posiziona all’interno di un percorso di ricerca avviato riguardante lo studio delle coperture lignee di vari edifici storici. Gli obiettivi del lavoro consistono nel fornire un quadro generale sullo stato dell’arte della modellazione parametrica per la diagnosi di strutture lignee storiche, completare e approfondire lo studio delle capriate della Cattedrale di S.Pietro a Bologna ed effettuare un confronto sia in termini quantitativi che di velocità esecutiva con metodologia e risultati degli studi precedenti. Il metodo proposto,è stato perfezionato grazie ai feedback ottenuti in corso d’opera a seguito della sua applicazione a nuovi casi studio.L’intento principale è quello di consentire maggior automatizzazione e parametrizzazione del metodo per conferire alle procedure di modellazione un carattere generalizzato e rapidamente replicabile.Sono state ottimizzate le fasi di editing della nuvola di punti e di vettorializzazione delle sezioni degli elementi strutturali.Al fine di approfondire la conoscenza di queste strutture,si è acquisito il rilievo 3D completo del sottotetto dell’edificio con laser scanner.Il primo output consiste quindi in una nuvola di punti dalla quale sono state estrapolate le singole capriate;da queste è possibile estrarre le sezioni delle aste afferenti ai nodi,poi vettorializzate tramite software di modellazione parametrica:sono stati utilizzati algoritmi,programmati e testati nei precedenti studi,che generano 3 modelli per ogni capriata:il modello di rilievo, il modello proiettato e quello “ideale o teorico”.Comparando i modelli e la nuvola di punti di rilievo è possibile analizzare spostamenti e deformazioni delle capriate,ottenere informazioni sul loro comportamento puntale e trarre considerazioni sullo“stato di salute”globale del sottotetto.I dati raccolti permettono di acquisire una maggiore consapevolezza sulle capriate oggetto di indagine e potrebbero essere utilizzati per progettare eventuali interventi di recupero.

Data modelling su database non relazionali: confronto di prestazioni su operazioni CRUD

Gli obiettivi di questi tesi sono lo studio comparativo di alcuni DBMS non relazionali e il confronto di diverse soluzioni di modellazione logica e fisica per database non relazionali. Utilizzando come sistemi di gestione due DBMS Document-based non relazionali, MongoDB e CouchDB, ed un DBMS relazionale, Oracle, sarà effettuata un’analisi di diverse soluzione di modellazione logica dei dati in database documentali e uno studio mirato alla scelta degli attributi sui quali costruire indici. In primo luogo verrà definito un semplice caso di studio su cui effettuare i confronto, basato su due entità in relazione 1:N, sulle quali sarà costruito un opportuno carico di lavoro. Idatabase non relazionali sono schema-less, senza schema fisso, ed esiste una libertà maggiore di modellazione. In questo lavoro di tesi i dati verranno modellati secondo le tecniche del Referencing ed Embedding che consistono rispettivamente nell’inserimento di una chiave (riferimento) oppure di un intero sotto-documento (embedding) all’interno di un documento per poter esprimere il concetto di relazione tra diverse entità. Per studiare l’opportunità di indicizzare un attributo, ciascuna entità sarà poi composta da due triplette uguali di attributi definiti con differenti livelli di selettività, con la differenza che su ciascun attributo della seconda sarà costruito un indice. Il carico di lavoro sarà costituito da query definite in modo da poter testare le diverse modellazioni includendo anche predicati di join che non sono solitamente contemplati in modelli documentali. Per ogni tipo di database verranno eseguite le query e registrati i tempi, in modo da poter confrontare le performance dei diversi DBMS sulla base delle operazioni CRUD.