Sismica e archeologia industriale: il ponte di R. Morandi a Vagli di Sotto

In questa tesi ci siamo concentrati su ponte pedonale di Vagli, celebre opera dell’ing. Riccardo Morandi progettata nel 1953. Tale opera, che appartiene ora all’archeologia industriale, è molto interessante per le soluzioni costruttive adottate al tempo, per la fama del progettista e per il fatto di essere un raro esempio di ponte con fondazioni sommerse entro un invaso artificiale, e per essere stato costruito in una zona in cui la progettazione antisismica moderna prevedrebbe accortezze molto diverse. È stato pertanto deciso di effettuare una caratterizzazione dinamica completa del suolo di fondazione e della struttura stessa, sia dal punto di vista sperimentale in condizioni passive che dal punto di vista teorico-modellistico in condizioni attive (cioè in presenza di terremoto). La caratterizzazione dinamica sperimentale dell’opera è stata effettuata prima ad invaso completamente svuotato e quindi con i pilastri del ponte a contatto con l’aria.La caratterizzazione è stata poi ripetuta in condizioni di invaso riempito, con circa 15 metri di acqua. Questo caso di studio si rivela particolarmente interessante per comprendere come il livello dell’acqua modifichi o meno il comportamento dinamico del ponte, e le implicazioni che questo avrebbe nella progettazione sismica moderna. I risultati ottenuti sono rilevanti perché forniscono una caratterizzazione completa dell’opera (suolo-struttura) allo stato attuale e possono quindi essere usati, attraverso il confronto con dati futuri, per valutare l’invecchiamento della struttura stessa o per effettuare verifiche strutturali post-sisma. A fronte di danni strutturali anche invisibili all’occhio umano, infatti, la risposta dinamica della struttura cambia e conoscere lo stato pre-sisma permette di valutare dove e quanto tale risposta sia eventualmente cambiata. L’analisi qui effettuata permette infine di rendere conto dei parametri con cui quest’opera sarebbe dovuta essere costruita secondo gli standard normativi attuali.

Ricerca e studio degli effetti di un riflettore sismico importante nella laguna veneta

Il caranto è un celebre paleosuolo della laguna di Venezia. Esso si presenta come uno strato argilloso di alcuni metri di spessore, a profondità variabile tra 1 e 25 m, fortemente consolidato, al punto che, secondo la tradizione locale, sarebbe il livello sul quale si impostano i pali di fondazione della città di Venezia. Misure di microtremore sismico ambientale nell’area lagunare acquisite in precedenza hanno mostrato amplificazioni delle onde sismiche per risonanza stratigrafica a frequenze medio-alte (sopra 3 Hz), ricollegabili a riflettori sismici superficiali. Tali amplificazioni riguardano frequenze di interesse ingegneristico per le strutture della città lagunare e delle altre isole, in quanto a frequenze superiori a 3 Hz risuona la maggior parte degli edifici in muratura più bassi di 5 piani, come quelli della città. Questo li renderebbe particolarmente vulnerabili per fenomeni di doppia-risonanza in caso di terremoto. Attraverso misure di risonanza del sottosuolo eseguite ad hoc e reperite in letteratura, abbiamo cercato se esista una correlazione tra le frequenze misurate e le profondità stimate del caranto da dati di sondaggio. Abbiamo trovato che tale correlazione esiste ed è netta a patto di assumere che la velocità di propagazione delle onde di taglio nel sottosuolo sia diversa tra centro storico e zona dei litorali della laguna. Tale differenza di valori, oltre ad essere perfettamente in linea con la geologia locale, che prevede argille nella zona insulare e sabbie nelle zone litoranee, è confermata dalle risultanze di prove sismiche multicanale a onde di superficie effettuate in anni passati per la microzonazione sismica della provincia. Si propone infine una relazione tra unità geologiche e valori di velocità delle onde di taglio nelle stesse, che permette di stimare la profondità del caranto a partire da misure di risonanza, del tutto non invasive. I risultati ottenuti sono utili sia in senso geologico che in senso ingegneristico sismico, poiché identificano le frequenze di massima amplificazione sismica del terreno

Radiotherapy with scanning carbon ion beams: biological dose analysis for partial treatment delivery

L’uso di particelle cariche pesanti in radioterapia prende il nome di adroterapia. L’adroterapia permette l’irraggiamento di un volume bersaglio minimizzando il danno ai tessuti sani circostanti rispetto alla radioterapia tradizionale a raggi X. Le proprietà radiobiologiche degli ioni carbonio rappresentano un problema per i modelli radiobiologici a causa della non linearità della loro efficacia biologica. In questa tesi presenteremo gli algoritmi che possono essere usati per calcolare la dose fisica e biologica per un piano di trattamento del CNAO (Centro Nazionale Adroterapia Oncologica). Un caso di particolare interesse è l’eventualità che un piano di trattamento venga interrotto prima del dovuto. A causa della non linearità della sopravvivenza cellulare al variare della quantità di dose ricevuta giornalmente, è necessario studiare gli effetti degli irraggiamenti parziali utilizzando algoritmi che tengano conto delle tante variabili che caratterizzano sia i fasci di ioni che i tessuti irraggiati. Nell'ambito di questa tesi, appositi algoritmi in MATLAB sono stati sviluppati e implementati per confrontare la dose biologica e fisica assorbita nei casi di trattamento parziale.

Il terremoto del 24 agosto 2014 a Napa (California, USA): rilievo degli effetti di sito

Il lavoro di questa tesi è frutto dell’esperienza maturata in quattro mesi di tirocinio presso l’U.S. Geological Survey di Menlo Park, da ottobre 2015 a gennaio 2016. Durante questo periodo sono state eseguite quattro campagne di raccolta dati sismici e geotecnici presso la città di Napa, ove, il 24 agosto 2014, si è verificato un terremoto di magnitudo momento pari a 6.0. Quest’area è stata interessata in precedenza da terremoti minori, il più significativo dei quali risulta essere il terremoto di Yountville del 2000 di magnitudo momento pari a 5.1. I rilievi macrosismici, effettuati immediatamente dopo il terremoto di Napa del 2014, hanno fornito una classificazione dettagliata delle strutture danneggiate nel distretto colpito. Obiettivo di questa tesi è comprendere se la distribuzione dei danni osservata sia legata anche alle caratteristiche geologiche locali (effetti di sito), oltre che alla vicinanza all’epicentro. A questo scopo sono state acquisite 63 misure sismiche passive a stazione singola e 4 prove di sismica attiva multicanale, la cui inversione congiunta ha permesso di creare mappe dei riflettori sismici principali sotto le zone interessate dal terremoto. Allo stesso tempo tali mappe, interpretate alla luce della cartografia geologica, hanno permesso di costruire sezioni geologiche e di identificare le corrispondenze tra riflettori geologici e riflettori sismici. Si è così potuto osservare che le zone più pesantemente danneggiate dal terremoto sono quelle che ricadono ove si sono misurate amplificazioni per risonanza in medio-alta frequenza (> 3 Hz) mentre scarsi danni si sono registrati nelle aree caratterizzate da roccia affiorante (e curve di amplificazione per risonanza piatte) e danni minori nelle zone contraddistinte solo da bedrock sismico profondo. La distribuzione del danno, evidenziatosi prevalentemente dove le frequenze proprie di vibrazione del suolo sono mediamente sopra 3 Hz, risulta compatibile con gli intervalli di frequenza attesi per le strutture residenziali tipiche di Napa Valley, che sono costituite da 2-3 piani fuori terra, in legno e di altezza non superiore ai 10 metri.

Studio di un sistema di comunicazione ad alimentazione risonante wireless.

L'elaborato tratta della progettazione di un sistema di alimentazione wireless risonante per i nodi sensori, strumenti fondamentali per il controllo delle strutture(Structural Health Monitoring). Esso si concentra sulla realizzazione di un convertitore flyback risonante (con circuito di snubber incluso per il main switch) in grado di fornire una tensione di 5 Volt in uscita a fronte di una corrente media massima sul carico di 800mA data una tensione di 12 volt in ingresso. Dopo aver introdotto il concetto di Wireless Power Transfer (WPT) e i principi fisici su cui esso poggia (induzione elettromagnetica e risonanza elettromagnetica), si presentano i modelli circuitali più utilizzati in questo ambito. Una volta illustrate le conoscenze allo stato dell'arte dell'accoppiamento induttivo risonante, si analizza il comportamento del modello scelto, al fine di evidenziare i vantaggi dell'utilizzo del circuito alla frequenza di risonanza. Sono state effettuate simulazioni con il simulatore LTspice come controprova. Si passa quindi a dimensionare i vari elementi del circuito a fronte delle specifiche stabilite. Grazie ai risultati ottenuti, si procede alla stesura del Bill Of Materials. La tesi si conclude presentando i possibili campi di ricerca e sviluppo del sistema di alimentazione.

Electrically tunable piezoelectric bimorph cantilever for energy harvesting

Con la presente tesi viene esaminato un metodo per modificare la frequenza di risonanza di trasduttori piezoelettrici mediante applicazione di carichi elettrici esterni. L'elaborato inizia con la presentazione dei cristalli utilizzati nel lavoro di tesi, concentrandosi sul processo di fabbricazione di un bimorph cantilever impiegato come convertitore elettromeccanico di energia, la cui frequenza di risonanza è modellizzata analiticamente mediante la legge di Newton e il modello di Euler-Bernoulli. Su tale struttura vengono condotte misure mediante shaker elettrodinamico e analizzatore d'impedenza, ai fini di giusticare il modello analitico presentato. Con lo scopo di sincronizzare la frequenza di risonanza del cantilever con la vibrazione dell'ambiente per massimizzare la potenza disponibile, viene proposto un algoritmo MPPT secondo l'approccio Perturba e Osserva (P&O), al quale è fornita in ingresso la tensione efficace di un layer di materiale piezoelettrico. Valutare la sua risposta in tensione, presenta dei limiti applicativi che hanno portato a prendere in considerazione un approccio totalmente diff�erente, basato sullo sfasamento tra la tensione di un trasduttore piezoelettrico e il segnale di accelerazione impiegato come eccitazione. Misure sperimentali sono state condotte con l'obiettivo di validare l'efficacia di quest'ultimo approccio qualora si voglia sincronizzare la frequenza di risonanza dei piezo con segnali di vibrazione reali.

Biomechanical modeling of parotid glands morphing in head & neck radiation therapy treatments

Durante i trattamenti radioterapici dei pazienti oncologici testa-collo, le ghiandole parotidee (PGs) possono essere indebitamente irradiate a seguito di modificazioni volumetriche-spaziali inter/intra-frazione causate da fattori quali il dimagrimento, l’esposizione a radiazioni ionizzanti ed il morphing anatomico degli organi coinvolti nelle aree d’irraggiamento. Il presente lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica e di Radioterapia Oncologica dell’A.O.U di Modena, quale parte del progetto di ricerca del Ministero della Salute (MoH2010, GR-2010-2318757) “ Dose warping methods for IGRT and Adaptive RT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments ”, sviluppa un modello biomeccanico in grado di rappresentare il processo di deformazione delle PGs, considerandone la geometria, le proprietà elastiche e l'evoluzione durante il ciclo terapeutico. Il modello di deformazione d’organo è stato realizzato attraverso l’utilizzo di un software agli elementi finiti (FEM). Molteplici superfici mesh, rappresentanti la geometria e l’evoluzione delle parotidi durante le sedute di trattamento, sono state create a partire dai contorni dell’organo definiti dal medico radioterapista sull’immagine tomografica di pianificazione e generati automaticamente sulle immagini di setup e re-positioning giornaliere mediante algoritmi di registrazione rigida/deformabile. I constraints anatomici e il campo di forze del modello sono stati definiti sulla base di ipotesi semplificative considerando l’alterazione strutturale (perdita di cellule acinari) e le barriere anatomiche dovute a strutture circostanti. L’analisi delle mesh ha consentito di studiare la dinamica della deformazione e di individuare le regioni maggiormente soggette a cambiamento. Le previsioni di morphing prodotte dal modello proposto potrebbero essere integrate in un treatment planning system per metodiche di Adaptive Radiation Therapy.

Sviluppo ed applicazione di tecniche di Multiple Kernel Learning per dati di neuroimaging

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio e l’implementazione di un algoritmo di multiple kernel learning (MKL) per la classificazione e la regressione di dati di neuroimaging ed, in particolare, di grafi di connettività funzionale. Gli algoritmi di MKL impiegano una somma pesata di vari kernel (ovvero misure di similarità) e permettono di selezionare le features utili alla discriminazione delle istanze durante l’addestramento del classificatore/regressore stesso. L’aspetto innovativo introdotto in questa tesi è stato lo studio di un nuovo kernel tra grafi di connettività funzionale, con la particolare caratteristica di conservare l’informazione relativa all’importanza di ogni singola region of interest (ROI) ed impiegando la norma lp come metodo per l’aggiornamento dei pesi, al fine di ottenere soluzioni sparsificate. L’algoritmo è stato validato utilizzando mappe di connettività sintetiche ed è stato applicato ad un dataset formato da 32 pazienti affetti da deterioramento cognitivo lieve e malattia dei piccoli vasi, di cui 16 sottoposti a riabilitazione cognitiva tra un’esame di risonanza ma- gnetica funzionale di baseline e uno di follow-up. Le mappe di con- nettività sono state ottenute con il toolbox CONN. Il classificatore è riuscito a discriminare i due gruppi di pazienti in una configurazione leave-one-out annidata con un’accuratezza dell’87.5%. Questo lavoro di tesi è stato svolto durante un periodo di ricerca presso la School of Computer Science and Electronic Engineering dell’University of Essex (Colchester, UK).

Studio ed Analisi di un refrigeratore magnetico

Nella tesi si affronta l'argomento della refrigerazione magnetica. La tematica è affrontata a partire dal principio fisico che c'è alla base fino ad arrivare ai prototipi relaizzati nel corso degli anni. Si conclude con lo stato attuale della refrigerazione magnetica, facendo un' ipotesi progettuale di un potenziale refrigeratore magnetico.

Sfide alla Geologia: le Opere di Miozzi e Calatrava a Venezia

Secondo la sismologia storica, Venezia non è mai stata colpita in modo diretto da terremoti nel suo immediato sottosuolo, tuttavia ha riportato diversi danni in occasione di terremoti limitrofi. Nella presente tesi è stato studiato il comportamento sotto sisma di due principali opere veneziane: il ponte degli Scalzi (1934) eretto da E. Miozzi e il ponte della Costituzione (2008), disegnato da S. Calatrava. Accoppiando il modello dinamico dei due ponti con lo spettro di risposta del sito, abbiamo riscontrato che il ponte della Costituzione si colloca nel plateau dello spettro, quindi a periodi per i quali l’accelerazione attesa sulla struttura è massima. Questo non depone a favore della sua sicurezza, considerati anche i problemi statici che la struttura presenta. Il ponte degli Scalzi presenta invece una rigidezza tale da non mostrare amplificazione significativa tra il moto alla fondazione e quello della struttura sovrastante. Le misure di microtremore ambientale effettuate sul sottosuolo in prossimità delle fondazioni dei due ponti hanno mostrato che esso amplifica il moto per risonanza a 0.5 Hz. Questa frequenza è sufficientemente lontana da quelle proprie dei due ponti in esame, per cui si può ritenere che non ne influenzi significativamente la dinamica. Infine, abbiamo osservato che i valori di accelerazione verticale misurati sulla sua sommità del ponte della Costituzione, generati principalmente dal traffico pedonale, superano i limiti di comfort proposti dall’Eurocodice EN UNI 1990.

Estrazione adiabatica di un fascio di particelle mediante modulazione di un kicker

Il lavoro qui proposto si sviluppa nelle seguenti parti: una breve analisi dei fenomeni coinvolti, quali la risonanza e l'invarianza adiabatica, quindi sarà studiato il problema dell'estrazione adiabatica di un fascio mediante un modello hamiltoniano semplificato che simula l'effetto di un kick dipolare.

Adiabatic extraction models for beam dynamics

Il presente lavoro prende le mosse da un problema di dinamica dei fasci relativo a un metodo di separazione di un fascio di particelle recentemente messo in funzione nell’sincrotrone PS al CERN. In questo sistema, variando adiabaticamente i parametri di un campo magnetico, nello spazio delle fasi si creano diverse isole di stabilità (risonanze) in cui le particelle vengono catturate. Dopo una parte introduttiva in cui si ricava, a partire dalle equazioni di Maxwell, l’hamiltoniana di una particella sottoposta ai campi magnetici che si usano negli acceleratori, e una presentazione generale della teoria dell’invarianza adiabatica, si procede analizzando la dinamica di tali sistemi. Inizialmente si prende in considerazione l’hamiltoniana mediata sulle variabili veloci, considerando perturbazioni (kick) dei termini dipolare e quadrupolare. In ognuno dei due casi, si arriva a determinare la probabilità che una particella sia catturata nella risonanza. Successivamente, attraverso un approccio perturbativo, utilizzando le variabili di azione ed angolo, si calcola la forza della risonanza 4:1 per un kick quadrupolare.