From point cloud to HBIM: an integrated workflow for 3D reconstruction of heritage building with model accuracy evaluation

Modern society is now facing significant difficulties in attempting to preserve its architectural heritage. Numerous challenges arise consequently when it comes to documentation, preservation and restoration. Fortunately, new perspectives on architectural heritage are emerging owing to the rapid development of digitalization. Therefore, this presents new challenges for architects, restorers and specialists. Additionally, this has changed the way they approach the study of existing heritage, changing from conventional 2D drawings in response to the increasing requirement for 3D representations. Recently, Building Information Modelling for historic buildings (HBIM) has escalated as an emerging trend to interconnect geometrical and informational data. Currently, the latest 3D geomatics techniques based on 3D laser scanners with enhanced photogrammetry along with the continuous improvement in the BIM industry allow for an enhanced 3D digital reconstruction of historical and existing buildings. This research study aimed to develop an integrated workflow for the 3D digital reconstruction of heritage buildings starting from a point cloud. The Pieve of San Michele in Acerboli’s Church in Santarcangelo Di Romagna (6th century) served as the test bed. The point cloud was utilized as an essential referential to model the BIM geometry using Autodesk Revit® 2022. To validate the accuracy of the model, Deviation Analysis Method was employed using CloudCompare software to determine the degree of deviation between the HBIM model and the point cloud. The acquired findings showed a very promising outcome in the average distance between the HBIM model and the point cloud. The conducted approach in this study demonstrated the viability of producing a precise BIM geometry from point clouds.

Data analysis and hydrological modelling of rainfall and discharge extremes along the Tione River: implications for the design of water structures

There are many natural events that can negatively affect the urban ecosystem, but weather-climate variations are certainly among the most significant. The history of settlements has been characterized by extreme events like earthquakes and floods, which repeat themselves at different times, causing extensive damage to the built heritage on a structural and urban scale. Changes in climate also alter various climatic subsystems, changing rainfall regimes and hydrological cycles, increasing the frequency and intensity of extreme precipitation events (heavy rainfall).  From an hydrological risk perspective, it is crucial to understand future events that could occur and their magnitude in order to design safer infrastructures. Unfortunately, it is not easy to understand future scenarios as the complexity of climate is enormous.  For this thesis, precipitation and discharge extremes were primarily used as data sources. It is important to underline that the two data sets are not separated: changes in rainfall regime, due to climate change, could significantly affect overflows into receiving water bodies. It is imperative that we understand and model climate change effects on water structures to support the development of adaptation strategies.   The main purpose of this thesis is to search for suitable water structures for a road located along the Tione River. Therefore, through the analysis of the area from a hydrological point of view, we aim to guarantee the safety of the infrastructure over time.   The observations made have the purpose to underline how models such as a stochastic one can improve the quality of an analysis for design purposes, and influence choices.

Multitemporal analysis of satellite imagery: implementation of a land evolution model in ALCS (ATSR LAND CLASSIFICATION SYSTEM)

In this report it was designed an innovative satellite-based monitoring approach applied on the Iraqi Marshlands to survey the extent and distribution of marshland re-flooding and assess the development of wetland vegetation cover. The study, conducted in collaboration with MEEO Srl , makes use of images collected from the sensor (A)ATSR onboard ESA ENVISAT Satellite to collect data at multi-temporal scales and an analysis was adopted to observe the evolution of marshland re-flooding. The methodology uses a multi-temporal pixel-based approach based on classification maps produced by the classification tool SOIL MAPPER ®. The catalogue of the classification maps is available as web service through the Service Support Environment Portal (SSE, supported by ESA). The inundation of the Iraqi marshlands, which has been continuous since April 2003, is characterized by a high degree of variability, ad-hoc interventions and uncertainty. Given the security constraints and vastness of the Iraqi marshlands, as well as cost-effectiveness considerations, satellite remote sensing was the only viable tool to observe the changes taking place on a continuous basis. The proposed system (ALCS – AATSR LAND CLASSIFICATION SYSTEM) avoids the direct use of the (A)ATSR images and foresees the application of LULCC evolution models directly to „stock‟ of classified maps. This approach is made possible by the availability of a 13 year classified image database, conceived and implemented in the CARD project (http://earth.esa.int/rtd/Projects/#CARD).The approach here presented evolves toward an innovative, efficient and fast method to exploit the potentiality of multi-temporal LULCC analysis of (A)ATSR images. The two main objectives of this work are both linked to a sort of assessment: the first is to assessing the ability of modeling with the web-application ALCS using image-based AATSR classified with SOIL MAPPER ® and the second is to evaluate the magnitude, the character and the extension of wetland rehabilitation.

Development and application of a thermo-hydraulic model supporting the design and the deterministic safety analysis in a sodium cooled fast reactor

Il CP-ESFR è un progetto integrato di cooperazione europeo sui reattori a sodio SFR realizzato sotto il programma quadro EURATOM 7, che unisce il contributo di venticinque partner europei. Il CP-ESFR ha l'ambizione di contribuire all'istituzione di una "solida base scientifica e tecnica per il reattore veloce refrigerato a sodio, al fine di accelerare gli sviluppi pratici per la gestione sicura dei rifiuti radioattivi a lunga vita, per migliorare le prestazioni di sicurezza, l'efficienza delle risorse e il costo-efficacia di energia nucleare al fine di garantire un sistema solido e socialmente accettabile di protezione della popolazione e dell'ambiente contro gli effetti delle radiazioni ionizzanti. " La presente tesi di laurea è un contributo allo sviluppo di modelli e metodi, basati sull’uso di codici termo-idraulici di sistema, per l’ analisi di sicurezza di reattori di IV Generazione refrigerati a metallo liquido. L'attività è stata svolta nell'ambito del progetto FP-7 PELGRIMM ed in sinergia con l’Accordo di Programma MSE-ENEA(PAR-2013). Il progetto FP7 PELGRIMM ha come obbiettivo lo sviluppo di combustibili contenenti attinidi minori 1. attraverso lo studio di due diverse forme: pellet (oggetto della presente tesi) e spherepac 2. valutandone l’impatto sul progetto del reattore CP-ESFR. La tesi propone lo sviluppo di un modello termoidraulico di sistema dei circuiti primario e intermedio del reattore con il codice RELAP5-3D© (INL, US). Tale codice, qualificato per il licenziamento dei reattori nucleari ad acqua, è stato utilizzato per valutare come variano i parametri del core del reattore rilevanti per la sicurezza (es. temperatura di camicia e di centro combustibile, temperatura del fluido refrigerante, etc.), quando il combustibile venga impiegato per “bruciare” gli attinidi minori (isotopi radioattivi a lunga vita contenuti nelle scorie nucleari). Questo ha comportato, una fase di training sul codice, sui suoi modelli e sulle sue capacità. Successivamente, lo sviluppo della nodalizzazione dell’impianto CP-ESFR, la sua qualifica, e l’analisi dei risultati ottenuti al variare della configurazione del core, del bruciamento e del tipo di combustibile impiegato (i.e. diverso arricchimento di attinidi minori). Il testo è suddiviso in sei sezioni. La prima fornisce un’introduzione allo sviluppo tecnologico dei reattori veloci, evidenzia l’ambito in cui è stata svolta questa tesi e ne definisce obbiettivi e struttura. Nella seconda sezione, viene descritto l’impianto del CP-ESFR con attenzione alla configurazione del nocciolo e al sistema primario. La terza sezione introduce il codice di sistema termico-idraulico utilizzato per le analisi e il modello sviluppato per riprodurre l’impianto. Nella sezione quattro vengono descritti: i test e le verifiche effettuate per valutare le prestazioni del modello, la qualifica della nodalizzazione, i principali modelli e le correlazioni più rilevanti per la simulazione e le configurazioni del core considerate per l’analisi dei risultati. I risultati ottenuti relativamente ai parametri di sicurezza del nocciolo in condizioni di normale funzionamento e per un transitorio selezionato sono descritti nella quinta sezione. Infine, sono riportate le conclusioni dell’attività.

Analysis of Lead-Acid batteries with a third-order dynamical model

Electrical energy storage is a really important issue nowadays. As electricity is not easy to be directly stored, it can be stored in other forms and converted back to electricity when needed. As a consequence, storage technologies for electricity can be classified by the form of storage, and in particular we focus on electrochemical energy storage systems, better known as electrochemical batteries. Largely the more widespread batteries are the Lead-Acid ones, in the two main types known as flooded and valve-regulated. Batteries need to be present in many important applications such as in renewable energy systems and in motor vehicles. Consequently, in order to simulate these complex electrical systems, reliable battery models are needed. Although there exist some models developed by experts of chemistry, they are too complex and not expressed in terms of electrical networks. Thus, they are not convenient for a practical use by electrical engineers, who need to interface these models with other electrical systems models, usually described by means of electrical circuits. There are many techniques available in literature by which a battery can be modeled. Starting from the Thevenin based electrical model, it can be adapted to be more reliable for Lead-Acid battery type, with the addition of a parasitic reaction branch and a parallel network. The third-order formulation of this model can be chosen, being a trustworthy general-purpose model, characterized by a good ratio between accuracy and complexity. Considering the equivalent circuit network, all the useful equations describing the battery model are discussed, and then implemented one by one in Matlab/Simulink. The model has been finally validated, and then used to simulate the battery behaviour in different typical conditions.

Application of an equivalent frame model for the analysis of typical Dutch masonry structures

A partire dal 1986, nell’Olanda settentrionale si sta verificando un incremento di fenomeni sismici superficiali di medio-bassa intensità. Siccome la zona è considerata a basso rischio sismico, tali fenomeni sono legati all’estrazione di gas nella regione Groningen situata a nord-est del paese, la quale rappresenta il più grande giacimento d’Europa. Di conseguenza, si sono verificati danni ingenti sulle strutture che sorgono in zona, che di fatto non erano state progettate per resistere a forze orizzontali legate all’accelerazione del suolo. Ricercatori, aziende e università sono stati coinvolti nel progetto di ricerca finalizzato alla valutazione della vulnerabilità sismica delle costruzioni esistenti, in modo da poter avviare interventi di miglioramento o adeguamento sismico. A questo scopo, presso l’università tecnica di Delft sono stati svolti diversi test sperimentali e analitici su murature non rinforzate tipiche olandesi, che rappresentano la tipologia costruttiva più diffusa e si distinguono per la presenza di maschi murari snelli, grandi aperture e inadeguatezza delle connessioni tra gli elementi strutturali. Lo scopo della tesi è verificare l’adeguatezza del modello a telaio equivalente implementato nel software 3Muri per la modellazione di due tipiche case a schiera in muratura non rinforzata. Tali case, precedentemente ricostruite e testate in laboratorio attraverso un’analisi pushover, differiscono per metodologia costruttiva ed i materiali utilizzati.

Analysis of the Mediterranean tropical-like cyclone Numa from a numerical model simulation

I Medicane sono rari cicloni che si sviluppano sul Mar Mediterraneo e presentano caratteristiche dei cicloni tropicali, come la forma a spirale delle bande di nubi, un occhio privo di venti e nubi, venti intensi nella banda che circonda l’occhio e la presenza di un nucleo caldo. Nel presente lavoro, è stata compiuta un’analisi del Medicane Numa, verificatosi nel novembre del 2017, utilizzando gli output della simulazione del modello RAMS-ISAC. L’obiettivo di questa tesi è l’identificazione e la descrizione delle caratteristiche tropicali di Numa, focalizzandosi sulla descrizione dei diversi stadi di sviluppo del ciclone. Il sistema di bassa pressione è stato identificato utilizzando la pressione sul livello del mare, mentre l’anomalia termica e il vento orizzontale hanno permesso una descrizione della struttura del Medicane e del suo nucleo caldo. Un’illustrazione della struttura a spirale delle bande di nubi e dell’occhio è stata ottenuta con il grafico dei rapporti di mescolanza delle idrometeore di nubi e pioggia. Questi parametri hanno consentito di ricavare il diametro dell’occhio, pari a 75 km, mentre il diametro del Medicane è risultato 230 km. Numa ha registrato una velocità massima del vento in superficie di 20 m/s nella banda adiacente all’occhio del ciclone. Il diagramma di Hart dello spazio delle fasi del ciclone ha confermato la natura simil-tropicale di Numa e ne ha descritto l’evoluzione, identificando la transizione da sistema a caratteri tropicali a sistema ibrido. La traiettoria nello spazio delle fasi ha consentito l’identificazione delle sottofasi dell’evoluzione di Numa, confermate dai grafici dell’evoluzione temporale dei parametri menzionati in precedenza. L’analisi ha mostrato il ruolo cruciale della presenza di una struttura organizzata nel determinare l’intensità e la durata delle caratteristiche tropicali. Tutti i parametri hanno evidenziato la simmetria della struttura durante la persistente fase matura di Numa.

Root cause analysis applied to a finite element model's refinement of a negative stiffness structure

Negative Stiffness Structures are mechanical systems that require a decrease in the applied force to generate an increase in displacement. They are structures that possess special characteristics such as snap-through and bi-stability. All of these features make them particularly suitable for different applications, such as shock-absorption, vibration isolation and damping. From this point of view, they have risen awareness of their characteristics and, in order to match them to the application needed, a numerical simulation is of great interest. In this regard, this thesis is a continuation of previous studies in a circular negative stiffness structure and aims at refine the numerical model by presenting a new solution. To that end, an investigation procedure is needed. Amongst all of the methods available, root cause analysis was the chosen one to perform the investigation since it provides a clear view of the problem under analysis and a categorization of all the causes behind it. As a result of the cause-effect analysis, the main causes that have influence on the numerical results were obtained. Once all of the causes were listed, solutions to them were proposed and it led to a new numerical model. The numerical model proposed was of nonlinear type of analysis with hexagonal elements and a hyperelastic material model. The results were analyzed through force-displacement curves, allowing for the visualization of the structure’s energy recovery. When compared to the results obtained from the experimental part, it is evident that the trend is similar and the negative stiffness behaviour is present.