Ricostruire L'Aquila: edifici residenziali nel verde

Nell'aprile 2009 la città dell'Aquila e le zone limitrofe sono state interessate da uno sciame sismico che ha raggiunto l'apice della sua intensità durante la notte del 6 aprile, facendo registrare ai sismografi il sesto grado della scala Richter. Le conseguenze del sisma sono state devastanti, numerose le vittime e gli sfollati; ingenti i danni alla città. Molti edifici, in particolare nel centro storico, sono stati interessati da numerosi crolli o da danni spesso irreversibili, la situazione post-calamità ha quindi posto il grande problema della ricostruzione di una città consolidata. Partendo da questi presupposti il progetto si pone come obiettivo di fornire una proposta concreta per la ricostruzione dell'area di centro storico compresa fra la zona della ex chiesa di Santa Croce e il viale Duca Degli Abruzzi, tentando di ricostruire e riqualificare il tessuto che si affaccia su via Roma; Decumano della città storica. La necessità di ricostruire una parte così significativa della città ha condotto a delle riflessioni sulla natura stessa del luogo e della sua evoluzione. Si sono così potuti mettere a fuoco un certo numero di problemi urbanistici e architettonici che dal primo dopoguerra ad oggi hanno via via cambiato i caratteri fondamentali dell'area di progetto come dell'intera città; sviluppando quest'ultima in maniera piuttosto inorganica e contaminando la struttura originaria del centro storico. Il progetto vuole quindi cogliere l'occasione per riorganizzare parte del tessuto, rifacendosi ai principi generatori e ai caratteri della forma originaria dell'Aquila. Gli edifici progettati perseguono obiettivi molteplici e a volte discordanti ad esempio l' ottima qualità dell'abitare e l'economicità sono due importanti caratteristiche che si è cercato di unire tramite tecnologie votate all'efficienza energetica, alla semplificazione del cantiere e alla semiprefabbricazione. Tali strumenti tecnologici sono molto utili a razionalizzare e ottimizzare il processo costruttivo, in linea con quelle che sono le esigenze della produzione contemporanea; soprattutto in ambito residenziale.

The port-Hamiltonian framework as a comprehensive approach to model and simulate complex systems

This thesis describes modelling tools and methods suited for complex systems (systems that typically are represented by a plurality of models). The basic idea is that all models representing the system should be linked by well-defined model operations in order to build a structured repository of information, a hierarchy of models. The port-Hamiltonian framework is a good candidate to solve this kind of problems as it supports the most important model operations natively. The thesis in particular addresses the problem of integrating distributed parameter systems in a model hierarchy, and shows two possible mechanisms to do that: a finite-element discretization in port-Hamiltonian form, and a structure-preserving model order reduction for discretized models obtainable from commercial finite-element packages.

Programmazione funzionale in spazio logaritmico: una libreria di funzione aritmetiche

In questa Tesi forniamo una libreria di funzioni aritmetiche che operano in spazio logaritmico rispetto all'input. Partiamo con un'analisi dei campi in cui è necessario o conveniente porre dei limiti, in termini di spazio utilizzato, alla computazione di un determinato software. Vista la larga diffusione del Web, si ha a che fare con collezioni di dati enormi e che magari risiedono su server remoti: c'è quindi la necessità di scrivere programmi che operino su questi dati, pur non potendo questi dati entrare tutti insieme nella memoria di lavoro del programma stesso. In seguito studiamo le nozioni teoriche di Complessità, in particolare quelle legate allo spazio di calcolo, utilizzando un modello alternativo di Macchina di Turing: la Offline Turing Machine. Presentiamo quindi un nuovo “modello” di programmazione: la computazione bidirezionale, che riteniamo essere un buon modo di strutturare la computazione limitata in spazio. Forniamo poi una “guida al programmatore” per un linguaggio di recente introduzione, IntML, che permettere la realizzazione di programmi logspace mantenendo però il tradizionale stile di programmazione funzionale. Infine, per mostrare come IntML permetta concretamente di scrivere programmi limitati in spazio, realizziamo una libreria di funzioni aritmetiche che operano in spazio logaritmico. In particolare, mostriamo funzioni per calcolare divisione intera e resto sui naturali, e funzioni per confrontare, sommare e moltiplicare numeri espressi come parole binarie.

Indagini in Deep Inference

La tesi è uno studio di alcuni aspetti della nuova metodologia “deep inference”, abbinato ad una rivisitazione dei concetti classici di proof theory, con l'aggiunta di alcuni risultati originali orientati ad una maggior comprensione dell'argomento, nonché alle applicazioni pratiche. Nel primo capitolo vengono introdotti, seguendo un approccio di stampo formalista (con alcuni spunti personali), i concetti base della teoria della dimostrazione strutturale – cioè quella che usa strumenti combinatoriali (o “finitistici”) per studiare le proprietà delle dimostrazioni. Il secondo capitolo focalizza l'attenzione sulla logica classica proposizionale, prima introducendo il calcolo dei sequenti e dimostrando il Gentzen Hauptsatz, per passare poi al calcolo delle strutture (sistema SKS), dimostrando anche per esso un teorema di eliminazione del taglio, appositamente adattato dall'autore. Infine si discute e dimostra la proprietà di località per il sistema SKS. Un percorso analogo viene tracciato dal terzo ed ultimo capitolo, per quanto riguarda la logica lineare. Viene definito e motivato il calcolo dei sequenti lineari, e si discute del suo corrispettivo nel calcolo delle strutture. L'attenzione qui è rivolta maggiormente al problema di definire operatori non-commutativi, che mettono i sistemi in forte relazione con le algebre di processo.

Il gruppo dei punti razionali sulle curve ellittiche

Il primo capitolo espone nozioni generali sulle varietà e sulle curve algebriche, sulle mappe fra di esse e su alcune proprietà geometriche importanti per caratterizzare le curve ellittiche. Il secondo capitolo propone un'introduzione allo studio geometrico e algebrico di tali curve. Il terzo e il quarto capitolo affrontano lo studio dei punti a coordinate razionali, per curve definite prima su campi locali e poi su campi globali: l'insieme di tali punti è un gruppo. Il risultato fondamentale, contenuto nel teorema di Mordell-Weil, è che tale gruppo è finitamente generato. Tutto il quarto capitolo propone i risultati necessari per la dimostrazione di tale affermazione.

Combinatorial and Robust Optimisation Models and Algorithms for Railway Applications

This thesis deals with an investigation of combinatorial and robust optimisation models to solve railway problems. Railway applications represent a challenging area for operations research. In fact, most problems in this context can be modelled as combinatorial optimisation problems, in which the number of feasible solutions is finite. Yet, despite the astonishing success in the field of combinatorial optimisation, the current state of algorithmic research faces severe difficulties with highly-complex and data-intensive applications such as those dealing with optimisation issues in large-scale transportation networks. One of the main issues concerns imperfect information. The idea of Robust Optimisation, as a way to represent and handle mathematically systems with not precisely known data, dates back to 1970s. Unfortunately, none of those techniques proved to be successfully applicable in one of the most complex and largest in scale (transportation) settings: that of railway systems. Railway optimisation deals with planning and scheduling problems over several time horizons. Disturbances are inevitable and severely affect the planning process. Here we focus on two compelling aspects of planning: robust planning and online (real-time) planning.

L'Aquila 2010 : nuove residenze per la riconfigurazione di un tessuto urbano

Prima di procedere con il progetto sono state fatte sezioni storiche dell’area, in epoche indicative, per comprendere quelle che sono le invarianti e le caratteristiche di tale tessuto. Da qui si è dedotto lo schema generatore dell’insediamento che parte dall’identificazione degli assi viari (pedonali e carrabili) già presenti nell’area, che fanno diretto riferimento allo schema cardo-decumanico generatore dell’impianto angioino della città. Con il tracciamento si individuano gli isolati base, che con variazioni formali e tipologiche hanno originato gli edifici di progetto. I corpi di fabbrica generatori della planimetria, dialogano e rimangono a stretto contatto con i pochi edifici agibili, per i quali sono previsti consolidamenti e ristrutturazioni, qualora necessari. Inevitabile è stato il confronto con l’orografia, prestando particolare attenzione a non annullare con l’inserimento degli edifici il dislivello presente, ma lasciarlo percepire chiaramente: l’attacco a terra di ogni edificio avviene gradualmente, passando dai due piani fuori terra a monte ai tre, quattro a valle. Ovviamente non tutti gli assi sono stati trattati allo stesso modo, ma conseguentemente alla loro funzione e carattere di utilizzo. Analizzando la struttura viaria dell’intera area, si presentano schematicamente due anelli di circonvallazione del centro urbano: uno più esterno, di più recente costruzione, rappresentato da via XX Settembre, e uno più vecchio, che rimane rasente al centro storico, costituito dal viale Duca Degli Abruzzi, che prosegue in viale Giovanni XXIII e termina nel viadotto Belvedere. Quest’ultimo asse rappresenta sicuramente un importante collegamento cittadino, sia per la vicinanza al centro, sia per le porzioni di città messe in comunicazione; nonostante ciò il viadotto ha subito, all’altezza di viale Nicolò Persichetti, uno smottamento dopo il 6 aprile, ed essendo un elemento di scarso valore architettonico e spaziale, la sua presenza è stata ripensata. Compiendo una deviazione su via XX Settembre al termine di viale Duca Degli Abruzzi, che va a sfruttare la già presente via Fonte Preturo, non si va a rivoluzionante l’odierno assetto, che confluisce comunque, qualche centinaio di metri dopo, in via XX Settembre è si eliminano le connotazioni negative che il viadotto avrebbe sul rinnovato ingresso al centro storico. La vivibilità tende a favorire così collegamento e all’eterogeneità degli spazi più che la separazione fisica e psicologica: il concetto di città fa riferimento alla vita in comune; per favorirla è importante incentivare i luoghi di aggregazione, gli spazi aperti. Dalle testimonianze degli aquilani la vita cittadina vedeva il centro storico come principale luogo d’incontro sociale. Esso era animato dal numeroso “popolo” di studenti, che lo manteneva attivo e vitale. Per questo nelle intenzioni progettuali si pone l’accento su una visione attiva di città con un carattere unitario come sostiene Ungers3. La funzione di collegamento, che crea una struttura di luoghi complementari, può essere costituita dal sistema viario e da quello di piazze (luoghi sociali per eccellenza). Via Fontesecco ha la sua terminazione nell’omonima piazza: questo spazio urbano è sfruttato, nella conformazione attuale, come luogo di passaggio, piuttosto che di sosta, per questo motivo deve essere ricalibrato e messo in relazione ad un sistema più ampio di quello della sola via. In questo sistema di piazze rientra anche la volontà di mettere in relazione le emergenze architettoniche esistenti nell’area e nelle immediate vicinanze, quali la chiesa e convento dell’Addolorata, Palazzo Antonelli e la chiesa di San Domenico (che si attestano tutte su spazi aperti), e la chiesa di San Quinziano su via Buccio di Ranallo. In quest’ottica l’area d’intervento è intesa come appartenente al centro storico, parte del sistema grazie alla struttura di piazze, e allo stesso tempo come zona filtro tra centro e periferia. La struttura di piazze rende l’area complementare alla trama di pieni e vuoti già presente nel tessuto urbano cittadino; la densità pensata nel progetto, vi si accosta con continuità, creando un collegamento con l’esistente; allontanandosi dal centro e avvicinandosi quindi alle più recenti espansioni, il tessuto muta, concedendo più spazio ai vuoti urbani e al verde. Via Fontesecco, il percorso che delimita il lato sud dell’area, oltre ad essere individuata tra due fronti costruiti, è inclusa tra due quinte naturali: il colle dell’Addolorata (con le emergenze già citate) e il colle Belvedere sul quale s’innesta ora il viadotto. Questi due fronti naturali hanno caratteri molto diversi tra loro: il colle dell’Addolorata originariamente occupato da orti, ha un carattere urbano, mentre il secondo si presenta come una porzione di verde incolto e inutilizzato che può essere sfruttato come cerniera di collegamento verticale. Lo stesso declivio naturale del colle d’Addolorata che degrada verso viale Duca Degli Abruzzi, viene trattato nel progetto come una fascia verde di collegamento con il nuovo insediamento universitario. L’idea alla base del progetto dell’edilizia residenziale consiste nel ricostruire insediamenti che appartengano parte della città esistente; si tratta quindi, di una riscoperta del centro urbano e una proposta di maggior densità. Il tessuto esistente è integrato per ottenere isolati ben definiti, in modo da formare un sistema ben inserito nel contesto. Le case popolari su via Fontesecco hanno subito con il sisma notevoli danni, e dovendo essere demolite, hanno fornito l’occasione per ripensare all’assetto del fronte, in modo da integrarlo maggiormente con il tessuto urbano retrostante e antistante. Attualmente la conformazione degli edifici non permette un’integrazione ideale tra i percorsi di risalita pedonale al colle dell’Addolorata e la viabilità. Le scale terminano spesso nella parte retrostante gli edifici, senza sfociare direttamente su via Fontesecco. Si è quindi preferito frammentare il fronte, che rispecchiasse anche l’assetto originario, prima cioè dell’intervento fascista, e che consentisse comunque una percezione prospettica e tipologica unitaria, e un accesso alla grande corte retrostante. Il nuovo carattere di via Fontesecco, risultante dalle sezioni stradali e dalle destinazioni d’uso dei piani terra degli edifici progettuali, è quello di un asse commerciale e di servizio per il quartiere. L’intenzione, cercando di rafforzare l’area di progetto come nuovo possibile ingresso al centro storico, è quella di estendere l’asse commerciale fino a piazza Fontesecco, in modo da rendere tale spazio di aggregazione vitale: “I luoghi sono come monadi, come piccoli microcosmi, mondi autonomi, con tutte le loro caratteristiche, pregi e difetti, inseriti in un macrocosmo urbano più grande, che partendo da questi piccoli mondi compone una metropoli e un paesaggio”.4[...] Arretrando verso l’altura dell’Addolorata è inserita la grande corte del nuovo isolato residenziale, anch’essa con servizi (lavanderie, spazi gioco, palestra) ma con un carattere diverso, legato più agli edifici che si attestano sulla corte, anche per l’assenza di un accesso carrabile diretto; si crea così una gerarchia degli spazi urbani: pubblico sulla via e semi-pubblico nella corte pedonale. La piazza che domina l’intervento (piazza dell’Addolorata) è chiusa da un edificio lineare che funge da “quinta”, il centro civico. Molto flessibile, presenta al suo interno spazi espositivi e un auditorium a diretta disposizione del quartiere. Sempre sulla piazza sono presenti una caffetteria, accessibile anche dal parco, che regge un sistema di scale permettendo di attraversare il dislivello con la “fascia” verde del colle, e la nuova ala dell’Hotel “Duca degli Abruzzi”, ridimensionata rispetto all’originale (in parte distrutto dal terremoto), che si va a collegare in maniera organica all’edificio principale. Il sistema degli edifici pubblici è completo con la ricostruzione del distrutto “Istituto della Dottrina Cristiana”, adiacente alla chiesa di San Quinziano, che va a creare con essa un cortile di cui usufruiscono gli alunni di questa scuola materna ed elementare. Analizzando l’intorno, gran parte dell’abitato è definito da edifici a corte che, all’interno del tessuto compatto storico riescono a sopperire la mancanza di spazi aperti con corti, più o meno private, anche per consentire ai singoli alloggi una giusta illuminazione e areazione. Nel progetto si passa da due edifici a corti semi-private, chiusi in se stessi, a un sistema più grande e complesso che crea un ampio “cortile” urbano, in cui gli edifici che vi si affacciano (case a schiera e edifici in linea) vanno a caratterizzare gli spazi aperti. Vi è in questa differenziazione l’intenzione di favorire l’interazione tra le persone che abitano il luogo, il proposito di realizzare elementi di aggregazione più privati di una piazza pubblica e più pubblici di una corte privata. Le variazioni tipologiche degli alloggi poi, (dalla casa a schiera e i duplex, al monolocale nell’edilizia sociale) comportano un’altrettanta auspicabile mescolanza di utenti, di classi sociali, età e perché no, etnie diverse che permettano una flessibilità nell’utilizzo degli spazi pubblici.

Application-oriented Mixed Integer Non-Linear Programming

In the most recent years there is a renovate interest for Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) problems. This can be explained for different reasons: (i) the performance of solvers handling non-linear constraints was largely improved; (ii) the awareness that most of the applications from the real-world can be modeled as an MINLP problem; (iii) the challenging nature of this very general class of problems. It is well-known that MINLP problems are NP-hard because they are the generalization of MILP problems, which are NP-hard themselves. However, MINLPs are, in general, also hard to solve in practice. We address to non-convex MINLPs, i.e. having non-convex continuous relaxations: the presence of non-convexities in the model makes these problems usually even harder to solve. The aim of this Ph.D. thesis is to give a flavor of different possible approaches that one can study to attack MINLP problems with non-convexities, with a special attention to real-world problems. In Part 1 of the thesis we introduce the problem and present three special cases of general MINLPs and the most common methods used to solve them. These techniques play a fundamental role in the resolution of general MINLP problems. Then we describe algorithms addressing general MINLPs. Parts 2 and 3 contain the main contributions of the Ph.D. thesis. In particular, in Part 2 four different methods aimed at solving different classes of MINLP problems are presented. Part 3 of the thesis is devoted to real-world applications: two different problems and approaches to MINLPs are presented, namely Scheduling and Unit Commitment for Hydro-Plants and Water Network Design problems. The results show that each of these different methods has advantages and disadvantages. Thus, typically the method to be adopted to solve a real-world problem should be tailored on the characteristics, structure and size of the problem. Part 4 of the thesis consists of a brief review on tools commonly used for general MINLP problems, constituted an integral part of the development of this Ph.D. thesis (especially the use and development of open-source software). We present the main characteristics of solvers for each special case of MINLP.

L'Aquila 2010 : valle Pretara : Riqualificazione del quartiere Eritrea

Il sisma del 6 aprile ha palesato delle criticità già presenti nel territorio aquilano. Dopo l'emergenza ci si chiede quindi quale debba essere il futuro della città. Quello che risulta più evidente è sicuramente la scomparsa di un'interdipendenza tra città e territorio circostante che era invece alla base della nascita stessa del nucleo storico. Questo era infatti concepito inizialmente come una serie di entità eterogenee separate, 99 rioni che avrebbero ospitato la popolazione di altrettanti villaggi e castelli, ed arriva nel corso dei secoli ad inglobare un territorio molto più ampio di centri minori che si riconoscono nel capoluogo. Anche con la successiva crescita non si è mai sentita la necessità di provvedere ad uno sviluppo organizzato attraverso la realizzazione di servizi, ma si è sempre cercato di mantenere il centro storico come unico contenitore, non solo per la città ma per l'intero territorio. Così lo sviluppo fuori le mura è avvenuto soprattutto per mano privata generando una periferia caotica e disorganizzata come risposta alla domanda di alloggi, a cui non è mai stato dato l'onere, se non in fase progettuale, di sopperire alle necessità urbane di servizi e infrastrutture e soprattutto ad una totale mancanza di pianificazione di sviluppo futuro. Con la completa distruzione del centro storico è scomparso il cuore pulsante del territorio aquilano, a cui è subito seguito anche lo spegnimento della periferia, che gravitava e si appoggiava su di esso per la sua sopravvivenza. A questo punto la scelta di agire sulla prima periferia, in una zona di cerniera con il centro storico, diventa una scelta fondamentale, poiché questa diventa una possibilità per dare luogo ad una rinascita non solo della città dentro le mura ma dell'Aquila moderna. Poiché questo sia possibile è chiaro come l'attenzione maggiore debba rivolgersi non solo alla risposta della domanda abitativa, ma anche alla progettazione di spazi per la collettività, servizi a diversa scala e sedi per il piccolo e medio commercio per rendere possibili nuove opportunità sociali ed economiche. In quest'ottica risulta indispensabile mantenere un collegamento, fisico e visivo, con il centro storico, attraverso la riqualificazione della fascia verde a ridosso delle mura e la sua naturale prosecuzione al di là della strada nell'area di progetto. Una delle problematiche principali è stata inoltre la definizione o meno di un confine. La scelta è stata quella di una struttura aperta: una maglia senza un limite preciso ma con una chiara direzionalità che si rifà a quella del centro storico e che risulta la più adatta ad accogliere gli sviluppi futuri della città. Il progetto cerca quindi di interfacciarsi sempre con quelle che sono le preesistenze (come nel caso della Chiesa di S. Maria Mediatrice), per cui si perde una lettura chiusa del quartiere, a favore di un intervento che vuole essere una ricucitura piuttosto che un'imposizione al luogo. Diretta conseguenza è stata quindi la scelta di lavorare sugli spazi aperti, diversificandoli e caratterizzandoli a seconda delle situazioni, intesi come elementi di relazione, generatori di una fluida sequenza di luoghi, in cui l'edificio che vi trova sede non può essere scisso dal contesto circostante, ma ne diventa elemento complementare. Lo spazio assume così diverse declinazioni nel passaggio dal pubblico al privato, privo di cesure nette, alla ricerca di un abitare collettivo senza rinunce alla propria individualità. Alla varietà dei luoghi, si affianca anche la progettazione diversificata degli alloggi, per rispondere alle contemporanee esigenze dell'abitare.

Coordinated Control of Robotic Swarms in Unknown Environments

This thesis gathers the work carried out by the author in the last three years of research and it concerns the study and implementation of algorithms to coordinate and control a swarm of mobile robots moving in unknown environments. In particular, the author's attention is focused on two different approaches in order to solve two different problems. The first algorithm considered in this work deals with the possibility of decomposing a main complex task in many simple subtasks by exploiting the decentralized implementation of the so called \emph{Null Space Behavioral} paradigm. This approach to the problem of merging different subtasks with assigned priority is slightly modified in order to handle critical situations that can be detected when robots are moving through an unknown environment. In fact, issues can occur when one or more robots got stuck in local minima: a smart strategy to avoid deadlock situations is provided by the author and the algorithm is validated by simulative analysis. The second problem deals with the use of concepts borrowed from \emph{graph theory} to control a group differential wheel robots by exploiting the Laplacian solution of the consensus problem. Constraints on the swarm communication topology have been introduced by the use of a range and bearing platform developed at the Distributed Intelligent Systems and Algorithms Laboratory (DISAL), EPFL (Lausanne, CH) where part of author's work has been carried out. The control algorithm is validated by demonstration and simulation analysis and, later, is performed by a team of four robots engaged in a formation mission. To conclude, the capabilities of the algorithm based on the local solution of the consensus problem for differential wheel robots are demonstrated with an application scenario, where nine robots are engaged in a hunting task.

Internal Model Principle: extension to the switching case and applications

This thesis deals with a novel control approach based on the extension of the well-known Internal Model Principle to the case of periodic switched linear exosystems. This extension, inspired by power electronics applications, aims to provide an effective design method to robustly achieve the asymptotic tracking of periodic references with an infinite number of harmonics. In the first part of the thesis the basic components of the novel control scheme are described and preliminary results on stabilization are provided. In the second part, advanced control methods for two applications coming from the world high energy physics are presented.

Un sistema crittografico: NTRU

La tesi, divisa in tre parti presenta nella prima parte il sistema crittografico NTRU e il suo funzionamento, nella seconda introduce i reticoli e l'algoritmo di riduzione reticolare LLL, nella terza alcuni possibili attacchi a NTRU.