Os fractais no urbanismo

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Arquitectura com Especialização em Urbanismo, apresentada na Universidade de Lisboa - Faculdade de Arquitectura.

Meshfree Method for Prediction of Thermal Properties of Porous Ceramic Materials

In the presented thesis work, meshfree method with distance fields is applied to create a novel computational approach which enables inclusion of the realistic geometric models of the microstructure and liberates Finite Element Analysis(FEA) from thedependance on and limitations of meshing of fine microstructural feature such as splats and porosity.Manufacturing processes of ceramics produce materials with complex porosity microstructure.Geometry of pores, their size and location substantially affect macro scale physical properties of the material. Complex structure and geometry of the pores severely limit application of modern Finite Element Analysis methods because they require construction of spatial grids (meshes) that conform to the geometric shape of the structure. As a result, there are virtually no effective tools available for predicting overall mechanical and thermal properties of porous materials based on their microstructure. This thesis is a separate handling and controls of geometric and physical computational models that are seamlessly combined at solution run time. Using the proposedapproach we will determine the effective thermal conductivity tensor of real porous ceramic materials featuring both isotropic and anisotropic thermal properties. This work involved development and implementation of numerical algorithms, data structure, and software.

Investigating the mesh dependency and upscaling of 3D grain-based models for the simulation of brittle fracture processes in low-porosity crystalline rock

The application of 3D grain-based modelling techniques is investigated in both small and large scale 3DEC models, in order to simulate brittle fracture processes in low-porosity crystalline rock. Mesh dependency in 3D grain-based models (GBMs) is examined through a number of cases to compare Voronoi and tetrahedral grain assemblages. Various methods are used in the generation of tessellations, each with a number of issues and advantages. A number of comparative UCS test simulations capture the distinct failure mechanisms, strength profiles, and progressive damage development using various Voronoi and tetrahedral GBMs. Relative calibration requirements are outlined to generate similar macro-strength and damage profiles for all the models. The results confirmed a number of inherent model behaviors that arise due to mesh dependency. In Voronoi models, inherent tensile failure mechanisms are produced by internal wedging and rotation of Voronoi grains. This results in a combined dependence on frictional and cohesive strength. In tetrahedral models, increased kinematic freedom of grains and an abundance of straight, connected failure pathways causes a preference for shear failure. This results in an inability to develop significant normal stresses causing cohesional strength dependence. In general, Voronoi models require high relative contact tensile strength values, with lower contact stiffness and contact cohesional strength compared to tetrahedral tessellations. Upscaling of 3D GBMs is investigated for both Voronoi and tetrahedral tessellations using a case study from the AECL’s Mine-by-Experiment at the Underground Research Laboratory. An upscaled tetrahedral model was able to reasonably simulate damage development in the roof forming a notch geometry by adjusting the cohesive strength. An upscaled Voronoi model underestimated the damage development in the roof and floor, and overestimated the damage in the side-walls. This was attributed to the discretization resolution limitations.

Size selectivity of trammel nets in southern European small-scale fisheries

Trammel net size selectivity was studied for the most important metiers in four southern European areas: the Cantabrian Sea (Atlantic, Basque Country, Spain), the Algarve (Atlantic, southern Portugal), the Gulf of Cadiz (Atlantic, Spain) and the Cyclades Islands (Mediterranean, Aegean Sea, Greece). These metiers were: cuttlefish (Sepia officinalis) and soles (Solea senegalensis, Microchirus azevia, Synaptura lusitanica) in the Algarve and the Gulf of Cadiz, sole (Solea solea) in the Cantabrian Sea and mixed fin-fish in the Cyclades. In each area, experimental trammel nets of six different types (combinations of two large outer panel mesh sizes and three small inner panel meshes) were constructed. Fishing trials were carried out on a seasonal basis (four seasons in the Cantabrian Sea, Algarve and Cyclades and two seasons in the Gulf of Cadiz) with chartered commercial fishing vessels. Overall, size selectivity was estimated for 17 out of 28 species for which sufficient data were available. Trammel nets generally caught a wide size range of the most important species, with length frequency distributions that were skewed to the right and/or bi-modal. In many cases the length frequency distributions of the different nets were highly overlapped. The Kolmogorov-Smirnov test also showed that the large outer panel meshes generally had no effect in terms of size selectivity, while the opposite was true for the small inner panel ones. Six different selectivity models (normal scale, normal location, gamma, log-normal, bi-modal and gamma semi-Wileman) were fitted to data for the most abundant species in the four areas. For fish, the bi-modal model provided the best fits for the majority of the data sets, with the uni-modal models giving poor fits in most cases. For Sepia officinalis, where trammelling or pocketing was the method of capture in 100% of the cases, the logistic model fitted by maximum likelihood was judged to be more appropriate for describing the size selective properties of the trammel nets. Our results, which are among the first ones on trammel net selectivity in European waters, will be useful for evaluating the impacts of competing gear for the socio-economically important small-scale static gear fisheries. (c) 2006 Elsevier B.V All rights reserved.

Trammel net catch species composition, catch rates and metiers in southern European waters: A multivariate approach

We identified and quantified the effect of season, depth, and inner and outer panel mesh size on the trammel net catch species composition and catch rates in four southern European areas (Northeast Atlantic: Basque Country, Spain; Algarve, Portugal; Gulf of Cadiz, Spain; Mediterranean: Cyclades, Greece), all of which are characterised by important trammel net fisheries. In each area, we conducted, in 1999-2000, seasonal, experimental fishing trials at various depths with trammel nets of six different inner/outer panel mesh combinations (i.e., two large outer panel meshes and three small inner panel meshes). Overall, our study covered some of the most commonly used inner panel mesh sizes, ranging from 40 to 140 mm (stretched). We analysed the species composition and catch rates of the different inner/outer panel combinations with regression, multivariate analysis (cluster analysis and multidimensional scaling) and other 'community' techniques (number of species, dominance curves). All our analyses indicated that the outer panel mesh sizes used in the present study did not significantly affect the catch characteristics in terms of number of species, catch rates and species composition. Multivariate analyses and seasonal dominance plots indicated that in Basque, Algarve and Cyclades waters, where sampling covered wide depth ranges, both season and depth strongly affected catch species compositions. For the Gulf of Cadiz, where sampling was restricted to depths 10-30 m, season was the only factor affecting catch species composition and thus group formation. In contrast, the inner panel mesh size did not generally affect multidimensional group formation in all areas but affected the dominance of the species caught in the Algarve and the Gulf of Cadiz. Multivariate analyses also revealed 11 different metiers (i.e., season-depth-species-inner panel mesh size combinations) in the four areas. This clearly indicated the existence of trammel net 'hot spots', which represent essential habitats (e.g., spawning, nursery or wintering grounds) of the life history of the targeted and associated species. The number of specimens caught declined significantly with inner panel mesh size in all areas. We attributed this to the exponential decline in abundance with size, both within- and between-species. In contrast, the number of species caught in each area was not related to the inner mesh size. This was unexpected and might be a consequence of the wide size-selective range of trammel nets. (c) 2006 Elsevier B.V All rights reserved.

Isogeometric analysis of large-deformation thin shells using RHT-splines for multiple-patch coupling

We present an isogeometric thin shell formulation for multi-patches based on rational splines over hierarchical T-meshes (RHT-splines). Nitsche’s method is employed to efficiently couple the patches. The RHT-splines have the advantages of allowing a computationally feasible local refine- ment, are free from linear independence, possess high order continuity and satisfy the partition of unity and non-negativity, properties. In addition, C 1 continuity of the RHT-splines obviates to use of rotational degrees of freedom. The good performance of the present method is demonstrated by a number of numerical examples.

Investigation of novel methodologies for the MCNP geometry preparation: application on the Upper Launcher BSM of ITER

La tesi si divide in due macroargomenti relativi alla preparazione della geometria per modelli MCNP. Il primo è quello degli errori geometrici che vengono generati quando avviene una conversione da formato CAD a CSG e le loro relazioni con il fenomeno delle lost particles. Il passaggio a CSG tramite software è infatti inevitabile per la costruzione di modelli complessi come quelli che vengono usati per rappresentare i componenti di ITER e può generare zone della geometria che non vengono definite in modo corretto. Tali aree causano la perdita di particelle durante la simulazione Monte Carlo, andando ad intaccare l' integrità statistica della soluzione del trasporto. Per questo motivo è molto importante ridurre questo tipo di errori il più possibile, ed in quest'ottica il lavoro svolto è stato quello di trovare metodi standardizzati per identificare tali errori ed infine stimarne le dimensioni. Se la prima parte della tesi è incentrata sui problemi derivanti dalla modellazione CSG, la seconda invece suggerisce un alternativa ad essa, che è l'uso di Mesh non Strutturate (UM), un approccio che sta alla base di CFD e FEM, ma che risulta innovativo nell'ambito di codici Monte Carlo. In particolare le UM sono state applicate ad una porzione dell' Upper Launcher (un componente di ITER) in modo da validare tale metodologia su modelli nucleari di alta complessità. L'approccio CSG tradizionale e quello con UM sono state confrontati in termini di risorse computazionali richieste, velocità, precisione e accuratezza sia a livello di risultati globali che locali. Da ciò emerge che, nonostante esistano ancora alcuni limiti all'applicazione per le UM dovuti in parte anche alla sua novità, vari vantaggi possono essere attribuiti a questo tipo di approccio, tra cui un workflow più lineare, maggiore accuratezza nei risultati locali, e soprattutto la possibilità futura di usare la stessa mesh per diversi tipi di analisi (come quelle termiche o strutturali).

Studio fluidodinamico della caldaia di un impianto a biomassa

Lo studio ha lo scopo di analizzare la fluidodinamica di una caldaia di un co-inceneritore presente a Widmerpool (Nottingham, UK) costruito dall'azienda "STC Power, s.r.l.". L'obiettivo è analizzare profili di velocità, temperatura, densità, calore scambiato e tempo di residenza lungo il bruciatore del suddetto impianto per valutare la possibilità di formazione gas nocivi, come le diossine, durante il processo di combustione. Per la generazione della mesh per le simulazioni fluidodinamiche si sono utilizzati due differenti software: Salome (software open source) e starCCM+ (software con licenza). In particolare sono state prodotte due mesh differenti attraverso Salome. I risultati ottenuti dalle simulazioni con le due mesh sono stati messi a confronto con i risultati prodotti dalla simulazione con la mesh di starCCM+ per provare l'utilizzabilità di software open source anche nei casi ingegneristici reali. Nello studio si discusso inizialmente degli inceneritori a biomassa in maniera generale per poi concentrarsi sulle possibili emissioni che possono essere prodotte da un impianto di questo tipo e sui sistemi di controllo della combustione e abbattimento dei fumi. Si è descritto successivamente l'impianto analizzato e le condizioni di funzionamento analizzate. Sono stati descritti inoltre il metodo di costruzione delle tre diverse meshes, il solutore utilizzato e come sono state impostate le condizioni a contorno. Infine sono stati riportati i risultati e le conclusioni che hanno riportato una temperatura adatta all'abbattimento degli NOx alla'altezza dell'SNCR, tempi di residenza medi conformi con le normative e profili di temperature e velocità corrispondenti a quelle aspettate dalla caldaia. Infine si sono analizzate le differenze tra i risultati ottenuti dalle tre simulazioni con le diverse meshes.

Bycatch and discard issues in the Adriatic demersal fisheries

Commercial fisheries exploiting the demersal resources of Western Adriatic Sea produce high bycatch and discard rates; the most important are bottom trawls, hydraulic dredges and passive nets. The five papers here published assess these fisheries’ impacts and investigate the potential of specific solutions to promote more sustainable exploitation. Papers I, II, III focused on bottom trawl fishery. Paper I compared the catch performance of the two legal codends by accounting for the entire species community in trawl catches. 50% of the catch in weight and 80% in count numbers consisted of discarded species, highlighting the severe impact of this fishery. Paper II estimated the selectivity of experimental codend having meshes turned 90° (T90) and of traditional diamond mesh codend with same mesh size. The T90 codend improved the size selection for all the target species. Paper III investigated the use of T90 meshes in the extension piece together with a reduction in mesh number at extension circumference. Results revealed that both these changes applied in the extension piece did not improve the selectivity of the main target species. Paper IV focused on hydraulic dredge fishery targeting the striped venus clam by assessing the clams’ size selection process operated by the dredge. 25% of the clams caught were not size selected due to clogging phenomenon in the dredge. The clam length with 50% retention probability was 18.9 mm, highlighting that the additional size selection process of sorting sieve is necessary to land only the legal clams >22 mm. Paper V compared the catch performance of innovative fish pots and of traditional trammel net. A similar catch efficiency between the two gears for the commercial portion was observed, while the trammel net produced significantly more discards in terms of species number and weight. All the results are discussed in fisheries management perspective.

A Trans-dimensional inversion algorithm to model deformation sources with unconstrained shape in finite element domains

Ground deformation provides valuable insights on subsurface processes with pattens reflecting the characteristics of the source at depth. In active volcanic sites displacements can be observed in unrest phases; therefore, a correct interpretation is essential to assess the hazard potential. Inverse modeling is employed to obtain quantitative estimates of parameters describing the source. However, despite the robustness of the available approaches, a realistic imaging of these reservoirs is still challenging. While analytical models return quick but simplistic results, assuming an isotropic and elastic crust, more sophisticated numerical models, accounting for the effects of topographic loads, crust inelasticity and structural discontinuities, require much higher computational effort and information about the crust rheology may be challenging to infer. All these approaches are based on a-priori source shape constraints, influencing the solution reliability. In this thesis, we present a new approach aimed at overcoming the aforementioned limitations, modeling sources free of a-priori shape constraints with the advantages of FEM simulations, but with a cost-efficient procedure. The source is represented as an assembly of elementary units, consisting in cubic elements of a regular FE mesh loaded with a unitary stress tensors. The surface response due to each of the six stress tensor components is computed and linearly combined to obtain the total displacement field. In this way, the source can assume potentially any shape. Our tests prove the equivalence of the deformation fields due to our assembly and that of corresponding cavities with uniform boundary pressure. Our ability to simulate pressurized cavities in a continuum domain permits to pre-compute surface responses, avoiding remeshing. A Bayesian trans-dimensional inversion algorithm implementing this strategy is developed. 3D Voronoi cells are used to sample the model domain, selecting the elementary units contributing to the source solution and those remaining inactive as part of the crust.

Analisi dello stato dell’arte di scaffold biomimetici mediante l'utilizzo di tecnologie additive per la rigenerazione del tessuto osseo

Ogni giorno, nel mondo, si verificano migliaia di fratture ossee e la maggior parte di esse, con il passare del tempo, riescono a rimarginarsi in modo autonomo. In casi più importanti, le fratture ossee necessitano di interventi chirurgici. Per queste motivazioni, affianco ad autoinnesti, alloinnesti e xenoinnesti, negli ultimi anni si è iniziato a parlare in modo sempre più frequente di ingegneria tissutale. In questo tipo di ingegneria, vengono sviluppate delle impalcature in grado di emulare il tessuto osseo naturale. Lo scopo di questa tesi è analizzare le varie tipologie di produzione di scaffold ossei che si ottengono attraverso la tecnologia della stampa 3D. Nella parte introduttiva dell’elaborato, viene inserita una descrizione del tessuto osseo visto sia dal punto di vista cellulare e della composizione, sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Successivamente, parlando di medicina rigenerativa, vengono descritti i mezzi di osteosintesi, gli innesti e le impalcature, o scaffold, da impiantare nel sito di interesse. Per quanto riguarda gli scaffold, devono soddisfare diversi requisiti, tra cui la biomimetica, la compatibilità con l’attività cellulare, requisiti di progettazione e proprietà meccaniche adeguate. Tali scaffold possono essere realizzati attraverso diverse geometrie interne. Nella seconda parte dell’elaborato, vengono analizzate le geometrie a cubo semplice, a cubo a faccia centrata/a diamante, a cubo a corpo centrato, a dodecaedro rombico, a traliccio di ottetto, a cubo troncato, modellate attraverso il metodo delle superfici minime triplamente periodiche e con tassellatura di Voronoi. Per i vari articoli analizzati sono stati investigati i metodi di produzione e i risultati ottenuti confrontando vantaggi e svantaggi fra le differenti geometrie.

Il ruolo delle tecniche geomatiche nella realizzazione di Digital Twin City: una sperimentazione sulla città di Bologna

L’incessante urbanizzazione e il continuo aumento della popolazione urbana stanno generando nuove sfide per le pubbliche amministrazioni, le quali necessitano soluzioni per la gestione sostenibile di risorse primarie (cibo, acqua, suolo, fonti energetiche) e la corretta pianificazione delle città, allo scopo di salvaguardare le condizioni ambientali, la salute dei cittadini e il progresso economico: in questo complesso panorama si afferma il concetto di Digital Twin City (DTC) o gemello digitale della città, la controparte virtuale di oggetti e processi in ambiente urbano in grado di comunicare con essi e di simularne, replicarne e predirne i possibili scenari. In questo contesto, un elemento essenziale è costituito dal modello geometrico 3D ad alta fedeltà dell'ambiente urbano, e la Geomatica fornisce gli strumenti più idonei alla sua realizzazione. La presente elaborazione si sviluppa in tre parti: nella prima è stata condotta un’analisi della letteratura sui DTC, in cui sono state evidenziate le sue caratteristiche principali come l’architettura, le tecnologie abilitanti, alcune possibili modellazioni, ostacoli, scenari futuri ed esempi di applicazioni reali, giungendo alla conclusione che un accurato modello 3D della città deve essere alla base dei DTC; nella seconda parte è stata illustrata nel dettaglio la teoria delle principali tecniche geomatiche per la realizzazione di modelli 3D ad alta fedeltà, tra cui le tecniche fotogrammetriche di aerotriangolazione e l’algoritmo Structure from Motion (SfM); nella terza e ultima parte è stata condotta una sperimentazione su tre zone campione del comune di Bologna di cui, grazie ad un dataset di fotogrammi nadirali e obliqui ottenuto da un volo fotogrammetrico realizzato nel 2022, sono state ottenute Reality Meshes e ortofoto/DSM. I prodotti della terza zona sono stati confrontati con i medesimi ottenuti da un dataset del 2017. Infine, sono state illustrati alcuni strumenti di misura e di ritocco dei prodotti 3D e 2D.