Valutazione della sostenibilità ambientale tramite metodologia LCA di sistemi per lo sfruttamento di fonti alternative di energia e materiali

La dissertazione ha riguardato l’analisi di sostenibilità di un sistema agronomico per la produzione di olio vegetale a fini energetici in terreni resi marginali dall’infestazione di nematodi. Il processo indagato ha previsto il sovescio di una coltura con proprietà biofumiganti (brassicacea) coltivata in precessione alla specie oleosa (soia e tabacco) al fine di contrastare il proliferare dell’infestazione nel terreno. Tale sistema agronomico è stato confrontato attraverso una analisi di ciclo di vita (LCA) ad uno scenario di coltivazione della stessa specie oleosa senza precessione di brassica ma con l’utilizzo di 1-3-dicloropropene come sistema di lotta ai nematodi. Allo scopo di completare l’analisi LCA con una valutazione dell’impatto sull’uso del suolo (Land use Impact) generato dai due scenari a confronto, sono stati costruiti due modelli nel software per il calcolo del Soil Conditioning Index (SCI), un indicatore quali-quantitativo della qualità del terreno definito dal Dipartimento per l’Agricoltura degli Stati Uniti d’America (USDA).

Il risparmio delle risorse alla scala abitativa e di insediamento. Tecnologie non convenzionali e valutazione ambientale attraverso metodologia LCA.

Nel corso del mio lavoro di ricerca mi sono occupata di identificare strategie che permettano il risparmio delle risorse a livello edilizio e di approfondire un metodo per la valutazione ambientale di tali strategie. La convinzione di fondo è che bisogna uscire da una visione antropocentrica in cui tutto ciò che ci circonda è merce e materiale a disposizione dell’uomo, per entrare in una nuova era di equilibrio tra le risorse della terra e le attività che l’uomo esercita sul pianeta. Ho quindi affrontato il tema dell’edilizia responsabile approfondendo l’ambito delle costruzioni in balle di paglia e terra. Sono convinta che l’edilizia industriale abbia un futuro molto breve davanti a sé e lascerà inevitabilmente spazio a tecniche non convenzionali che coinvolgono materiali di semplice reperimento e posa in opera. Sono altresì convinta che il solo utilizzo di materiali naturali non sia garanzia di danni ridotti sull’ecosistema. Allo stesso tempo ritengo che una mera certificazione energetica non sia sinonimo di sostenibilità. Per questo motivo ho valutato le tecnologie non convenzionali con approccio LCA (Life Cycle Assessment), approfondendo gli impatti legati alla produzione, ai trasporti degli stessi, alla tipologia di messa in opera, e ai loro possibili scenari di fine vita. Inoltre ho approfondito il metodo di calcolo dei danni IMPACT, identificando una carenza nel sistema, che non prevede una categoria di danno legata alle modifiche delle condizioni idrogeologiche del terreno. La ricerca si è svolta attraverso attività pratiche e sperimentali in cantieri di edilizia non convenzionale e attività di ricerca e studio sull’LCA presso l’Enea di Bologna (Ing. Paolo Neri).

Speleogenesis and secondary cave minerals in quartz-sandstone and quartzite environment

The main objective of this research is to improve the comprehension of the processes controlling the formation of caves and karst-like morphologies in quartz-rich lithologies (more than 90% quartz), like quartz-sandstones and metamorphic quartzites. In the scientific community the processes actually most retained to be responsible of these formations are explained in the “Arenisation Theory”. This implies a slow but pervasive dissolution of the quartz grain/mineral boundaries increasing the general porosity until the rock becomes incohesive and can be easily eroded by running waters. The loose sands produced by the weathering processes are then evacuated to the surface through processes of piping due to the infiltration of waters from the fracture network or the bedding planes. To deal with these problems we adopted a multidisciplinary approach through the exploration and the study of several cave systems in different tepuis. The first step was to build a theoretical model of the arenisation process, considering the most recent knowledge about the dissolution kinetics of quartz, the intergranular/grain boundaries diffusion processes, the primary diffusion porosity, in the simplified conditions of an open fracture crossed by a continuous flow of undersatured water. The results of the model were then compared with the world’s widest dataset (more than 150 analyses) of water geochemistry collected till now on the tepui, in superficial and cave settings. All these studies allowed verifying the importance and the effectiveness of the arenisation process that is confirmed to be the main process responsible of the primary formation of these caves and of the karst-like superficial morphologies. The numerical modelling and the field observations allowed evaluating a possible age of the cave systems around 20-30 million of years.

Genetic and morphological variation and differentiation of Raja clavata populations in the European seas: marker development and preliminary data

In this study the population structure and connectivity of the Mediterranean and Atlantic Raja clavata (L., 1758) were investigated by analyzing the genetic variation of six population samples (N = 144) at seven nuclear microsatellite loci. The genetic dataset was generated by selecting population samples available in the tissue databases of the GenoDREAM laboratory (University of Bologna) and of the Department of Life Sciences and Environment (University of Cagliari), all collected during past scientific surveys (MEDITS, GRUND) from different geographical locations in the Mediterranean basin and North-east Atlantic sea, as North Sea, Sardinian coasts, Tuscany coasts and Cyprus Island. This thesis deals with to estimate the genetic diversity and differentiation among 6 geographical samples, in particular, to assess the presence of any barrier (geographic, hydrogeological or biological) to gene flow evaluating both the genetic diversity (nucleotide diversity, observed and expected heterozygosity, Hardy- Weinberg equilibrium analysis) and population differentiation (Fst estimates, population structure analysis). In addition to molecular analysis, quantitative representation and statistical analysis of morphological individuals shape are performed using geometric morphometrics methods and statistical tests. Geometric coordinates call landmarks are fixed in 158 individuals belonging to two population samples of Raja clavata and in population samples of closely related species, Raja straeleni (cryptic sibling) and Raja asterias, to assess significant morphological differences at multiple taxonomic levels. The results obtained from the analysis of the microsatellite dataset suggested a geographic and genetic separation between populations from Central-Western and Eastern Mediterranean basins. Furthermore, the analysis also showed that there was no separation between geographic samples from North Atlantic Ocean and central-Western Mediterranean, grouping them to a panmictic population. The Landmark-based geometric morphometry method results showed significant differences of body shape able to discriminate taxa at tested levels (from species to populations).

"Offshore tower or platform foundations: numerical analysis of a laterally loaded single pile or pile group in soft clay and analysis of actions on a jacket structure"

Laterally loaded piles are a typical situation for a large number of cases in which deep foundations are used. Dissertation herein reported, is a focus upon the numerical simulation of laterally loaded piles. In the first chapter the best model settings are largely discussed, so a clear idea about the effects of interface adoption, model dimension, refinement cluster and mesh coarseness is reached. At a second stage, there are three distinct parametric analyses, in which the model response sensibility is studied for variation of interface reduction factor, Eps50 and tensile cut-off. In addition, the adoption of an advanced soil model is analysed (NGI-ADP). This was done in order to use the complex behaviour (different undrained shear strengths are involved) that governs the resisting process of clay under short time static loads. Once set a definitive model, a series of analyses has been carried out with the objective of defining the resistance-deflection (P-y) curves for Plaxis3D (2013) data. Major results of a large number of comparisons made with curves from API (America Petroleum Institute) recommendation are that the empirical curves have almost the same ultimate resistance but a bigger initial stiffness. In the second part of the thesis a simplified structural preliminary design of a jacket structure has been carried out to evaluate the environmental forces that act on it and on its piles foundation. Finally, pile lateral response is studied using the empirical curves.

Geotechnical characterization of mixed sandy and silty soils using piezocone tests: Analysis of partial drainage phenomena and rate effects on the experimental soil response

The cone penetration test (CPT), together with its recent variation (CPTU), has become the most widely used in-situ testing technique for soil profiling and geotechnical characterization. The knowledge gained over the last decades on the interpretation procedures in sands and clays is certainly wide, whilst very few contributions can be found as regards the analysis of CPT(u) data in intermediate soils. Indeed, it is widely accepted that at the standard rate of penetration (v = 20 mm/s), drained penetration occurs in sands while undrained penetration occurs in clays. However, a problem arise when the available interpretation approaches are applied to cone measurements in silts, sandy silts, silty or clayey sands, since such intermediate geomaterials are often characterized by permeability values within the range in which partial drainage is very likely to occur. Hence, the application of the available and well-established interpretation procedures, developed for ‘standard’ clays and sands, may result in invalid estimates of soil parameters. This study aims at providing a better understanding on the interpretation of CPTU data in natural sand and silt mixtures, by taking into account two main aspects, as specified below: 1)Investigating the effect of penetration rate on piezocone measurements, with the aim of identifying drainage conditions when cone penetration is performed at a standard rate. This part of the thesis has been carried out with reference to a specific CPTU database recently collected in a liquefaction-prone area (Emilia-Romagna Region, Italy). 2)Providing a better insight into the interpretation of piezocone tests in the widely studied silty sediments of the Venetian lagoon (Italy). Research has focused on the calibration and verification of some site-specific correlations, with special reference to the estimate of compressibility parameters for the assessment of long-term settlements of the Venetian coastal defences.

A New Prediction Model for Slope Stability Analysis

The instability of river bank can result in considerable human and land losses. The Po river is the most important in Italy, characterized by main banks of significant and constantly increasing height. This study presents multilayer perceptron of artificial neural network (ANN) to construct prediction models for the stability analysis of river banks along the Po River, under various river and groundwater boundary conditions. For this aim, a number of networks of threshold logic unit are tested using different combinations of the input parameters. Factor of safety (FS), as an index of slope stability, is formulated in terms of several influencing geometrical and geotechnical parameters. In order to obtain a comprehensive geotechnical database, several cone penetration tests from the study site have been interpreted. The proposed models are developed upon stability analyses using finite element code over different representative sections of river embankments. For the validity verification, the ANN models are employed to predict the FS values of a part of the database beyond the calibration data domain. The results indicate that the proposed ANN models are effective tools for evaluating the slope stability. The ANN models notably outperform the derived multiple linear regression models.

Application of Submerged Grouted Anchors in Sheet Pile Quay Walls

Sheet pile walls are one of the oldest earth retention systems utilized in civil engineering projects. They are used for various purposes; such as excavation support system, cofferdams, cut-off walls under dams, slope stabilization, waterfront structures, and flood walls. Sheet pile walls are one of the most common types of quay walls used in port construction. The worldwide increases in utilization of large ships for transportation have created an urgent need of deepening the seabed within port areas and consequently the rehabilitation of its wharfs. Several methods can be used to increase the load-carrying capacity of sheet-piling walls. The use of additional anchored tie rods grouted into the backfill soil and arranged along the exposed wall height is one of the most practical and appropriate solutions adopted for stabilization and rehabilitation of the existing quay wall. The Ravenna Port Authority initiated a project to deepen the harbor bottom at selected wharves. An extensive parametric study through the finite element program, PLAXIS 2D, version 2012 was carried out to investigate the enhancement of using submerged grouted anchors technique on the load response of sheet-piling quay wall. The influence of grout-ties area, length of grouted body, anchor inclination and anchor location were considered and evaluated due to the effect of different system parameters. Also a comparative study was conducted by Plaxis 2D and 3D program to investigate the behavior of these sheet pile quay walls in terms of horizontal displacements induced along the sheet pile wall and ground surface settlements as well as the anchor force and calculated factor of safety. Finally, a comprehensive study was carried out by using different constitutive models to simulate the mechanical behavior of the soil to investigate the effect of these two models (Mohr-Coulomb and Hardening Soil) on the behavior of these sheet pile quay walls.

Valutazione ambientale di tecnologie di bonifica per acquiferi contaminati attraverso la metodologia LCA

La bonifica di acquiferi contaminati è una pratica che oggi dispone di diverse soluzioni a livello tecnologico, caratterizzate tuttavia da costi (ambientali ed economici) e problematiche tecniche di entità tale da rendere in alcuni casi poco conveniente la realizzazione dell’intervento stesso. Per questo motivo sempre maggiore interesse viene rivolto nell’ambito della ricerca alle tecnologie di bioremediation, ovvero sistemi in cui la degradazione degli inquinanti avviene ad opera di microorganismi e batteri opportunamente selezionati e coltivati. L’impiego di queste tecniche consente un minor utilizzo di risorse ed apparati tecnologici per il raggiungimento degli obiettivi di bonifica rispetto ai sistemi tradizionali. Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi ha l’obiettivo di fornire, tramite l’utilizzo della metodologia LCA, una valutazione della performance ambientale di una tecnologia di bonifica innovativa (BEARD) e due tecnologie largamente usate nel settore, una di tipo passivo (Permeable Reactive Barrier) ed una di tipo attivo (Pump and Treat con Carboni Attivi).

Statistical analysis of the error associated with the simplification of the stratigraphy in geotechnical models

The uncertainties in the determination of the stratigraphic profile of natural soils is one of the main problems in geotechnics, in particular for landslide characterization and modeling. The study deals with a new approach in geotechnical modeling which relays on a stochastic generation of different soil layers distributions, following a boolean logic – the method has been thus called BoSG (Boolean Stochastic Generation). In this way, it is possible to randomize the presence of a specific material interdigitated in a uniform matrix. In the building of a geotechnical model it is generally common to discard some stratigraphic data in order to simplify the model itself, assuming that the significance of the results of the modeling procedure would not be affected. With the proposed technique it is possible to quantify the error associated with this simplification. Moreover, it could be used to determine the most significant zones where eventual further investigations and surveys would be more effective to build the geotechnical model of the slope. The commercial software FLAC was used for the 2D and 3D geotechnical model. The distribution of the materials was randomized through a specifically coded MatLab program that automatically generates text files, each of them representing a specific soil configuration. Besides, a routine was designed to automate the computation of FLAC with the different data files in order to maximize the sample number. The methodology is applied with reference to a simplified slope in 2D, a simplified slope in 3D and an actual landslide, namely the Mortisa mudslide (Cortina d’Ampezzo, BL, Italy). However, it could be extended to numerous different cases, especially for hydrogeological analysis and landslide stability assessment, in different geological and geomorphological contexts.

Rilevamento fotogrammetrico digitale non convenzionale ed analisi strutturale agli elementi finiti dell'Arco d'Augusto di Rimini

L’Arco d’Augusto di Rimini rappresenta da sempre il monumento simbolo della città; ha visto ogni periodo storico, dei quali riporta tuttora i segni in modo visibile. L’alto valore storico, culturale ed artistico che l’Arco porta con se merita di essere valorizzato, conservato e studiato. E’ stato realizzato un rilievo fotogrammetrico del monumento romano e una successiva analisi strutturale mediante la tecnica F.E.M. Il rilievo è stato eseguito con la moderna tecnica digitale non convenzionale, la quale ha permesso di comprendere quanto essa sia in grado di soddisfare le varie esigenze di rilievo nell’ambito dei Beni Culturali. Nel primo capitolo si affrontano le tematiche relative al rilievo dei Beni Culturali, si concentra poi l’attenzione sul settore della fotogrammetria digitale. Il secondo capitolo è dedicato interamente alla storia dell’Arco d’Augusto, riportando tutti i rilievi dell’Arco realizzati dal Medioevo ad oggi. Il terzo capitolo riporta la serie di restauri che l’Arco riminese ha subito nel corso dei secoli, fra cui i due grandi interventi di restauro: il primo eseguito nel 1947 dall’Ing. Rinaldi G., il secondo nel 1996-98 per opera dell’Arch. Foschi P.L. Nel quarto capitolo si parla di come la tecnica fotogrammetrica si presti molto bene all’analisi e al controllo delle deformazioni strutturali. Il capitolo cinque è dedicato al rilievo topo-fotogrammetrico dell’oggetto, affrontato in tutte le sue fasi: ricognizione preliminare,progettazione ed esecuzione delle prese. Il sesto capitolo affronta l’elaborazione dei dati mediante il software PhotoModeler Pro 5. Nel settimo capitolo si confronta il presente rilievo con l’ortofoto realizzata nel 1982 dall’Arch. Angelini R. Il capitolo otto riporta alcune informazioni al riguardo della geomorfologia della zona limitrofa all’Arco. Nell’ultimo capitolo si descrive l’impiego del software agli elementi finiti Straus7 per creare ed elaborare il modello numerico dell’Arco.

Modelling the dynamic response of rockfall protection barriers

Mountainous areas are prone to natural hazards like rockfalls. Among the many countermeasures, rockfall protection barriers represent an effective solution to mitigate the risk. They are metallic structures designed to intercept rocks falling from unstable slopes, thus dissipating the energy deriving from the impact. This study aims at providing a better understanding of the response of several rockfall barrier types, through the development of rather sophisticated three-dimensional numerical finite elements models which take into account for the highly dynamic and non-linear conditions of such events. The models are built considering the actual geometrical and mechanical properties of real systems. Particular attention is given to the connecting details between the structural components and to their interactions. The importance of the work lies in being able to support a wide experimental activity with appropriate numerical modelling. The data of several full-scale tests carried out on barrier prototypes, as well as on their structural components, are combined with results of numerical simulations. Though the models are designed with relatively simple solutions in order to obtain a low computational cost of the simulations, they are able to reproduce with great accuracy the test results, thus validating the reliability of the numerical strategy proposed for the design of these structures. The developed models have shown to be readily applied to predict the barrier performance under different possible scenarios, by varying the initial configuration of the structures and/or of the impact conditions. Furthermore, the numerical models enable to optimize the design of these structures and to evaluate the benefit of possible solutions. Finally it is shown they can be also used as a valuable supporting tool for the operators within a rockfall risk assessment procedure, to gain crucial understanding of the performance of existing barriers in working conditions.

Analisi di interazione tra la linea Metro C e le Mura Aureliane: il caso del pozzo multifunzionale di Porta Asinaria

La tesi ha natura sperimentale ed è mirata alla valutazione, attraverso l’uso di un programma agli elementi finiti tridimensionale, dell’interazione tra lo scavo del pozzo di introduzione scudi e le Mura Aureliane adiacenti a Porta Asinaria, a Roma. La prima parte della tesi si è concentrata sulla caratterizzazione geotecnica, a partire dai dati ricavati dalle campagne d’indagine eseguite nel tempo. Una volta effettuata la caratterizzazione geotecnica si è passati alla calibrazione del modello costitutivo per il terreno; si è scelto di adottare un legame costitutivo elasto-plastico incrudente, l’Hardening Soil Model with Small Strain Stiffness. Si è quindi passati alla definizione geometrica e dei materiali, utilizzando i rilievi strutturali e topografici, e alla conseguente definizione dei parametri del modello costitutivo adottato per la muratura e per il nucleo interno. In questo caso è stato adottato il modello di Mohr-Coulomb. La geometria globale è stata infine importata dal programma di calcolo PLAXIS 3D a partire da un modello tridimensionale realizzato con il programma Autocad Civil 3D. L'analisi agli elementi finiti ha valutato la realizzazione di diverse configurazioni possibili riguardanti la modellazione del pozzo e di eventuali opere di mitigazione degli effetti, quali lo sbancamento a tergo delle Mura e il successivo rinterro, a scavo ultimato. Si è inoltre analizzata l’influenza provocata da un possibile degrado della muratura. In ultimo sono stati analizzati e commentati i risultati di ciascun’analisi eseguita, in termini di stati deformativi e tensionali, ponendo l’attenzione sulle differenze di comportamento rilevate nelle diverse configurazioni adottate.

Relazione tra scavi in sotterraneo e deformazioni di versante in terreni argillosi

Lo scavo di un tunnel in ammassi rocciosi comporta una ridistribuzione degli stress nell’intorno del foro e induce spesso deformazioni della superficie che si traducono frequentemente in movimenti verticali verso il basso. In letteratura esistono soluzioni analitiche in grado di quantificare gli stress e la subsidenza indotti da uno scavo in sotterraneo. Tali soluzioni funzionano però solo per semplici casi. Al fine di valutare i risultati delle soluzioni analitiche e poter considerare modelli di materiale che si avvicinano maggiormente al comportamento reale del terreno, gli stress e le deformazioni indotte vengono spesso analizzati attraverso modellazioni numeriche. Tali modellazioni vengono svolte di norma tramite l’utilizzo di codici numerici bidimensionali alle differenze finite o agli elementi finiti. L’utilità di un approccio modellistico è particolarmente evidente nel caso dello studio degli spostamenti indotti in un versante dallo scavo di un tunnel. In questi casi le analisi numeriche mostrano che se si considera un versante ideale costituito da materiale elastico, lo scavo provoca spostamenti che tendono a convergere verso il tunnel. Se si considera invece un versante costituito da materiale elasto-plastico, lo scavo, in alcuni casi, può causare uno spostamento verso valle e verso il basso dell’intero versante. Si è voluto quindi indagare il complesso rapporto tra scavo e deformazioni utilizzando un approccio modellistico. A tale scopo è stato condotto uno studio sul tipo di deformazioni che avvengono in un versante teorico, interessato da scavo, a partire da differenti condizioni di stabilità iniziale e considerando tunnel di diverse dimensioni e contropressioni. I versanti considerati nelle modellazioni riproducono le condizioni tipiche dei versanti appenninici argillosi, caratterizzati da basso angolo di attrito interno, geometrie relativamente poco inclinate e coesione fortemente variabile. I risultati ottenuti sono stati successivamente testati analizzando un caso reale di interazione scavo-deformazione relativo a un versante appenninico costituito da Argille a Palombini.

Studio morfo-batimetrico dei canali distributori del delta del Po di Pila

In questa tesi sono state analizzate, a partire da dati batimetrici ad alta risoluzione ottenuti tramite tecnologia multibeam, le morfologie caratteristiche dei tre canali tributari del Delta del Po di Pila: Busa di Dritta, Busa di Tramontana, Busa di Scirocco. Lo studio è stato effettuato col software Global Mapper, che ha permesso la mappatura e l’analisi morfometrica dei principali elementi morfologici osservati, ovvero aree depresse, zone con presenza di forme di fondo, zone a fondo piano e depositi da instabilità gravitativa sulle sponde dei canali. La loro distribuzione nei vari tratti dei canali è stata messa in relazione alle caratteristiche morfologiche e idrauliche del tratto fluviale e ai processi erosivi e deposizionali che interessano i tre canali ad intensità variabile, nell’ambito dell’evoluzione molto recente di questa porzione del delta. I risultati di questo studio indicano come l’utilizzo in ambito fluviale delle più recenti tecniche di acquisizione dei dati batimetrici multibeam possa costituire la base per un dettagliato studio delle morfologie fluviali e delle dinamiche ad esse associate.