Progetto e realizzazione del sistema di gestione autonoma del volo e controllo in remoto per un velivolo UAV ad ala rotante

This PhD thesis presents the results, achieved at the Aerospace Engineering Department Laboratories of the University of Bologna, concerning the development of a small scale Rotary wing UAVs (RUAVs). In the first part of the work, a mission simulation environment for rotary wing UAVs was developed, as main outcome of the University of Bologna partnership in the CAPECON program (an EU funded research program aimed at studying the UAVs civil applications and economic effectiveness of the potential configuration solutions). The results achieved in cooperation with DLR (German Aerospace Centre) and with an helicopter industrial partners will be described. In the second part of the work, the set-up of a real small scale rotary wing platform was performed. The work was carried out following a series of subsequent logical steps from hardware selection and set-up to final autonomous flight tests. This thesis will focus mainly on the RUAV avionics package set-up, on the onboard software development and final experimental tests. The setup of the electronic package allowed recording of helicopter responses to pilot commands and provided deep insight into the small scale rotorcraft dynamics, facilitating the development of helicopter models and control systems in a Hardware In the Loop (HIL) simulator. A neested PI velocity controller1 was implemented on the onboard computer and autonomous flight tests were performed. Comparison between HIL simulation and experimental results showed good agreement.

L'analisi di rischio nel trasporto stradale di merci pericolose: due software a confronto

Confronto tra due software specifici per l'analisi di rischio nel trasporto stradale di merci pericolose (TRAT GIS 4.1 e QRAM 3.6) mediante applicazione a un caso di studio semplice e al caso reale di Casalecchio di Reno, comune della provincia di Bologna.

Indagine delle proprietà statistiche di serie temporali di posizione applicata al caso della stazione permanente GPS della base Mario Zucchelli in Terra Vittoria (Antartide)

Da ormai sette anni la stazione permanente GPS di Baia Terranova acquisisce dati giornalieri che opportunamente elaborati consentono di contribuire alla comprensione della dinamica antartica e a verificare se modelli globali di natura geofisica siano aderenti all’area di interesse della stazione GPS permanente. Da ricerche bibliografiche condotte si è dedotto che una serie GPS presenta molteplici possibili perturbazioni principalmente dovute a errori nella modellizzazione di alcuni dati ancillari necessari al processamento. Non solo, da alcune analisi svolte, è emerso come tali serie temporali ricavate da rilievi geodetici, siano afflitte da differenti tipologie di rumore che possono alterare, se non opportunamente considerate, i parametri di interesse per le interpretazioni geofisiche del dato. Il lavoro di tesi consiste nel comprendere in che misura tali errori, possano incidere sui parametri dinamici che caratterizzano il moto della stazione permanente, facendo particolare riferimento alla velocità del punto sul quale la stazione è installata e sugli eventuali segnali periodici che possono essere individuati.

Strumenti per la valutazione dello stato conservativo e per la manutenzione programmata dei ponti della Provincia di Bologna

La tesi tratta di strumenti finalizzati alla valutazione dello stato conservativo e di supporto all'attività di manutenzione dei ponti, dai più generali Bridge Management Systems ai Sistemi di Valutazione Numerica della Condizione strutturale. Viene proposto uno strumento originale con cui classificare i ponti attraverso un Indice di Valutazione Complessiva e grazie ad esso stabilire le priorità d'intervento. Si tara lo strumento sul caso pratico di alcuni ponti della Provincia di Bologna. Su un ponte in particolare viene realizzato un approfondimento specifico sulla determinazione approssimata dei periodi propri delle strutture da ponte. Si effettua un confronto dei risultati di alcune modellazioni semplificate in riferimento a modellazioni dettagliate e risultati sperimentali.

Analisi di pushover 3D per strutture in c.a.

In the present study, a new pushover procedure for 3D frame structures is proposed, based on the application of a set of horizontal force and torque distributions at each floor level; in order to predict the most severe configurations of an irregular structure subjected to an earthquake, more than one pushover analysis has to be performed. The proposed method is validated by a consistent comparison of results from static pushover and dynamic simulations in terms of different response parameters, such as displacements, rotations, floor shears and floor torques. Starting from the linear analysis, the procedure is subsequently extended to the nonlinear case. The results confirm the effectiveness of the proposed procedure to predict the structural behaviour in the most severe configurations.

Simulazione quali-quantitativa della rete fognaria della città di Modena e dimensionamento di invasi per la mitigazione dell'impatto degli scaricatori di piena

Nel presente lavoro di tesi ci si è occupati dello studio del comportamento idraulico-ambientale della rete di drenaggio a servizio della città di Modena. In particolare si è condotta una valutazione dell’effetto che gli scaricatori della rete fognaria in oggetto hanno sul complesso dei corpi idrici riceventi. Tale lavoro si prefigge anche lo scopo di individuare e dimensionare i più efficaci sistemi di controllo degli sversamenti, operati dagli scaricatori stessi, ed infine supportare analisi costi-benefici in vista della realizzazione delle opere di risanamento ambientale necessarie per ottemperare ai vincoli imposti dalla vigente normativa regionale in merito alla gestione delle acque di prima pioggia (Deliberazione G.R. Emilia Romagna 286/2005). Lo studio si è articolato in fasi successive: • analisi dello stato di fatto; • catalogazione degli scaricatori in esercizio nella rete di drenaggio; • determinazione ed analisi dei bacini idrografici e delle superfici scolanti; • implementazione di un modello numerico della rete di drenaggio; • individuazione e valutazione delle criticità idraulico-ambientali del sistema, mediante simulazioni in continuo delle serie pluviometriche degli anni 2005 e 2006. L’attività che ha portato al conseguimento dei risultati che sono raccolti in questa “nota” è stata svolta in collaborazione con la società HERA Modena s.r.l. a cui compete, fra le altre, la gestione dell’intera rete di drenaggio urbano del Comune di Modena. La fase di analisi dello stato di fatto e delle superfici scolanti afferenti ai singoli sottobacini è stata condotta utilizzando lo strumento GIS Arcview; il quale è di supporto, anche ai fini di un’appropriata definizione delle caratteristiche specifiche del territorio. Lo studio è stato sviluppato mediante la realizzazione di un modello numerico di simulazione quali-quantitativa con l’ausilio del software InfoWorks CS 8.05, distribuito dalla Wallingford Software Ltd UK.

Progettazione acustica per il recupero polifunzionale di un ambiente a pianta ottagonale

L’obiettivo di questo lavoro è illustrare l’analisi dello stato di fatto e la progettazione degli interventi di correzione acustica della torre dell’ ex Carico dell’Acqua di Budrio, nella prospettiva di renderla utilizzabile come sala polifunzionale. La norma tecnica ISO 3382-1 [8] delinea criteri generali per l’analisi qualitativa degli ambienti di ascolto. Il capitolo 1 presenta un panorama sintetico sull’acustica architettonica, con particolare riferimento ai descrittori acustici riportati nella ISO 3382 e riporta cenni teorici sulla simulazione numerica. Nel capitolo 2 sono descritte in dettaglio le misurazioni all’interno dell’ambiente. Sono indicate inoltre motivazioni tecniche e teoriche riguardo i metodi di analisi. I valori misurati sono successivamente confrontati con i valori ricavati mediante simulazione numerica realizzata con un software previsionale. La realizzazione e la successiva taratura del modello numerico chiudono il capitolo 2. Il capitolo 3 relaziona in merito agli interventi proposti di correzione acustica. Attraverso il modello tridimensionale tarato si eseguono simulazioni numeriche di diversi interventi di correzione acustica fino a definire una rosa di possibili soluzioni che realizzino gli obiettivi qualitativi riportati nella ISO 3382. Materiali e geometrie sono riportati in dettaglio, insieme ad una esauriente mappatura acustica dell’ambiente, dallo stato di fatto alla progressiva ottimizzazione acustica.

Strumenti e metodi per lo sviluppo prodotto di lenti oftalmiche

The recent introduction of free form NC machining in the ophthalmic field involved a full review of the former product development process both from the design and the manufacturing viewpoint. Aim of the present work is to investigate and to set up innovative methods and tools supporting the product development, particularly for lenses characterized by free form geometry, as e.g. progressive lenses. In the design stage, the research addressed geometric modeling of complex lens shapes and relevant analysis tools for the optical-geometrical characterization of the produced models. In the manufacturing stage, the main interest was focused on the set-up of the fabrication process, particularly on the NC machining process for which an integration CADCAM software was developed for the generation and the simulation of the machining cycle. The methodologies and tools made available by the present work are currently used in the development of new complex geometry product typologies as, e.g. progressive lenses.

Tecniche per il controllo dinamico del consumo di potenza per piattaforme system-on-chip

Providing support for multimedia applications on low-power mobile devices remains a significant research challenge. This is primarily due to two reasons: • Portable mobile devices have modest sizes and weights, and therefore inadequate resources, low CPU processing power, reduced display capabilities, limited memory and battery lifetimes as compared to desktop and laptop systems. • On the other hand, multimedia applications tend to have distinctive QoS and processing requirementswhichmake themextremely resource-demanding. This innate conflict introduces key research challenges in the design of multimedia applications and device-level power optimization. Energy efficiency in this kind of platforms can be achieved only via a synergistic hardware and software approach. In fact, while System-on-Chips are more and more programmable thus providing functional flexibility, hardwareonly power reduction techniques cannot maintain consumption under acceptable bounds. It is well understood both in research and industry that system configuration andmanagement cannot be controlled efficiently only relying on low-level firmware and hardware drivers. In fact, at this level there is lack of information about user application activity and consequently about the impact of power management decision on QoS. Even though operating system support and integration is a requirement for effective performance and energy management, more effective and QoSsensitive power management is possible if power awareness and hardware configuration control strategies are tightly integratedwith domain-specificmiddleware services. The main objective of this PhD research has been the exploration and the integration of amiddleware-centric energymanagement with applications and operating-system. We choose to focus on the CPU-memory and the video subsystems, since they are the most power-hungry components of an embedded system. A second main objective has been the definition and implementation of software facilities (like toolkits, API, and run-time engines) in order to improve programmability and performance efficiency of such platforms. Enhancing energy efficiency and programmability ofmodernMulti-Processor System-on-Chips (MPSoCs) Consumer applications are characterized by tight time-to-market constraints and extreme cost sensitivity. The software that runs on modern embedded systems must be high performance, real time, and even more important low power. Although much progress has been made on these problems, much remains to be done. Multi-processor System-on-Chip (MPSoC) are increasingly popular platforms for high performance embedded applications. This leads to interesting challenges in software development since efficient software development is a major issue for MPSoc designers. An important step in deploying applications on multiprocessors is to allocate and schedule concurrent tasks to the processing and communication resources of the platform. The problem of allocating and scheduling precedenceconstrained tasks on processors in a distributed real-time system is NP-hard. There is a clear need for deployment technology that addresses thesemulti processing issues. This problem can be tackled by means of specific middleware which takes care of allocating and scheduling tasks on the different processing elements and which tries also to optimize the power consumption of the entire multiprocessor platform. This dissertation is an attempt to develop insight into efficient, flexible and optimalmethods for allocating and scheduling concurrent applications tomultiprocessor architectures. It is a well-known problem in literature: this kind of optimization problems are very complex even in much simplified variants, therefore most authors propose simplified models and heuristic approaches to solve it in reasonable time. Model simplification is often achieved by abstracting away platform implementation ”details”. As a result, optimization problems become more tractable, even reaching polynomial time complexity. Unfortunately, this approach creates an abstraction gap between the optimization model and the real HW-SW platform. The main issue with heuristic or, more in general, with incomplete search is that they introduce an optimality gap of unknown size. They provide very limited or no information on the distance between the best computed solution and the optimal one. The goal of this work is to address both abstraction and optimality gaps, formulating accurate models which accounts for a number of ”non-idealities” in real-life hardware platforms, developing novel mapping algorithms that deterministically find optimal solutions, and implementing software infrastructures required by developers to deploy applications for the targetMPSoC platforms. Energy Efficient LCDBacklightAutoregulation on Real-LifeMultimediaAp- plication Processor Despite the ever increasing advances in Liquid Crystal Display’s (LCD) technology, their power consumption is still one of the major limitations to the battery life of mobile appliances such as smart phones, portable media players, gaming and navigation devices. There is a clear trend towards the increase of LCD size to exploit the multimedia capabilities of portable devices that can receive and render high definition video and pictures. Multimedia applications running on these devices require LCD screen sizes of 2.2 to 3.5 inches andmore to display video sequences and pictures with the required quality. LCD power consumption is dependent on the backlight and pixel matrix driving circuits and is typically proportional to the panel area. As a result, the contribution is also likely to be considerable in future mobile appliances. To address this issue, companies are proposing low power technologies suitable for mobile applications supporting low power states and image control techniques. On the research side, several power saving schemes and algorithms can be found in literature. Some of them exploit software-only techniques to change the image content to reduce the power associated with the crystal polarization, some others are aimed at decreasing the backlight level while compensating the luminance reduction by compensating the user perceived quality degradation using pixel-by-pixel image processing algorithms. The major limitation of these techniques is that they rely on the CPU to perform pixel-based manipulations and their impact on CPU utilization and power consumption has not been assessed. This PhDdissertation shows an alternative approach that exploits in a smart and efficient way the hardware image processing unit almost integrated in every current multimedia application processors to implement a hardware assisted image compensation that allows dynamic scaling of the backlight with a negligible impact on QoS. The proposed approach overcomes CPU-intensive techniques by saving system power without requiring either a dedicated display technology or hardware modification. Thesis Overview The remainder of the thesis is organized as follows. The first part is focused on enhancing energy efficiency and programmability of modern Multi-Processor System-on-Chips (MPSoCs). Chapter 2 gives an overview about architectural trends in embedded systems, illustrating the principal features of new technologies and the key challenges still open. Chapter 3 presents a QoS-driven methodology for optimal allocation and frequency selection for MPSoCs. The methodology is based on functional simulation and full system power estimation. Chapter 4 targets allocation and scheduling of pipelined stream-oriented applications on top of distributed memory architectures with messaging support. We tackled the complexity of the problem by means of decomposition and no-good generation, and prove the increased computational efficiency of this approach with respect to traditional ones. Chapter 5 presents a cooperative framework to solve the allocation, scheduling and voltage/frequency selection problem to optimality for energyefficient MPSoCs, while in Chapter 6 applications with conditional task graph are taken into account. Finally Chapter 7 proposes a complete framework, called Cellflow, to help programmers in efficient software implementation on a real architecture, the Cell Broadband Engine processor. The second part is focused on energy efficient software techniques for LCD displays. Chapter 8 gives an overview about portable device display technologies, illustrating the principal features of LCD video systems and the key challenges still open. Chapter 9 shows several energy efficient software techniques present in literature, while Chapter 10 illustrates in details our method for saving significant power in an LCD panel. Finally, conclusions are drawn, reporting the main research contributions that have been discussed throughout this dissertation.

Modellazioni FEM dinamiche per analisi di avarie dovute a vibrazioni su componenti di motociclo

Il lavoro svolto, in collaborazione con “Ducati Motor Holding”, si propone l’analisi, mediante l’applicazione di un software FEM (HyperWorks 9.0), delle strutture rappresentate dall’assieme paracoppa-parasassi e dal silenziatore. Il primo obiettivo consiste nell’ottenimento di un modello agli elementi finiti della struttura. Le simulazioni di calcolo consistono in analisi di tipo dinamico per determinare i modi di vibrare delle strutture. Sulla base di ulteriori simulazioni sulla risposta al transitorio del sistema si è studiato il loro comportamento nelle condizioni di funzionamento. La finalità del lavoro risiede dunque nella determinazione delle criticità strutturali che i componenti hanno manifestato durante prove sperimentali verificandole attraverso calcolo numerico e applicazione delle potenzialità del software applicato, per l’analisi degli aspetti sopra esposti.

Valutazione di impatto ambientale mediante analisi LCA per la progettazione sostenibile di un concentratore solare

L'oggetto della seguente tesi riguarda la valutazione di impatto ambientale del ciclo di vita di un concentratore solare, mediante l'applicazione della metodologia LCA – Life Cycle Assessment. Il lavoro di tesi presenta una breve introduzione su tematiche ambientali e sociali, quali lo Sviluppo sostenibile e le energie rinnovabili, che conducono verso l'importanza della misurazione del così detto impatto ambientale, e soprattutto dell'aspetto fondamentale di una valutazione di questo tipo, vale a dire l'analisi dell'intero ciclo di vita legato ad un prodotto. Nella tesi viene presentata inizialmente la metodologia utilizzata per la valutazione, la Life Cycle Assessment, descrivendone le caratteristiche, le potenzialità, la normalizzazione in base a regolamenti internazionali ed analizzando una ad una le 4 fasi principali che la caratterizzano: Definizione dell'obiettivo e del campo di applicazione, Analisi di inventario, Valutazione degli impatti e Interpretazione dei risultati. Il secondo capitolo presenta una descrizione dettagliata dello strumento applicativo utilizzato per l'analisi, il SimaPro nella versione 7.1, descrivendone le caratteristiche principali, l'interfaccia utente, le modalità di inserimento dei dati, le varie rappresentazioni possibili dei risultati ottenuti. Sono descritti inoltre i principali database di cui è fornito il software, che contengono una moltitudine di dati necessari per l'analisi di inventario, ed i così detti metodi utilizzati per la valutazione, che vengono adoperati per “focalizzare” la valutazione su determinate categorie di impatto ambientale. Il terzo capitolo fornisce una descrizione dell'impianto oggetto della valutazione, il CHEAPSE, un concentratore solare ad inseguimento per la produzione di energia elettrica e termica. La descrizione viene focalizzata sui componenti valutati per questa analisi, che sono la Base e la struttura di sostegno, il Pannello parabolico in materiale plastico per convogliare i raggi solari ed il Fuoco composto da celle fotovoltaiche. Dopo aver analizzato i materiali ed i processi di lavorazione necessari, vengono descritte le caratteristiche tecniche, le possibili applicazioni ed i vantaggi del sistema. Il quarto ed ultimo capitolo riguarda la descrizione dell'analisi LCA applicata al concentratore solare. In base alle varie fasi dell'analisi, vengono descritti i vari passaggi effettuati, dalla valutazione e studio del progetto al reperimento ed inserimento dei dati, passando per la costruzione del modello rappresentativo all'interno del software. Vengono presentati i risultati ottenuti, sia quelli relativi alla valutazione di impatto ambientale dell'assemblaggio del concentratore e del suo intero ciclo di vita, considerando anche lo scenario di fine vita, sia i risultati relativi ad analisi comparative per valutare, dal punto di vista ambientale, modifiche progettuali e processuali. Per esempio, sono state comparate due modalità di assemblaggio, tramite saldatura e tramite bulloni, con una preferenza dal punto di vista ambientale per la seconda ipotesi, ed è stato confrontato l'impatto relativo all'utilizzo di celle in silicio policristallino e celle in silicio monocristallino, la cui conclusione è stata che l'impatto delle celle in silicio policristallino risulta essere minore. Queste analisi comparative sono state possibili grazie alle caratteristiche di adattabilità del modello realizzato in SimaPro, ottenute sfruttando le potenzialità del software, come l'utilizzo di dati “parametrizzati”, che ha permesso la creazione di un modello intuitivo e flessibile che può essere facilmente adoperato, per ottenere valutazioni su scenari differenti, anche da analisti “alle prime armi”.

Sistemi per la climatizzazione mediante pompe di calore geotermiche e pali energetici

We need a large amount of energy to make our homes pleasantly warm in winter and cool in summer. If we also consider the energy losses that occur through roofs, perimeter walls and windows, it would be more appropriate to speak of waste than consumption. The solution would be to build passive houses, i.e. buildings more efficient and environmentally friendly, able to ensure a drastic reduction of electricity and heating bills. Recently, the increase of public awareness about global warming and environmental pollution problems have “finally” opened wide possibility in the field of sustainable construction by encouraging new renewable methods for heating and cooling space. Shallow geothermal allows to exploit the renewable heat reservoir, present in the soil at depths between 15 and 20 m, for air-conditioning of buildings, using a ground source heat pump. This thesis focuses on the design of an air-conditioning system with geothermal heat pump coupled to energy piles, i.e. piles with internal heat exchangers, for a typical Italian-family building, on the basis of a geological-technical report about a plot of Bologna’s plain provided by Geo-Net s.r.l. The study has involved a preliminary static sizing of the piles in order to calculate their length and number, then the project was completed making the energy sizing, where it has been verified if the building energy needs were met with the static solution obtained. Finally the attention was focused on the technical and economical validity compared to a traditional system (cost-benefit analysis) and on the problem of the uncertainty data design and their effects on the operating and initial costs of the system (sensitivity analysis). To evaluate the performance of the thermal system and the potential use of the piles was also used the PILESIM2 software, designed by Dr. Pahud of the SUPSI’s school.

Asta medio inferiore del fiume Po: modello matematico per la valutazione delle condizioni di pericolosità idraulica delle aree di pianura

La presente dissertazione illustra lo studio, svolto in ambito di Tesi di Laurea Specialistica, della difesa delle aree di pianura prospicienti il tratto medio inferiore del Fiume Po dalle cosiddette piene al limite della prevedibilità, ovvero quelle aventi intensità al di sopra della quale le procedure di stima statistica perdono di significato a causa della mancanza di eventi osservati confrontabili (Majone, Tomirotti, 2006). In questo contesto si è definito come evento di piena al limite della prevedibiltà un evento con tempo di ritorno pari a cinquecento anni. Lo studio ha necessariamente preso in considerazione e riprodotto attraverso una schematizzazione concettuale le esondazioni all'esterno delle arginature maestre che si verificherebbero in conseguenza ad un evento estremo, quale quello preso in esame, nei comparti idraulici prospicienti l'asta fluviale. Detti comparti sono costituiti dalle zone di pianura latistanti l’asta fluviale, classificate dall'Autorità di Bacino come Fascia C e suddivise in base alla presenza degli affluenti principali del fiume Po e delle principali infrastrutture viarie e ferroviarie situate in tale fascia. Il presente studio persegue l’obiettivo di analizzare alcune politiche di intervento per la mitigazione del rischio alluvionale alternative al sovralzo e ringrosso arginale e ricade all'interno delle linee strategiche individuate dall' AdB-Po per la mitigazione del rischio residuale, ossia quello che permane anche in presenza di opere di difesa progettate e verificate con riferimento ad un ben preciso tempo di ritorno (nel caso in esame Trit = 200 anni). Questa linea di intervento si traduce praticamente individuando sul territorio aree meno "sensibili", in virtù del minor valore o dell'inferiore vulnerabilità dei beni in esse presenti, e dunque adatte ad accogliere i volumi di piena esondabili in occasione di quegli eventi di piena incompatibili con i presidi idraulici preesistenti, le sopra richiamate piene al limite della prevedibilità. L'esondazione controllata dei volumi di piena in tali aree avrebbe infatti il fine di tutelare le aree di maggior pregio, interessate da centri abitati, infrastrutture e beni di vario tipo; tale controllo è da considerarsi auspicabile in quanto sedici milioni di persone abitano la zona del bacino del Po e qui sono concentrati il 55% del patrimonio zootecnico italiano, il 35% della produzione agricola e il 37% delle industrie le quali però sostengono il 46% dei posti di lavoro (fonte AdB-Po). Per questi motivi il Po e il suo bacino sono da considerare come zone nevralgiche per l’intera economia italiana e una delle aree europee con la più alta concentrazione di popolazione, industrie e attività commerciali. Dal punto di vista economico, l’area è strategica per il Paese garantendo un PIL che copre il 40% di quello nazionale, grazie alla presenza di grandi industrie e di una quota rilevante di piccole e medie imprese, nonché d’attività agricole e zootecniche diffuse. Il punto di partenza è stato il modello numerico quasi-bidimensionale precedentemente sviluppato dal DISTART nel 2008 con il software HEC-RAS, la cui schematizzazione geometrica copriva unicamente l'alveo del Fiume (Fasce A e B secondo la denominazione adottata dall'AdB-Po) e le cui condizioni iniziali e al contorno rispecchiavano un evento con tempo di ritorno pari a duecento anni. Si è proceduto dunque alla definizione di nuove sollecitazioni di progetto, volte a riprodurre nelle sezioni strumentate del Po gli idrogrammi sintetici con tempo di ritorno di cinquecento anni messi a punto dal D.I.I.A.R. (Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale e del Rilevamento, DIIAR, 2001) del Politecnico di Milano. Il modello stesso è stato poi aggiornato e considerevolmente modificato. Il risultato consiste in un nuovo modello matematico idraulico di tipo quasi-bidimensionale che, attraverso una schematizzazione concettuale, riproduce il comportamento idraulico in occasione di eventi di piena al limite della prevedibilità per tutte e tre le Fasce Fluviali considerate nel Piano stralcio per l’Assetto Idrogeologico redatto dall'AdB-Po (Fasce A, B C, v. PAI, 1999). I diversi comparti idraulici in cui può essere suddivisa la Fascia C sono stati inseriti nel modello e geometricamente descritti in termini di curve di riempimento, ricavate a partire dal DTM del Bacino del Po attraverso opportune elaborazioni in ambiente GIS (Geographic Information System). Una volta predisposto il modello sono state condotte due tipologie di simulazioni. Una prima serie è stata volta alla definizione in maniera iterativa dei punti critici degli argini maestri, ovvero quelli nei quali si prevedeva avvenisse la tracimazione, e alla modellazione in essi della formazione di brecce, decisive per una corretta riproduzione del fenomeno di esondazione all'esterno delle arginature maestre nell'attuale configurazione; bisogna infatti considerare che le arginature maestre vengono comunemente progettate con il solo fine di contenere le portate di piena in alveo, e che dunque un’eventuale tracimazione induce fenomeni erosivi che solitamente portano all'apertura di una breccia nel manufatto (rotta arginale). Un'ulteriore simulazione ha permesso di valutare l'evoluzione del fenomeno sotto l'ipotesi di un intervento di consolidamento degli argini maestri nei tratti critici (interessati dai sormonti) e quindi di rotta arginale impedita. Il confronto dei risultati ottenuti ha evidenziato i benefici associati ad una laminazione controllata dell'evento di piena all'esterno delle arginature. In questo contesto il termine "controllata" è esclusivamente associato al fenomeno di rotta arginale, come detto inibita per lo scenario ipotetico. I benefici di tale controllo si hanno in termini di volumi, di portate esondate e di tiranti attesi nei comparti idraulici. Lo strumento modellistico predisposto nell’ambito della Tesi di Laurea Specialistica si presta ad essere utilizzato a supporto dell’identificazione su ampia scala delle zone della Fascia C meno “sensibili”, in quanto meno vulnerabili ai fenomeni di allagamento. Questo ulteriore passaggio costituisce il punto di partenza per delineare le strategie ottimali di laminazione controllata in Fascia C degli eventi al limite della prevedibilità al fine della riduzione del rischio idraulico nelle aree di pianura prospicienti il Po, aspetto che verrà affrontato in sviluppi successivi del presente lavoro.

New functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb

In case of severe osteoarthritis at the knee causing pain, deformity, and loss of stability and mobility, the clinicians consider that the substitution of these surfaces by means of joint prostheses. The objectives to be pursued by this surgery are: complete pain elimination, restoration of the normal physiological mobility and joint stability, correction of all deformities and, thus, of limping. The knee surgical navigation systems have bee developed in computer-aided surgery in order to improve the surgical final outcome in total knee arthroplasty. These systems provide the surgeon with quantitative and real-time information about each surgical action, like bone cut executions and prosthesis component alignment, by mean of tracking tools rigidly fixed onto the femur and the tibia. Nevertheless, there is still a margin of error due to the incorrect surgical procedures and to the still limited number of kinematic information provided by the current systems. Particularly, patello-femoral joint kinematics is not considered in knee surgical navigation. It is also unclear and, thus, a source of misunderstanding, what the most appropriate methodology is to study the patellar motion. In addition, also the knee ligamentous apparatus is superficially considered in navigated total knee arthroplasty, without taking into account how their physiological behavior is altered by this surgery. The aim of the present research work was to provide new functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb. This was mainly realized by means of the identification and development of new techniques that allow a thorough comprehension of the functioning of the knee joint, with particular attention to the patello-femoral joint and to the main knee soft tissues. A knee surgical navigation system with active markers was used in all research activities presented in this research work. Particularly, preliminary test were performed in order to assess the system accuracy and the robustness of a number of navigation procedures. Four studies were performed in-vivo on patients requiring total knee arthroplasty and randomly implanted by means of traditional and navigated procedures in order to check for the real efficacy of the latter with respect to the former. In order to cope with assessment of patello-femoral joint kinematics in the intact and replaced knees, twenty in-vitro tests were performed by using a prototypal tracking tool also for the patella. In addition to standard anatomical and articular recommendations, original proposals for defining the patellar anatomical-based reference frame and for studying the patello-femoral joint kinematics were reported and used in these tests. These definitions were applied to two further in-vitro tests in which, for the first time, also the implant of patellar component insert was fully navigated. In addition, an original technique to analyze the main knee soft tissues by means of anatomical-based fiber mappings was also reported and used in the same tests. The preliminary instrumental tests revealed a system accuracy within the millimeter and a good inter- and intra-observer repeatability in defining all anatomical reference frames. In in-vivo studies, the general alignments of femoral and tibial prosthesis components and of the lower limb mechanical axis, as measured on radiographs, was more satisfactory, i.e. within ±3°, in those patient in which total knee arthroplasty was performed by navigated procedures. As for in-vitro tests, consistent patello-femoral joint kinematic patterns were observed over specimens throughout the knee flexion arc. Generally, the physiological intact knee patellar motion was not restored after the implant. This restoration was successfully achieved in the two further tests where all component implants, included the patellar insert, were fully navigated, i.e. by means of intra-operative assessment of also patellar component positioning and general tibio-femoral and patello-femoral joint assessment. The tests for assessing the behavior of the main knee ligaments revealed the complexity of the latter and the different functional roles played by the several sub-bundles compounding each ligament. Also in this case, total knee arthroplasty altered the physiological behavior of these knee soft tissues. These results reveal in-vitro the relevance and the feasibility of the applications of new techniques for accurate knee soft tissues monitoring, patellar tracking assessment and navigated patellar resurfacing intra-operatively in the contest of the most modern operative techniques. This present research work gives a contribution to the much controversial knowledge on the normal and replaced of knee kinematics by testing the reported new methodologies. The consistence of these results provides fundamental information for the comprehension and improvements of knee orthopedic treatments. In the future, the reported new techniques can be safely applied in-vivo and also adopted in other joint replacements.