Analysis and mathematical modeling of wave-structure interaction

The aim of this thesis, included within the THESEUS project, is the development of a mathematical model 2DV two-phase, based on the existing code IH-2VOF developed by the University of Cantabria, able to represent together the overtopping phenomenon and the sediment transport. Several numerical simulations were carried out in order to analyze the flow characteristics on a dike crest. The results show that the seaward/landward slope does not affect the evolution of the flow depth and velocity over the dike crest whereas the most important parameter is the relative submergence. Wave heights decrease and flow velocities increase while waves travel over the crest. In particular, by increasing the submergence, the wave height decay and the increase of the velocity are less marked. Besides, an appropriate curve able to fit the variation of the wave height/velocity over the dike crest were found. Both for the wave height and for the wave velocity different fitting coefficients were determined on the basis of the submergence and of the significant wave height. An equation describing the trend of the dimensionless coefficient c_h for the wave height was derived. These conclusions could be taken into consideration for the design criteria and the upgrade of the structures. In the second part of the thesis, new equations for the representation of the sediment transport in the IH-2VOF model were introduced in order to represent beach erosion while waves run-up and overtop the sea banks during storms. The new model allows to calculate sediment fluxes in the water column together with the sediment concentration. Moreover it is possible to model the bed profile evolution. Different tests were performed under low-intensity regular waves with an homogeneous layer of sand on the bottom of a channel in order to analyze the erosion-deposition patterns and verify the model results.

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.

Modelling and analysis of thin-walled beams in the context of the Generalized Beam Theory

In this work, the Generalized Beam Theory (GBT) is used as the main tool to analyze the mechanics of thin-walled beams. After an introduction to the subject and a quick review of some of the most well-known approaches to describe the behaviour of thin-walled beams, a novel formulation of the GBT is presented. This formulation contains the classic shear-deformable GBT available in the literature and contributes an additional description of cross-section warping that is variable along the wall thickness besides along the wall midline. Shear deformation is introduced in such a way that the classical shear strain components of the Timoshenko beam theory are recovered exactly. According to the new kinematics proposed, a reviewed form of the cross-section analysis procedure is devised, based on a unique modal decomposition. Later, a procedure for a posteriori reconstruction of all the three-dimensional stress components in the finite element analysis of thin-walled beams using the GBT is presented. The reconstruction is simple and based on the use of three-dimensional equilibrium equations and of the RCP procedure. Finally, once the stress reconstruction procedure is presented, a study of several existing issues on the constitutive relations in the GBT is carried out. Specifically, a constitutive law based on mirroring the kinematic constraints of the GBT model into a specific stress field assumption is proposed. It is shown that this method is equally valid for isotropic and orthotropic beams and coincides with the conventional GBT approach available in the literature. Later on, an analogous procedure is presented for the case of laminated beams. Lastly, as a way to improve an inherently poor description of shear deformability in the GBT, the introduction of shear correction factors is proposed. Throughout this work, numerous examples are provided to determine the validity of all the proposed contributions to the field.

Hydrodynamic induced by an array of wave energy converters. Experimental and numerical analysis

The thesis analyses the hydrodynamic induced by an array of Wave energy Converters (WECs), under an experimental and numerical point of view. WECs can be considered an innovative solution able to contribute to the green energy supply and –at the same time– to protect the rear coastal area under marine spatial planning considerations. This research activity essentially rises due to this combined concept. The WEC under exam is a floating device belonging to the Wave Activated Bodies (WAB) class. Experimental data were performed at Aalborg University in different scales and layouts, and the performance of the models was analysed under a variety of irregular wave attacks. The numerical simulations performed with the codes MIKE 21 BW and ANSYS-AQWA. Experimental results were also used to calibrate the numerical parameters and/or to directly been compared to numerical results, in order to extend the experimental database. Results of the research activity are summarized in terms of device performance and guidelines for a future wave farm installation. The device length should be “tuned” based on the local climate conditions. The wave transmission behind the devices is pretty high, suggesting that the tested layout should be considered as a module of a wave farm installation. Indications on the minimum inter-distance among the devices are provided. Furthermore, a CALM mooring system leads to lower wave transmission and also larger power production than a spread mooring. The two numerical codes have different potentialities. The hydrodynamics around single and multiple devices is obtained with MIKE 21 BW, while wave loads and motions for a single moored device are derived from ANSYS-AQWA. Combining the experimental and numerical it is suggested –for both coastal protection and energy production– to adopt a staggered layout, which will maximise the devices density and minimize the marine space required for the installation.

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.

Behaviour and applications of elastic waves in structures and metamaterials

The present thesis focuses on elastic waves behaviour in ordinary structures as well as in acousto-elastic metamaterials via numerical and experimental applications. After a brief introduction on the behaviour of elastic guided waves in the framework of non-destructive evaluation (NDE) and structural health monitoring (SHM) and on the study of elastic waves propagation in acousto-elastic metamaterials, dispersion curves for thin-walled beams and arbitrary cross-section waveguides are extracted via Semi-Analytical Finite Element (SAFE) methods. Thus, a novel strategy tackling signal dispersion to locate defects in irregular waveguides is proposed and numerically validated. Finally, a time-reversal and laser-vibrometry based procedure for impact location is numerically and experimentally tested. In the second part, an introduction and a brief review of the basic definitions necessary to describe acousto-elastic metamaterials is provided. A numerical approach to extract dispersion properties in such structures is highlighted. Afterwards, solid-solid and solid-fluid phononic systems are discussed via numerical applications. In particular, band structures and transmission power spectra are predicted for 1P-2D, 2P-2D and 2P-3D phononic systems. In addition, attenuation bands in the ultrasonic as well as in the sonic frequency regimes are experimentally investigated. In the experimental validation, PZTs in a pitch-catch configuration and laser vibrometric measurements are performed on a PVC phononic plate in the ultrasonic frequency range and sound insulation index is computed for a 2P-3D phononic barrier in the sonic frequency range. In both cases the numerical-experimental results comparison confirms the existence of the numerical predicted band-gaps. Finally, the feasibility of an innovative passive isolation strategy based on giant elastic metamaterials is numerically proved to be practical for civil structures. In particular, attenuation of seismic waves is demonstrated via finite elements analyses. Further, a parametric study shows that depending on the soil properties, such an earthquake-proof barrier could lead to significant reduction of the superstructure displacement.

Rigenerazione urbana. Riqualificazione di un'area di residenza sociale nel centro storico di Forli.

La Tesi affronta il tema della rigenerazione di un comparto urbano localizzato a ridosso del centro storico di Forlì. Coerentemente con le indicazioni dell’Amministrazione comunale, obiettivo dell’intervento è l’adeguamento degli edifici esistenti agli standard funzionali ed energetici e la rivitalizzazione dell’isolato, tramite nuove edificazioni e il riordino della viabilità, del verde e degli spazi pubblici. Della preesistenza più rilevante presente nel comparto, un edificio residenziale realizzato tra le due guerre è stata progettata la riqualificazione, preferendola alla ricostruzione per il valore testimoniale del manufatto e il più favorevole bilancio ambientale. Gli interventi di miglioramento si sono posti il limite di non snaturare i caratteri formali e la fisionomia strutturale dell’edificio, ma di aumentarne i livelli di comfort e l’efficienza energetica, puntando a rientrare in classe “A” secondo la classificazione dell’Emilia Romagna. A scala urbana il progetto propone la riqualificazione dell’intero isolato con l’obiettivo di rivitalizzarlo e di rivalutare la sua presenza all’interno del centro storico. Nonostante la sua favorevole collocazione, l’isolato vive una situazione di marginalizzazione, a causa dello scarso mix funzionale delle attività che ospita, della presenza di edifici incongrui e parzialmente abbandonati e della scarsa permeabilità verso l’esterno, che lo fanno percepire come una zona non sicura e ne abbattono i valori immobiliari. Per raggiungere l’obiettivo, il progetto è intervenuto sull’assetto della viabilità, dei parcheggi, degli spazi pubblici e del verde, puntando alla ricucitura del tessuto urbano con le preesistenze. Queste azioni hanno implicato la demolizione di manufatti di scarso pregio e la progettazione di nuovi edifici, condotta con particolare attenzione alla sostenibilità ambientale. Il progetto approfondisce la riqualificazione di un edificio esistente e la definizione di un nuovo intervento residenziale, ma investe anche il contesto urbano, considerando contemporaneamente i diversi aspetti ambientali, sociali e architettonici in modo coordinato e coerente alle diverse scale progettuali.

Stima dei parametri di modelli idrologici mediante ottimizzazione dell’utilità

Tradizionalmente, l'obiettivo della calibrazione di un modello afflussi-deflussi è sempre stato quello di ottenere un set di parametri (o una distribuzione di probabilità dei parametri) che massimizzasse l'adattamento dei dati simulati alla realtà osservata, trattando parzialmente le finalità applicative del modello. Nel lavoro di tesi viene proposta una metodologia di calibrazione che trae spunto dell'evidenza che non sempre la corrispondenza tra dati osservati e simulati rappresenti il criterio più appropriato per calibrare un modello idrologico. Ai fini applicativi infatti, può risultare maggiormente utile una miglior rappresentazione di un determinato aspetto dell'idrogramma piuttosto che un altro. Il metodo di calibrazione che viene proposto mira a valutare le prestazioni del modello stimandone l'utilità nell'applicazione prevista. Tramite l'utilizzo di opportune funzioni, ad ogni passo temporale viene valutata l'utilità della simulazione ottenuta. La calibrazione viene quindi eseguita attraverso la massimizzazione di una funzione obiettivo costituita dalla somma delle utilità stimate nei singoli passi temporali. Le analisi mostrano come attraverso l'impiego di tali funzioni obiettivo sia possibile migliorare le prestazioni del modello laddove ritenute di maggior interesse per per le finalità applicative previste.

Development of An Energy Modeling Approach to Analyse Historical Building Performance

In the last years the attentions on the energy efficiency on historical buildings grows, as different research project took place across Europe. The attention on combining, the need of the preservation of the buildings, their value and their characteristic, with the need of the reduction of energy consumption and the improvements of indoor comfort condition, stimulate the discussion of two points of view that are usually in contradiction, buildings engineer and Conservation Institution. The results are surprising because a common field is growing while remains the need of balancing the respective exigencies. From these experience results clear that many questions should be answered also from the building physicist regarding the correct assessment: on the energy consumption of this class of buildings, on the effectiveness of the measures that could be adopted, and much more. This thesis gives a contribution to answer to these questions developing a procedure to analyse the historic building. The procedure gives a guideline of the energy audit for the historical building considering the experimental activities to dial with the uncertainty of the estimation of the energy balance. It offers a procedure to simulate the energy balance of building with a validated dynamic model considering also a calibration procedure to increase the accuracy of the model. An approach of design of energy efficiency measures through an optimization that consider different aspect is also presented. All the process is applied to a real case study to give to the reader a practical understanding.

Studio di uno scambiatore di calore per produzione istantanea di acqua calda per uso sanitario

In questo elaborato viene presentato lo studio ed ottimizzazione della geometria del serpentino di uno scambiatore di calore per la produzione di acqua sanitaria di tipo Puffer. L’analisi volta all’ottimizzazione del serpentino è stata eseguita con l’obiettivo di soddisfare i vincoli di progetto dello scambiatore, ovvero la portata elaborata e la temperatura di uscita dell’acqua sanitaria dallo scambiatore, ma cercando di ridurre la superficie del serpentino e quindi il costo dello scambiatore stesso, in particolare agendo su parametri geometrici quali il passo dell’elica H, il diametro dell’avvolgimento Db ed il diametro del tubo d. A tal fine è stato sviluppato un modello del processo di scambio termico all’interno dello scambiatore Puffer basato sulle equazioni di bilancio di energia e raffinato attraverso correlazioni teorico/sperimentali reperite in letteratura. In una prima fase l’ottimizzazione è stata svolta con l’ulteriore vincolo progettuale d=41mm e Db=510mm, al fine di garantire maggiore flessibilità nell’utilizzo del serpentino per altre tipologie di scambiatori. In questo caso, si è giunti ad un risparmio del 14% sull’area di scambio termico del serpentino rispetto al modello tuttora in produzione, quantificabile in una riduzione dei costi del 19% sul costo totale del Puffer. In una seconda fase si è proceduto ad una ottimizzazione libera dai vincoli d e Db, con l’obiettivo di valutare la massima riduzione di area di scambio termico del serpentino, stimata in circa il 23% nel caso in cui sia possibile in futuro valutare modifiche sostanziali alla geometria dello scambiatore. Lo studio completato dall’analisi dell’isolamento del corpo dello scambiatore, finalizzata a ridurre le dispersioni verso l’ambiente esterno. In particolare è stato valutato l’utilizzo di Isolmix, in alternativa all’esistente isolamento in pannelli di poliuretano, dimostrando come sia possibile ottenere una ulteriore riduzione del materiale impiegato e quindi dei costi di realizzazione dello scambiatore.

Diritti umani e diritto alla salute - la questione dell’accesso ai farmaci come un problema di Giustizia Globale

Riconosciuto il problema dell’accesso ai farmaci come un problema di giustizia globale, la dissertazione, da un lato, è incentrata sullo studio dei diritti umani e sul diritto alla salute da una prospettiva giusfilosofica e, dall’altro, è finalizzata ad analizzare la disciplina brevettuale internazionale, sia approfondendo gli interessi realmente in gioco, sia studiando la struttura economica del brevetto stesso. Si è cercato quindi di guardare a tali interessi da una nuova prospettiva, ipotizzando una gerarchia di valori che sia completa e coerente con gli obiettivi che la dottrina, la giurisprudenza, nonché il diritto internazionale formalmente enunciano. Il progetto di ricerca vuole, in definitiva, arrivare a proporre nuove soluzioni giuridiche al problema dell’accesso ai farmaci. La dissertazione svolge pertanto uno studio critico della proposta di Thomas Pogge, di natura politica e giuridica e sorretta da istanze filosofiche, volta alla soluzione del problema dell’accesso ai farmaci, i.e. l’Health Impact Fund (HIF). Proposta che pone radicalmente in discussione, anche concretamente, il dogma del monopolio concesso con la privativa quale ricompensa per i costi di R&D sostenuti dai titolari dei brevetti e che pone, invece, l’accento sull’effettivo impatto sulla salute globale di ogni singola invenzione. Analizzandone approfonditamente gli aspetti più rilevanti, si passano poi in rassegna, criticamente, le proposte, alternative o di riforma, del sistema di proprietà intellettuale, volte al miglioramento dell’accesso ai farmaci; a tal proposito, si propone quindi una riforma transitoria della disciplina brevettuale, c.d. Trading Time for Space (TTS), che prevede un allungamento temporale dell’esclusiva brevettuale (Time) in cambio della vendita da parte del titolare della privativa del farmaco ad un prezzo accessibile nei Paesi in via di sviluppo (Space).

Conflict affected peoples’ access to education: IDP pupils in Georgia

This work seeks to understand what kind of impact educational policies have had on the secondary school students among internally displaced persons (IDPs) and their identity reconstruction in Georgia. The study offers a snapshot of the current situation based on desk study and interviews conducted among a sample of secondary school IDP pupils. In the final chapter, the findings will be reflected against the broader political context in Georgia and beyond. The study is interdisciplinary and its methodology is based on social identity theory. I shall compare two groups of IDPs who were displaced as a result of two separate conflicts. The IDPs displaced as a result of conflict in Abkhazia in 1992–1994 are named as old caseload IDPs. The second group of IDPs were displaced after a conflict in South Ossetia in 2008. Additionally, I shall touch upon the situation of the pupils among the returnees, a group of Georgian old caseload IDPs, who have spontaneously returned to de facto Abkhazia. According to the interviews, the secondary school student IDPs identify themselves strongly with the Georgian state, but their group identities are less prevailing. Particularly the old case load IDP students are fully integrated in local communities. Moreover, there seems not to be any tangible bond between the old and new caseload IDP students. The schools have neither tried nor managed to preserve IDP identities which would, for instance, make political mobilisation likely along these lines. Right to education is a human right enshrined in a number of international conventions to which the IDPs are also entitled. Access to education or its denial has a deep impact on individual and societal development. Furthermore, education has a major role in (re)constructing personal as well as national identity.

Biomechanics of the distal radio-ulnar joint: A finite element study (biomeccanica dell'articolazione radio-ulnare distale: Studio agli elementi finiti)

Il metodo agli elementi finiti è stato utilizzato per valutare la distribuzione dei carichi e delle deformazioni in numerose componenti del corpo umano. L'applicazione di questo metodo ha avuto particolare successo nelle articolazioni con geometria semplice e condizioni di carico ben definite, mentre ha avuto un impatto minore sulla conoscenza della biomeccanica delle articolazioni multi-osso come il polso. Lo scopo di questo lavoro è quello di valutare gli aspetti clinici e biomeccanici dell’articolazione distale radio-ulnare, attraverso l’utilizzo di metodi di modellazione e di analisi agli elementi finiti. Sono stati progettati due modelli 3D a partire da immagini CT, in formato DICOM. Le immagini appartenevano ad un paziente con articolazione sana e ad un paziente con articolazione patologica, in particolare si trattava di una dislocazione ulnare traumatica. Le componenti principali dei modelli presi in considerazione sono stati: radio, ulna, cartilagine, legamento interosso, palmare e distale. Per la realizzazione del radio e dell’ulna sono stati utilizzati i metodi di segmentazione “Thresholding” e “RegionGrowing” sulle immagini e grazie ad operatori morfologici, è stato possibile distinguere l’osso corticale dall’osso spongioso. Successivamente è stata creata la cartilagine presente tra le due ossa, attraverso operazioni di tipo booleano. Invece, i legamenti sono stati realizzati prendendo i punti-nodo del radio e dell’ulna e formando le superfici tra di essi. Per ciascuna di queste componenti, sono state assegnate le corrispondenti proprietà dei materiali. Per migliorare la qualità dei modelli, sono state necessarie operazioni di “Smoothing” e “Autoremesh”. In seguito, è stata eseguita un’analisi agli elementi finiti attraverso l’uso di vincoli e forze, così da simulare il comportamento delle articolazioni. In particolare, sono stati simulati lo stress e la deformazione. Infine, grazie ai risultati ottenuti dalle simulazioni, è stato possibile verificare l’eventuale rischio di frattura in differenti punti anatomici del radio e dell’ulna nell’articolazione sana e patologica.

Nuovi metodi di diagnosi precoce dei fallimenti di protesi d'anca con accoppiamento articolare ceramica-ceramica

L’accoppiamento articolare in ceramica è sempre più utilizzato in chirurgia protesica dell’anca per le sue eccellenti proprietà tribologiche. Tuttavia la fragilità della ceramica è causa di fallimenti meccanici. Abbiamo quindi condotto una serie di studi al fine di individuare un metodo efficace di diagnosi precoce del fallimento della ceramica. Abbiamo analizzato delle componenti ceramiche espiantate e abbiamo trovato un pattern di usura pre-frattura che faceva supporre una dispersione di particelle di ceramica nello spazio articolare. Per la diagnosi precoce abbiamo validato una metodica basata sulla microanalisi del liquido sinoviale. Per validare la metodica abbiamo eseguito un agoaspirato in 12 protesi ben funzionanti (bianchi) e confrontato i risultati di 39 protesi con segni di rottura con quelli di 7 senza segni di rottura. Per individuare i pazienti a rischio rottura i dati demografici di 26 pazienti con ceramica rotta sono stati confrontati con 49 controlli comparabili in termini demografici, tipo di ceramica e tipo di protesi. Infine è stata condotta una revisione sistematica della letteratura sulla diagnosi della rottura della ceramica. Nell’aspirato la presenza di almeno 11 particelle ceramiche di dimensioni inferiori a 3 micron o di una maggiore di 3 micron per ogni campo di osservazione sono segno di rottura della ceramica. La metodica con agoaspirato ha 100% di sensibilità e 88 % di specificità nel predire rotture della ceramica. Nel gruppo delle ceramiche rotte è stato trovato un maggior numero di malposizionamenti della protesi rispetto ai controlli (p=0,001). Il rumore in protesi con ceramica dovrebbe sollevare il sospetto di fallimento ed indurre ad eseguire una TC e un agoaspirato. Dal confronto con la letteratura la nostra metodica risulta essere la più efficace.

Studio delle criticità e della messa in sicurezza di un ex sito di cava ripristinato con fanghi di cartiera

Questo elaborato ha come obiettivo quello di analizzare, inquadrandolo anche da un punto di vista tecnologico, un trattamento innovativo di bioremediation in situ realizzato in una ex-area di cava, nella quale, in seguito al ripristino ambientale mediante fanghi di cartiera, si è verificato un fenomeno di degradazione anaerobica del materiale tombato che ha portato alla produzione di una ingente quantità di biogas e alla sua successiva migrazione verso abitazioni limitrofe.