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Il vento che accarezza la luce : concezione architettonica e strutturale di un palo illuminante alimentato con energia eolica da oscillazioni aeroelastiche per vortex shedding.

Ivan Calvo

Il vento che accarezza la luce : concezione architettonica e strutturale di un palo illuminante alimentato con energia eolica da oscillazioni aeroelastiche per vortex shedding.

Rel. Luca Bruno, Pierre Alain Croset. Politecnico di Torino, Corso di laurea in Architettura, 2013

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

Abstract:

1.1 RENDERE VISIBILE L’INVISIBILE

Ci sono fenomeni in natura percepibili dall’uomo prevalentemente mediante il tatto, l’udito e l’olfatto i quali si manifestano visivamente soltanto grazie agli effetti che essi generano sull’ ambiente che ci circonda. Il vento può essere percepito quando ci sfiora la pelle o ci scompiglia i capelli, quando il suo soffio sulle nostre orecchie produce quel particolare rumore o sibilo oppure quando accompagna con se particolari profumi e odori. Le correnti d’aria di per se non sono visibili ma possono essere percepite con la vista quando esse, durante il giorno, interagiscono con particelle (come ad esempio il fumo e le polveri), con sostanze (liquide per esempio) con i corpi della natura (alberi, foglie e prati) o con le strutture e i manufatti dell’uomo (mulini a vento, aste di bandiere, passerelle rudimentali, ecc.). Tuttavia in assenza di luce naturale diventa molto difficile vedere il vento a meno che il suo flusso coinvolga corpi illuminati (o illuminanti) in grado di subire spostamenti dovuti alla sua azione. Ecco dunque “Il vento che accarezza la luce” che si manifesta anche ai nostri occhi durante il buio.

La presente tesi ha come obbiettivo primario il concept design di un palo illuminante in grado di autoalimentarsi grazie alle oscillazioni indotte dal vento. A tale scopo la struttura sarà volutamente progettata per restituire ampie deformazioni con l’intento sia di segnalare visivamente la presenza di condizioni climatiche ventose sia di convertire l’energia cinetica in energia elettrica. Avvalendosi delle sollecitazioni del vento incidenti sull’asta è possibile infatti sfruttare le oscillazioni aeroelastiche indotte trasformandole in energia elettrica mediante particolari dispositivi piezoelettrici applicati alla struttura stessa. A tale scopo il palo dovrà essere caratterizzato da una struttura molto deformabile, in grado di denunciare volutamente oscillazioni di ampiezza considerevole e progettato in maniera tale da sfruttare al meglio le oscillazioni generate dal vento lungo la direzione della corrente d’aria o trasversalmente ad essa.

In secondo luogo un ulteriore obbiettivo è quello di impiegare l’oggetto concepito in un progetto di riqualificazione urbana andando a riproporre segni che un tempo erano presenti sul territorio e che col passare dei decenni sono stati cancellati dall’antropizzazione. Un insieme di pali illuminanti così concepiti, se disposti secondo criteri compositivi nastriformi (quali possono ad esempio essere un lungomare, un marciapiede, una banchina stradale, una passerella) oppure areali (come una piazza o un’area verde), sotto l’azione del vento possono restituire oscillazioni non correlate paragonabili a quelle di un filare di alberi o a quelle di un campo d’erba o di grano preesistente ai fenomeni di urbanizzazione. L’insieme dei pali può così visualizzare la distribuzione nello spazio e nel tempo di un campo di vento; eventuali variazioni di potenza associati ai led possono inoltre indurre variazioni di luminosità e/o colore in funzione della potenza elettrica convertita ovvero in funzione della direzione e ampiezza delle oscillazioni della struttura ed in funzione della velocità del vento. Il risultato è una sorta di segnavento diffuso alla scala della singola architettura o di quella urbana.

1.2 FRAMEWORK DI PROGETTO

Partendo dalle suggestioni esposte nel paragrafo precedente, l’attenzione si è spostata verso la ricerca di un contesto in cui l’installazione dei pali illuminanti potesse diventare occasione di progettazione e di riqualificazione di un ambiente attualmente privo di connotati architettonici particolari e significativi; il luogo avrebbe dovuto possedere al tempo stesso peculiarità climatiche e di ventilazione ottimali per il corretto funzionamento del sistema di illuminazione concepito.

Come prima fase, è dunque stata sviluppata un’ipotesi progettuale d’insieme, nell’ambito individuato, partendo dalle esigenze di riqualificazione urbana per giungere ad una soluzione distributiva dei pali oscillanti che tenesse conto delle tracce storiche e di quelle geomorfologiche del territorio: l’intenzione alla base è quella di delineare un segno leggibile in chiave metaforica come la riproduzione di preesistenze naturali del territorio che sono state cancellate nel corso dei secoli dall’antropizzazione (alberi, corsi d’acqua, isole verdi ecc. che oggi non esistono più).

Da una visione d’insieme si è quindi passati ad una progettazione a scala maggiore focalizzando l’attenzione verso le caratteristiche di un’area urbana specifica sia dal punto di vista architettonico che dal punto di vista anemometrico.

Nella fase successiva, si è passati ad una progettazione di maggior dettaglio andando a sviluppare le caratteristiche formali, materiali e strutturali che il palo illuminante dovrebbe possedere per subire ingenti deformazioni in presenza di determinate condizioni di vento; il primo obiettivo di questa fase riguarda la trasformazione di quanta più energia eolica incidente in energia cinetica. Effettuate pertanto fondamentali considerazioni sul comportamento dinamico della struttura, si è passati in prima istanza allo shape design dell’elemento oscillante attraverso il suo studio aerodinamico ed aeroelastico; successivamente sono state affrontate valutazioni di merito riguardanti l’influenza della scelta del materiale sul comportamento dinamico dell’elemento oscillante. A tale scopo sono stati scelti alcuni modelli matematici in grado di descrivere in termini numerici e con un buon grado di approssimazione sia le interazioni tra vento e struttura sia il comportamento dinamico dell’elemento fluttuante: attraverso l’implementazione di tali modelli su fogli elettronici di calcolo è stato possibile giungere alla determinazione delle caratteristiche geometriche e materiali che il profilato oscillante dovrebbe possedere per un funzionamento ottimale.

Una volta stabilite le peculiarità dimensionali e strutturali del palo ci si è concentrati sul secondo importante obbiettivo ovvero quello della trasformare dell’energia cinetica del palo in energia elettrica. Effettuate opportune considerazioni e scelte sul materiale piezoelettrico da adottare, anche in questo caso mediante l’ausilio di opportuni modelli matematici, è stato possibile elaborare i dati restituiti dal modello meccanico/cinetico giungendo alla determinazione delle grandezze atte a descrivere la quantità di energia elettrica potenzialmente erogabile dal sistema progettato. In funzione dei risultati ottenuti è stato quindi possibile stabilire sia la quantità e i criteri distributivi degli elementi piezoelettrici applicati al profilato sia la quantità di punti luce alimentabili.

Grazie ai risultati ottenuti sono state modellate quattro tipologie di palo illuminante in grado di accumulare energia eolica in presenza di velocità medie del vento differenti. Per rendere visibile l’invisibile anche nelle ore notturne ed per evidenziare la quantità di energia eolica immagazzinata durante il giorno ciascuna tipologia di palo emanerà luce secondo quattro diversi colori e intensità luminose.

Giunti a questo punto, avendo a disposizione le caratteristiche di ciascun palo illuminante, è stato possibile tornare al progetto di riqualificazione dell’area adottando una soluzione distributiva che meglio rispettasse i principi progettuali prefissati: metaforicamente, far restituire ai pali illuminanti oscillazioni non correlate paragonabili a quelle di un filare di alberi sotto l’azione del vento. Per rendere più immediata la percezione dell’effetto finale sono state infine realizzate alcune animazioni virtuali in grado di riprodurre il comportamento di ciascun palo illuminante sotto l’effetto del vento nella maniera quanto più fedele possibile ai risultati di calcolo ricavati durante la progettazione.

Per la redazione della presente tesi di laurea si è fatto riferimento alle linee guida per la scrittura tecnico-scientifica pubblicate dal Politecnico di Torino (1); per la citazione delle fonti si è preso spunto dal libro di Matricianni Emilio intitolato “Fondamenti di comunicazione tecnico-scientifica ” (2) consigliato come testo di riferimento per la redazione delle tesi di laurea dalla Commissione Interfacoltà di Ingegneria del Politecnico di Torino: le opere citate e il riferimento alle fonti verranno pertanto rappresentate mediante numero racchiuso tra parentesi tonde. Tra parentesi quadre verranno invece numerate le formule matematiche riportate. Per quanto riguarda la compilazione della bibliografia si è fatto riferimento allo standard della normativa UNI ISO 690:2007.

Relatori: Luca Bruno, Pierre Alain Croset
Tipo di pubblicazione: A stampa
Soggetti: S Scienze e Scienze Applicate > SG Fisica
S Scienze e Scienze Applicate > SJ Illuminotecnica
Corso di laurea: Corso di laurea in Architettura
Classe di laurea: NON SPECIFICATO
Aziende collaboratrici: NON SPECIFICATO
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3356
Capitoli:

INTRODUZIONE

1.1 RENDERE VISIBILE L’INVISIBILE

1.2 FRAMEWORK DI PROGETTO

CAPITOLO 2 AMBITO DI INTERVENTO E SUGGESTIONI

PROGETTUALI

2.1 IL QUARTIERE “FOCE” DI GENOVA: CENNI STORICI E INQUADRAMENTO URBANISTICO

2.2 PECULIARITÀ OROGRAFICHE E CLIMATICHE DELLA ZONA

2.3 LIMITI E POTENZIALITÀ DELL’AMBITO D’INTERVENTO

2.4 SOLUZIONE PROGETTUALE D’INSIEME: IL “CANNETO LUMINOSO”

CAPITOLO 3 IL VENTO: FENOMENOLOGIA

3.1 CENNI STORICI SULL’EVOLUZIONE DELL’INGEGNERIA DEL VENTO

3.2 ORIGINE DEL VENTO

3.3 CLASSIFICAZIONE DEI VENTI

3.4 LO STRATO LIMITE ATMOSFERICO

3.5 PROFILO DELLA VELOCITÀ MEDIA DEL VENTO

3.6 ANALISI PROBABILISTICA SPAZIO TEMPORALE DELLA TURBOLENZA

3.7 SCALE DELLA TURBOLENZA ATMOSFERICA

CAPITOLO 4 INTERAZIONI TRA VENTO E STRUTTURA

4.1 AERODINAMICA ED AEROELASTICITÀ

4.2 FLUIDO E FLUSSO INTORNO AD UN CORPO

4.3 COMPORTAMENTO DEL FLUSSO D’ARIA NEI CONFRONTI DI UN OSTACOLO

4.4 CLASSIFICAZIONE AERODINAMICA DEI CORPI IMMERSI IN UN FLUSSO

4.5 FORMAZIONE DI SCIA E DI VORTICI IN FLUSSI BIDIMENSIONALI

4.6 VORTEX SHEDDING E NUMERO DI STROUHAL

4.7 LE AZIONI DEL VENTO SULLE STRUTTURE

4.8 FORZE AERODINAMICHE

4.9 FORZE AEROELASTICHE

4.10 DINAMICA DELLA STRUTTURA

4.11 INSTABILITÀ AEROELASTICA PER VORTEX SHEDDING E LOCK-IN

CAPITOLO 5 CONCEPT DESIGN DEL PALO ILLUMINANTE

5.1 CRITERI E AMBITI DI PROGETTAZIONE

5.2 ELEMENTI COSTITUENTI

5.3 PROPRIETÀ STRUTTURALI DELL’ELEMENTO OSCILLANTE

5.4 SHAPE DESIGN DELL’ELEMENTO OSCILLANTE

5.5 MATERIALI PER L’ELEMENTO OSCILLANTE

5.6 DEFINIZIONE DELLE CARATTERISTICHE GEOMETRICHE E MATERIALI PER DIVERSE TIPOLOGIE DI ELEMENTO OSCILLANTE

5.7 FLUTTUAZIONI PER INSTABILITÀ AEROELASTICA DELL’ELEMENTO OSCILLANTE

5.8 BASAMENTO, PIASTRA DI ANCORAGGIO ED ELEMENTI DI FISSAGGIO

CAPITOLO 6 GENERATORI PIEZOELETTRICI, CIRCUITI DI

ACCUMULO, CORPI ILLUMINANTI

6.1 CARATTERISTICHE FISICHE DEI MATERIALI PIEZOELETTRICI

6.2 DEFORMAZIONE IMPOSTA, VOLTAGGIO RESTITUITO

6.3 APPLICAZIONE DI TRASDUTTORI PIEZZOLETTRICI AGLI ELEMENTI OSCILLANTI

6.4 CIRCUITO DI ACCUMULO E SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DEL PALO ILLUMINANTE ..

6.5 CORPI ILLUMINANTI DEL PALO

CAPITOLO 7 SOLUZIONE PROGETTUALE PUNTUALE

7.1 IL POLO ESPOSITIVO DELLA FIERA DI GENOVA

7.2 IL CANNETO LUMINOSO

CAPITOLO 8 CONCLUSIONI

8.1 RISULTATI OTTENUTI

8.2 LIMITI DEL PROGETTO E POTENZIALITÀ DI SVILUPPO

CAPITOLO 9 APPENDICI

9.1 APPENDICE A - TABELLE DI CALCOLO PER LO SHAPE DESIGN DELL’ELEMENTO

OSCILLANTE

9.2 APPENDICE B - TABELLE DI CALCOLO PER LA SCELTA DEL MATERIALE

DELL’ELEMENTO OSCILLANTE

9.3 APPENDICE C - TABELLE DI CALCOLO RELATIVE ALLE QUATTRO TIPOLOGIE DI ELEMENTI OSCILLANTI

9.4 APPENDICE D - TABELLE PER CALCOLO DELL’EFFETTO “LOCK-IN”

9.5 APPENDICE E - TABELLE DI CALCOLO DELL’ENERGIA ELETTRICA GENERATA

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
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