Viola Koci
Il vento che accarezza la luce Concezione architettonica e strutturale di un palo illuminante alimentato con energia eolica da oscillazioni indotte dal vento turbolento.
Rel. Luca Bruno, Pierre Alain Croset, Luigi Carassale. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Costruzione Città, 2014
| Abstract: |
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 sé particolari profumi e odori. Le correnti d’aria di per sé 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. Obbiettivo 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 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. Metodologia 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 dati 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 alla progettazione della forma dell’elemento oscillante attraverso il suo studio aerodinamico; 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 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 aumentabili. Grazie ai risultati ottenuti sono state modellate sei 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. 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. |
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| Relatori: | Luca Bruno, Pierre Alain Croset, Luigi Carassale |
| Tipo di pubblicazione: | A stampa |
| Soggetti: | A Architettura > AO Progettazione S Scienze e Scienze Applicate > SJ Illuminotecnica |
| Corso di laurea: | Corso di laurea magistrale in Architettura Costruzione Città |
| Classe di laurea: | NON SPECIFICATO |
| Aziende collaboratrici: | NON SPECIFICATO |
| URI: | http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3595 |
| Capitoli: | Introduzione 1. Analisi del sito 1.1. Considerazioni sul sito di progetto 1.2. Il contesto fisico 1.2.1 II contesto climatico 1.2.2 Orografia - Il Bisagno 1.2.3 II vento di Genova 1.3 Inquadramento storico-urbano 1.4 Distribuzione delle funzioni 1.4.1 Distribuzione della circolazione 1.4.2 II Bisagno 1.4.3 Un percorso storico 1.4.4 Le Fronti Base sul Bisagno 1.5 Piazza della Vittoria 1.5.1 Inquadramento storico 1.5.2 L’intervento di Piacentini 1.5.3 Documentazione fotografica 1.5.4 Rilievo 1.5.5 Topografia della piazza 1.5.6 Studio delle funzioni 1.5.7 Studio della circolazione 1.5.8 Studio dell’illuminazione 1.5.9 Studio delle viste 1.5.10 Studio delle ombre 1.6 Piazza della Vittoria - un caso unico 2. Il fenomeno del vento 2.1 II vento nella storia delle costruzioni 2.1.1 Gli albori dello studio del vento 2.1.2 L’era delle strutture leggere. La nascita dell’aerodinamica e gli anni recenti 2.2 Definizioni generali 2.3 La circolazione dei venti 2.4 Lo strato limite atmosferico (ABL) 2.5 La turbolenza atmosferica 2.6 Le cascate di energia - spettri del vento 2. La risposta strutturale 3.1 II flusso agente intorno ad un corpo tozzo 3.2 L’equazione di Navier-Stokes 3.3 Lo strato limite parietale e i distacchi 3.4 La definizione di corpo tozzo e i parametri influenti sulla separazione del flusso 3.5 Le forze aerodinamiche 3.6 Le forze aeroelastiche 3.7 II fenomeno di buffeting 3.8 La risposta strutturale del corpo a singolo grado di libertà (SDOF ) 4 La soluzione distributiva 4.1 La distribuzione del viale sul Bisagno 4.2 Piazza della Vittoria 5 Concept design del palo illuminante 5.1 Gli elementi costituenti del palo 5.2 Le proprietà strutturali dell’elemento oscillante 5.3 Le caratteristiche geometriche dell'elemento oscillante 5.4 Materiali per l’elemento oscillante 5.5 La simulazione della turbolenza 5.6 Le caratteristiche degli elementi oscillanti 5.7 Basamento, piastra di ancoraggio ed elementi di fissaggio 6 Dal vento alla luce - Tecnologie del piezoelettrico 6.1 Le proprietà dei materiali piezoelettrici 6.2 La relazione tra la deformazione e il voltaggio 6.3 Applicazione di trasduttori piezoelettrici agli elementi oscillanti y 6.4 Circuiti di accumulo e sistema di alimentazione del palo illuminante 6.5 Corpi illuminanti del palo Conclusioni Biibliografia |
| Bibliografia: | ALONSO, G., SANZ-LOBERA, A., E MESEGUER, J., Hysteris phenomena in transverse galloping of triangular cross-section bodies, Journal of Fluids and Structures 33, 2012, pp. 243-251 AUGUSTI, Giuliano; BORRI, Claudio e SPINELLI, Paolo, L’Ingegneria del vento in Italia: dai primi passi alla maturità, Firenze University Press, Firenze, 2006, pp. 711-720 BATCHELOR George Keith, Fluid dynamics, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1967 BÈNARD Henri, Formation de centres de giration a lanière d'un obstacle en mouvement, C.r. Acad. Sci. 147, 1908, pp. 839-842 BONAFÈ, Giovanni. Meteorologia dello strato limite atmosferico. Bologna : ARPA SIM Emilia Romagna, 2006 BORRI, Claudio e BRIGANTI, Daniele, Cenni stroici in Ingegneria del vento: un antica modernissima scienza, Firenze University Press, Firenze, 2006 BRUNO, Luca, li vento nello strato limite atmosferico: osservazione fenomenologica e framework modellistico, Dipartimento di Matematica Politecnico di Torino, Torino: sn. 2010, Dispense del Corso integrato di fluidodinamica e ingegneria del vento computazionali (CFD & CWE) BRUNO Luca, L’aerodinamica dei corpi tozzi, Dipartimento di Matematica Politecnico di Torino, Torino: sn. 2010, Dispense del Corso integrato di fluidodinamica e ingegneria del vento computazionali (CFD & CWE) BRUNO Luca, Vortex-shedding e lock-in, Dipartimento di Matematica Politecnico di Torino, Torino: sn. 2010, Dispense del Corso integrato di fluidodinamica e ingegneria del vento computazionali (CFD & CWE) BRUNO Luca, Buffeting, Dipartimento di Matematica Politecnico di Torino, Torino: sn. 2010, Dispense del Corso integrato di fluidodinamica e ingegneria del vento computazionali (CFD & CWE) BRUNO, Luca, Cenni all'aerodinamica delle costruzioni. Politecnico di Torino, Torino: sn., 2013, Dispense del Master II livello di Progettazione e costruzione di edifici di grande altezza CELLE, Gian Maria; Ageno, Giacomo, Sistemazione della Spianata del Bisagno, Genova. 1920 CLOUGH Ray W. and PENZIEN Joseph, Dynamics of structures, Me. Graw. Hill Inc., 1975 CNR, Istruzioni per la valutazione delle azioni e degli effetti del vento sulle costruzioni. A cura di, Commissione di studio per la predisposizione e l'analisi di norme tecniche relative alle costruzioni, Roma, 2008 COGORNO, Luisa; FALCENDO, Maria Linda, Geometria e progetto: l’esempio di Piazza della Vittoria a Genova, Genova, 2012 COMUNE DI GENOVA, Piano urbano della mobilità genovese, Genova , 2010 DAVENPORT, Alan Garnett, The applications of statistical concepts to thè wind loading of structures, Proc. Inst. Civil Eng., 19, (1961), 449-472 FRATIANNI, Simona, CAGNAZZI, Simona e CREMONINI, Roberto. Il vento in Piemonte. Studi climatologici in Piemonte. Torino : ARPA Piemonte, 2007, Vol. 5 FRIEBE, Richard. Zu viel Gluck ist auch nicht gut. Frankfurter Ailgemeine Sonntagzeitung. Januar 2, 2011, 52, pp. 54-55 IWAN Wilfred D., BLEVINS Robert D., A model for vortex-induced oscillation of structures, J. Applied Mechanics, ASME 41 1974, pp.581-586. LA,NEVILLE A., GARTSHORE, I.S., and PARKINSON G.V., An explanation of some effects of turbolence on bluff bodies, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1977 LI Jie, CHEN Jianbing, Stochastic dynamics of structures, Singapore, John Wiley & Sons, 2009 LUPANO, Mario, Marcello Piacentini, Laterza, Roma, 1991 MACERI Franco, AURICCHIO Ferdinando, DAVINI Cesare, DE SIMONE Antonio, LUCIANO Raimondo, e VARIO Giuseppe, Ponti di grande luce modellazione e simulazione del comportamento aeroelastico, Università degli studi di Roma “Tor Vergata”, 2002
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