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UNIVERSITA’ DI PISA
SCUOLA DI INGEGNERIA
D.E.S.T.E.C.
CANDIDATO: Alberto Casali
RELATORI: Prof. Ing. Maurizio Froli
Ing. Francesco Laccone
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING
WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION
TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA EDILE ARCHITETTURA
OBIETTIVI DELLA TESI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION1
• MORFOGENESI DI UN EDIFICIO DI TIPO HIGH-RISE BASATA SU UN
APPROCCIO BIOMIMETICO
• DETERMINAZIONE DI UNA FORMA DELL’EDIFICIO TALE DA INCREMENTARE
LA VELOCITÀ DEL VENTO IN DETERMINATE ZONE
• INTEGRAZIONE DI UN SISTEMA DI PRODUZIONE ENERGETICA ALL’INTERNO
DELL’EDIFICIO
CONTENUTI DELLA TESI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION2
• MORFOGENESI
 Leggi del bambù
 Performance-based shaping
• PIANIFICAZIONE FUNZIONALE
 Destinazioni d’uso
 Circolazione verticale
• PROBLEMA STRUTTURALE
• PROBLEMA ENERGETICO
 Connessione turbine-edificio
 Caratterizzazione eolica del sito
 Analisi CFD 3d
 Stima della produzione energetica
STRUTTURA DELLA TESI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION3
STRUTTURA DELLA TESI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION4
MORFOGENESI
LE FUNZIONI DEL BAMBU’
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION5
𝐿𝑖 = 25.13 + 4.8080 𝑛𝑖 + 0.0774 𝑛𝑖
2
→ 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑏𝑎𝑠𝑠𝑎
𝐿𝑖 = 178.84 − 2.3927𝑛𝑖 + 0.0068 𝑛𝑖
2
→ 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑎
𝐷𝑖 = 97.75 − 0.212 𝑛𝑖 − 0.016 𝑛𝑖
2
→ 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑏𝑎𝑠𝑠𝑎
𝐷𝑖 = 157.6 − 2.868𝑛𝑖 + 0.013 𝑛𝑖
2
→ 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑎
𝐷𝑖 = 101.8 exp −0.022𝑛𝑖 → 𝑡𝑢𝑡𝑡𝑜 𝑖𝑙 𝑓𝑢𝑠𝑡𝑜
Lunghezza di un internodo
Diametro di un internodo
MORFOGENESI
LE FUNZIONI DEL BAMBU’ SCALATE
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION6
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Lunghezzainternodi[%]
Numero internodi [%]
Lunghezza internodi
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100
Diametrointernodi[%]
Numero internodi [%]
Diametro internodi (Parabola) Diametro internodi (Esponenziale)
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Lunghezzainternodi[%]
Numero internodi [%]
Funzione originale Funzione scalata al 55% Funzione scalata al 60%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100
Diametrointernodi[%]
Numero internodi [%]
Funzione originale Funzione scalata al 55% Funzione scalata al 60%
MORFOGENESI
DIGITALIZZAZIONE DELLE FUNZIONI BAMBU’
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION7
MORFOGENESI
ESEMPI DI MODELLI PARAMETRICI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION8
55%_1:4 60%_1:4 55%_1:7.5
MORFOGENESI
PROTOTIPO DI EDIFICIO FINALE
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION9
• DIMENSIONI GABBIA BAMBU’
 Altezza: 320 m
 Diametro di base: 80 m
 Rapporto H/B: 1 a 4
• CARATTERISTICHE BASATE SU FUNZIONI BAMBU’
 Numero internodi: 8
 Percentuale sfruttamento relazione: 55%
MORFOGENESI
FORMULAZIONE DEL PROBLEMA FLUIDO-DINAMICO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION10
Effetto venturi Effetto venturi applicato all’edificio
MORFOGENESI
DEFINIZIONE DEI PARAMETRI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION11
FORMA PARAMETRI
• RAGGIO VUOTO INTERNO
 7.5 m - 10 m - 12.5 m
• RAGGIO VUOTO INTERNO
 7.5 m - 10 m - 12.5 m
• RAGGIO RACCORDO SPIGOLO
 0 - 5 m - 10 m
• RAGGIO VUOTO INTERNO
 7.5 m - 10 m - 12.5 m
• RAGGIO RACCORDO SPIGOLO
 0 - 5 m - 10 m
MORFOGENESI
IMPOSTAZIONE DELLE ANALISI CFD
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION12
• ANALISI DI TIPO RANS (Reynold’s
Average Navier Stokes)
• MODELLO DI TURBOLENZA A DUE
EQUAZIONI k-𝜔
• CONDIZIONI AL CONTORNO DI TIPO
FIXED VALUE (5 m/s velocità di inlet e
0 Pa pressione di outlet)
• 32 CASI ANALIZZATI IN TOTALE
MORFOGENESI
RISULTATI DELLE ANALISI CFD
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION13
MORFOGENESI
RISULTATI DELLE ANALISI CFD
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION14
12.05
7.90
21.81
0.86
-19.11
-4.26
11.87
5.60
17.01
7.58
-0.07
-6.70
1.23
6.99
9.35
3.04
3.05
-9.20
2.13
-51.73
-69.11
-13.78
-86.90
-86.62
-4.87
-52.52
-87.58
-6.04
-90.76
-61.50
-1.49
-79.69
-95.93
-13.22
-73.20
-35.05
19.49
-11.77
21.34
-0.43
-10.61
-12.46
19.59
-13.81
9.44
10.86
-0.83
-10.73
9.91
-17.05
-3.52
6.54
-0.87
-9.77
CIRCLE-RVOID7.5
TRIANGLE_3-RFILLET0-RVOID7.5
TRIANGLE_3-RFILLET5-RVOID7.5
TRIANGLE_3-RFILLET10-RVOID7.5
TRIANGLE_2-RFILLET5-RVOID7.5
TRIANGLE_2-RFILLET10-RVOID7.5
CIRCLE-RVOID10
TRIANGLE_3-RFILLET0-RVOID10
TRIANGLE_3-RFILLET5-RVOID10
TRIANGLE_3-RFILLET10-RVOID10
TRIANGLE_2-RFILLET5-RVOID10
TRIANGLE_2-RFILLET10-RVOID10
CIRCLE-RVOID12.5
TRIANGLE_3-RFILLET0-RVOID12.5
TRIANGLE_3-RFILLET5-RVOID12.5
TRIANGLE_3-RFILLET10-RVOID12.5
TRIANGLE_2-RFILLET5-RVOID12.5
TRIANGLE_2-RFILLET10-RVOID12.5
+X Direction -X Direction +Y Direction
MORFOGENESI
FORMA FINALE
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION15
• DIAMETRO INTERNO: 15 m
• DIAMETRO ESTERNO: 80 m
• SNELLEZZA GLOBALE: 1 a 4
• SNELLEZZA INDIVIDUALE: 1 a 10
PIANIFICAZIONE FUNZIONALE
DESTINAZIONI D’USO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION16
PIANIFICAZIONE FUNZIONALE
CIRCOLAZIONE VERTICALE
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION17
PROBLEMA STRUTTURALE
RIEPILOGO STRUTTURA
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION18
CORE IN C.A. DIAGRID IN ACCIAIO CORONE DI IRRIGIDIMENTO
PROBLEMA ENERGETICO
INTRODUZIONE
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION19
H = 50 m
H = 91 m
H = 135 m
H = 180 m
H = 224 m
H = 266 m
H = 303 m• Sette turbine ad asse verticale
• Diametro turbine: 10 m
• Altezza lame: 12 m
• Peso: 70 ton
PROBLEMA ENERGETICO
COLLEGAMENTO TURBINE-EDIFICIO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION20
PROBLEMA ENERGETICO
SCHEMA STATICO COLLEGAMENTO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION21
PROBLEMA ENERGETICO
DIMENSIONAMENTO CAVI COLLEGAMENTO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION22
Wind
F1u,W F2u,W F3u,W F4u,W F5u,W F6u,W F1d,W F2d,W F3d,W F4d,W F5d,W F6d,W
[kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN]
-114.06 -91.70 250.48 250.48 -91.70 -114.06 -114.06 -91.70 250.48 250.48 -91.70 -114.06
Gravity
F1u,G F2u,G F3u,G F4u,G F5u,G F6u,G F1d,G F2d,G F3d,G F4d,G F5d,G F6d,G
[kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN]
12.07 12.07 12.07 12.07 12.07 12.07 -12.07 -12.07 -12.07 -12.07 -12.07 -12.07
Total
F1u F2u F3u F4u F5u F6u F1d F2d F3d F4d F5d F6d
[kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN]
-101.99 -79.63 262.55 262.55 -79.63 -101.99 -126.13 -103.77 238.41 238.41 -103.77 -126.13
Total + Prestress (130KN)
F1u F2u F3u F4u F5u F6u F1d F2d F3d F4d F5d F6d
[kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN]
28.01 50.37 392.55 392.55 50.37 28.01 3.87 26.23 368.41 368.41 26.23 3.87
SOLLECITAZIONI
Cable Resume
zturbine Cable Φ A Fu,k FR,d
[m] [-] [mm] [mm2
] [KN] [KN]
50.466 FZ16124 24 340.5 535 324
90.863 FZ16126 26 399.6 635 385
134.719 FZ16128 28 463.4 740 448
179.86 FZ19130 30 531.3 850 515
224.344 FZ19130 30 531.3 850 515
265.763 FZ19130 30 531.3 850 515
302.66 FZ19130 30 531.3 850 515
CAVI
PROBLEMA ENERGETICO
CARATTERIZZAZIONE EOLICA DEL SITO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION23
DATI ORIGINALI
(Atlante Europeo del Vento)
STIMA PARAMETRI DI WEIBULL
Metodo della massima verosimiglianza (MLE)
ESAME DI UNA ROSA A 12 SETTORI
Redazione profili verticali e frequenze
PROBLEMA ENERGETICO
ROSE DEI VENTI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION24
0
200
400
600
800
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Rosa delle ore di vento cumulative (annuale)
0
200
400
600
800
1000
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Rosa delle ore di calma (annuale)
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Rosa delle frequenze medie
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Rosa delle velocità medie
PROBLEMA ENERGETICO
ROSE DEI VENTI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION25
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Rosa dei venti
1 to 2 m/s
3 m/s
4 m/s
5 m/s
6 m/s
7 m/s
8 m/s
9 m/s
10 to 11 m/s
12 to 13 m/s
14 to 15 m/s
17 m/s
> 17 m/s
PROBLEMA ENERGETICO
PROFILO VERTICALE VELOCITA’ MEDIA
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION26
0
50
100
150
200
250
300
350
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00
Height[m]
Velocity [m/s]
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
PROBLEMA ENERGETICO
INTRODUZIONE ALLE ANALISI CFD 3D
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION27
PROBLEMA ENERGETICO
FORMULAZIONE DEL PROBLEMA FLUIDO-DINAMICO 3D
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION28
• CASO +X:
 30º, 150º, 270º
• CASO -X:
 90º, 210º, 330º
• CASO +/-Y:
 0º, 60º, 120º,
180º, 240º, 300º
PROBLEMA ENERGETICO
IMPOSTAZIONE DEI TRE CASI
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION29
• ANALISI DI TIPO RANS (Reynold’s Average Navier Stokes)
• MODELLO DI TURBOLENZA A DUE EQUAZIONI k-𝜔
• 12 CASI ANALIZZATI IN TOTALE
• LA CONDIZIONE AL CONTORNO DI INGRESSO DI OGNI CASO DERIVA DAL PROFILO
VERTICALE (LOGARITMICO) DELLA VELOCITA’ ASSOCIATA ALLA DIREZIONE PRESA IN
ESAME
PROBLEMA ENERGETICO
DIMENSIONI DEL DOMINIO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION30
10 D
12.5 D 25 D
10 D
3 H
PROBLEMA ENERGETICO
CREAZIONE DELLE MESH
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION31
+X -X +Y
PROBLEMA ENERGETICO
RISULTATI ANALISI CFD
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION32
LINEE DI FLUSSO DI UN CASO +X
PROBLEMA ENERGETICO
RISULTATI ANALISI CFD
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION33
LINEE DI FLUSSO DI UN CASO -X
PROBLEMA ENERGETICO
RISULTATI ANALISI CFD
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION34
LINEE DI FLUSSO DI UN CASO +Y
PROBLEMA ENERGETICO
INCREMENTO DI VELOCITA’ DOVUTO ALL’EDIFICIO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION35
50
62
74
86
98
110
122
134
146
158
170
182
194
206
218
230
242
254
266
278
290
302
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Z[m]
Incremento di velocita' [%]
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
PROBLEMA ENERGETICO
INCREMENTO DI VELOCITA’ MEDIO DOVUTO ALL’EDIFICIO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION36
50
62
74
86
98
110
122
134
146
158
170
182
194
206
218
230
242
254
266
278
290
302
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Z[m]
Incremento di velocita' [%]
+X -X +Y
PROBLEMA ENERGETICO
STIMA DELLA PRODUZIONE ENERGETICA
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION37
Pw
Potenza del vento nella porzione
di area d’influenza della turbina
PT
Porzione di potenza del vento
estratta dalla turbina
ET
Energia ottenuta in un anno
PROBLEMA ENERGETICO
STIMA DELLA PRODUZIONE ENERGETICA
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION38
𝑃𝑤 = 0.5𝜌𝐴 𝑡 𝑓(𝑈)𝑈3
𝑃𝑡 = 0.5𝜌𝐴 𝑡 𝐶 𝑝 𝑓(𝑈)𝑈3
𝐸𝑡 =
𝑎𝑛𝑛𝑜
𝑃𝑡 𝑑𝑡
PROBLEMA ENERGETICO
ENERGIA ESTRATTA DA OGNI TURBINA
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION39
1 2 3 4 5 6 7
Ew 243.79 319.63 378.33 425.70 464.48 495.76 520.68
Et 56.07 73.51 87.02 97.91 106.83 114.02 119.76
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
Annualenergyproduction[MWh]
PROBLEMA ENERGETICO
RESOCONTO ENERGETICO
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION40
Turbine Z Pw Pt Et,year
[m] [W] [W] [MWh]
1 Turbine H50 463.83 106.68 56.07
2 Turbine H91 608.12 139.87 73.51
3 Turbine H135 719.81 165.56 87.02
4 Turbine H180 809.94 186.29 97.91
5 Turbine H224 883.72 203.26 106.83
6 Turbine H266 943.22 216.94 114.02
7 Turbine H303 990.65 227.85 119.76
Total 5419.28 1246.43 655.13
Turbine H50
9% Turbine H91
11%
Turbine H135
13%
Turbine H180
15%Turbine H224
16%
Turbine H266
18%
Turbine H303
18%
CONCLUSIONI
ANALISI CFD 2D – 3D
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION41
-12.25
40.21
8.24
2.13
19.49
12.05
+X - X +Y
INCREMENTO/DECREMENTO DI VELOCITA’
ANALISI 3D ANALISI 2D
Rispetto alle previsioni fatte nel corso del
processo di morfogenesi, l’effetto
dell’edificio sul flusso si è dimostrato a
tratti diverso. Ciò è dipeso principalmente
dalle ampie differenze che
contraddistinguono un flusso
bidimensionale da un flusso
tridimensionale.
Come futuro ambito di ricerca, si potrebbe
studiare un’implementazione di analisi CFD
tridimensionali già dalla fase di
morfogenesi.
CONCLUSIONI
ADATTABILITA’
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION42
L’utilizzo di algoritmi parametrici ha
garantito un elevato grado di connessione
tra le varie fasi del progetto, nonché una
notevole automazione nei confronti delle
modifiche relative ad ogni fase.
Soffermandosi sui soli aspetti strutturale ed
energetico, la semplice modifica delle
condizioni iniziali è l’unica operazione da
effettuare per ottenere una configurazione
di edificio adatta ad un diverso contesto.
GRAZIE
PER L’ATTENZIONE
DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND
ENERGY PRODUCTION

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Digital Biomemitc Morphogenesis of a High-Rise Building

  • 1. UNIVERSITA’ DI PISA SCUOLA DI INGEGNERIA D.E.S.T.E.C. CANDIDATO: Alberto Casali RELATORI: Prof. Ing. Maurizio Froli Ing. Francesco Laccone DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA EDILE ARCHITETTURA
  • 2. OBIETTIVI DELLA TESI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION1 • MORFOGENESI DI UN EDIFICIO DI TIPO HIGH-RISE BASATA SU UN APPROCCIO BIOMIMETICO • DETERMINAZIONE DI UNA FORMA DELL’EDIFICIO TALE DA INCREMENTARE LA VELOCITÀ DEL VENTO IN DETERMINATE ZONE • INTEGRAZIONE DI UN SISTEMA DI PRODUZIONE ENERGETICA ALL’INTERNO DELL’EDIFICIO
  • 3. CONTENUTI DELLA TESI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION2 • MORFOGENESI  Leggi del bambù  Performance-based shaping • PIANIFICAZIONE FUNZIONALE  Destinazioni d’uso  Circolazione verticale • PROBLEMA STRUTTURALE • PROBLEMA ENERGETICO  Connessione turbine-edificio  Caratterizzazione eolica del sito  Analisi CFD 3d  Stima della produzione energetica
  • 4. STRUTTURA DELLA TESI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION3
  • 5. STRUTTURA DELLA TESI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION4
  • 6. MORFOGENESI LE FUNZIONI DEL BAMBU’ DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION5 𝐿𝑖 = 25.13 + 4.8080 𝑛𝑖 + 0.0774 𝑛𝑖 2 → 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑏𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑖 = 178.84 − 2.3927𝑛𝑖 + 0.0068 𝑛𝑖 2 → 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝐷𝑖 = 97.75 − 0.212 𝑛𝑖 − 0.016 𝑛𝑖 2 → 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑏𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐷𝑖 = 157.6 − 2.868𝑛𝑖 + 0.013 𝑛𝑖 2 → 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝐷𝑖 = 101.8 exp −0.022𝑛𝑖 → 𝑡𝑢𝑡𝑡𝑜 𝑖𝑙 𝑓𝑢𝑠𝑡𝑜 Lunghezza di un internodo Diametro di un internodo
  • 7. MORFOGENESI LE FUNZIONI DEL BAMBU’ SCALATE DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION6 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Lunghezzainternodi[%] Numero internodi [%] Lunghezza internodi 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 Diametrointernodi[%] Numero internodi [%] Diametro internodi (Parabola) Diametro internodi (Esponenziale) 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Lunghezzainternodi[%] Numero internodi [%] Funzione originale Funzione scalata al 55% Funzione scalata al 60% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 Diametrointernodi[%] Numero internodi [%] Funzione originale Funzione scalata al 55% Funzione scalata al 60%
  • 8. MORFOGENESI DIGITALIZZAZIONE DELLE FUNZIONI BAMBU’ DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION7
  • 9. MORFOGENESI ESEMPI DI MODELLI PARAMETRICI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION8 55%_1:4 60%_1:4 55%_1:7.5
  • 10. MORFOGENESI PROTOTIPO DI EDIFICIO FINALE DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION9 • DIMENSIONI GABBIA BAMBU’  Altezza: 320 m  Diametro di base: 80 m  Rapporto H/B: 1 a 4 • CARATTERISTICHE BASATE SU FUNZIONI BAMBU’  Numero internodi: 8  Percentuale sfruttamento relazione: 55%
  • 11. MORFOGENESI FORMULAZIONE DEL PROBLEMA FLUIDO-DINAMICO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION10 Effetto venturi Effetto venturi applicato all’edificio
  • 12. MORFOGENESI DEFINIZIONE DEI PARAMETRI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION11 FORMA PARAMETRI • RAGGIO VUOTO INTERNO  7.5 m - 10 m - 12.5 m • RAGGIO VUOTO INTERNO  7.5 m - 10 m - 12.5 m • RAGGIO RACCORDO SPIGOLO  0 - 5 m - 10 m • RAGGIO VUOTO INTERNO  7.5 m - 10 m - 12.5 m • RAGGIO RACCORDO SPIGOLO  0 - 5 m - 10 m
  • 13. MORFOGENESI IMPOSTAZIONE DELLE ANALISI CFD DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION12 • ANALISI DI TIPO RANS (Reynold’s Average Navier Stokes) • MODELLO DI TURBOLENZA A DUE EQUAZIONI k-𝜔 • CONDIZIONI AL CONTORNO DI TIPO FIXED VALUE (5 m/s velocità di inlet e 0 Pa pressione di outlet) • 32 CASI ANALIZZATI IN TOTALE
  • 14. MORFOGENESI RISULTATI DELLE ANALISI CFD DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION13
  • 15. MORFOGENESI RISULTATI DELLE ANALISI CFD DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION14 12.05 7.90 21.81 0.86 -19.11 -4.26 11.87 5.60 17.01 7.58 -0.07 -6.70 1.23 6.99 9.35 3.04 3.05 -9.20 2.13 -51.73 -69.11 -13.78 -86.90 -86.62 -4.87 -52.52 -87.58 -6.04 -90.76 -61.50 -1.49 -79.69 -95.93 -13.22 -73.20 -35.05 19.49 -11.77 21.34 -0.43 -10.61 -12.46 19.59 -13.81 9.44 10.86 -0.83 -10.73 9.91 -17.05 -3.52 6.54 -0.87 -9.77 CIRCLE-RVOID7.5 TRIANGLE_3-RFILLET0-RVOID7.5 TRIANGLE_3-RFILLET5-RVOID7.5 TRIANGLE_3-RFILLET10-RVOID7.5 TRIANGLE_2-RFILLET5-RVOID7.5 TRIANGLE_2-RFILLET10-RVOID7.5 CIRCLE-RVOID10 TRIANGLE_3-RFILLET0-RVOID10 TRIANGLE_3-RFILLET5-RVOID10 TRIANGLE_3-RFILLET10-RVOID10 TRIANGLE_2-RFILLET5-RVOID10 TRIANGLE_2-RFILLET10-RVOID10 CIRCLE-RVOID12.5 TRIANGLE_3-RFILLET0-RVOID12.5 TRIANGLE_3-RFILLET5-RVOID12.5 TRIANGLE_3-RFILLET10-RVOID12.5 TRIANGLE_2-RFILLET5-RVOID12.5 TRIANGLE_2-RFILLET10-RVOID12.5 +X Direction -X Direction +Y Direction
  • 16. MORFOGENESI FORMA FINALE DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION15 • DIAMETRO INTERNO: 15 m • DIAMETRO ESTERNO: 80 m • SNELLEZZA GLOBALE: 1 a 4 • SNELLEZZA INDIVIDUALE: 1 a 10
  • 17. PIANIFICAZIONE FUNZIONALE DESTINAZIONI D’USO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION16
  • 18. PIANIFICAZIONE FUNZIONALE CIRCOLAZIONE VERTICALE DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION17
  • 19. PROBLEMA STRUTTURALE RIEPILOGO STRUTTURA DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION18 CORE IN C.A. DIAGRID IN ACCIAIO CORONE DI IRRIGIDIMENTO
  • 20. PROBLEMA ENERGETICO INTRODUZIONE DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION19 H = 50 m H = 91 m H = 135 m H = 180 m H = 224 m H = 266 m H = 303 m• Sette turbine ad asse verticale • Diametro turbine: 10 m • Altezza lame: 12 m • Peso: 70 ton
  • 21. PROBLEMA ENERGETICO COLLEGAMENTO TURBINE-EDIFICIO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION20
  • 22. PROBLEMA ENERGETICO SCHEMA STATICO COLLEGAMENTO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION21
  • 23. PROBLEMA ENERGETICO DIMENSIONAMENTO CAVI COLLEGAMENTO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION22 Wind F1u,W F2u,W F3u,W F4u,W F5u,W F6u,W F1d,W F2d,W F3d,W F4d,W F5d,W F6d,W [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] -114.06 -91.70 250.48 250.48 -91.70 -114.06 -114.06 -91.70 250.48 250.48 -91.70 -114.06 Gravity F1u,G F2u,G F3u,G F4u,G F5u,G F6u,G F1d,G F2d,G F3d,G F4d,G F5d,G F6d,G [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] 12.07 12.07 12.07 12.07 12.07 12.07 -12.07 -12.07 -12.07 -12.07 -12.07 -12.07 Total F1u F2u F3u F4u F5u F6u F1d F2d F3d F4d F5d F6d [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] -101.99 -79.63 262.55 262.55 -79.63 -101.99 -126.13 -103.77 238.41 238.41 -103.77 -126.13 Total + Prestress (130KN) F1u F2u F3u F4u F5u F6u F1d F2d F3d F4d F5d F6d [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] [kN] 28.01 50.37 392.55 392.55 50.37 28.01 3.87 26.23 368.41 368.41 26.23 3.87 SOLLECITAZIONI Cable Resume zturbine Cable Φ A Fu,k FR,d [m] [-] [mm] [mm2 ] [KN] [KN] 50.466 FZ16124 24 340.5 535 324 90.863 FZ16126 26 399.6 635 385 134.719 FZ16128 28 463.4 740 448 179.86 FZ19130 30 531.3 850 515 224.344 FZ19130 30 531.3 850 515 265.763 FZ19130 30 531.3 850 515 302.66 FZ19130 30 531.3 850 515 CAVI
  • 24. PROBLEMA ENERGETICO CARATTERIZZAZIONE EOLICA DEL SITO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION23 DATI ORIGINALI (Atlante Europeo del Vento) STIMA PARAMETRI DI WEIBULL Metodo della massima verosimiglianza (MLE) ESAME DI UNA ROSA A 12 SETTORI Redazione profili verticali e frequenze
  • 25. PROBLEMA ENERGETICO ROSE DEI VENTI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION24 0 200 400 600 800 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Rosa delle ore di vento cumulative (annuale) 0 200 400 600 800 1000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Rosa delle ore di calma (annuale) 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Rosa delle frequenze medie 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Rosa delle velocità medie
  • 26. PROBLEMA ENERGETICO ROSE DEI VENTI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION25 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Rosa dei venti 1 to 2 m/s 3 m/s 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s 9 m/s 10 to 11 m/s 12 to 13 m/s 14 to 15 m/s 17 m/s > 17 m/s
  • 27. PROBLEMA ENERGETICO PROFILO VERTICALE VELOCITA’ MEDIA DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION26 0 50 100 150 200 250 300 350 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 Height[m] Velocity [m/s] 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
  • 28. PROBLEMA ENERGETICO INTRODUZIONE ALLE ANALISI CFD 3D DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION27
  • 29. PROBLEMA ENERGETICO FORMULAZIONE DEL PROBLEMA FLUIDO-DINAMICO 3D DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION28 • CASO +X:  30º, 150º, 270º • CASO -X:  90º, 210º, 330º • CASO +/-Y:  0º, 60º, 120º, 180º, 240º, 300º
  • 30. PROBLEMA ENERGETICO IMPOSTAZIONE DEI TRE CASI DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION29 • ANALISI DI TIPO RANS (Reynold’s Average Navier Stokes) • MODELLO DI TURBOLENZA A DUE EQUAZIONI k-𝜔 • 12 CASI ANALIZZATI IN TOTALE • LA CONDIZIONE AL CONTORNO DI INGRESSO DI OGNI CASO DERIVA DAL PROFILO VERTICALE (LOGARITMICO) DELLA VELOCITA’ ASSOCIATA ALLA DIREZIONE PRESA IN ESAME
  • 31. PROBLEMA ENERGETICO DIMENSIONI DEL DOMINIO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION30 10 D 12.5 D 25 D 10 D 3 H
  • 32. PROBLEMA ENERGETICO CREAZIONE DELLE MESH DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION31 +X -X +Y
  • 33. PROBLEMA ENERGETICO RISULTATI ANALISI CFD DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION32 LINEE DI FLUSSO DI UN CASO +X
  • 34. PROBLEMA ENERGETICO RISULTATI ANALISI CFD DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION33 LINEE DI FLUSSO DI UN CASO -X
  • 35. PROBLEMA ENERGETICO RISULTATI ANALISI CFD DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION34 LINEE DI FLUSSO DI UN CASO +Y
  • 36. PROBLEMA ENERGETICO INCREMENTO DI VELOCITA’ DOVUTO ALL’EDIFICIO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION35 50 62 74 86 98 110 122 134 146 158 170 182 194 206 218 230 242 254 266 278 290 302 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Z[m] Incremento di velocita' [%] 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
  • 37. PROBLEMA ENERGETICO INCREMENTO DI VELOCITA’ MEDIO DOVUTO ALL’EDIFICIO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION36 50 62 74 86 98 110 122 134 146 158 170 182 194 206 218 230 242 254 266 278 290 302 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Z[m] Incremento di velocita' [%] +X -X +Y
  • 38. PROBLEMA ENERGETICO STIMA DELLA PRODUZIONE ENERGETICA DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION37 Pw Potenza del vento nella porzione di area d’influenza della turbina PT Porzione di potenza del vento estratta dalla turbina ET Energia ottenuta in un anno
  • 39. PROBLEMA ENERGETICO STIMA DELLA PRODUZIONE ENERGETICA DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION38 𝑃𝑤 = 0.5𝜌𝐴 𝑡 𝑓(𝑈)𝑈3 𝑃𝑡 = 0.5𝜌𝐴 𝑡 𝐶 𝑝 𝑓(𝑈)𝑈3 𝐸𝑡 = 𝑎𝑛𝑛𝑜 𝑃𝑡 𝑑𝑡
  • 40. PROBLEMA ENERGETICO ENERGIA ESTRATTA DA OGNI TURBINA DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION39 1 2 3 4 5 6 7 Ew 243.79 319.63 378.33 425.70 464.48 495.76 520.68 Et 56.07 73.51 87.02 97.91 106.83 114.02 119.76 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 Annualenergyproduction[MWh]
  • 41. PROBLEMA ENERGETICO RESOCONTO ENERGETICO DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION40 Turbine Z Pw Pt Et,year [m] [W] [W] [MWh] 1 Turbine H50 463.83 106.68 56.07 2 Turbine H91 608.12 139.87 73.51 3 Turbine H135 719.81 165.56 87.02 4 Turbine H180 809.94 186.29 97.91 5 Turbine H224 883.72 203.26 106.83 6 Turbine H266 943.22 216.94 114.02 7 Turbine H303 990.65 227.85 119.76 Total 5419.28 1246.43 655.13 Turbine H50 9% Turbine H91 11% Turbine H135 13% Turbine H180 15%Turbine H224 16% Turbine H266 18% Turbine H303 18%
  • 42. CONCLUSIONI ANALISI CFD 2D – 3D DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION41 -12.25 40.21 8.24 2.13 19.49 12.05 +X - X +Y INCREMENTO/DECREMENTO DI VELOCITA’ ANALISI 3D ANALISI 2D Rispetto alle previsioni fatte nel corso del processo di morfogenesi, l’effetto dell’edificio sul flusso si è dimostrato a tratti diverso. Ciò è dipeso principalmente dalle ampie differenze che contraddistinguono un flusso bidimensionale da un flusso tridimensionale. Come futuro ambito di ricerca, si potrebbe studiare un’implementazione di analisi CFD tridimensionali già dalla fase di morfogenesi.
  • 43. CONCLUSIONI ADATTABILITA’ DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION42 L’utilizzo di algoritmi parametrici ha garantito un elevato grado di connessione tra le varie fasi del progetto, nonché una notevole automazione nei confronti delle modifiche relative ad ogni fase. Soffermandosi sui soli aspetti strutturale ed energetico, la semplice modifica delle condizioni iniziali è l’unica operazione da effettuare per ottenere una configurazione di edificio adatta ad un diverso contesto.
  • 44. GRAZIE PER L’ATTENZIONE DIGITAL BIOMIMETIC MORPHOGENESIS OF A HIGH-RISE BUILDING WITH RESPECT TO WIND ENERGY PRODUCTION