Efficity Sistemi energetici efficienti per distretti urbani intelligenti
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%
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
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
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
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.