Fernando Fraternali

University of Salerno - University of California San Diego Scientific and Technologic Cooperation

Innovative Structures for Energy Efficient Buildings

The research project "INNOVATIVE STRUCTURES FOR ENERGY EFFICIENT BUILDINGS" has been granted by the Italian Ministry of Foreign Affairs and International Cooperation, within the 2014-2015 call "Science and Technology Cooperation between Italy and the United States of America".

The project develops collaborative research between the Department of Civil Engineering of the University of Salerno (DICIV/UNISA) and the Department of Mechanical and Aerospace Engineering of the University of California at San Diego (MAE/UCSD). The Principal Investigator of the UNISA unit is Fernando Fraternali, while the P.I. of the UCSD unit is Mauricio de Oliveira. The UNISA unit includes several affiliated faculty members of DICIV.

The granted project for the years 2014 and 2015 deals with the design of novel "responsive architectures" for a special class of Energy Efficient Buildings, which make use of innovative structures at different levels (primary and secondary structures) in order to respond to the natural environment by changing their mechanical and Heating, Ventilating and Air Conditioning (HVAC) properties.

The examined energy efficient buildings are composed of a core structure, and an external structure (shell structure). The latter is obtained by assembling elementary tensegrity units. The rigid bodies composing such units consist either of 1D struts, or 2D/3D solid elements of various shape and material (floor slabs, airfoil ribs, solar panels, acoustical panels, etc.). The tensile elements instead consist of cables of various dimensions. Each unit is equipped with sensors and actuators in correspondence with selected elements, which are connected by wires or wireless devices to a data transfer system. Its operation is controlled by external motors and generators, or by a single apparatus that alternatively works as generator or motor. The unit operates in two basic regimes: energy harvesting mode (EH mode), and control mode (CT mode). In the EH mode, the elongation of the cables rotates the external generator, and creates power to be used for the operation of the building. In the CT mode, the external motor instead suitably adjusts the tension of the cables and/or the length or the orientation of the rigid elements, by controlling the actuators inserted into the unit.

Physical models of the structures investigated by the project have been either completely or partially fabricated through additive manufacturing during the second year of the project. The final experimental validation phase has investgated the mechanical response and the control of such models. It has permitted an evaluation of the scalability of the proposed solutions, and the associated economic benefits.

The final Workshop of the project has been hosted by the TENSEGRITY session of the "XXV Italian Steel Days" (Vietri sul Mare, Salerno, 1-3 Ottobre 2015), chairs: Prof. Fernando Fraternali and Robert E. Skelton, see the Session Program. The Workshop has been attended by researchers of the partner Universities of Salerno and California at San Diego, and several international researchers.

Cooperazione Scientifico - Tecnologica tra l'Universita' di Salerno e la University of California San Diego

Strutture Innovative per Edifici Energeticamente Efficienti

Il Progetto di ricerca "STRUTTURE INNOVATIVE PER EDIFICI ENERGETICAMENTE EFFICIENTI" e' stato co-finanziato dal Ministero degli Affari Esteri e della Cooperazione Internazionakle, nell'ambito delle calls 2014-2015 per "Progetti di Grande Rilevanza", Cooperazione Scientifico-Tecnologica tra Italia e USA.

Il Progetto e' in collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Civile dell'Universita' degli Studi di Salerno ed il "Department of Mechanical and Aerospace Engineering" della University of California San Diego.

Il Responsabile Scientifico Italiano e' il Prof. Fernando Fraternali, mentre il Responsabile Scientifico USA e' il Prof. Mauricio de Oliveira. L'unita' di ricerca italiana include diversi docenti e ricercatori afferenti al Dipartimento di Ingegneria Civile dell'Universita' di Salerno.

La ricerca finanziata per gli anni 2014 e 2015 riguarda uno studio sistematico di review e proposte di progettazione innovative in merito a strutture di nuova generazione per edifici energeticamente efficienti, che siano in grado di rispondere dinamicamente all'ambiente esterno, cambiando le loro proprieta' meccaniche, di riscaldamento, di ventilazione e di condizionamento dell'aria.

Sono state progettate strutture con capacita' di "morphing" da impiegare come gusci dunamicamente adattabili di edifici ad elevata efficienza energetica. Particolare attenzione e' stata rivolta a gusci basati su strutture reticolari di tipo "tensegrity".

La ricerca ha avuto inizio con la realizzazione di studi sulla costruzione e sulla modellazione del comportamento meccanico delle strutture oggetto d'indagine. Tali studi, che sono stati pubblicati su riviste scientifiche a diffusione internazionale, hanno investigato la risposta di elementi modulari tensegrity a sollecitazioni di tipo meccanico e la progettazione di strutture "a ponte" leggere da utilizzare per il sostegno di coperture di pannelli solari.

Le successive attivita' hanno riguardato la progettazione di uno schema di facciata solare attiva basata su unita' tensegrity che supportano dei pannelli solari e/o pannelli insonorizzanti. Tali unita' sono controllate attraverso la messa in tensione ed il rilascio di opportuni cavi della struttura e sono utilizzate per orientare i pannelli solari verso il sole; per regolare dinamicamente lo spessore di pareti ventilate e/o per la costruzione di innovativi generatori microeolici di nuova generazione. Questi ultimi convertono in energia elettrica l'energia di deformazione immagazzinata nei cavi della struttura sotto l'azione del vento. L'allungamento dei cavi indotto dal flusso del vento consente di ativare, infatti, un generatore esterno, creando energia elettrica da utilizzare per il funzionamento dell'edificio.

Sono state anche progettate schermature solari tensegrity ispirate al sistema di ombreggiatura noto con il nome di "mashrabiya". Gli elementi modulari di tali schermature hanno una forma ad ombrello, rimangono aperti durante la notte e vengono progressivamente chiusi durante le ore del giorno. Il controllo del grado di apertura/chiusura dei pannelli viene effettuato attraverso la variazione di tensione di cavi selezionati dei moduli tensegrity. Il meccanismo di apertura/chiusura degli schermi "mashrabiya" utilizza energie rinnovabili derivanti da pannelli fotovoltaici e/o generatori microeolici.

La ricerca svolta nell'annualita' 2015 ha condotto a realizzare fisici e virtuali in scala ridotta (mediante stampa 3D) delle strutture progettate nel corso del primo anno, sottoposti a test di funzionamento in laboratorio o all'aperto (in condizioni di esercizio). Sono stati realizzati, in particolare, modelli in scala ridotta di facciate solari tensegrity, al fine di valutare le effettive capacita' di inseguimento solare dei moduli tensegrity e di valutare la produzione netta di energia, i costi di gestione, la scalabilita' delle soluzioni proposte ed i relativi benefici economici.

Il Workshop conclusivo del progetto e' stato realizzato nell'ambito della Sessione TENSEGRITY delle XV GIORNATE ITALIANE DELLA COSTRUZIONE IN ACCIAIO ("XXV Italian Steel Days", Vietri sul Mare, Salerno, 1-3 Ottobre 2015), che ha visto come chairman il responsabile italiano, Prof. Fernando Fraternali, ed un rappresentante della sede USA consorziata, Prof. Robert E. Skelton (vedi il Programma della Sessione). Al Workshop hanno partecipato diversi ricercatori impegnati nel progetto ed afferenti all'Universita' degli Studi di Salerno ed alla University of California, San Diego, oltre a ricercatori e studiosi di diversi sedi italiane ed internazionali.