On the mechanical modeling of the extreme softening/stiffening response of axially loaded tensegrity prisms

We study the geometrically nonlinear behavior of uniformly compressed tensegrity prisms, through fully elastic and rigid--elastic models. The presented models predict a variety of mechanical behaviors in the regime of large displacements, including an extreme stiffening-type response, already known in the literature, and a newly discovered, extreme softening behavior. The latter may lead to a snap buckling event producing an axial collapse of the structure. The switching from one mechanical regime to another depends on the aspect ratio of the structure, the magnitude of the applied prestress, and the material properties of the constituent elements. We discuss potential acoustic applications of such behaviors, which are related to the design and manufacture of tensegrity lattices and innovative phononic crystals

Parametric Design of Minimal Mass Tensegrity Bridges Under Yielding and Buckling Constraints

This paper investigates the use of the most fundamental elements; cables for tension and bars for compression, in the search for the most efficient bridges. Stable arrangements of these elements are called tensegrity structures. We show herein the minimal mass arrangement of these basic elements to satisfy both yielding and buckling constraints. We show that the minimal mass solution for a simply-supported bridge subject to buckling constraints matches Michell's 1904 paper which treats the case of only yield constraints, even though our boundary conditions differ. The necessary and sufficient condition is given for the minimal mass bridge to lie totally above (or below) deck. Furthermore this condition depends only on material properties. If one ignores joint mass, and considers only bridges above deck level, the optimal complexity (number of elements in the bridge) tends toward infinity (producing a material continuum). If joint mass is considered then the optimal complexity is finite. The optimal (minimal mass) bridge below deck has the smallest possible complexity (and therefore cheaper to build), and under reasonable material choices, yields the smallest mass bridge.Comment: 56 pages, 25 figures, 13 tables. Internal Report 2014-1: University of California, San Diego, 201

The End-use Electric Energy Consumption in Urban Areas: A GIS-based methodology. An application in the city of Naples.

This work is part of the scientific research sector concerning the Government of Urban and Territorial Transformations in order to promote efficiency and reduction of energy consumption in urban areas. The contribution proposes a further deepening of the research work already carried out under the project Pon "Smart Energy Master" by the research group of the Laboratory of Territory, Mobility and Environmental (TeMA Lab) of Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, University of Naples Federico II. The aim is to assist public authorities, that also deal with the Urban Energy Governance, in determining the quantitative distribution of domestic and non-domestic electric energy consumption. Toward this goal, we use the Big Data, the Open Data and the Geographic Information System (GIS) techniques. In particular, this work developed a innovative GIS-based methodology that allows the knowledge, classification and representation of real electric energy consumption at micro scale for the domestic and non-domestic. Also, we validate the GIS-based methodology by an application at the city of Naples. We used the electric energy consumption data of year 2011 were given by Municipality Authority and Italian Revenue Agency. This will allow the identification of the electric energy problems present in the area of analysis in order to plan any intervention strategies. This contribution is divided into three main parts. In the first part, an analysis of the scientific literature is proposed on the theme of the Government of urban and territorial transformations and opportunities arising by Big Data, Open Data and GIS in the reduction of electric energy consumption. The second part explains the theoretical and technical phases that led to the development of the GIS-based methodology. In the last part, the application of the GIS-based methodology at the City of Naples is described

Age Inequalities of Accessibility to Essential Urban Services. The Case Study of Primary Health Care in the City of Milan for Older People.

The population in urban areas is getting older because of a significant demographic change. In 2019, the OECD indicates that the share of people aged over 65 reached 17.8% and is expected to climb to 25.1% in 2050. Older people present age-associated limitations that influence mobility capacities with the occurrence of social isolation, loneliness, and depression. Moreover, aging is associated to an increased vulnerability and dependence on medical care services. Since everyone should have the opportunity to access to essential services equally, especially people who need them the most, to accomplish practices and maintain relationships that people take to be necessary for normal social participation. Hence, more age-friendly approaches are needed to shape ageing cities. In this study, a GIS-based procedure was developed in order to assess accessibility to primary healthcare services and to support decision-makers to better allocate resources, for local welfare policies restructuring. The accessibility measure considers the local healthcare provision, the land use structure and the characteristic of the multimodal transportation network. The methodology was applied to the city of Milan, con- sidering its Health Protection Agency (ATS) that provides healthcare assistance to the elderly dwelling in the city. The outputs show that entire neighbourhoods’ elderly population suffers from very poor accessibility to primary health services, especially in the city suburbs, and that the methodology could be effective in urban planning strategies to promote better quality of life for the elderly

Il Governo Integrato Trasporti-Territorio per la sostenibilità delle aree urbane: Lo sviluppo di una metodologia GIS per l’analisi spaziale.

Il lavoro di ricerca si inserisce nel filone scientifico del Governo Integrato Trasporti-Territorio per la sostenibilità delle aree urbane. Le relazioni tra l’organizzazione spaziale del sistema urbano e i sistemi di trasporto sono molto complesse e non ancora completamente analizzate. In questo ambito, molti aspetti sono ancora da approfondire, in relazione ai fattori che condizionano le relazioni tra questi due sottosistemi, come ad esempio l’utilizzo sostenibile della risorsa suolo, gli effetti della transizione verso sistemi di trasporto meno inquinanti, la crisi economica e le questioni connesse alla necessità di una maggiore equità dei trasporti. La finalità di questo lavoro di ricerca è di definire e quantificare gli impatti sull’uso del suolo e sui sistemi socio-economici verificatisi in seguito all’applicazione di politiche di sviluppo integrato Trasporti-Territorio, in modo da poter supportare i decisori e i tecnici nella valutazione dello stato di attuazione delle politiche di sviluppo integrato già avviate. Questo consentirà adeguata conoscenza delle dinamiche evolutive, al fine di facilitare la localizzazione e la tipologia di interventi da poter realizzare successivamente. In particolare, l’obiettivo è mettere a punto una procedura standardizzata di analisi spaziale ex-post, in ambiente GIS, in grado di quantificare gli impatti sull’uso del suolo e sulla struttura socio-economica nelle aree di stazione, a livello macro e micro, che si sono verificati a seguito dell’integrazione tra la realizzazione sia di nuove linee e stazioni di trasporto su ferro urbano sia d’interventi di riqualificazione e trasformazione urbana. La ricerca è stata articolata in tre principali fasi di lavoro, svolte nel corso del ciclo di dottorato, che sono: (i) Lo Stato dell’Arte. Lo studio della letteratura scientifica di riferimento inerente il tema dell’integrazione Trasporti-Territorio nelle aree urbane e l’impiego dei nuovi strumenti GIS e degli Open Data; (ii) La Metodologia. La definizione di una metodologia per l’analisi spaziale in ambiente GIS, in grado di quantificare gli impatti, sull’uso del suolo e sulla struttura socio-economica, che si sono generati in seguito ad interventi di trasformazione urbana integrati Trasporti-Territorio; (iii) L’Applicazione. L’individuazione e l’analisi dell’area di studio della città di Napoli, al fine di testare la procedura sviluppata e di studiare lo stato d’avanzamento delle politiche di sviluppo integrato e i possibili interventi futuri. A conclusione del lavoro svolto nelle tre frasi e alla luce dei risultati emersi, con lo sviluppo della metodologia e la sua applicazione al caso studio della Città di Napoli, è stato possibile conseguire due principali avanzamenti tecnico-scentifici. Il primo riguarda lo sviluppo della metodologia GIS per l’analisi spaziale che tramite l’implementazione ex-novo di un tool GIS, consentirà ai tecnici e/o studiosi l’applicazione anche ad altri contesti urbani, in modo da poter verificare lo stato d’attuazione delle politiche integrate ed avviare la successiva programmazione di nuovi interventi. Il secondo avanzamento riguarda l’applicazione della metodologia GIS al territorio comunale di Napoli, che ha permesso di valutare come e se le politiche integrate sviluppate negli ultimi venti anni, hanno avuto un impatto sull’uso del suolo e i sistemi socio-economici nelle aree interessate dagli interventi di trasformazione previsti dalle amministrazioni locali. Tali risultati costituiscono un bagaglio conoscitivo a disposizione dei decisori pubblici, dei tecnici e degli studiosi, utile ad individuare le possibili aree d’intervento, così da poter mettere a punto nuovi piani e progetti di trasformazione integrata Trasporti-Territorio che permettono di migliorare ulteriormente la sostenibilità ambientale, economica e sociale dell’area di studio

La smartness e la competitività della città resiliente. Sfide e minacce per le città del ventunesimo secolo

[Italiano]:Le numerose e complesse sfide economiche, sociali e ambientali che dovranno essere affrontare nei prossimi decenni nell’ambito del governo delle trasformazioni urbane e territoriali richiederanno l’impiego di nuovi approcci in grado di orientare lo sviluppo dei contesti territoriali verso una sostenibilità sociale, economica e ambientale. Le scelte e gli interventi di trasformazione dovranno garantire un’adeguata qualità della vita ai cittadini e favorevoli condizioni per lo sviluppo delle attività economiche e sociali. Tra le sfide che le città dovranno affrontare nei prossimi anni vi è quella della crescita della popolazione urbana. Le proiezioni demografiche prevedono che nei prossimi decenni vi sarà un ulteriore incremento della popolazione mondiale che interesserà principalmente le aree urbane. Queste previsioni sottolineano ancor di più la necessità d’intervenire in maniera prioritaria nelle città al fine di ridurre gli effetti delle possibili minacce che possono verificarsi a seguito di eventi critici improvvisi di natura antropica e naturale. Negli ultimi anni, i governi nazionali e locali hanno programmato d’investire ingenti risorse economiche per lo sviluppo e la realizzazione d’interventi in grado di affrontare alle possibili criticità dei sistemi urbani. Nell’ambito del governo delle trasformazioni urbane uno degli approcci più utilizzati per migliorare la capacità di risposta dei sistemi urbani al verificarsi di sollecitazioni esterne fa riferimento al paradigma della resilienza intesa come la capacità di un sistema, di una comunità o di una società esposta a pericoli di resistere, assorbire, adattarsi e riprendersi dagli impatti di un evento calamitoso in modo tempestivo ed efficiente, anche attraverso la conservazione e il ripristino delle sue strutture e funzioni di base essenziali. L’implementazione di soluzioni orientate al miglioramento della resilienza urbana risulta ormai essenziale per ridurre i possibili impatti economici, sociali ed ambientali dovuti ad eventi critici che possono interessare le città. Inoltre, l’impiego di questo approccio può offrire una maggiore sicurezza ai cittadini e alle attività economiche, sia in condizioni ordinarie che in condizioni d’emergenza. Il soddisfacimento di questa esigenza è ormai diventato un elemento fondamentale nella competizione tra i diversi contesti territoriali ed in particolare tra le città. Gli studi più recenti sulla competitività urbana evidenziano come il tema dello sviluppo della resilienza urbana è diventato un aspetto imprescindibile nel valutare le capacità competitive dei diversi contesti territoriali. La messa a punto e l’implementazione d’interventi orientati a rendere le città resilienti non possono prescindere dall’impiego di soluzioni, fisiche e funzionali, di tipo smart che ormai costituiscono un supporto essenziale nel migliorare la capacità di risposta che le città e le sue componenti sono in grado di offrire al verificarsi di sollecitazioni interne ed esterne. Rendere una città resiliente richiede la realizzazione d’interventi, infrastrutturali e organizzativi, complessi che devono considerare la molteplicità e la dinamicità delle componenti urbane coinvolte e che quindi non possono prescindere dall’impiego delle più recenti tecnologie, hardware e software. Intervenire sulla resilienza urbana può consentire alle città di conseguire anche un migliore livello di smartness. ln questo ampio dibattito scientifico si inseriscono gli approfondimenti e le considerazioni raccolte in questo volume. In particolare, la finalità di questo lavoro è approfondire le tematiche connesse alle sfide che le città dovranno affrontare nei prossimi decenni per garantire un’adeguata qualità della vita ai cittadini, evidenziando come l’impiego di un approccio resiliente può migliorare la risposta che questi contesti territoriali al verificarsi di situazioni di criticità. Vengono studiati nel dettaglio i temi della competitività territoriale e della smartness urbana all’interno di un nuovo modo di pensare scientifico, tecnico e culturale che fa della resilienza il paradigma di riferimento primario. Ciò al fine di comprendere quanto lo sviluppo resiliente è in grado di supportare sia il miglioramento della capacità di una città di competere con altri contesti territoriali, sia di favorire il conseguimento di un adeguato livello di smartness urbana. L’obiettivo è quello di mettere a punto un quadro di riferimento scientifico, dettagliato e aggiornato, sulle principali esigenze e criticità che le città sono chiamate a fronteggiare e sulla necessità di promuovere l’utilizzo di un approccio orientato al miglioramento della resilienza urbana, nell’ottica di affrontare le sollecitazioni e i cambiamenti esterni ed interni che interessano questi contesti territoriali. In altre parole, si mettono in luce le relazioni che si possono instaurare tra lo sviluppo della città resiliente sia con la capacità di un sistema urbano di competere con altri contesti territoriali che con le potenzialità offerte dall’impego di soluzioni smart, fisiche e funzionali, in ambito urbano. ./[English]:The numerous and complex economic, social and environmental challenges that will have to be faced in the coming decades in the context of the governance of urban and territorial transformations will require the use of new approaches, capable of orienting development in a socially, economically and environmentally sustainable way. The choices and initiatives for change must guarantee an adequate quality of life for citizens and favourable conditions for the development of economic and social activities. Among the challenges that cities will have to face in the coming years is that of urban population growth. Demographic projections foresee that in the coming decades there will be a further increase in world population which will mainly affect urban areas. These forecasts further underline the need to intervene above all in cities, in order to reduce the effects of the potential threats that can occur as a result of unexpected critical events, both anthropogenic and natural. In recent years, national and local governments have planned to invest significant economic resources in the development and implementation of strategies capable of addressing possible weaknesses in urban systems. In the context of the governance of urban transformations, one of the most commonly used approaches for improving the capacity of urban systems to respond to external stressors refers to the resilience paradigm, understood as the capacity of a system, community or society to resist, absorb, adapt and recover from the impacts of a calamitous event in a timely and efficient manner, including through the preservation and restoration of its essential basic structures and functions. The implementation of solutions aimed at improving urban resilience is essential to reduce the possible economic, social and environmental impacts owing to the critical events that can affect cities. Furthermore, the use of this approach can offer greater security both to citizens and for economic activities, both in ordinary conditions and emergencies. The satisfaction of this need has now become a fundamental element of the competition between different territorial contexts and in particular between cities. The most recent studies on urban competitiveness highlight how the issue of developing urban resilience has become an essential aspect when evaluating the competitive capabilities of various territorial contexts. The development and implementation of interventions aimed at making cities resilient cannot disregard the use of physical and functional smart solutions, which now constitute an essential support in improving the response capacity of cities and their components to internal and external stresses. Making a city resilient requires the implementation of complex infrastructural and organizational interventions which must take into account the multiplicity and dynamism of the urban components involved, and which therefore must make use of the most recent technologies, hardware and software. Taking action on urban resilience can also enable cities to achieve a better level of smartness. The in-depth analysis and considerations brought together in this work are part of this broad scientific debate. In particular, the purpose of this work is to investigate the issues related to the challenges that cities will have to face in the coming decades in order to ensure an adequate quality of life for citizens, highlighting how the use of a resilient approach can improve the response of these territorial contexts in the event of critical situations. The issues of territorial competitiveness and urban smartness are studied in detail in the context of a new scientific, technical and cultural way of thinking which takes resilience as its primary reference paradigm. This is in order to understand how far resilient development is able both to support the improvement of a city's ability to compete with other territorial contexts, and to favour the achievement of an adequate level of urban smartness. The aim is to develop a detailed and up-to-date scientific reference framework regarding the main needs and critical events faced by cities, and the need to promote the use of an approach aimed at improving urban resilience, in the context of dealing with the external and internal stresses and changes which affect these territorial contexts. In other words, the study illustrates the relationships that can be established between the development of the resilient city and, on the one hand, the ability of an urban system to compete with other territorial contexts, and on the other, the potential offered by the use of smart, physical and functional solutions in an urban setting

On the mechanical modeling and the optimal design of tensegrity structures

2013 - 2014In this thesis, we investigate the use of the most fundamental elements; cables for tension and bars for compression, in the search for the most efficient bridges. Stable arrangements of these elements are called tensegrity structures. We show herein the minimal mass arrangement of these basic elements to satisfy both yielding and buckling constraints. We show that the minimal mass solution for a simply-supported bridge subject to buckling constraints matches Michell's 1904 paper which treats the case of only yield constraints, even though our boundary conditions differ. The necessary and sufficient condition is given for the minimal mass bridge to lie totally above (or below) deck. Furthermore this condition depends only on material properties. If one ignores joint mass, and considers only bridges above deck level, the optimal complexity (number of elements in the bridge) tends toward infinity (producing a material continuum). If joint mass is considered then the optimal complexity is finite. The optimal (minimal mass) bridge below deck has the smallest possible complexity (and therefore cheaper to build), and under reasonable material choices, yields the smallest mass bridge.XIII n.s

Il Governo Integrato Trasporti-Territorio per la sostenibilità delle aree urbane: Lo sviluppo di una metodologia GIS per l’analisi spaziale.

Il lavoro di ricerca si inserisce nel filone scientifico del Governo Integrato Trasporti-Territorio per la sostenibilità delle aree urbane. Le relazioni tra l’organizzazione spaziale del sistema urbano e i sistemi di trasporto sono molto complesse e non ancora completamente analizzate. In questo ambito, molti aspetti sono ancora da approfondire, in relazione ai fattori che condizionano le relazioni tra questi due sottosistemi, come ad esempio l’utilizzo sostenibile della risorsa suolo, gli effetti della transizione verso sistemi di trasporto meno inquinanti, la crisi economica e le questioni connesse alla necessità di una maggiore equità dei trasporti. La finalità di questo lavoro di ricerca è di definire e quantificare gli impatti sull’uso del suolo e sui sistemi socio-economici verificatisi in seguito all’applicazione di politiche di sviluppo integrato Trasporti-Territorio, in modo da poter supportare i decisori e i tecnici nella valutazione dello stato di attuazione delle politiche di sviluppo integrato già avviate. Questo consentirà adeguata conoscenza delle dinamiche evolutive, al fine di facilitare la localizzazione e la tipologia di interventi da poter realizzare successivamente. In particolare, l’obiettivo è mettere a punto una procedura standardizzata di analisi spaziale ex-post, in ambiente GIS, in grado di quantificare gli impatti sull’uso del suolo e sulla struttura socio-economica nelle aree di stazione, a livello macro e micro, che si sono verificati a seguito dell’integrazione tra la realizzazione sia di nuove linee e stazioni di trasporto su ferro urbano sia d’interventi di riqualificazione e trasformazione urbana. La ricerca è stata articolata in tre principali fasi di lavoro, svolte nel corso del ciclo di dottorato, che sono: (i) Lo Stato dell’Arte. Lo studio della letteratura scientifica di riferimento inerente il tema dell’integrazione Trasporti-Territorio nelle aree urbane e l’impiego dei nuovi strumenti GIS e degli Open Data; (ii) La Metodologia. La definizione di una metodologia per l’analisi spaziale in ambiente GIS, in grado di quantificare gli impatti, sull’uso del suolo e sulla struttura socio-economica, che si sono generati in seguito ad interventi di trasformazione urbana integrati Trasporti-Territorio; (iii) L’Applicazione. L’individuazione e l’analisi dell’area di studio della città di Napoli, al fine di testare la procedura sviluppata e di studiare lo stato d’avanzamento delle politiche di sviluppo integrato e i possibili interventi futuri. A conclusione del lavoro svolto nelle tre frasi e alla luce dei risultati emersi, con lo sviluppo della metodologia e la sua applicazione al caso studio della Città di Napoli, è stato possibile conseguire due principali avanzamenti tecnico-scentifici. Il primo riguarda lo sviluppo della metodologia GIS per l’analisi spaziale che tramite l’implementazione ex-novo di un tool GIS, consentirà ai tecnici e/o studiosi l’applicazione anche ad altri contesti urbani, in modo da poter verificare lo stato d’attuazione delle politiche integrate ed avviare la successiva programmazione di nuovi interventi. Il secondo avanzamento riguarda l’applicazione della metodologia GIS al territorio comunale di Napoli, che ha permesso di valutare come e se le politiche integrate sviluppate negli ultimi venti anni, hanno avuto un impatto sull’uso del suolo e i sistemi socio-economici nelle aree interessate dagli interventi di trasformazione previsti dalle amministrazioni locali. Tali risultati costituiscono un bagaglio conoscitivo a disposizione dei decisori pubblici, dei tecnici e degli studiosi, utile ad individuare le possibili aree d’intervento, così da poter mettere a punto nuovi piani e progetti di trasformazione integrata Trasporti-Territorio che permettono di migliorare ulteriormente la sostenibilità ambientale, economica e sociale dell’area di studio

Experimental investigation of the softening-stiffening response of tensegrity prisms under compressive loading

The present paper is concerned with the formulation of new assembly methods of bi-material tensegrity prisms, and the experimental characterization of the compressive response of such structures. The presented assembly techniques are easy to implement, including a string-first approach in the case of ordinary tensegrity prisms, and a base-first approach in the case of systems equipped with rigid bases. The experimental section shows that the compressive response of tensegrity prisms switches from stiffening to softening under large displacements, in dependence on the current values of suitable geometric and prestress variables. Future research lines regarding the mechanical modeling of tensegrity prisms and their use as building blocks of nonlinear periodic lattices and acoustic metamaterials are discussed