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Le analisi multifisiche aiutano a proteggere il nostro passato

C’è sempre un margine di miglioramento per le cose create da noi esseri umani, e non vi è nulla di più vero se pensiamo al cosiddetto “ambiente costruito”, termine usato per indicare lo spazio fisico edificato dall’uomo, in cui viviamo, lavoriamo e trascorriamo il nostro tempo libero.
L’ambiente costruito include qualsiasi cosa, dalle grandi aree metropolitane fino agli edifici privati, i parchi, le strade e tutte le infrastrutture con cui abbiamo a che fare nel corso della nostra vita.

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La Termotecnica, ottobre 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




Estratto del testo
aziende & dintorni Aziende & Dintorni A&D 20 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 C' sempre un margine di miglioramento per le cose create da noi
esseri umani, e non vi nulla di pi vero se pensiamo al cosiddetto
'ambiente costruito', termine usato per indicare lo spazio fisico edi-
ficato dall'uomo, in cui viviamo, lavoriamo e trascorriamo il nostro
tempo libero.
L'ambiente costruito include qualsiasi cosa, dalle grandi aree me-
tropolitane fino agli edifici privati, i parchi, le strade e tutte le in-
frastrutture con cui abbiamo a che fare nel corso della nostra vita.
Sebbene spesso non lo percepiamo come uno spazio dinamico,
l'ambiente costruito viene continuamente influenzato da una miriade
di processi legati a diversi fenomeni fisici, come il trasferimento di
calore, i flussi d'aria e il trasporto di umidit, che si verificano su
scale diverse (Figura 1).
La capacit di modellare e simulare con precisione questi processi
pu portare miglioramenti significativi in molti ambiti rilevanti, come
l'efficienza energetica, la salute e la sicurezza, i costi di gestione, la
durata nel tempo e, in particolare, la conservazione del patrimonio
storico.
Profondamente impegnato in questo lavoro Jos van Schijndel,
fondatore dell'azienda di consulenza CompuToolAble, con sede in
Olanda, e professore assistente alla Eindhoven University of Techno-
logy, dove specializzato in modellazione matematica della fisica
delle costruzioni.
'Per me fonte di gioia e di energia lavorare su progetti che non solo coinvolgono ricerche all'avanguardia, ma sono anche importanti
per la societ e possono essere d'ispirazione per i miei studenti,'
racconta van Schijndel. 'Ho creato CompuToolAble per mettere a
disposizione dei clienti la nostra esperienza nell'ambito della mate-
matica avanzata e degli strumenti computazionali e per offrire l'op-
portunit di eseguire esperimenti numerici complessi, che consentano
di realizzare progetti innovativi e ottimizzarne la performance.'
Nella sua attivit di consulente e docente, van Schijndel ha spesso la
necessit di rendere accessibili idee complesse ai suoi clienti, che non
sono esperti di simulazione, o ai suoi studenti, che stanno ancora im-
parando a modellare e simulare. Come utente del software COMSOL
Multiphysics, van Schijndel pu sfruttare l'Application Builder, che gli
permette di costruire interfacce utente intuitive basate su un modello
realizzato in COMSOL. Questo gli consente di collaborare in modo
efficace, in qualit di esperto di simulazione, con clienti e colleghi di
altre organizzazioni e dipartimenti. Le app semplificano l'uso della simulazione numerica
Ai suoi clienti van Schijndel offre la possibilit di effettuare analisi
numeriche e test tramite queste interfacce utente personalizzate, dette
anche 'app', costruite a partire da modelli realizzati in COMSOL.
Per un utente che non ha mai usato prima un software di simulazione
o che non ha il background tecnico per creare un modello, le app
rendono pi semplice eseguire test virtuali su diverse modifiche di COMSOL - Le analisi multifisiche aiutano
a proteggere il nostro passato Studenti e consulenti collaborano per migliorare l''ambiente costruito' e salvaguardare strutture e manufatti storici grazie alle app di simulazione. COMSOL - www.comsol.it a cura di Comsol FIGURA 1 - Da sinistra a destra, le immagini mostrano le diverse scale di strutture che riguardano l'ambiente
costruito, da vaste distese territoriali fino ai materiali utilizzati per realizzare una finestra
A&D Aziende & Dintorni 21 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 progetto basate su esigenze specifiche.
In ambito universitario, van Schijndel usa lo stesso software per
introdurre gli studenti alla simulazione multifisica e alla progetta-
zione di app. L'uso delle app di COMSOL offre agli studenti una
iniziale via d'accesso alle analisi numeriche e ai sistemi fisici, prima
di procedere alla costruzione da zero dei propri modelli. Una volta
raggiunta una sufficiente familiarit con i concetti e le tecniche di
modellazione, possono infine creare le proprie app con l'Application
Builder, ampliando ulteriormente le proprie conoscenze e le capacit
generali di analisi.
'L'Application Builder molto importante per me, in due modi diver-
si,' spiega van Schijndel. 'In universit, una sfida continua motivare
gli studenti a usare la propria creativit e il proprio ingegno, prima
che si 'immergano' troppo in profondit nella modellazione mate- matica. Ora, per, posso realizzare facilmente app di simulazione
coinvolgenti, costruite unicamente con le caratteristiche che voglio
far esplorare ai miei studenti. Poi, solo dopo che hanno avuto l'op-
portunit di 'giocare' con le app per analizzare le fisiche coinvolte
e comprendere gli effetti prodotti da diverse modifiche, possiamo
inoltrarci nei dettagli del lavoro'.
'Per quanto riguarda il contesto aziendale,' continua van Schijndel, 'capita spesso che qualcuno abbia bisogno di simulazioni numeriche
per valutare l'impatto dei processi fisici sui propri prodotti, pur non
avendo sufficiente esperienza o interesse nella costruzione diretta
dei modelli. Con l'Application Builder posso creare un'interfaccia
utente specifica basata su modelli numerici avanzati e fornire a
queste persone solo i parametri di loro interesse. Questo preserva
anche dal rischio di errori, perch lavoriamo tutti dallo stesso punto
di partenza.' Una app pu essere utilizzata da chiunque ne abbia
bisogno, tramite un web browser o un client scaricabile che permette
di collegarsi a COMSOL Server (come mostrato dal particolare della
app, nello screenshot in Figura 3). Le analisi multifisiche aiutano a conservare il patrimonio storico
Quando si ha a che fare con la conservazione di edifici storici e dei
manufatti che essi contengono (Figura 2), imperativo esaminare
l'impatto combinato del trasferimento di calore, del flusso d'aria e
del trasporto di umidit, per riuscire a mitigare gli effetti deleteri di
questi fenomeni. Livelli fluttuanti di temperatura e umidit possono
intensificare gli sforzi e le deformazioni cui oggetti e strutture stori-
che sono sottoposti, e che a loro volta possono portare a distorsioni,
rotture, variazione di dimensioni e danni di altro genere. Avere una
migliore comprensione delle dinamiche di questi processi e di come
essi si verificano pu aiutare a rendere pi efficaci gli interventi di
conservazione.
Van Schijndel ha creato e supervisionato la creazione di molti modelli
COMSOL riferiti alla conservazione degli edifici e dei manufatti stori-
ci, in stretta collaborazione con il collega Henk Schellen, professore
associato in Fisica dei Monumenti. Per esempio, una studentessa di
dottorato, Zara Huijbregts, ha usato l'Heat Transfer Module, prodotto
aggiuntivo di COMSOL Multiphysics, per simulare il modo in cui la
luce solare che passa attraverso le finestre pu riscaldare il pavimento
e le pareti di una stanza in diversi momenti di una giornata (Figura 4).
La simulazione combinava trasferimento termico per conduzione
attraverso le pareti dell'edificio, per convezione dell'aria interna e
per irraggiamento. Oltre a includere le diverse superfici della stanza
e le facciate dell'edificio, il modello teneva in considerazione anche
gli effetti di raffreddamento prodotti dalle ombre esterne.
I risultati consentivano di prevedere la temperatura di ciascuna su-
perficie in diversi momenti del giorno, indicando le zone pi adatte FIGURA 2 - A sinistra, il Castello di Amerongen un
esempio di struttura storica soggetta nel tempo agli
effetti potenzialmente dannosi di sollecitazioni dovute
al calore e all'umidit. Questo riguarda sia l'edificio
stesso sia i tesori che il castello contiene, come la
porta dell'armadio sulla destra (fonte: Rijksmuseum
Amsterdam)
FIGURA 3 - Gli utenti
delle app possono
esplorare una variet
di progetti e ipotesi
operative, come
diversi parametri
della geometria o
differenti propriet
dei materiali
FIGURA 4 - Simulazione numerica, realizzata con
il software COMSOL, della distribuzione della
temperatura sul pavimento e sulle pareti di una stanza
in diversi momenti del giorno. Il calore proviene
dall'irraggiamento solare che passa attraverso le
finestre quando la luce entra nella stanza
aziende & dintorni Aziende & Dintorni A&D 22 LA TERMOTECNICA OTTOBRE 2017 per proteggere gli oggetti 'sensibili' dai danni dovuti alla luce solare
e al calore. ' estremamente importante conoscere con esattezza
questa distribuzione della temperatura, in modo, per esempio, da
poter appendere i dipinti nelle zone in cui saranno meno colpiti dal
riscaldamento solare,' osserva van Schijndel.
Il danno provocato dall'umidit un altro problema rilevante che
pu compromettere pareti, fabbricati, tetti e suppellettili. Poich
nelle strutture pi antiche non sempre chiaro come l'umidit possa
penetrare in un edificio o in una stanza, van Schijndel usa talvolta
COMSOL Multiphysics come strumento di indagine.
'L'idea quella di dedurre come l'umidit potrebbe penetrare ese-
guendo simulazioni multifisiche che includono la misurazione dell'u-
midit relativa in molte zone diverse. Aree con un'elevata umidit
relativa rappresentano un indizio su come si verifichi il trasporto di
massa dell'umidit; noi associamo questa informazione alle simula-
zioni di trasferimento di calore, perch il calore che determina la
distribuzione dell'umidit,' racconta van Schijndel.
Van Schijndel ha sviluppato un modello COMSOL del trasporto di
umidit su una parete con infiltrazioni visibili vicino alla finestra. Il
suo modello gli ha permesso di dedurre da dove proveniva l'umidit
(Figura 5). Insieme ai suoi studenti, ha usato questa tecnica per mo-
dellare i ponti termici usando diversi materiali, per analizzare come
il posizionamento del materiale isolante influenzi il trasferimento di
calore dall'interno all'esterno di un edificio e per comprendere come
l'umidit si propaghi attraverso i diversi materiali da costruzione,
quali cemento, pietra e materiali isolanti (Figura 5).
Dal momento che temperatura e umidit sono tra le cause principali
di sforzi e sollecitazioni su oggetti preziosi come i dipinti storici, l'a- bilit di accoppiarle in un modello con precisione pu portare a una
migliore previsione del danno possibile. Il modello di Van Schijndel
calcola la distribuzione della temperatura sulla parete e sul dipinto,
cos come i relativi cambiamenti di umidit (Figura 6).
'Le strutture storiche stanno fronteggiando minacce senza precedenti
alla propria integrit, a causa di cambiamenti climatici, crescita
dell'urbanizzazione e altri fattori. Nello stesso tempo, le norme che
regolano la loro conservazione non sono mai state cos severe, per-
ch preservare l'eredit del passato un vantaggio per la societ',
spiega van Schijndel. 'La possibilit di usare strumenti sofisticati di
modellazione e simulazione, come COMSOL, una delle principali
risorse che abbiamo a disposizione per rispettare queste norme'. FIGURA 6 - Entrambe le immagini mostrano
simulazioni, realizzate in COMSOL, della sezione
trasversale di una parete su cui appeso un dipinto.
L'immagine a sinistra mostra la distribuzione
della temperatura sulla parete e sul dipinto in un
determinato momento, mentre l'immagine sulla destra
mostra la velocit di variazione dell'umidit relativa
sulla parete e sul dipinto nello stesso momento.
Questo modello pu aiutare a prevedere sollecitazioni
e deformazioni su edifici e manufatti storici, offrendo
agli esperti le informazioni necessarie per adottare le
misure pi opportune volte ad attenuare il danno
FIGURA 7 - Da sinistra a destra: Henk Schellen,
Zara Huijbregts, e Jos van Schijndel
FIGURA 5 - Per
comprendere il
trasporto di umidit,
che pu causare
danni come quello
rappresentato qui
a sinistra, van
Schijndel ha creato un
modello in COMSOL
che accoppia con
precisione il trasporto
di calore e di umidit
attraverso una parete
(sotto)


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