Thule is a project investigating the design of non-residential buildings in extreme climate environments, in the north-east of Iceland. The first phase of the project focuses on defining the architectural design of a science centre and its annexed facilities as research halls and a restaurant. An international architecture competition set the location and the scenario of this project. A summer and a winter inspection on-site have been conducted to evaluate the area. A panel of professors and professionals has been involved in the design phase of this project. The design concept of the science centre combines energy efficiency and respect of the surrounding nature of Iceland. Thule is located in the natural area of Mývatn, on the shore of the most famous lake of the country, consisting in a main building designated as science centre, surrounded by the guesthouses for travellers. From the North side, the building merges itself with the green grass of the countryside, while on the South side big windows rise imposing. This design choice comes from two ruling reasons: to maximize the energy and the incoming light and to clearly divide the residential area from public spaces. In the middle of the site, a truncated-cone structure arises from the ground, making itself visible from anywhere. Inside, a telescope allows the visitor to observe the night Sky. In the main building, a wide exhibition space encloses the sphere of the planetarium. The Western part of the building, hosting a restaurant and some research rooms, is characterized by a late-afternoon natural illumination. The building has been engineered through specific analysis in order to ensure the fulfilment of all the regulations and the highest standards of comfort. The urban planning and the SWOT technique highlighted the relevance of respecting the land. The introductory studies stood out the Icelandic most common materials and building techniques. The structural analysis allowed the design of a plate and a space-truss roof with high load values and span. The energy analysis, together with the light analysis, made possible to evaluate the energy consumption of the whole building. At the end, a low temperature geothermal system combined with a vertical-axes low power wind farm has been calculated. In the experimental phase, a high-performance innovative textile reinforced concrete (TRC), reinforced with a resistant glass fibre fabric, was developed and tested. Thanks to the innovative material, it was possible to study and test new thin panels for the façade. They are able to resist under high load value and long freezing – thawing cycles. Lastly, due to the particularity of the sun path in Iceland during the year, it was necessary to design an innovative dynamic façade. The smart glass is able to convert the direct visible light into a scattered light, but it allows the infrared wavelength to come inside. The effect is obtained using a thermotropic liquid crystal dissolved in polymeric material that are able to change their molecular order as a result of a thermal change. The alteration of the inner layout entails a change in the optical laws of transmission, refraction, and scattering, for each different wavelength of the incident light. The net internal floor area of the designed building is over 2500 square meters. It is consistent with the surrounding and it is highly energy performant and light efficient. The experimental phase has been concluded with excellent technical results and promising future development. A scientific paper publication has been taken into account. The project also raised the interest of the involved professionals and a future collaboration based on this research is assumed.

La tesi propone l’ideazione e il dimensionamento di un edificio ad uso non residenziale in climi estremi. La fase iniziale della ricerca ha visto lo sviluppo del progetto architettonico di un centro poli-scientifico con annesse funzioni secondarie quali servizi di ristoro e aule di ricerca. Il sito di studio, definito tramite un bando internazionale di architettura, si trova affacciato sul lago Mývatn, nell’Islanda nord-orientale. Tale sito è stato oggetto di un sopralluogo estivo e di uno invernale. Durante lo svolgimento del progetto sono stati coinvolti e consultati sia professori della facoltà sia professionisti del settore. Il centro poli-scientifico, denominato Thule, parte dai concetti di efficienza energetica e di rispetto del caratteristico ambiente naturale islandese. Esso si inserisce sulle rive del lago più famoso del Paese, circondato da un complesso di guest house per esploratori. Verso nord l’edificio si fonde completamente con il verde circostante, mentre si erge con imponenti vetrate sul lato meridionale. Questa scelta è stata dettata sia da valutazioni energetiche e illuminotecniche sia dalla volontà di separare nettamente l’ambiente pubblico da quello prettamente residenziale. Rimane sempre ben distinguibile nel paesaggio la struttura troncoconica che emerge dal terreno, destinata ad ospitare un telescopio astronomico per consentire lo studio dell’intera volta celeste. All’interno del centro poli-scientifico, un ampio ambiente espositivo su due piani si distribuisce attorno alla sfera del planetario. Il corpo ovest, illuminato maggiormente nelle tarde ore del pomeriggio, è adibito a servizio ristoro e ad aule di ricerca. Durante la fase di definizione progettuale, sono state sviluppate specifiche analisi per poter assicurare il soddisfacimento di tutte le normative e dei più alti livelli di comfort. L’analisi urbanistica e la tecnica SWOT hanno evidenziato l’importanza e il rispetto del territorio. Le indagini preliminari hanno fatto emergere i materiali tipicamente prodotti e utilizzati in Islanda, così come le particolari metodologie costruttive. L’analisi strutturale ha permesso di dimensionare piastre in calcestruzzo armato e coperture reticolari spaziali con luci e carichi elevati. L’analisi energetica, congiuntamente a quella illuminotecnica, ha permesso di calcolare il bilancio energetico. Successivamente si è dimensionato un sistema geotermico a bassa entalpia e un parco eolico ad asse verticale di bassa potenza. Dal punto di vista sperimentale si è inoltre sviluppata in laboratorio una matrice cementizia fibrorinforzata ad altissime prestazioni, armata con reti in fibra di vetro. Il risultato di tale studio ha permesso di realizzare in scala reale pannelli sottili che possano resistere ad alti valori di sforzo e, al contempo, a lunghi cicli di gelo e disgelo. In ultimo, la particolarità del percorso solare islandese ha richiesto lo sviluppo di facciate dinamiche che permettessero un controllo della sola frazione visibile della luce incidente, lasciando inalterata la frazione infrarossa. Ciò è stato ottenuto grazie all’utilizzo di particolari cristalli liquidi termotropici, in grado di cambiare il proprio ordine molecolare in base alla temperatura a cui sono sottoposti. Il mutamento del grado di ordine comporta una variazione delle leggi ottiche di trasmissione, riflessione e diffusione per diverse lunghezze d’onda della luce incidente. La costruzione così ottenuta consiste quindi in un complesso di oltre 2500 m2, organico con il proprio contesto ed estremamente performante dal punto di vista energetico ed illuminotecnico. La fase sperimentale è stata conclusa con ottimi risultati tecnici, tanto che se ne prospetta una possibile pubblicazione scientifica. Il progetto ha riscontrato l’interesse degli studi professionali interpellati, pertanto si ipotizza una futura collaborazione basata sugli elaborati proposti.

Thule. Studio di un polo scientifico ad alta efficienza energetica in Islanda con particolare attenzione all'utilizzo di involucri adattivi, materiali innovativi ed energie rinnovabili

PEGORIN, MATTEO;QUATTRONE, FRANCESCO;FONTANA, MASSIMO
2017/2018

Abstract

Thule is a project investigating the design of non-residential buildings in extreme climate environments, in the north-east of Iceland. The first phase of the project focuses on defining the architectural design of a science centre and its annexed facilities as research halls and a restaurant. An international architecture competition set the location and the scenario of this project. A summer and a winter inspection on-site have been conducted to evaluate the area. A panel of professors and professionals has been involved in the design phase of this project. The design concept of the science centre combines energy efficiency and respect of the surrounding nature of Iceland. Thule is located in the natural area of Mývatn, on the shore of the most famous lake of the country, consisting in a main building designated as science centre, surrounded by the guesthouses for travellers. From the North side, the building merges itself with the green grass of the countryside, while on the South side big windows rise imposing. This design choice comes from two ruling reasons: to maximize the energy and the incoming light and to clearly divide the residential area from public spaces. In the middle of the site, a truncated-cone structure arises from the ground, making itself visible from anywhere. Inside, a telescope allows the visitor to observe the night Sky. In the main building, a wide exhibition space encloses the sphere of the planetarium. The Western part of the building, hosting a restaurant and some research rooms, is characterized by a late-afternoon natural illumination. The building has been engineered through specific analysis in order to ensure the fulfilment of all the regulations and the highest standards of comfort. The urban planning and the SWOT technique highlighted the relevance of respecting the land. The introductory studies stood out the Icelandic most common materials and building techniques. The structural analysis allowed the design of a plate and a space-truss roof with high load values and span. The energy analysis, together with the light analysis, made possible to evaluate the energy consumption of the whole building. At the end, a low temperature geothermal system combined with a vertical-axes low power wind farm has been calculated. In the experimental phase, a high-performance innovative textile reinforced concrete (TRC), reinforced with a resistant glass fibre fabric, was developed and tested. Thanks to the innovative material, it was possible to study and test new thin panels for the façade. They are able to resist under high load value and long freezing – thawing cycles. Lastly, due to the particularity of the sun path in Iceland during the year, it was necessary to design an innovative dynamic façade. The smart glass is able to convert the direct visible light into a scattered light, but it allows the infrared wavelength to come inside. The effect is obtained using a thermotropic liquid crystal dissolved in polymeric material that are able to change their molecular order as a result of a thermal change. The alteration of the inner layout entails a change in the optical laws of transmission, refraction, and scattering, for each different wavelength of the incident light. The net internal floor area of the designed building is over 2500 square meters. It is consistent with the surrounding and it is highly energy performant and light efficient. The experimental phase has been concluded with excellent technical results and promising future development. A scientific paper publication has been taken into account. The project also raised the interest of the involved professionals and a future collaboration based on this research is assumed.
SERRA, VALENTINA
ZANI, GIULIO
ARC I - Scuola di Architettura Urbanistica Ingegneria delle Costruzioni
15-apr-2019
2017/2018
La tesi propone l’ideazione e il dimensionamento di un edificio ad uso non residenziale in climi estremi. La fase iniziale della ricerca ha visto lo sviluppo del progetto architettonico di un centro poli-scientifico con annesse funzioni secondarie quali servizi di ristoro e aule di ricerca. Il sito di studio, definito tramite un bando internazionale di architettura, si trova affacciato sul lago Mývatn, nell’Islanda nord-orientale. Tale sito è stato oggetto di un sopralluogo estivo e di uno invernale. Durante lo svolgimento del progetto sono stati coinvolti e consultati sia professori della facoltà sia professionisti del settore. Il centro poli-scientifico, denominato Thule, parte dai concetti di efficienza energetica e di rispetto del caratteristico ambiente naturale islandese. Esso si inserisce sulle rive del lago più famoso del Paese, circondato da un complesso di guest house per esploratori. Verso nord l’edificio si fonde completamente con il verde circostante, mentre si erge con imponenti vetrate sul lato meridionale. Questa scelta è stata dettata sia da valutazioni energetiche e illuminotecniche sia dalla volontà di separare nettamente l’ambiente pubblico da quello prettamente residenziale. Rimane sempre ben distinguibile nel paesaggio la struttura troncoconica che emerge dal terreno, destinata ad ospitare un telescopio astronomico per consentire lo studio dell’intera volta celeste. All’interno del centro poli-scientifico, un ampio ambiente espositivo su due piani si distribuisce attorno alla sfera del planetario. Il corpo ovest, illuminato maggiormente nelle tarde ore del pomeriggio, è adibito a servizio ristoro e ad aule di ricerca. Durante la fase di definizione progettuale, sono state sviluppate specifiche analisi per poter assicurare il soddisfacimento di tutte le normative e dei più alti livelli di comfort. L’analisi urbanistica e la tecnica SWOT hanno evidenziato l’importanza e il rispetto del territorio. Le indagini preliminari hanno fatto emergere i materiali tipicamente prodotti e utilizzati in Islanda, così come le particolari metodologie costruttive. L’analisi strutturale ha permesso di dimensionare piastre in calcestruzzo armato e coperture reticolari spaziali con luci e carichi elevati. L’analisi energetica, congiuntamente a quella illuminotecnica, ha permesso di calcolare il bilancio energetico. Successivamente si è dimensionato un sistema geotermico a bassa entalpia e un parco eolico ad asse verticale di bassa potenza. Dal punto di vista sperimentale si è inoltre sviluppata in laboratorio una matrice cementizia fibrorinforzata ad altissime prestazioni, armata con reti in fibra di vetro. Il risultato di tale studio ha permesso di realizzare in scala reale pannelli sottili che possano resistere ad alti valori di sforzo e, al contempo, a lunghi cicli di gelo e disgelo. In ultimo, la particolarità del percorso solare islandese ha richiesto lo sviluppo di facciate dinamiche che permettessero un controllo della sola frazione visibile della luce incidente, lasciando inalterata la frazione infrarossa. Ciò è stato ottenuto grazie all’utilizzo di particolari cristalli liquidi termotropici, in grado di cambiare il proprio ordine molecolare in base alla temperatura a cui sono sottoposti. Il mutamento del grado di ordine comporta una variazione delle leggi ottiche di trasmissione, riflessione e diffusione per diverse lunghezze d’onda della luce incidente. La costruzione così ottenuta consiste quindi in un complesso di oltre 2500 m2, organico con il proprio contesto ed estremamente performante dal punto di vista energetico ed illuminotecnico. La fase sperimentale è stata conclusa con ottimi risultati tecnici, tanto che se ne prospetta una possibile pubblicazione scientifica. Il progetto ha riscontrato l’interesse degli studi professionali interpellati, pertanto si ipotizza una futura collaborazione basata sugli elaborati proposti.
Tesi di laurea Magistrale
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