Multidimensional examination of Vertical Green Structures in a changing urban environment

The phenomenon of rapid urbanization has given rise to an array of challenges that accelerate a multitude of problems in urban areas. This merge of challenges encompasses a spectrum of concerns, spanning political, economic, social, technological, environmental, and legal (PESTEL) dimensions, making sustainability an obligation, and Nature-based Solutions (NbS) a pivotal approach. Among these solutions, Vertical Green Structures (VGS), a type of green infrastructure (GI), have gained prominence in the last decades. They hold the potential to effectively address requirements across these diverse dimensions. Within the landscape of urban areas, VGS play a significant role in tackling urban challenges, particularly in densely built and populated areas where limited horizontal space constrains the creation of additional green areas like parks and gardens. Anchored in this context, this Ph.D. thesis aims to examine the benefits and challenges of VGS within the spectrum of sustainability paradigms for resilient cities of the future. Concluding with insights drawn from the results, as well as the novel methodologies applied, the thesis underscores the complexity of VGS design, installation, and maintenance, proposing strategies to overcome associated challenges, and optimize the potential benefit. This interdisciplinary research enlightens VGS’s pivotal role in the intricate landscape of urban sustainability and resilience. From a political perspective, the thesis acknowledges the influence of government policies, regulations, and political actions on the implementation of VGS. From an economic point, thanks to thermal regulatory benefits, it contributes to reduce the energy cost for heating and cooling. Addressing social aspects, the thesis employs a questionnaire distributed among users of environments equipped with VGS to gauge the level of awareness and perception of these systems. On the technological front, novel methodologies are developed to assess the stress on vegetation, as well as the geometric deformation of vegetation to optimize the selection of species (i.e., living components) before the installation. Additionally, the critical review of the new trend of combining several technological tools into VGS, helped to estimate possible future challenges and opportunities. Environmentally speaking, deep comprehensive in-situ data analysis is conducted to assess the thermal regulation performance of VGS and their capacity to mitigate heat gain and the urban heat island (UHI) effect. The legal dimension, despite not being the focus of the thesis, is always involved as the cross-dimensional aspect through building codes/standards, permission to install VGS, or ownership. The outcome of this thesis involves projecting future directions based on a comprehensive set of criteria developed during the study, aiming to simultaneously achieve multiple benefits.

Il fenomeno della rapida urbanizzazione ha dato origine a una serie di sfide che accelerano una moltitudine di problemi nelle aree urbane. Questa fusione di sfide comprende uno spettro di preoccupazioni che abbracciano dimensioni politiche, economiche, sociali, tecnologiche, ambientali e legali (PESTEL), rendendo la sostenibilità un obbligo e le soluzioni basate sulla natura (NbS) un approccio fondamentale. Tra queste soluzioni, negli ultimi decenni hanno acquisito importanza le Strutture Verdi Verticali (VGS), un tipo di infrastruttura verde (GI). Hanno il potenziale per affrontare in modo efficace i requisiti in queste diverse dimensioni. Nel panorama delle aree urbane, i VGS svolgono un ruolo significativo nell’affrontare le sfide urbane, in particolare nelle aree densamente edificate e popolate dove lo spazio orizzontale limitato limita la creazione di ulteriori aree verdi come parchi e giardini. Ancorato in questo contesto, questo dottorato di ricerca la tesi mira ad esaminare i vantaggi e le sfide del VGS all'interno dello spettro dei paradigmi di sostenibilità per le città resilienti del futuro. Concludendo con gli approfondimenti tratti dai risultati e dalle nuove metodologie applicate, la tesi sottolinea la complessità della progettazione, installazione e manutenzione del VGS, proponendo strategie per superare le sfide associate e ottimizzare i potenziali benefici. Questa ricerca interdisciplinare mette in luce il ruolo centrale di VGS nell’intricato panorama della sostenibilità e resilienza urbana. Da un punto di vista politico, la tesi riconosce l'influenza delle politiche governative, dei regolamenti e delle azioni politiche sull'implementazione del VGS. Dal punto di vista economico, grazie ai vantaggi normativi termici, contribuisce a ridurre il costo energetico per il riscaldamento e il raffrescamento. Affrontando gli aspetti sociali, la tesi utilizza un questionario distribuito tra gli utenti di ambienti dotati di VGS per misurare il livello di consapevolezza e percezione di questi sistemi. Sul fronte tecnologico, vengono sviluppate nuove metodologie per valutare lo stress sulla vegetazione, nonché la deformazione geometrica della vegetazione per ottimizzare la selezione delle specie (ovvero, componenti viventi) prima dell'installazione. Inoltre, l’analisi critica della nuova tendenza di combinare diversi strumenti tecnologici nel VGS ha contribuito a stimare possibili sfide e opportunità future. Dal punto di vista ambientale, viene condotta un’analisi approfondita e completa dei dati in situ per valutare le prestazioni di regolazione termica dei VGS e la loro capacità di mitigare il guadagno di calore e l’effetto isola di calore urbano (UHI). La dimensione legale, nonostante non sia il focus della tesi, è sempre coinvolta come aspetto transdimensionale attraverso codici/standard edilizi, permesso di installare VGS o proprietà. Il risultato di questa tesi prevede la proiezione di direzioni future sulla base di una serie completa di criteri sviluppati durante lo studio, con l’obiettivo di ottenere contemporaneamente molteplici benefici.