Villa di Silin. Aspetti progettuali dell’intervento di restauro

1/611/611

Villa di Silin

Aspetti progettuali dell’intervento di restauro

Ferrara, 27 Marzo 2014

2/612/612 Persone coinvolte nel progetto

Prof. Maria Laura Santarelli: Coordinatore scientifico

Prof. Franco Bontempi

Stefania Arangio , Ph.D., P.E.

Alessandra Broggi , Ph.D.

M.Paola Bracciale , Ph.D.

Gaia Quattrociocchi , Ph.D. student

Martina Zuena , Master student

3/613/613 Indice

1. Progettazione dei nuovi pannelli di supporto al mosaico

2. Sperimentazione – Parte 1: scelta dei materiali

• Tipo di malta• Influenza delle fibre di basalto di tipo «chopped»

3. Analisi numeriche a supporto della progettazione

4. Sperimentazione – Parte 2: proprietà meccaniche delle var iemiscele

• Malta con calce idraulica naturale• Rete di basalto• % di fibre chopped• Minibars

5. Conclusioni

4/614/614 Indice

1. Progettazione dei nuovi pannelli di supporto al mosaico

2. Sperimentazione – Parte 1: scelta dei materiali

• Tipo di malta• Influenza delle fibre di basalto di tipo «chopped»

3. Analisi numeriche a supporto della progettazione

4. Sperimentazione – Parte 2: proprietà meccaniche delle var iemiscele

• Malta con calce idraulica naturale• Rete di basalto• % di fibre chopped• Minibars

5/615/615 Caso di studio

6/616/616 Degrado delle armature usate nel precedente restauro

7/617/617 Analisi del danneggiamento

Il supporto del mosaico e’ significativamente degradato.

Il massetto esistente fu posizionato in un restauro fatto negli anni ‘70. E’ dicalcestruzzo con una rete elettrosaldata .

Le armature si sono ossidate e hanno danneggiato la struttura d el massettoal punto da far saltare anche alcune tessere di mosaico.

Cause concorrenti del danno osservato:

• Il calcestruzzo non e’ un materiale adatto per applicazioni in ambientiaggressivi dal punto di vosta ambientale

• Lo spessore del massetto non adeguato puo’ aver portato alla formazionedi fessure

• Mancanza (o completa assenza) di adeguati giunti di isolamento (per laprotezione delle barre) e di dilatazione (per evitare fessurazioni)

• Errata disposizione delle barre di armatura;

• Compattazione del terreno errata o insufficente

8/618/618 Progettazione del nuovo massetto

Requisiti:- Intervento non invasivo ;

- Reversibile ;

- Prestazioni strutturali adeguate

- Utilizzo di materiali naturali sostenibili ;

- Compatibilita’ del materiale con il calcestruzzo esistente sotto le tessere.

Considerando l’ambiente di progetto, caratterizzato da variazioni elevate ditemperatura e umidita’, la progettazione si e’ orientata alla ricerca di materiali estrategie che evitassero la formazione di fessure che potre bberodanneggiare il mosaico :

• Utilizzo di fibre con un buon comportamento a trazione all’interno dellamiscela cementizia; possono evitare la formazione delle micro-fessure iniziali;

• Uso di reti di fibra naturale al posto delle reti elettrosaldate me talliche

• Uso di malte con buone caratteristiche nei confronti del ritiro.

La fase di ptrogettazione e’ stata supportata da esaustive simulazioninumeriche per la valutazione delle prestazioni delle soluz ioni analizzate .

9/619/619 Aspetti considerati nella progettazione strutturale

10/6110/6110 Scelta progettuale finale

11/6111/6111 Scelta progettuale finale

12/6112/6112 Scelta progettuale finale

Sezione della pavimentazione

Mosaico

Massetto in NHL

Rete in basalto

Mattoncino romano

5 cm

13/6113/6113

1. Progettazione dei nuovi pannelli di supporto

2. Sperimentazione – Parte 1: scelta dei materiali

• Tipo di malta• Influenza delle fibre di basalto di tipo chopped

3. Analisi numeriche a supporto della progettazione

4. Sperimentazione – Parte 2: proprietà meccaniche delle var iemiscele

• Malta con calce idraulica naturale• Rete di basalto• % di fibre chopped• Minibars

14/6114/6114 Scelta dei materiali

1. Malta

• Con calce idraulica naturale (natural hydraulic limes – NHL) deltipo St. Astier o Lafarge

• Premiscelati a base di calce idraulica naturale

• Cementi naturali

2. Fibre di tipo chopped per il controllo delle fessurazioni

• Definitione del tipo, delle dimensioni e della percentuale nell’impasto

3. Materiali di rinforzo strutturale naturali come le reti di basalto

4. Minibars di basalto

15/6115/6115 Materiali: 1) Scelta della malta

Sono state analizzati:

• Calce idraulica naturale del tipo St. Astier

• St.Astier NHL 3,5

• St. Astier NHL 5

• Calce idraulica naturale premiscelta con aggregati di granulometriadefinita

• Cimax mas es calce idraulica

• Cimax cocciopesto

16/6116/6116

17/6117/6117

18/6118/6118

19/6119/6119

20/6120/6120 Materiali: 2) fibre di basalto

Nella miscela verranno utilizzate fibre di basalto ditipo chopped

Le fibre sono ottenute dalla lavorazione del basaltofuso e sono prodotte in diverse dimensioni.Vengono trattate con specifici materiali per leapplicazioni con leganti cementizi.

21/6121/6121

Proprieta’

• Si mischiano facilmente con il legante• Non galleggiano e non affondano• Ottima compatibilità con il calcestruzzo• Durabile• Sicuro e facile da lavorare

Vantaggi

• Resistente alla corrosione• Elevata resistenza meccanica• Peso molto basso (1/3 della densità dell’acciaio)• Aumentano la resistenza all’abrasione• Aumentano la vita utile della costruzione a costi moderati• Aumentano la resistenza chimica e portano a una riduzione della

fessurazione fino al 95%

Applicazioni• Riduzione della fessurazione in pavimentazioni industriali o lastre di elevate

dimensioni• Adatte ad ambienti aggressivi• Adatte in aree con elevate sbalzi termici

Proprieta’ delle fibre di basalto

22/6122/6122

http://www.basaltex.com/files/cms1/WET%20Chopped%20Basalt%20Filaments.pdf

Fibre di tipo chopped

23/6123/6123 Fibre di tipo milled

24/6124/6124 Scelta di malta e fibre: Prima fase della sperimentazion e

Test svolti presso la sede del CiSTEC/Sapienza il 1 6/10/2013

Il leganti sono stati analizzati e testati al fine di verificare la compatibilita’ con ilcalcestruzzo residuo e la loro resistenza meccanica.

25/6125/6125

Codici utilizzati nei grafici

LegantiMC1: CIM 1MC2: CIM 2 (14 gg)MCC1: CIM cocciopesto 1MCC2: : CIM cocciopesto 2 (14 gg)NHL 3,5: St. Astier NHL 3,5NHL 5: St. Astier NHL 5

FibreMF1: Milled fibers 1MF2: Milled fibers 2CHOPPED

Test svolti presso la sede del CiSTEC/Sapienza il 1 6/10/2013

3 cm

2 cm

15 cm

2 cm

Scelta di malta e fibre: Prima fase della sperimentazion e

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Mortars Mortars + fibers MF1

Mortars + Fibers MF2

Mortars + Chopped

Prova a flessioneValutazione degli effetti dell’aggiunta di fibre

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

Leganti + MF1

MC1 + MF1

MC2 + MF1

MCC1 + MF1

MCC2 + MF1

NHL 3,5 + MF1

NHL5 + MF1

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

Leganti MC1

MC2

MCC1

MCC2

NHL 3,5

NHL 5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

Leganti + MF2

MC1 + MF2

MC2 + MF2

MCC1 + MF2

MCC2 + MF2

NHL 3,5 + MF2

NHL5 + MF2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 1 2 3 4 5

Leganti + Chopped

MC1 + CHOPPED

MC2 + CHOPPED

MCC1 + CHOPPED

NHL 3,5 + CHOPPED

NHL 5 + CHOPPED

MCC2 + CHOPPED

Valutazione dei benefici ottenuti con l’aggiunta di fibre

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

MC1 + fibre

MC1

MC1 + CHOPPED

MC1 + MF1

MC1 + MF2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

MC2 + fibre

MC2

MC2 + CHOPPED

MC2 + MF1

MC2 + MF2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

MCC2 + fibre

MCC2

MCC2 + CHOPPED

MCC2 + MF1

MCC2 + MF2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

MCC1 + fibre

MCC1

MCC1 + CHOPPED

MCC1 + MF1

MCC1 + MF2

Valutazione dell’influenza delle fibre su ogni legante (1/2)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

NHL3 + fibre

NHL 3,5

NHL 3,5 + CHOPPED

NHL 3,5 + MF1

NHL 3,5 + MF2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

NHL5 + fibre

NHL 5

NHL 5 + CHOPPED

NHL5 + MF1

NHL5 + MF2

I risultati migliori sono dati dalla NHL 5 + fibre di tipo CHOPPED

Valutazione dell’influenza delle fibre su ogni legante (2/2)

30/6130/6130 Materiali: 3) rete di basalto

Vantaggi

• Buone proprieta’ meccaniche.

• Resistenza agli ambienti di progetto agressivi – non si ossida

• Riduce la diffusione e l’estensione delle fessure .

• Prolunga la vita utile delle strutture riducendo gli effetti legati ai carichi ciclicie al degrado nel tempo.

• Rende possibile la riduzione degli spessori delle pavimentazioni fino al 20%.

• Facile da istallare. Non sono richieste attrezzature specifiche.

• Le superfici sono trattate per migliorare l’adesione con il calcestruzzo e migliorare la resistenza a trazione e ad urti.

31/6131/6131

http://www.basaltex.com/files/cms1/Basalt%20mesh%2025%20x%2025%20mm.pdf

32/6132/6132 Materiali: 4) minibars di basalto

33/6133/6133

1. Progettazione dei nuovi pannelli di supporto

2. Sperimentazione – Parte 1: scelta dei materiali

• Tipo di malta• Influenza delle fibre di basalto di tipo «chopped»

3. Analisi numeriche a supporto della progettazione

4. Sperimentazione – Parte 2: proprietà meccaniche delle var iemiscele

• Malta con calce idraulica naturale• Rete di basalto• % di fibre chopped• Minibars

34/6134/6134 Considerazioni alla base delle analisi numeriche

E’ necessario considerare che il mosaico, anche se in forma limitata,

verra’ utilizzato. E’ necessario garantire quindi una adeguata

resistenza meccanica del supporto .

• Carichi di esercizio: 2,5 kN/m2

• Specifica attenzione alle fasi transitorie di movimentazion e

• Stato limite ultimo: non e’ importante per il caso considerato perche

una deformazione eccessiva provocherebbe il distacco delle tessere

del mosaico.

35/6135/6135 Piastra n.1: analisi lineare

Piastra quadrata 1m x1m semplicemente appoggiata

Materiale elastico lineare

Impronta di carico di1kN su 0.25m x 0.25m

IntradossoAppoggio su

4 lati

Spostamenti verticaliModello

36/6136/6136 Piastra n.1: analisi non lineare (1/2)

Piastra quadrata 1m x1m con appoggi monolateri

Materiale non lineare

Tensioni principali σ22 Tensioni principali σ11

37/6137/6137 Piastra n.1: analisi non lineare (2/2)

Nel range di interesse la risposta e’ in campo lineare

2,5 kN su 0,25m x0,25m

Piastra quadrata 1m x1m con appoggi monolateri

Materiale non lineare

38/6138/6138 Piastra n.2: analisi non lineare – fase transitoria (1/2)

Piastra rettangolare 2m x1m con appoggi solo sui 4 vertici

Materiale non lineare – fase transitoria

Due carichi da 2,5 kN su impronta 0,25m x 0,25m

Apppoggi sui vertici

Spostamenti verticali sotto1,5 x peso proprio

39/6139/6139

Nel range di interesse la risposta e’ in campo lineare

Peso proprio

Piastra n.2: analisi non lineare – fase transitoria (2/2)

Piastra rettangolare 2m x1m con appoggi solo sui 4 vertici

Materiale non lineare – fase transitoria

40/6140/6140 Indice

1. Progettazione dei nuovi pannelli di supporto

2. Sperimentazione – Parte 1: scelta dei materiali

• Tipo di malta• Influenza delle fibre di basalto di tipo «chopped»

3. Analisi numeriche a supporto della progettazione

4. Sperimentazione – Parte 2: proprietà meccaniche delle var iemiscele

• Malta con calce idraulica naturale• Rete di basalto• % di fibre chopped• Minibars

41/6141/6141 Schema della prova a flessione

Sono state realizzate 8 piastre di prova con miscele diverse di dimensioni 1m x 0,5 cm

Schema statico: appoggio lungo il lato di 0,5m – luce libera: 90 cm

Carico crescente applicato su una piastra di diffusione di dimensioni 30 cm x10 cm

Entità del carico massimo prevista: circa 150 kgFreccia massima prevista: < 40 mm

Entità del carico di interesse: circa 100 kgFreccia massima di interesse: < 10 mm

P

50 cm

90 cm

5 cm

10 cm

30 cm

In prossimità dell’appoggio

sensori

42/6142/6142 Prove a flessione

43/6143/6143 Materiali

1. Malta: NHL5 + sand (1:2)

2. Fibre di basalto di tipo chopped

2. Rete di basalto a maglia 25x25 mm

4. Minibars di basalto

Sono state realizzate 8 piastre di prova di dimensioni 1m x 0,5m x 5 cm

44/6144/6144 Getto delle prime 4 piastre (16/01/2014)

n. NHL 5 Fibre chopped (6%W)

Rete di basalto(H=2,5cm)

Minibars

1 X NO NO NO

2 X X (1/2”) X NO

3 X X (1/2” + ¼”) X NO

4 X X NO X

45/6145/6145 Getto delle altre 4 piastre (29/01/2014)

n. NHL 5 Fibre di tipochopped

Rete in basalto(H=2,5cm)

Minibars

1 X NO X NO

2 X X (1/2”) 6%W X NO

3 X X (1/2” ) 3%W X NO

4 X X (2%W) NO X

46/6146/6146

NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O + rete di basalto

Risultati: mix 1 del 29/01

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Car

ico

(kg)

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix1

mix1_2Rottura fragile

Fessurazione trasversale

solo rete

47/6147/6147 Risultati: mix 1

Fessura 1

Fessura 2

48/6148/6148

Mix 2: NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O + fibre chopped al 6% + rete di basalto

Mix 3: NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O + fibre chopped al 3% + rete di basalto

Risultati: mix 2 e mix 3 del 29/01

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Car

ico

(kg)

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix2

mix3

fibre al 6%

fibre al 3%

mix 2 e mix 3: deformazioni

50/6150/6150

Mix 4: NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O + fibre chopped + mi nibars

Risultati: mix 4 del 29/01

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Car

ico

(kg)

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix4_1

mix4_2

mix4_3

Buon comportamento ai cicli di carico e scarico

51/6151/6151

0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5

Car

ico

(kg)

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix4_1

mix4_2

mix4_3

Risultati: mix 4

Dettaglio del comportamento di carico e scarico – sposta menti < 5 mm

Mix4: deformazione

Mix4: deformazione

Vista delle minibars nella zona di rottura

Vista delle minibars nella zona di rottura

56/6156/6156 Confronto dei comportamenti

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Car

ico

(kg)

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix1

mix1_2

mix2

mix3

mix4_1

mix4_2

mix4_3

solo rete

rete + chopped

chopped + minibars

57/6157/6157 Confronto dei comportamenti per spostamenti < 1,5mm

0

50

100

150

200

0,00 0,50 1,00 1,50

Car

ico

(kg)

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix1

mix2

mix3

mix4

solo rete

rete + chopped

chopped + minibars

Range di interesse per l’applicazioneconsiderata

58/6158/6158 Prove di carico aggiuntive…

Circa 300 kg…

Prova a carico crescente

59/6159/6159 Prove di carico aggiuntive…

40 cm

400 kg

Le piastre hanno sopportato fino a 400 kg su una luce di circa 40 cm

Prova «di impatto»

40 cmH = 50 cm

50 kg

Prova «di impatto» a carico crescente

70 kg

Prova «di impatto» a carico crescente

85 kg

63/6163/6163 Indice

1. Progettazione dei nuovi pannelli di supporto

2. Sperimentazione – Parte 1: scelta dei materiali

• Tipo di malta• Influenza delle fibre di basalto di tipo «chopped»

3. Analisi numeriche a supporto della progettazione

4. Sperimentazione – Parte 2: proprietà meccaniche delle var iemiscele

• Malta con calce idraulica naturale• Rete di basalto• % di fibre chopped• Minibars

Conclusioni

64/6164/6164 Conclusioni

Caratteristiche dell’intervento:

• Restauro con materiali naturali (calce idraulica naturale, basalto)

• Materiali con buona resistenza agli agenti atmosferici e al degrado

• Intervento reversibile

A supporto della progettazione e’ stata svolta una estesa campagna

sperimentale che ha visto la collaborazione e l’interazione tra tecnici e

studiosi con competenze diverse .

I risultati della sperimentazione hanno mostrato che la soluzione scelta

assicura le prestazioni richieste sia dal punto di vista filo logico che di

calcolo strutturale.

65

franco.bontempi@uniroma1.itstefania.arangio@stronger2012.com

Test sulla piastra con la miscela #1

Dettaglio delle miscele - Getto del 16/01/2014

1.NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O (0,3 Wtot)•15 Kg NHL5•30 kg sabbia•13,5 l H20

2.NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O (0,3 Wtot) + chopped fi bers + basalt gri d•15 Kg NHL5•30 kg sabbia•13,5 l H20•3,5 kg chopped fibers ¼”

3. NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O (0,3 Wtot) + chopped f ibers + basalt grid•15 Kg NHL5•30 kg sand•13,5 l H20•2,1 kg chopped fibers ½” + 1,4 kg chopped fibers ¼”

4. NHL 5 + sand (1:2) + H2O (0,3 Wtot) + minibars•15 Kg NHL5•30 kg sand•13,5 l H20•2 kg minibars

Dettaglio delle miscele - Getto del 29/01/2014

1.NHL 5 + sand (1:2) + H2O (0,3 Wtot)+ rete di basa lto•15 Kg NHL5•30 kg sand•13,5 l H20

2.NHL 5 + sand (1:2) + H2O (0,3 Wtot) + chopped fib ers + basalt gri d•15 Kg NHL5•30 kg sand•13,5 l H20•3,5 kg chopped fibers ¼”

3. NHL 5 + sand (1:2) + H2O (0,3 Wtot) + chopped fi bers + basalt grid•15 Kg NHL5•30 kg sand•13,5 l H20•2,1 kg chopped fibers ½” + 1,4 kg chopped fibers ¼”

4. NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O + fibre chopped + minib ars•15 Kg NHL5•30 kg sabbia•13,5 l H20•2 kg minibars