Uso delle fibre di basalto nel risanamento degli edifici storici

2/612/612

Roma, 14 Aprile 2015

Uso delle fibre di basalto

nel risanamento degli edifici storici

Ing. Stefania Arangio

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[email protected]

Structure of Next Generation – Energy harvesting and Resilience

Spin-off di Ricerca – www.stronger2012.com

• Progettazione, adeguamento e ottimizzazione di

strutture nuove ed esistenti

Modellazione numerica avanzata

• Approccio ingegneristico alla progettazione di

strutture in caso di incendio

• Ingegneria Forense

• Ricerca e sviluppo

Resilienza

Sostenibilità e recupero energetico

Soluzioni innovative per l’Ingegneria Strutturale

ATTIVITA’

http://www.linkedin.com/company/stronger-s-r-l-/approccio-ingegneristico-alla-progettazione-di-strutture-in-caso-di-incendio-fire-safety-design-1177683/product?trk=biz_product

6/616/616 La commissione “Strutture tipologiche”

dell’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma

Temi

• Modellazione a elementi finiti di strutture civili

• Materiali innovativi

• Norme tecniche e problemi applicativi

• Strutture speciali

• Vulnerabilità delle costruzioni ai fenomeni geologici e idrogeologici

• Problematiche legate alle strutture temporanee per lo spettacolo

• Life Cycle Engineering

• …

7/617/617 Indice

Esempio 1: risanamento di un massetto strutturale a

sostegno di un mosaico romano

Esempio 2: proposta di consolidamento di un palazzo

storico di pregio

8/618/618

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, Ph.D. student

Attivita’ svolta da un team multidiscilinare

Esempio 1: risanamento di un massetto strutturale

Uso delle fibre di basalto nel risanamento degli edifici storici

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9/619/619

1. Progettazione dei nuovi pannelli di supporto al mosaico

2. Scelta dei materiali

3. Analisi numeriche a supporto della progettazione

4. Sperimentazione: proprietà meccaniche delle varie miscele

Esempio 1: risanamento di un massetto strutturale


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10/6110/6110






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11/6111/6111 Caso di studio

12/6112/6112 Degrado delle armature usate nel precedente restauro

13/6113/6113 Analisi del danneggiamento

Il supporto del mosaico e’ significativamente degradato.

Il massetto esistente fu posizionato in un restauro fatto negli anni ‘70.

E’ di calcestruzzo con una rete elettrosaldata.

Le armature si sono ossidate e hanno danneggiato la struttura del massetto

al punto da far saltare anche alcune tessere di mosaico.

Cause concorrenti del danno osservato:

• Il calcestruzzo e l’acciaio non sono materiali adatti per applicazioni in

ambienti aggressivi;

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

di fessure;

• Mancanza (o completa assenza) di adeguati giunti di isolamento (per la

protezione delle barre) e di dilatazione (per evitare fessurazioni);


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14/6114/6114 Progettazione del nuovo massetto

Requisiti:

- Intervento non invasivo e reversibile;

- Utilizzo di materiali naturali sostenibili che siano compatibili con il

calcestruzzo esistente sotto le tessere;

- Prestazioni strutturali adeguate.

Considerando l’ambiente di progetto la progettazione si e’ orientata alla ricerca

di materiali e strategie che evitassero la formazione di fessure che

potrebbero danneggiare il mosaico:

• Utilizzo di fibre con un buon comportamento a trazione all’interno della

miscela cementizia; possono evitare la formazione delle micro-fessure iniziali;

• Uso di reti di fibra naturale al posto delle reti elettrosaldate metalliche;

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


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15/6115/6115 Scelta progettuale finale


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16/6116/6116 Scelta progettuale finale


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17/6117/6117

18/6118/6118

19/6119/6119






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20/6120/6120 Scelta dei materiali

1. Malta

• Con calce idraulica naturale (natural hydraulic limes – NHL) del tipo

St. Astier o Lafarge

• Premiscelati a base di calce idraulica naturale

2. Fibre di tipo chopped e milled per il controllo delle fessurazioni

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

3. Minibars di basalto


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21/6121/6121

Proprieta’

• Si mischiano facilmente con il legante

• Non galleggiano e non affondano

• Ottima compatibilità con il calcestruzzo

Vantaggi

• Resistente alla corrosione

• Elevata resistenza meccanica

• Peso molto basso (1/3 della densità dell’acciaio)

• Costi moderati

• Aumentano la resistenza chimica e portano a una notevole riduzione della

fessurazione

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 Proprieta’ delle reti di basalto e delle minibars

Reti di basalto

• Buone proprieta’ meccaniche

• Resistenza agli ambienti di progetto agressivi – non si ossida

• Riduce la diffusione e l’estensione delle fessure.

• Rende possibile la riduzione degli spessori delle pavimentazioni fino al

20%.

• Facile da istallare. Non sono richieste attrezzature specifiche.

Minibars

• Si aggiungono direttamente alla miscela e sostituiscono le armature

• Danno buone proprieta’ meccaniche alla miscela


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23/6123/6123






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24/6124/6124 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 movimentazione

• Lo stato limite ultimo non e’ importante per il caso considerato

perche una deformazione eccessiva provocherebbe il distacco delle

tessere del mosaico.


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25/6125/6125 Piastra n.1: analisi lineare (1/2)

Piastra quadrata 1m x1m semplicemente appoggiata

Materiale elastico lineare

Impronta di carico di

1kN su 0.25m x 0.25m

IntradossoAppoggio su

4 lati

Spostamenti verticaliModello


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26/6126/6126 Piastra n.1: analisi non lineare (1/2)

Piastra quadrata 1m x1m con appoggi monolateri

Materiale non lineare

Tensioni principali σ22 Tensioni principali σ11


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27/6127/6127 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


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28/6128/6128 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 sotto

1,5 x peso proprio

29/6129/6129

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


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30/6130/6130 Indice






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31/6131/6131 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 kg

Freccia massima prevista: < 40 mm

Entità del carico di interesse: circa 100 kg

Freccia massima di interesse: < 10 mm

P

50 cm

90 cm

5 cm

10 cm

30 cm

In prossimità dell’appoggio

sensori


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32/6132/6132 Prove a flessione

33/6133/6133 Getto delle prime 4 piastre (16/01/2014)

n. NHL 5 Fibre chopped Rete di basalto

(H=2,5cm)

Minibars

A1 X NO NO NO

A2 X X (1/2”) X NO

A3 X X (1/2” + ¼”) X NO

A4 X X NO X


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34/6134/6134 Getto delle ultime 4 piastre (29/01/2014)

n. NHL 5 Fibre di tipo

chopped

Rete in basalto

(H=2,5cm)

Minibars

B1 X NO X NO

B2 X X (1/2”) 6%W X NO

B3 X X (1/2” ) 3%W X NO

B4 X X (2%W) NO X

35/6135/6135

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

Risultati: mix B1 del 29/01

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Cari

co

(kg

)

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix1

mix1_2Rottura fragile

Fessurazione trasversale

solo rete


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36/6136/6136 Risultati: mix B1

Fessura 1

Fessura 2

37/6137/6137

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 B2 e mix B3 del 29/01

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Ca

ric

o (

kg

)



mix2

mix3

fibre al 6%

fibre al 3%

mix B2: deformazioni

39/6139/6139

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

Risultati: mix B4 del 29/01

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Cari

co

(kg

)



mix4_1

mix4_2

mix4_3

Buon comportamento ai cicli di carico e scarico


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40/6140/6140

0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5

Cari

co

(kg

)



mix4_1

mix4_2

mix4_3

Risultati: mix B4

Dettaglio del comportamento di carico e scarico – spostamenti < 5 mm


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Mix B4: deformazione


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Vista delle minibars nella zona di rottura

43/6143/6143 Confronto dei comportamenti

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

Ca

ric

o (

kg

)



mix1

mix1_2

mix2

mix3

mix4_1

mix4_2

mix4_3

solo rete

rete +

chopped

chopped +

minibars


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44/6144/6144 Confronto dei comportamenti per spostamenti < 1,5mm

0

50

100

150

200

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

Ca

ric

o (

kg

)



mix1

mix2

mix3

mix4

solo rete

rete +

chopped

chopped +

minibars

Range di interesse per l’applicazione

considerata

45/6145/6145 Prove di carico aggiuntive…

Circa 300 kg…

Prova a carico crescente


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46/6146/6146 Prove di carico aggiuntive…

40 cm

400 kg

Le piastre hanno sopportato fino a

400 kg su una luce di circa 40 cm


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Prova «di impatto»

40 cmH = 50 cm

50 kg


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Prova «di impatto» a carico crescente

70 kg


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Prova «di impatto» a carico crescente

85 kg


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50/6150/6150 Esempio 1: 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 filologico che di

calcolo strutturale.


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51/6151/6151 Esempio 2: proposta per il risanamento di

Palazzo Camponeschi, L’Aquila

Oggetto dell’intervento

chiesa dei Gesuiti

S. Margherita


Via Camponeschi


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Prospetto su via Burri

BASI DEL

PROGETTO

CONFIGURAZIONE

TOPOLOGICA

ANALISI

STORICA

REGOLARITA'

STRUTTURALE

DISPOSIZIONI

PER

GARANTIRE

L'INTEGRITA'

STRUTTURALE

IN PIANTA

presenza di

Via Forcella

comportamento esplicato

durante

il sisma

IN ELEVAZIO

NE

IN

SOMMITA'

integrazione deidiaframmi di

testa

coronamento

principale

completamento

INCATENAME

NTI

blocco NO blocco SE

CONNESSIONI

DISTRIBUITE

INTEGRAZIONI

DELLA

CAPACITA'

MECCANICA

disposizioniindicative in

facciata deiprincipali

rinforzi in rete

disposizione

in pianta

disposizione

in facciata

piano

terra

primo e

secondo

piano

indicazioni per le iniziezioni di

miscele leganti

e disposizioni di reti di rinforzo

disposizioni

di reti di

rinforzo

1

2

3

4

ELEMENTI

SPECIALI

Livello 1

Configurazione topologica

dell’edificio

Livello 2

Misure necessarie a garantire

l’integrita’ strutturale

Livello 3

Incremento della resistenza a

livello locale (iniezioni di miscele

leganti e utilizzo di reti in composito)

Livello 4

Problematiche speciali (volte, etc)

Basi del progetto di adeguamento

55/6155/6155 Livello 1: Configurazione topologica

• Il Palazzo Camponeschi fa parte di un aggregato che comprende, tra l’altro, la Chiesa dei Gesuiti.

• In presenza di un edificio in aggregato, contiguo, a contatto o interconnesso con edifici adiacenti, l’analisi parte tenendo conto delle possibili interazioni derivanti da queste vicinanze strutturali.

• Allo stesso tempo, dal punto di vista del progetto l’intervento parte dalla individuazione di blocchi costruttivi largamente omogenei e regolari. Questo riconoscimento strategico, pone le basi per un comportamento strutturale sicuro, al di là delle risultanze delle verifiche numeriche, pur necessarie.

• Per la ricostruzione del sistema strutturale e dall’analisi storica, si ritiene che l’articolata geometria di Palazzo Camponeschi, in cui sono presenti interventi successivi nel tempo, possa essere scomposta in tre blocchi.


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Bra

ccio

SE

Bra

ccio

NO

Blo

cco

VA

y

x

Corpo di origine

medievale trasformato

nel tempo Corpo originale

(voltato)Corpo

settecentesco

57/6157/6157 Configurazione topologica

Blocco NO

La suddivisione in blocchi e’ riscontrabile anche dall’analisi del

danneggiamento

Rappresentazione grafica in pianta del ribaltamento della parete fuori dal piano


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58/6158/6158 Configurazione topologica

b a


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BASI DEL

PROGETTO

CONFIGURAZIONE

TOPOLOGICA

ANALISI

STORICA

REGOLARITA'

STRUTTURALE

DISPOSIZIONI

PER

GARANTIRE

L'INTEGRITA'

STRUTTURALE

IN PIANTA

presenza di

Via Forcella


durante

il sisma

IN ELEVAZIO

NE

IN

SOMMITA'


testa

coronamento

principale

completamento

INCATENAME

NTI

blocco NO blocco SE

CONNESSIONI

DISTRIBUITE

INTEGRAZIONI

DELLA

CAPACITA'

MECCANICA



rinforzi in rete

disposizione

in pianta

disposizione

in facciata

piano

terra

primo e

secondo

piano


miscele leganti


disposizioni

di reti di

rinforzo

1

2

3

4

ELEMENTI

SPECIALI

Coronamento con profilati e travature Incatenamenti Collegamenti solai / pareti

Livello 2: misure per garantire l’integrita’ strutturale

IPE 300 IPE 600

CORRENTI

INFERIORI

CAPRIATE

Completamento con

coronamento secondario

con travature in legno

60

Coronamento principale

con profilati in acciaio

Incatenamenti lato nord

Incatenamenti lato sud

CATENA

LONGITUDINALE

TRAVE ACCIAIO

SOMMITA’

CORRENTE

INFERIORE

CAPRIATA IN

LEGNO

CATENA

TRASVERSALE

PIASTRE DI

DIFFUSIONE

Incatenamenti

BASI DEL

PROGETTO

CONFIGURAZIONE

TOPOLOGICA

ANALISI

STORICA

REGOLARITA'

STRUTTURALE

DISPOSIZIONI

PER

GARANTIRE

L'INTEGRITA'

STRUTTURALE

IN PIANTA

presenza di

Via Forcella


durante

il sisma

IN ELEVAZIO

NE

IN

SOMMITA'


testa

coronamento

principale

completamento

INCATENAME

NTI

blocco NO blocco SE

CONNESSIONI

DISTRIBUITE

INTEGRAZIONI

DELLA

CAPACITA'

MECCANICA



rinforzi in rete

disposizione

in pianta

disposizione

in facciata

piano

terra

primo e

secondo

piano


miscele leganti


disposizioni

di reti di

rinforzo

1

2

3

4

ELEMENTI

SPECIALI

Iniezioni e rinforzi in rete

Livello 3: incremento della resistenza a livello locale

Piano terra

Rinforzo con reti di basalto

Iniezioni con miscele leganti

67/6167/6167 Esistente: carichi verticali

Nelle zone in grigio,

si supera la resistenza

a compressione

della muratura VISTA DAVANTI

Le zone in cui si

supera la resistenza

a compressione

sono estese e

collegate


[email protected]

68/6168/6168 Proposta: carichi verticali

Nelle zone in blu

Sono necessarie iniezione

di miscele leganti

Nelle zone in azzurro

sono necessarie

connessioni trasversali


[email protected]

69/6169/6169 Esistente: carichi verticali

Nelle zone in grigio,

si supera la resistenza

a compressione

della muraturaVISTA DA SOTTO

Le zone in cui si

supera la

resistenza a

compressione

sono estese e

collegate


[email protected]

70/6170/6170 Proposta: carichi verticali

Nelle zone in blu

Sono necessarie iniezione

di miscele leganti

Nelle zone in azzurro

sono necessarie

connessioni trasversali


[email protected]

VISTA DA SOTTO

71/6171/6171 Disposizione della rete in facciata


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72/6172/6172 Proposta: sisma in direzione -Y

analisi

non lineare

La rete di rinforzo, specie nella parte in alto dell’edificio,

si fa carico delle trazioni di trazioni (in bianco) che

superano la capacità della muratura.


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73/6173/6173 Proposta: sisma in direzione -Y

L’efficacia della rete di rinforzo, specie nella parte

in alto dell’edificio, e’ mostrata da uno stato

tensionale di trazione significativo con valori

intorno a 10 -30 MPa.

analisi

non lineare


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Proposta: fattori di sicurezza per 0,35g nelle varie direzioni

Spinta Y-

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

d(m)

V(kN)

nodo 614

nodo 614 no fibre basalto

nodo 614 no incatenamenti

nodo 614 aperture muri

nodo 614 aperture muri noconnessioni solai

Situazione esistente

Nodo

614

Con ammorsamento

delle pareti trasversali

Iniezioni miscela legante

Incatenamenti

Reti di basalto

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mailto:[email protected]

Education

Uso delle fibre di basalto nel risanamento degli edifici storici