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Salone dell'Arte del Restauro e della Conservazione dei Beni Culturali e Ambientali, Ferrara, marzo 2014. La presentazione svolta illustra i principali aspetti relativi alla progettazione strutturale del supporto di una parte dei mosaici di Villa Silin presso Leptis Magna. The aim of this investigation is the identification of a solution for the replacement of the concrete screed that supports part of the Roman mosaic outside Villa Silin located very close to the archaeological city of Leptis Magna in Libya, facing the Mediterranean Sea.
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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
[email protected]@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