Uso delle fibre di basalto nel risanamento degli edifici storici

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Roma, 14 Aprile 2015
Uso delle fibre di basalto
nel risanamento degli edifici storici
Ing. Stefania Arangio
stefania.arangio@stronger2012.com
stefania.arangio@uniroma1.it

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’

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6 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
• …

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7 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

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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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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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12 Degrado delle armature usate nel precedente restauro

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13 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 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 Scelta progettuale finale

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16/61
16 Scelta progettuale finale

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19/61
19

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20 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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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

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22 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

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24 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 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
Intradosso
Appoggio su
4 lati
Spostamenti verticaliModello

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26/61
26 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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27/61
27 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 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

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29
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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31 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 Prove a flessione

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33 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 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

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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
Carico(kg)
Spostamenti verticali (mm)
DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI
mix1
mix1_2Rottura fragile
Fessurazione trasversale
solo rete

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36 Risultati: mix B1
Fessura 1
Fessura 2

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37/61
37
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
Carico(kg)
mix2
mix3
fibre al 6%
fibre al 3%

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39
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
Carico(kg)
mix4_1
mix4_2
mix4_3
Buon comportamento ai cicli di carico e scarico

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40/61
40
0
50
100
150
200
0 1 2 3 4 5
Carico(kg)
mix4_1
mix4_2
mix4_3
Risultati: mix B4
Dettaglio del comportamento di carico e scarico – spostamenti < 5 mm

Mix B4: deformazione

Vista delle minibars nella zona di rottura

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43/61
43 Confronto dei comportamenti
0
50
100
150
200
0 10 20 30 40 50
Carico(kg)
mix1
mix1_2
mix2
mix3
mix4_1
mix4_2
mix4_3
solo rete
rete +
chopped
chopped +
minibars

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44/61
44 Confronto dei comportamenti per spostamenti < 1,5mm
0
50
100
150
200
0,00 0,50 1,00 1,50
Carico(kg)
mix1
mix2
mix3
mix4
solo rete
rete +
chopped
chopped +
minibars
Range di interesse per l’applicazione
considerata

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45 Prove di carico aggiuntive…
Circa 300 kg…
Prova a carico crescente

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46 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 cm
H = 50 cm
50 kg

Prova «di impatto» a carico crescente
70 kg

Prova «di impatto» a carico crescente
85 kg

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50 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 Esempio 2: proposta per il risanamento di
Palazzo Camponeschi, L’Aquila
Oggetto dell’intervento
chiesa dei Gesuiti
S. Margherita

52/61
52/61
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 dei
diaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioni
indicative in
facciata dei
principali
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

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55 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.

BraccioSE
BraccioNO
BloccoVA
y
x
Corpo di origine
medievale trasformato
nel tempo Corpo originale
(voltato)
Corpo
settecentesco

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57 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 Configurazione topologica
b a

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 dei
diaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioni
indicative in
facciata dei
principali
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
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

CATENA
LONGITUDINALE
TRAVE ACCIAIO
SOMMITA’
CORRENTE
INFERIORE
CAPRIATA IN
LEGNO
CATENA
TRASVERSALE
PIASTRE DI
DIFFUSIONE

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 dei
diaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioni
indicative in
facciata dei
principali
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
 Iniezioni e rinforzi in rete
Livello 3: incremento della resistenza a livello locale

Piano terra
Rinforzo con reti di basalto
Iniezioni con miscele leganti

67/61
67/61
67 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

68/61
68/61
68 Proposta: carichi verticali
Nelle zone in blu
Sono necessarie iniezione
di miscele leganti
Nelle zone in azzurro
sono necessarie
connessioni trasversali

69/61
69/61
69 Esistente: carichi verticali
Nelle zone in grigio,
si supera la resistenza
a compressione
della muratura
VISTA DA SOTTO
Le zone in cui si
supera la
resistenza a
compressione
sono estese e
collegate

70/61
70/61
70 Proposta: carichi verticali
Nelle zone in blu
Sono necessarie iniezione
di miscele leganti
Nelle zone in azzurro
sono necessarie
connessioni trasversali
VISTA DA SOTTO

71/61
71/61
71 Disposizione della rete in facciata

72/61
72/61
72 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.

73/61
73/61
73 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

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 no
connessioni solai
Situazione esistente
Nodo
614
Con ammorsamento
delle pareti trasversali
Iniezioni miscela legante
Incatenamenti
Reti di basalto

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