Utilizzo di materiali innovativi per il risanamento di un massetto a supporto di un mosaico romano...

Roma, 17 Aprile 2015

Utilizzo di materiali innovativi per il

risanamento di un massetto a supporto di un

mosaico romano di Villa Silin, Leptis Magna

Ing. Stefania Arangio

StroNGER s.r.l.

stefania.arangio@stronger2012.com

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’

7/617/617

Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico

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

Partecipanti al progetto di risanamento del mosaico di Villa Silina

8/618/618

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

Indice

9/619/619

10/6110/6110

Caso di studio

11/6111/6111

Caso di studio

12/6112/6112

Caso di studio

13/6113/6113

Danneggiamento del mosaico

14/6114/6114

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);

15/6115/6115

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.

16/6116/6116

Scelta progettuale finale

17/6117/6117

Scelta progettuale finale

18/6118/6118

19/6119/6119

20/6120/6120

21/6121/6121

Materiali analizzati

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

22/6122/6122

Proprieta’

• Le fibre si mischiano facilmente con il legante

• Le fibre non galleggiano e non affondano

• La rete rende possibile la riduzione degli spessori delle pavimentazioni

fino al 20%.

• La rete e’ facile da istallare. Non sono richieste attrezzature specifiche

• Le minibars si aggiungono direttamente alla miscela e sostituiscono le

armature

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

Proprieta’ del basalto

23/6123/6123

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.

25/6125/6125

Piastra n.1: analisi non lineare

Piastra quadrata 1m x1m con appoggi monolateri

Materiale non lineare

Tensioni principali σ22 Tensioni principali σ11

Impronta di carico di

1kN su 0.25m x 0.25m

Appoggio su

4 lati

26/6126/6126

Piastra n.1: analisi non lineare

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

27/6127/6127

Piastra n.2: analisi non lineare – fase transitoria

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

28/6128/6128

Nel range di interesse la risposta e’ in campo lineare

Peso proprio

Piastra n.2: analisi non lineare – fase transitoria

Piastra rettangolare 2m x1m con appoggi solo sui 4 vertici

Materiale non lineare – fase transitoria

29/6129/6129

Indice

30/6130/6130

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

In prossimità dell’appoggio

sensori

31/6131/6131

Prove a flessione

32/6132/6132

Composizione delle piastre

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

33/6133/6133

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

Risultati: mix B1

0 10 20 30 40 50

Spostamenti verticali (mm)

DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI

mix1_2Rottura fragile

Fessurazione trasversale

solo rete

34/6134/6134

Risultati: mix B1

Fessura 1

Fessura 2

35/6135/6135

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

0 10 20 30 40 50

fibre al 6%

fibre al 3%

36/6136/6136

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

Risultati: mix B4

0 10 20 30 40 50

mix4_1

mix4_2

mix4_3

Buon comportamento ai cicli di carico e scarico

Mix B4: deformazione

Vista delle minibars nella zona di rottura

39/6139/6139

Confronto dei comportamenti

0 10 20 30 40 50

mix1_2

mix4_1

mix4_2

mix4_3

solo rete

rete +

chopped

chopped +

minibars

40/6140/6140

Confronto dei comportamenti per spostamenti < 1,5mm

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

solo rete

rete +

chopped

chopped +

minibars

Range di interesse per l’applicazione

considerata

41/6141/6141

Prove di carico aggiuntive…

Circa 300 kg…

Prova a carico crescente

42/6142/6142

Prove di carico aggiuntive…

400 kg

Le piastre hanno sopportato fino a

400 kg su una luce di circa 40 cm

Prova «di impatto»

40 cmH = 50 cm

Prova «di impatto» a carico crescente

46/6146/6146

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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