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.
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