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.
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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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
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Caso di studio
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Caso di studio
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Caso di studio
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Danneggiamento del mosaico
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Scelta progettuale finale
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Scelta progettuale finale
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Indice
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Prove a flessione
32/6132/6132
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O + rete di basalto
Risultati: mix B1
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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Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Risultati: mix B1
Fessura 1
Fessura 2
35/6135/6135
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
50
100
150
200
0 10 20 30 40 50
Ca
ric
o (
kg
)
Spostamenti verticali (mm)
DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI
mix2
mix3
fibre al 6%
fibre al 3%
36/6136/6136
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Mix 4: NHL 5 + sabbia (1:2) + H2O + fibre chopped + minibars
Risultati: mix B4
0
50
100
150
200
0 10 20 30 40 50
Cari
co
(kg
)
Spostamenti verticali (mm)
DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI
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
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Confronto dei comportamenti
0
50
100
150
200
0 10 20 30 40 50
Ca
ric
o (
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
40/6140/6140
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Confronto dei comportamenti per spostamenti < 1,5mm
0
50
100
150
200
0,00 0,50 1,00 1,50
Ca
ric
o (
kg
)
Spostamenti verticali (mm)
DIAGRAMMA CARICHI-SPOSTAMENTI VERTICALI
mix1
mix2
mix3
mix4
solo rete
rete +
chopped
chopped +
minibars
Range di interesse per l’applicazione
considerata
41/6141/6141
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
Prove di carico aggiuntive…
Circa 300 kg…
Prova a carico crescente
42/6142/6142
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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
46/6146/6146
Uso di materiali innovativi per il risanamento del supporto di un mosaico
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.