Alecci, V.

De Stefano, M.

Donato, A.

Marra, A. M.

Pittau, F.

Pugliese, D.

Romano, R.

Stipo, G.

Italian

Florence Research

21°ClassificatoProgettazione di un materiale composito ecosostenibile per la riduzione della vulnerabilità sismica e la riqualificazione energetica del patrimonio edilizio storico in muraturauna matrice a base di calce idraulica natu-rale, compatibile con il supporto murario e perfettamente in linea con i principi di ef-ficientamento energetico indicati dalle di-rettive europee in tema di riqualificazione energetica degli edifici storici.LA MATRICE COSTITUENTE IL COMPOSITOLa prima fase del lavoro di ricerca ha ri-guardato l’individuazione, tra i prodotti pre-senti in letteratura e sul mercato interna-zionale, di una matrice con caratteristiche meccaniche e termiche tali da consentire il miglioramento delle prestazioni sismiche ed energetiche delle pareti perimetrali de-gli edifici in muratura esistenti.Una volta selezionati i termointonaci che soddisfano i requisiti imposti sulle pro-prietà energetiche e di resistenza mecca-nica, un ulteriore vaglio è stato imposto con riferimento al problema della sosteni-bilità; in particolare, la scelta si è ristretta alle matrici costituite da materiali naturali, IDEA DI PROGETTOGran parte del patrimonio edilizio esistente è costituito da edifici in muratura, realizzati in assenza di norme antisismiche e prescrizio-ni per l’isolamento termico e non presenta attenzione né alla prestazione energetica, né alla sicurezza strutturale. La scelta di misure ottimali per la riqualificazione di edi-fici esistenti non può prescindere da una progettazione integrata sismica ed ener-getica. Coniugando il miglioramento strut-turale agli interventi volti all’abbattimento delle dispersioni termiche presenti sulle pareti perimetrali, è possibile conseguire affidabili vantaggi economici e di sostenibi-lità in termini di protezione dell’ambiente, mediante l’utilizzo di prodotti che siano un connubio tra ecosostenibilità e risparmio energetico.L’idea di progetto mira a sviluppare un materiale composito innovativo da appli-care nel settore delle costruzioni, ottenuto dall’accoppiamento di fibre di rinforzo con ecosostenibili ed ecocompatibili e a quelle ottenute da materiali riciclati e riciclabili.In tabella 1 sono elencati gli intonaci ter-mici selezionati pervenuti presso il nostro laboratorio.Per ogni prodotto, vengono indicati i valo-ri da scheda tecnica di resistenza a com-pressione σ e di conducibilità termica λ. Con i simboli accanto al codice, si indica la tipologia della mescola, in particolare:• indica che il termointonaco è prodot-to da materiali di origine naturale• indica che il termointonaco è prodot-to da materiali riciclati o riciclabili• indica che il termointonaco è caratte-rizzato da una σ ≥ 1,50 N/mm2 da una λ ≤ 0,07 W/mK.PROGRAMMA SPERIMENTALESuccessivamente all’analisi dei termoin-tonaci scelti nella prima fase della ricerca, è stata effettuata un’estesa campagna sperimentale, che ha riguardato:• prove a flessione per tre punti e suc-cessive prove di compressione delle matrici pervenute in laboratorio• valutazione delle proprietà termoigro-metriche mediante simulazioni dina-miche con l’utilizzo del software WU-FI®Pro• prova di trazione su rete di fibra di ba-salto• prova di trazione diretta sul coupon co-stituito dalla matrice risultata migliore dal punto di vista strutturale e termodi-namico e rinforzata con la rete di fibra di basalto• analisi numeriche lineari e non lineari eseguite mediante il software FEM (Fi-nite Element Method) Abaqus CAE.In tabella 2 si riportano i risultati ottenuti dalle prove di flessione per tre punti e dalle successive prove di compressione dei ter-mointonaci testati in laboratorio, in termini di resistenza a compressione σrc, modulo elastico E e resistenza a trazione σt.Una volta effettuata la caratterizzazione meccanica delle matrici, sono state ese-L'D. Pugliese, M. De Stefano, V. Alecci, R. Romano, A.M. Marra, G. Stipo, A. Donato – Università degli Studi di FirenzeF. Pittau – Università degli Studi di CagliariTab.1: Proprietà degli intonaci termici selezionati3state eseguite le simulazioni numeriche ad elementi fi niti mediante il software FEM Abaqus CAE. Per la defi nizione del pannello murario si è proceduto in due modi differenti. Per prima cosa è stata effettuata un’analisi lineare del modello di calcolo (L-N-R-P), considerando la mu-ratura un materiale caratterizzato da un comportamento elastico lineare. Una vol-ta effettuata l’analisi elastico lineare sul pannello in muratura, esso verrà studiato come materiale con comportamento non lineare (N-L-N-R-P), utilizzando il modello “concrete damage plasticity” (CDP) pre-sente nel database di Abaqus CAE.Dal momento che il modello di calcolo è ancora in fase di studio e di sviluppo, non è ancora possibile condividere i risultati ottenuti dalla simulazione numerica.FATTIBILITÀ E SCALABILITÀ DEL PROGETTO DI RICERCADato l’ampio patrimonio edilizio storico ita-liano ed internazionale, l’individuazione di un materiale innovativo, capace di ridurre la vulnerabilità sismica e di migliorare le prestazioni energetiche, è di fondamenta-le importanza. guite le simulazioni energetiche dinamiche mediante il software WUFI®Pro, al fi ne di determinarne le proprietà termoigrometri-che generali.Per le simulazioni è stata presa in esame la zona climatica della città di Firenze, consi-derando un “simulation time” pari a dieci anni. I tipi di chiusura verticale simulati e i relativi spessori sono stati scelti tenendo conto della frequenza con cui le tipologie costruttive si inseriscono nel panorama edilizio esistente. Le soluzioni tecniche in-dividuate sono tre:• muratura in mattoni pieni a tre teste, con uno spessore pari a 38 cm• muratura in pietra, con uno spessore pari a 50 cm• muratura a sacco con riempimento de-bolmente legato, con uno spessore pari a 48 cm.Su ogni chiusura verticale sono state ap-plicate le 11 matrici sia all’esterno (con uno spessore di 6 cm), sia all’interno (con uno spessore di 4 cm), che ne migliore-ranno l’inerzia e la trasmittanza termica, senza andare a gravare sulla struttura portante. Per quanto riguarda il conte-nuto di acqua totale all’interno del muro [kg/m3] e il contenuto d’acqua all’interno dello strato di intonaco interno [kg/m3], i prodotti con il valore medio annuale più basso risultano essere INT.01 e INT.06. Inoltre, i risultati ottenuti dalle simulazio-ni effettuate con l’INT.06 hanno mostrato che non si presenta accumulo di acqua all’interno di alcuna delle tre tipologie co-struttive analizzate.  Da queste ultime osservazioni si evince che la matrice risultata migliore dal punto di vista termico e meccanico è l’INT.06, caratterizzata da una resistenza a com-pressione pari a 2,86 MPa.La terza fase della campagna sperimen-tale ha riguardato la stima delle proprietà meccaniche della rete di fi bra di basal-to, ottenute mediante prove di trazione diretta. I valori medi, in termini di resi-stenza a trazione ftf, modulo elastico ftf e deformazione massima Etf, sono riportati in  tabella 3.Una vol ta testata la rete di fi bra di basal-to, sono state condotte le prove di trazio-ne diretta sul composito costituito dalla matrice INT.06 e rinforzato con la rete di fi bra di basalto, al fi ne di determinarne il comportamento meccanico. Sono stati preparati tre campioni nominati T-01, T-02 e T-03 di dimensione 500˙65˙10 mm3. I ri-sultati, in termini di carico massimo Fmax, resistenza a trazione fr, modulo elastico E e deformazione massima  εr, sono riportati in tabella 4.Infi ne, con lo scopo di valutare numerica-mente il comportamento di un pannello in muratura non rinforzato (denominato N-R-P) e di un pannello in muratura rin-forzato (denominato R-P) sottoposti a prove di compressione diagonale, sono Lo scopo principale della ricerca è quello di rappresentare la progettazione inte-grata sismica ed energetica come nuova fi losofi a di riqualifi cazione, attraverso ma-teriali da costruzione ecocompatibili e so-luzioni innovative orientate alla sostenibili-tà dell’ambiente. L’impiego di questi nuovi materiali avrà un grande impatto legato all’incremento del livello di sicurezza si-smica, al miglioramento energetico e alla conseguente riduzione dei livelli di inqui-namento del patrimonio edilizio storico. Ci sarà anche un impatto di natura eco-nomica, in quanto verranno abbattuti sia i danni generati da eventuali futuri eventi sismici, sia quelli legati all’inquinamento globale, causati dall’eccessivo consumo energetico.RINGRAZIAMENTISi ringraziano le seguenti aziende, che hanno fornito il materiale da testare per il progetto: Azichem, Ferrimix, Index, Kerakoll SpA, Laterite, Lime & Cork, Malvin, Marraccini, Newedil, Rall K, Röfi x, Tradimalt, TCS calce.Tab.2: Proprietà meccaniche delle matriciTab. 3: Proprietà meccaniche del tessuto di basaltoTab.4: Proprietà meccaniche del composito 4• indicates that the thermal plaster is made of natural materials• indicates that the thermal plaster is made of recycled or recyclable ma-terials• indicates that the thermal plaster is characterized by σ ≥ 1.50 N/mm2 and λ ≤ 0.07 W/mK.EXPERIMENTAL PROGRAMFollowing the analysis of the thermal plasters selected in the first phase of the research, an extensive expe-rimental campaign was carried out, which involved:bending tests for three points and uniaxial compression tests of the ma-trices received in the laboratory;• evaluation of the thermohygrome-tric properties through dynamic simulations using the WUFI®Pro software• direct tensile test on basalt fabric• direct tensile test on the composite composed of the structural reinfor-cing fabric embedded in the better matrix from the structural and ther-modynamic point of view• numerical simulations using the fi-nite element software (FEM) Aba-qus CAE.Table 2 shows the results obtained from the bending tests for three points and uniaxial compression te-sts of the thermo-plasters tested in the laboratory regarding compressive strength σrc, compressive Young mo-dulus E, and flexural tensile strength σrc.Once the mechanical characterization of the matrices was carried out, ther-modynamic simulations were perfor-med using the WUFI®Pro software. The climatic zone of Florence was considered, taking into account a si-mulation time of ten years. The types of wall simulated and the relative thi-cknesses were chosen considering the frequency with which the building types are present in the existing buil-ding contest. The identified technical solutions are three:• one-and-a-half brick masonry, with HE PROJECT IDEAA large part of the existing buil-ding heritage consists of mason-ry buildings, built in the absence of anti-seismic standards and require-ments for thermal insulation, and it does not pay attention to either energy per-formance or structural safety. The choi-ce of optimal measures for the redeve-lopment of existing buildings cannot be separated from an integrated seismic and energy design. Combining structu-ral improvement with interventions to reduce heat losses present on the peri-meter walls makes it possible to achie-ve reliable economic and sustainability advantages in terms of environmental protection using products that combine eco-sustainability and energy saving.The project idea aims to develop an innovative composite material to be applied in the construction sector, obtai-ned by coupling reinforcing fibres with a natural hydraulic lime-based matrix, compatible with the wall support and ideally in line with the energy efficiency principles indicated by the European di-rectives on the energy requalification of historic buildings.THE MATRIX OF THE COMPOSITE MATERIALThe first phase of the research work in-volved the identification, among the pro-ducts present in the literature and the international market, of a matrix with mechanical and thermal characteristics such as to allow the improvement of the seismic and energy performance of the perimeter walls of existing masonry buildings.Once the thermal plasters that meet the requirements imposed on energy properties and mechanical resistance have been selected, a further exami-nation has been imposed regarding the problem of sustainability; in particular, the choice was restricted to the matri-ces made of natural, eco-sustainable and eco-compatible materials and those obtained from recycled and recyclable materials.Table 1 lists the selected thermal pla-sters received in our laboratory. The values of the compressive strength σ and thermal conductivity λ are indica-ted in the products datasheet.The symbols next to the code indicate the type of compound, in particular:D. Pugliese, M. De Stefano, V. Alecci, R. Romano, A.M. Marra, G. Stipo, A. Donato – Università degli Studi di FirenzeF.Pittau – Università degli Studi di CagliariTA new compatible and sustainable composite material for the seismic and energetic upgrade of the existing masonry building heritageTab.1: Properties of the selected thermal plasters 5FEASIBILITY AND SCALABILITY OF THE RESEARCH PROJECTGiven the significant historical Italian and international building heritage, it is crucial to identify an innovative ma-terial capable of reducing seismic vul-nerability and improving energy perfor-mance.The research aims to represent the integrated seismic and energy design as a new redevelopment philosophy through environmentally friendly bu-ilding materials and innovative solu-tions oriented towards environmental sustainability.The use of these new materials will have a significant impact linked to the increase in the level of seismic safety, the energy improvement and the con-a thickness of 38 cm • stone masonry, with a thickness of 50 cm• sack masonry, with a thickness of 48 cm.The 11 matrices have been applied to each vertical closure both outside (6 cm thickness) and inside (4 cm thick-ness), which will improve the inertia and thermal transmittance of the wall without overloading the structure.As regards the total water content inside the wall [kg/m3] and the wa-ter content inside the internal plaster layer [kg/m3], the products with the lowest annual average value are INT .01 and INT.06. Furthermore, the re-sults obtained from the simulations carried out with INT.06 showed no water accumulation within any of the three construction types analyzed.From these latest observations, it is clear that the best matrix from a ther-mal and mechanical point of view is INT.06, characterized by compressive strength equal to 2.86 N/mm2.The third phase of the experimental campaign concerned estimating the mechanical properties of the basalt fabric, obtained through direct tensile tests. The average values of tensile strength ftf, elastic modulus ftf and ma-ximum deformation Etf, are shown in table 3. Once the basalt fabric had been tested, direct tensile tests were carried out on the composite consisting of the INT.06 reinforced with the fabric. Three samples labelled T-01, T-02, and T-03 of size 500·65·10 mm3 were prepared. In terms of maximum load Fmax, tensile strength fr, elastic modulus E and ma-ximum deformation εr, the results are reported in table 4.Finally, to numerically evaluate the beha-viour of a non-reinforced masonry panel (NRP) and a reinforced masonry panel (RP) subjected to diagonal compres-sion tests, numerical simulations were carried out using the FEM Abaqus CAE software. A linear analysis (L-N-R-P) was carried out for the panel’s defini-tion, considering the masonry characte-rized by a linear elastic behaviour. Once the linear elastic analysis has been carri-ed out, the panel will be studied with a non-linear behaviour (N-L-N-R-P), using the “concrete damage plasticity” (CDP) model present in the Abaqus CAE da-tabase.Since the calculation model is still un-der study and development, it is not yet possible to share the results obtained from the numerical simulation.Tab.2: Mechanical properties of matricesTab.3: Mechanical properties of basalt fabricTab.4: Mechanical properties of the compositesequent reduction of the pollution le-vels of the historical building heritage.There will also be an economic im-pact, as both the damage generated by any future seismic events and tho-se related to global pollution caused by excessive energy consumption will be reduced.ACKNOWLEDGMENTSThanks to the following companies, who provided the material to be tested for the project:  Azichem, Ferrimix, Index,  Kerakoll SpA, Laterite, Lime & Cork, Malvin, Marraccini, Newedil, Rall K, Röfix, Tradimalt, TCS calce.

Progettazione di un materiale composito ecosostenibile per la riduzione della vulnerabilit&#224; sismica e la riqualificazione energetica del patrimonio edilizio storico in muratura.

https://flore.unifi.it/bitstream/2158/1275277/1/Paper_compositiM.pdf

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