RESTORING ARCHITECTURE: understanding structure - fitting material Franco Bontempi, PhD, PE, Professor of Structural Analysis and Design School of Engineering University of Rome La Sapienza – ITALY [email protected]
Jan 16, 2017
RESTORING ARCHITECTURE:understanding structure - fitting material
Franco Bontempi, PhD, PE, Professor of Structural Analysis and Design
School of EngineeringUniversity of Rome La Sapienza – ITALY
http://engineering.unl.edu/durhamschool/arches-workshop/
What is Italy? The context
My office
World Heritage Sites, July 2016
Problemi meccanici fondamentalinella modellazione strutturale
1. Asimmetria del comportamento meccanicoelementare: resistenza a compressione ma non a trazione (comportamento monolatero);
2. Comportamento fornito da elementi discreti che al collasso mostrano una completa disaggregazione;
3. Eterogeneita’ a) nel prospetto (in superficie -tessitura) e b) nello spessore (nel profondo -paramenti);
4. Incertezze elevate sia sulle singole proprieta’ meccaniche sia sul comportamento d’insieme;
5. Difficolta’ di analisi dopo l’intervento di messa in sicurezza la costruzione (come si valuta l’interazionecon le opere provvisionali – costruzione per fasi);
6. Vulnerabilita’ diffusa.
Elementi discreti 2
Elementi discreti 2
Elementi discreti 2
Disaggregazioneal collasso
2
3aEterogeneita’nel prospetto
(nella tesssitura)
3bEterogeneita’nello spessore
(due paramenti)
4Incertezze
4Incertezze
5Vulnerabilita’diffusa
5
Understanding structure Palazzo Camponeschi, L’Aquila - ITALY
https://divisare.com/projects/285671-renato-rizzi-l-aquila-palazzo-camponeschi
Sopralluogo 28 luglio 2011
Structural System
3131
Load Path
Example
BASIS OF THE DESIGN
1. How the building is configured
2. How to maintain connected the parts of the building
3. How to enhance the characteristics of the various parts
4. How to solve specific local problems
37
Road Map
1. How is configured the building
2. How to maintain connected the parts of the building
3. How to enhance the characteristics of the various parts
4. How to solve specific local problems
Structural System
To understand structural
topology
41
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 deidiaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioniindicative in
facciata deiprincipali
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
Bra
ccio
SEBra
ccio
NO
Blo
cco
VA
1y
x
Historic basis
Bra
ccio
SE
Braccio NO
Blo
cco
VA
2 y
x
SE
NO
VA
3y
x
Damage Blocco NO
4
y
xBlocco NO
b a
49
Structural subdivision: regularitazion
5
a b
GroundFloor
1st Floor
2nd Floor
50
6
7
Blo
cco
NO
Blo
cco
VA
Blo
cco
SE
GeometricSubdivision
52
8
IPE 300 IPE 600
Main TopFrames
53
9
IPE 300 IPE 600
SecondaryTop Frames
(wood beams)
54
10
To guarantee structural
integrity
56
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 deidiaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioniindicative in
facciata deiprincipali
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
Steel tiesWall – floor slab
Palazzo Camponeschi - FB
Wall – floor slab connections
58
Smeared
Palazzo Camponeschi - FB59
North side tie system
Lumped
Palazzo Camponeschi - FB
Incatenamenti: piano secondo
CATENALONGITUDINALE
TRAVE ACCIAIOSOMMITA’
CORRENTE INFERIORE
CAPRIATA IN LEGNO
CATENATRASVERSALE
PIASTRE DI DIFFUSIONE
Palazzo Camponeschi - FB61
South side tie system
Lumped
How to enhance the
characteristics of the various parts
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 deidiaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioniindicative in
facciata deiprincipali
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
Masonry enhancements
64
Palazzo Camponeschi - FB65
Ground floor
Palazzo Camponeschi - FB66
First and second floor
Gray regions:Masonry failure
Extended and conncected
masonryregions where
failurehappens
67
Before
Masonry withStrengtening injections
Masonry reinforcedWith transversal
connections
68
After
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 deidiaframmi di
testa
coronamento
principale
completamento
INCATENAME
NTI
blocco NO blocco SE
CONNESSIONI
DISTRIBUITE
INTEGRAZIONI
DELLA
CAPACITA'
MECCANICA
disposizioniindicative in
facciata deiprincipali
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
Smeared reinforcing mats
69
Facade smeared reinforcing mat
L’efficacia della rete di rinforzo, specie nella parte in alto dell’edificio,
e’ mostrata da uno stato tensionale di trazionesignificativo con valori intorno a 10 -30 MPa.
analisi non lineare
71
Behavior along y direction
72
Safety check synthesis
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 noconnessioni solai
How to make it!
Fasciature
Construction Steps (1-4)
Construction Steps (5-8)
Construction Steps (9-12)
Fitting material Villa Silin, Leptis Magna, LYBIA
Basis of the design
94
• The pavement support must hold the mosaic of Villa Silin at Leptis Magna, Libya. It is necessary to permit limited but free access to people over the mosaic. Specific attention to transitory phase.
• Loadings:1. Live Load: 2.5 kN/m2;2. Ultimate Load: not pertinent.
Performance based design (1)
Performance based design (2)
Subdivision of the pavement support
Subdivision of the pavement support
Villa Silin Mosaic 98
5 cm2.5 + 2.5 cm
5 cm
Layout of the pavement support
Villa Silin Mosaic 99
5 cm
Transitory phase
101
103
104
Material law: matrix
105
Material law: fiber
106
2 x (2.5 kN Load Patchover 0.25m x 0.25m)
Vertical displacement (z)
Making recipes
Sustainability and material choice
n. NHL 5 chopped fibers
(6%W)
Basalt
geogrid
(H=2,5cm)
Minibars
A1 X NO NO NO
A2 X X (1/4”) X NO
A3 X X (1/2” + ¼”) X NO
A4 X X NO X
Exerimental design
Mixture 2 before the addition of the fibers
Mixture 2 after the addition of the fibers
Casting of plate n. A3
Experimental setup
Experimental setup
The solution
• At the end of the various tests and analyses the chosen solution for the panels is based on the use of a mixture made with:
• Natural hydraulic lime St.Astier NHL 5 – 600 kg/m3;
• Local sand (ratio NHL-sand = 1:2) – 1200 kg/m3;
• Water – 540 kg/m3;
• Basalt minibars – 80 kg/m3;
• Basalt chopped fibers – 60 kg/m3;
• The thickness of the panels will be 5 cm.
Prove it!
Seconda prova sulla piastra con mix #3
Seconda prova sulla piastra con mix #3
Spezzone di piastra con mix #4: prova «di impatto» n.2
Spezzone di piastra con mix #4: prova «di impatto» n.2
Spezzone di piastra con mix #4: prova «di impatto» n.2
Spezzone di piastra con mix #4: prova «di impatto» n.2
Spezzone di piastra con mix #4: prova «di impatto» n.2
Few words as conclusion
•Sensibility
•Insight
•Attention
•Structural feeling
•Material knowledge
•Care
https://web.uniroma1.it/cistec/
http://www.icr.beniculturali.it/pagina.cfm?usz=1132