restoring architecture: understanding structure - fitting material

RESTORING ARCHITECTURE:understanding structure - fitting material

Franco Bontempi, PhD, PE, Professor of Structural Analysis and Design

School of EngineeringUniversity of Rome La Sapienza – ITALY

franco.bontempi@uniroma1.it

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