Intelligent precast construction systems: Project, realization, maintenance technology for the optimization of the environment and economic sustainability

Climate change and recent seismic activity have underlined the inadequacy of the existing RC building stock to protect people from damages that may occur during the building’s life cycle. More than 50% of the existing buildings, constructed in the second post-War World, does not present suitable technical and constructive features due to the haste of rebuilding the cities. They present criticalities regarding performance and durability related to many issues: insufficient structural capacity due to bad designed technical details, obsoleted, inadequate, and deteriorated materials, incorrect execution methods and lack of maintenance. The renovation of these buildings has become a primary long-term strategy in the European scenario. The energy retrofit have the aim to transform the existing buildings into nearly zero-energy buildings, reduce the greenhouse gas emissions and the energy costs related to the need for winter heating and summer cooling. It brings benefits to the internal environment and to the people health and safety. On the other hand, the purpose to adapt the existing structures to the anti-seismic building codes, is mitigating the damage caused by the earthquakes to property and people. Nowadays, there are many traditional interventions which aim to renovate the buildings, though they are expensive, involve long, difficult, and not prompt procedures, but above all, they are separated according to work categories. This doctoral thesis proposes an innovative building renovation system of novel precast concrete (PC) modules devoted to the optimization of the energy and structural performance of the existing RC buildings. It consists in covering the façade with the PC modules with high thermal performance, by means steel elements directly installed on the building. The structural strengthening is assured by a cast-onsite lightweight concrete in the resulting cavity between the novel and the existing wall. Moreover, the system project takes into account the possibility to insert into the stratigraphy, performance monitoring devises for the diagnosis and building automation already during the construction phases and inspect them anytime in case of maintenance. The aim is decreasing time and costs of maintenance, monitoring the building performance, and preventing the damages in case of bad functioning or structural uncertainty. The analysis of the existing building typologies has led to the choice of the less performed façade for which the system stratigraphy has been designed. It has been assumed that if the system improves the performance of the worst building façade for complying with the national codes, it is verified also for the other typologies for which a specific project is necessary. In compliance with the principles of environmental and economic sustainability, the PC panels contain materials from industrial wastes. In detail, an innovative lightweight mortar with recycled Extruded Sintered Polystyrene (rEPS) has been designed and tested in order to get a performed insulating material with high thermal properties. Initial simulated analyses have been performed to understand the system characteristics of thermal insulation, structural strengthening, thus, to apport improvements on technical details. Finiteelement- method models (FEM-models) have been realized with COMSOL Multiphysics software for thermal investigation and SAP2000 for structural assessment. An Italian meaningful case study has been considered in order to simulate the application of the system and estimate the benefits it provides in terms of thermal performance and structural strengthening. The results show deep improvements in thermal performance and stiffness of the building, although a reduction of ductile capacity occurs. Six prototypes of the PC panel have been realized in compliance with the project partner enterprise with the aim to comprehend the production procedure of the building component. The panels have been distinguished in two dimensional categories in function of the height to better understand the ease of transport and installation. A RC frame with brick infill wall has been constructed with features similar to which of the existing building typology selected to design the technology. The wall dimensions have been chosen for applying the six panels in two rows and three columns. Finally, the theoretical procedure for the technological system installation has been really applied to the sample in order to verify the suitability of the phases and the coupling of the panels along vertical and horizontal direction. The positive result of the installation test validated the procedure and the design details.

Il cambiamento climatico e l’intensa attività sismica sottolineano l'inadeguatezza del patrimonio edilizio esistente a proteggere la vita dei cittadini dai danni che possono verificarsi durante il ciclo di vita di un edificio. Più della metà degli edifici esistenti è stata costruita a partire dal 1950 senza adeguate caratteristiche tecniche e costruttive a causa della fretta di ricostruire le città danneggiate dalla guerra. Le criticità prestazionali che caratterizzano tali organismi sono legate a diversi fattori, quali l’insufficiente capacità strutturale dovuta alla cattiva progettazione dei dettagli tecnici, la presenza di materiali inadeguati e deteriorati, metodologie di esecuzione errate e mancanza di manutenzione. Negli ultimi anni, la politica di recupero attuata dagli Stati Membri dell’Unione Europea, è diventata la strategia a lungo termine principale per ridurre le emissioni di gas serra ed i costi energetici legati alla necessità di riscaldamento invernale e di raffrescamento estivo degli edifici. Il recupero energetico mira a trasformare le strutture esistenti in edifici a energia quasi zero (nZEB) al fine di migliorare il comfort indoor e proteggere la salute degli utenti. D'altra parte, adattare le strutture esistenti agli standard dei nuovi codici edilizi antisismici, ha lo scopo di mitigare le conseguenze legate all’intensa azione sismica. Attualmente, gli interventi tradizionali che mirano a limitare tali problematiche richiedono tempi e procedure di esecuzione lunghe, costose, talvolta pericolose ma soprattutto suddivise per categorie di lavoro ovvero a seconda del campo di applicazione per il quale sono richiesti. Questa tesi di dottorato, dunque, propone un’innovativa tecnologia di recupero basata su un sistema di pannelli prefabbricati innovativi dedicati all’ottimizzazione energetica e strutturale delle prestazioni degli edifici esistenti in cemento armato. Essa consiste nel rivestire l’edificio con moduli prefabbricati ad alte prestazioni termiche per mezzo di elementi metallici direttamente installati sulla facciata. La funzione di irrigidimento è garantita da un getto di calcestruzzo alleggerito nella cavità risultante tra la nuova facciata e l'edificio esistente, conferendo maggiore portanza e solidità alla struttura. La nuova tecnologia permette di integrare, già durante le fasi di installazione del sistema, dei sensori di monitoraggio atti a garantire il controllo delle prestazioni dell'edificio durante il suo ciclo di vita. Esso ha lo scopo di ridurre i tempi ed i costi di manutenzione e prevenire possibili danni irreversibili dell'edificio. Grazie ad un’attenta analisi dello stato dell'arte, all’osservazione delle procedure di prefabbricazione presso l'azienda partner del progetto, è stato possibile definire le condizioni e gli specifici obiettivi sul quale fondare il progetto del nuovo sistema tecnologico. In aggiunta, lo studio delle tipologie edilizie più diffuse all'interno del territorio Europeo e Nazionale ha condotto alla scelta del tipo di facciata meno performante dal punto di vista energetico per la quale approfondire la progettazione del sistema. Procedendo per scale di dettaglio a partire dalla caratterizzazione del materiale di isolamento del modulo prefabbricato, concepito con utilizzo di materiale proveniente dagli scarti industriali, si è giunti allo studio della configurazione dimensionale del pannello e della tecnologia di connessione con la facciata esistente, fornendo indicazioni sull’approccio di calcolo da utilizzare. Inoltre, grazie all'utilizzo di software di analisi agli elementi finiti, è stata fornita la metodologia preliminare per la verifica termo-igrometrica della stratigrafia in aggiunta all’approccio numerico di verifica del comportamento strutturale sotto l'azione sismica. Con la finalità di verificare preliminarmente il comportamento simulato del sistema applicato ad un edificio esistente, è stato selezionato un idoneo caso di studio italiano avente caratteristiche coerenti con la tipologia edilizia scelta per la progettazione del sistema tecnologico. Dai primi risultati è emerso che l’innovativo sistema di pannelli prefabbricati conferisce benefici in termini di riduzione delle dispersioni termiche, protezione dal rischio di formazione di ponti termici e irrigidimento strutturale a scapito però della duttilità dell'apparato portante. In seguito alla fase di progettazione e alla verifica preliminare delle prestazioni dell’innovativo sistema tecnologico si è passati alla validazione industriale dei componenti prefabbricati, delle procedure di fabbricazione e delle fasi di installazione del sistema, presso l’azienda partner del progetto. Pertanto, a partire dalla riproduzione su grande scala della nuova malta alleggerita, sono stati realizzati sei moduli prefabbricati, distinti secondo due categorie dimensionali al fine di comprendere le questioni legate alla loro movimentazione ed installazione. La simulazione di intervento di recupero è stata effettuata su un campione di muro costruito con le caratteristiche dell’edificio del secondo dopoguerra considerato nella fase di progettazione. L'esito positivo della prova di installazione e completamento dell’intervento, ha validato la procedura, i calcoli ed i dettagli costruttivi dell’innovativo sistema tecnologico.