Ingegnerizzazione sostenibile delle costruzioni in terra battuta: ottimizzazione del materiale, del design e delle prestazioni

Buildings of the future are called to meet increasingly high-performance requirements and to ensure adequate environmental sustainability of the entire production and construction chain. This issue has stimulated a keen interest in the use of natural materials in construction. Among these, raw earth has proved to be particularly interesting for its intrinsic availability, sustainability, and recyclability. In Europe, the spread of raw earth building technologies has often been hindered by the lack of specific legislation regulating its use for load-bearing purposes, especially in high-seismic risk territories. The present study aimed at the design of a novel type of reinforced modular rammed earth construction, made with natural, low-cost or re-used materials from the waste products of other production chains, developing a technology with low energy consumption and low environmental impact, specifically designed for areas with a high seismic risk and severe energy regulation on envelope’s performances. The research was carried out at the University of Catania and assisted by the local company Guglielmino Soc. Coop. and the group Centro Tierra of the Pontificia Universidad Católica del Peru. The followed methodology comprised prototyping and validation procedures for the design of the constructive system. A design-simulation-validation approach, characterized by several iterations has been used. The solution investigated, developed together with the local industrial partner and currently filed for a patent application, consists of a construction system composed of rammed earth walls made with new mixtures of clayey soil and recycled materials from other production chains. Concerning the material, it is proposed a novel stabilization method which uses local earth, volcanic sand, natural fiber (sisal) and a filler from the stone-cutting industry to characterize an earth mix with good mechanical, physical and thermal performances. It is foreseen the possibility to prefabricate the material to maintain these properties constant. The constructive system is composed by rammed earth walls reinforced with seismic resistant devices consisting of a timber stiffening frame and nylon/polyester rope bindings. The system also envisages the development of a formwork system integrated with the timber stiffening frame, capable of guaranteeing rapid, economic and partially prefabricated installation, allowing for the containment of the construction times, the rationalization of the execution phases and construction costs, as proved by the construction of a prototype wall. The last part of the thesis focuses on the assessment of the hygrothermal and energy performances of a representative rammed earth building locate in Mediterranean climate. Simulations were run on Design Builder and Delphin softwares on the base of the measured materials’ properties and local weather data. The research showed the benefic effects of using design solutions inherited by traditional Mediterranean bioclimatic strategies, as massive walls with high thermal inertia, night cross ventilation and overhangs. The effectiveness of the technology was proven by the assessment of inner surface temperature, indoor mean air temperature, comfort expectations, energy needs, and by an in-depth analysis of the hygrothermal behavior of rammed earth walls, with and without thermal insulations, which discloses interesting results on the compatibility and durability of these assemblies.

Le costruzioni del futuro sono chiamate a soddisfare requisiti prestazionali sempre più elevati e a garantire un'adeguata sostenibilità ambientale dell’intera filiera produttiva e costruttiva. Questo tema ha stimolato un forte interesse per l'utilizzo dei materiali naturali nella costruzione. Tra questi, la terra cruda si è rivelata particolarmente interessante per la sua intrinseca disponibilità, sostenibilità e riciclabilità. In Europa, la diffusione delle tecnologie costruttive in terra cruda è stata spesso ostacolata dalla mancanza di una legislazione specifica che ne regolasse l'utilizzo per fini strutturali, soprattutto nei territori ad alto rischio sismico. Il presente studio ha avuto come obiettivo la progettazione di un nuovo tipo di costruzione modulare rinforzata in terra battuta, realizzata con materiali naturali, a basso costo o provenienti dagli scarti di altre filiere produttive, sviluppando una tecnologia a basso consumo energetico e a basso impatto ambientale, specificatamente pensata per aree ad alto rischio sismico e con una severa regolamentazione energetica sulle prestazioni dell'involucro. La ricerca è stata condotta presso l'Università di Catania, con l’aiuto dell'azienda locale Guglielmino Soc. Coop. e del gruppo Centro Tierra della Pontificia Universidad Católica del Perù. La metodologia seguita ha compreso procedure di prototipazione e validazione per la progettazione del sistema costruttivo. È stato utilizzato un approccio di progettazione-simulazione-validazione, caratterizzato da diverse iterazioni. La soluzione studiata, sviluppata insieme al partner industriale locale e attualmente oggetto di una domanda di brevetto, consiste in un sistema costruttivo composto da muri in terra battuta realizzati con nuove miscele di terra argillosa e materiali riciclati da altre filiere produttive. Per quanto riguarda il materiale, viene proposto un nuovo metodo di stabilizzazione che utilizza terra locale, sabbia vulcanica, fibra naturale (sisal) e un filler proveniente dall'industria del taglio della pietra per caratterizzare una miscela di terra con buone prestazioni meccaniche, fisiche e termiche. Si prevede la possibilità di prefabbricare il materiale per mantenere queste proprietà costanti. Il sistema costruttivo è composto da muri in terra battuta rinforzati con dispositivi antisismici costituiti da un telaio di irrigidimento in legno e da legature in funi di nylon/poliestere. Il sistema prevede inoltre lo sviluppo di un sistema di casseforme integrate con il telaio di irrigidimento in legno, in grado di garantire una posa in opera rapida, economica e parzialmente prefabbricata, consentendo il contenimento dei tempi di realizzazione, la razionalizzazione delle fasi di esecuzione e dei costi di costruzione, come dimostrato dalla realizzazione di una parete prototipo. L'ultima parte della tesi si concentra sulla valutazione delle prestazioni termoigrometriche ed energetiche di un edificio rappresentativo in terra battuta situato in clima mediterraneo. Le simulazioni sono state eseguite con i software Design Builder e Delphin, sulla base delle proprietà del materiale caratterizzato e dei dati meteorologici locali. La ricerca ha mostrato gli effetti benefici dell'uso di soluzioni progettuali ereditate dalle tradizionali strategie bioclimatiche mediterranee, come l’uso di muri massicci con elevata inerzia termica, della ventilazione incrociata notturna e degli aggetti. L'efficacia della tecnologia è stata dimostrata dalla valutazione della temperatura della superficie interna, della temperatura media dell'aria, delle aspettative di comfort, del fabbisogno energetico, e da un'analisi approfondita del comportamento termoigrometrico delle pareti in terra battuta, con e senza isolamento termico, che rivela risultati interessanti sulla compatibilità e la durabilità di questi pacchetti costruttivi.