Multilayer precast façade panel: structural optimization for energy retrofitting

In Europe residential and commercial buildings are responsible of about 40% of the total energy consumption and the 70% of this energy is used for heating. To reduce this consumption, Standards introduce limits to guarantee the energy saving in new buildings, but also the energy retrofitting of existing buildings has to be considered, because of their large impact on the phenomenon. In this perspective a multi-layer prefabricated façade sandwich panel characterized by an internal EPS layer and by two external layers of Textile Reinforced Concrete (TRC) is proposed. Just the insulating material is used to transfer the shear between the external TRC layers. The maximum size of the panel is 1.50 x 3.30 m2; the panel height is properly chosen in order to fix it to the frame concrete beams by means of four punctual connectors placed near to the four corners. The main advantages of the solution if compared with the thermal coating (EIFS system) are: the lower impact on occupant life (no scaffoldings required), the possibility to obtain the desired finishing in terms of surface roughness, colour, pattern (including the reproduction of the original façade), the increase in impact resistance (low floors), the higher quality of finishing and the higher durability. The latter aspect is particularly important, especially considering an expected building life of at least 30 years. Aesthetic and durability aspects are directly related to the use of a high strength fine-grained concrete in TRC. The main goal of the work is to provide the mechanical characterization of this panel. The research is developed at material, cross-section and full-structure level. Material level includes the investigation performed on Textile Reinforced Concrete specimens in order to assess their behaviour in tension, considering both standard and extreme conditions (residual strength after exposure to freezing and thawing cycles). At lab-scale level, failure modes of the sandwich solution have been investigated. In particular, small (550x150 mm2) and big (1200x300 mm2) sandwich beams, characterized by the stratigraphy described above, were tested according to a four point load scheme. Both geometries were tested in standard conditions, and small beams were also tested after the exposure to freezing and thawing cycles. Furthermore, the behaviour of the sandwich solution when loaded with a concentrated load is investigated. Concerning full-scale level, tests were developed considering a real panel simply supported on four points and loaded initially with a distributed load, in order to assess the Serviceability Limit State behaviour, and then with concrete blocks up to failure, in order to determine the maximum load brought at Ultimate Limit State. In parallel, analytical and numerical analysis have been performed and the models adopted have been validated with respect to the collected experimental results.

In Europa gli edifici residenziali e commerciali sono causa del 40% circa dei consumi totali di energia e, in particolare, il 70% di questa energia è usata per il riscaldamento. Al fine di ridurre questi consumi le normative introducono dei limiti per garantire il risparmio energetico negli edifici di nuova costruzione; è comunque necessario procedere al recupero energetico degli edifici esistenti visto il loro impatto sul fenomeno. In questa prospettiva si propone un pannello prefabbricato multi-strato di facciata caratterizzato da uno strato interno di isolante in EPS e da due strati esterni in Textile Reinforced Concrete (TRC). Il taglio è trasferito fra i due strati esterni in TRC solo mediante il materiale isolante. La massima dimensione del pannello considerata è pari a 1.50 x 3.30 m2; l'altezza dello stesso è scelta in modo tale da poterlo fissare alle travi del telaio in cemento armato dell'edificio esistente mediante quattro connettori puntuali posizionati vicino ai quattro angoli del pannello. I principali vantaggi di questa soluzione rispetto al "cappotto" tradizionale (sistema EIFS) sono: il minor impatto sulla vita degli abitanti (non sono richiesti ponteggi per il montaggio), la possibilità di ottenere la finitura superficiale desiderata in termini di rugosità, colore, motivo (inclusa la possibilità di riprodurre la facciata originaria), l'aumento di resistenza all'impatto (piani inferiori), la maggiore qualità della finitura e la maggiore durabilità. L'ultimo aspetto risulta particolarmente importante, considerando in particolare una vita residua attesa dell'edificio di almeno 30 anni. Gli aspetti di estetica e durabilità sono strettamente legati all'utilizzo di un calcestruzzo ad alta resistenza caratterizzato da aggregati fini. Il principale obiettivo del lavoro è la caratterizzazione meccanica del pannello. La ricerca è stata sviluppata a livello di materiale, a livello sezionale e in scala reale. A livello di materiale è stata condotta una campagna sperimentale volta a indagare il comportamento a trazione di provini in TRC in condizioni standard ed estreme (resistenza residua dopo l'esposizione a cicli di geli-disgelo). A livello sezionale si sono indagati i modi di rottura della soluzione multi-strato. In particolare travi multi-strato caratterizzate dalla stratigrafia sopra riportata, sia piccole (550x150 mm2) che grandi (1200x300 mm2), sono state provate secondo uno schema di prova a quattro punti. Entrambe le geometrie sono state testate in condizioni standard; inoltre, le travi piccole sono state provate anche in seguito all'esposizione a cicli di gelo-disgelo. Il comportamento della soluzione multi-strato è stato indagato anche nel caso in cui questa sia caricata con un carico concentrato. Per quanto riguarda il livello a scala reale, un pannello semplicemente appoggiato su quattro punti è stato caricato inizialmente con un carico distribuito, al fine di definirne il comportamento allo Stato Limite di Esercizio, e successivamente con blocchi di calcestruzzo fino al raggiungimento della rottura, al fine di determinare il massimo carico portato allo Stato Limite Ultimo. In parallelo sono state effettuate delle analisi analitiche e numeriche; i modelli adottati sono stati validati con riferimento ai risultati ottenuti sperimentalmente.