Experimental Study of Alternative Solutions for Integrated Energy and Structural Buildings Retrofits

A holistic approach in the design of interventions is strongly boosted by recent Horizon Calls on energy-efficiency to perform a more sustainable and cost-effective building rehabilitation. Solving all building deficiencies at once with a unique solution is highly promoted, but the topic is still seldom addressed by the scientific community. The present thesis outlines an experimental research on alternative solutions for energy and structural retrofits strategies for wooden buildings. The first objective of the study deals with the energy optimization of cross laminated timber (CLT) buildings, that will eventually be implemented with a structural rehabilitation. The second objective focuses on an integrated energy and structural alternative solution for platform frame (PF) buildings by means of a masonry wall, made of unbaked earth blocks, on the internal and external sides of the structure, to optimize its global shear behavior and thermal responsiveness. The methodology comprised: extensive monitoring campaigns on a case study in different seasons and operative conditions, by means of simultaneous comparative studies of different internal and external linings; mechanical testing on unbaked masonry wallettes by means of digital image correlation (DIC) technique. Firstly, the outcomes demonstrated that, for CLT buildings, in the Mediterranean climate, the adoption of a massive innermost layer guarantees the best thermal performance on annual basis under different indoor operative conditions. Moreover, a ventilated technology, with an outer thermal mass, is the best choice yearly, being beneficial for minimizing the incoming heat fluxes through the envelope. Secondly, regarding the retrofit strategy of PF buildings, it was experimentally verified that the earth block masonry has a good thermal performance, regardless of the switching on/off of the cooling system, and that the presence of the dovetail joints improve the overall shear behavior of masonry veneer walls in wooden light-framing structures.

Un approccio olistico nella progettazione di interventi è fortemente favorito dalle recenti Calls Europee sull’efficienza energetica per promuovere una riqualificazione degli edifici più sostenibile ed efficiente in termini di costi. Risolvere tutte le carenze dell’edificio con un’unica soluzione è fortemente incoraggiato, ma il tema è ancora poco affrontato dalla comunità scientifica. La presente tesi illustra una ricerca sperimentale di soluzioni alternative per il retrofit energetico e strutturale di edifici in legno. Il primo obiettivo dello studio affronta l’ottimizzazione energetica di edifici in legno lamellare incrociato (CLT), che successivamente sarà implementata anche con una ottimizzazione strutturale. Il secondo obiettivo riguarda una soluzione integrata energetica e strutturale per edifici con telaio in legno (PF) attraverso l’utilizzo di una muratura in blocchi di terra cruda sul lato interno ed esterno della struttura per ottimizzarne il comportamento complessivo a taglio e risposta energetica. La metodologia si è basata su: campagne di monitoraggio su un caso studio in diverse stagioni e condizioni operative, attraverso studi simultanei comparati di differenti finiture interne ed esterne; tests meccanici su muretti in terra cruda, utilizzando la tecnica della correlazione digitale delle immagini (DIC). In primo luogo, i risultati hanno dimostrato che, per un edificio in CLT, nel clima Mediterraneo, l’adozione di uno strato di finitura interno massivo, garantisce la migliore prestazione termica annuale, sotto differenti condizioni operative. Inoltre, una facciata ventilata con una massa termica esterna è la scelta migliore poiché limita i flussi termici provenienti dall’esterno in estate e inverno. In secondo luogo, per quanto riguarda la strategia di retrofit in PF, è stato verificato sperimentalmente che il blocco in terra cruda ha un buon comportamento termico, indipendentemente dall’uso dell’impianto di raffrescamento, e il beneficio di giunti a coda di rondine per migliorare il comportamento a taglio di tamponature di strutture intelaiate in legno.