Progettazione del Calcestruzzo Armato a Base di Terra per un'Edilizia Sostenibile: dalla Teoria alle Applicazioni Strutturali

Soil excavated during construction activities is commonly classified and managed as waste, leading to rapid landfill saturation, reduced disposal capacity, and rising management costs. Yet, this material represents a valuable and underutilized resource. Earth-based construction materials offer a sustainable and cost-effective alternative to conventional products, providing indoor comfort and distinctive architectural value. Despite a millennia-long tradition, the use of earthen materials in modern construction has sharply declined since the Industrial Revolution, remaining fragmented and marginal. At the same time, growing environmental concerns have renewed interest in earth-based construction across academic and industrial sectors. Technological innovation has further stimulated the development of new approaches to earthen construction. One such innovation is Shot-earth—a material produced through the high-velocity projection of a dry mix of excavated soil, aggregates, and a stabilizer. This technique shows great promise in overcoming the traditional limitations of earthen materials, particularly regarding mechanical strength and durability. Unlike concrete, which is governed by well-established design codes—including those addressing flexural elements—earth-based construction has historically relied on empirical, local, or site-specific knowledge generally applied to compressive elements such as walls. However, this approach is no longer sufficient to meet modern performance and safety requirements. The absence of standardized design frameworks limits the large-scale adoption of earth-based materials, delays the development of reliable predictive models, and hinders the establishment of universal design criteria. In particular, the intrinsic variability of excavated soils and the scarcity of systematic investigations on full-scale structural elements restrict model validation and the assessment of safety and serviceability requirements. This research addresses these limitations through a comprehensive experimental and analytical framework for Shot-earth, also extendable to other earth-based materials. A novel predictive methodology was developed to estimate the physical and mechanical properties of Shot-earth across different mix designs, reducing reliance on costly laboratory testing. Full-scale structural elements—including vaults, beams, walls, retaining structures, and slabs—were designed and experimentally tested under both ultimate and serviceability limit-state conditions. Experimental results demonstrate that strong adhesion between steel reinforcement and the earthen matrix ensures effective composite action, enabling the reliable use of Shot-earth in flexural elements and extending its applications well beyond those of traditional earthen materials. Full-scale elements consistently satisfied current safety and serviceability requirements, underscoring the material’s potential for adoption in real-world structural applications. In parallel, predictive models describing the structural behavior of reinforced Shot-earth elements were developed based on established reinforced concrete design methodologies. Appropriately adapted to the specific characteristics of the material, these models were validated against experimental data, showing excellent agreement between theoretical predictions and observed performance. In conclusion, this work provides a robust scientific and experimental foundation for steel-reinforced Shot-earth as a viable structural material. By bridging traditional earthen construction and modern engineering practice, this research supports the integration of Shot-earth into contemporary design workflows and advances the transition toward more sustainable construction practices.

Il terreno scavato durante le attività di costruzione è comunemente classificato e gestito come rifiuto, con conseguente rapido esaurimento della capacità delle discariche, riduzione delle possibilità di smaltimento e aumento dei costi di gestione. Tuttavia, questo materiale rappresenta una risorsa preziosa e sottoutilizzata. I materiali da costruzione a base di terra offrono un’alternativa sostenibile ed economicamente vantaggiosa ai prodotti convenzionali, garantendo comfort abitativo e un valore architettonico unico. Nonostante una tradizione millenaria, l’impiego dei materiali a base di terra nella costruzione moderna è drasticamente diminuito a partire dalla Rivoluzione Industriale, rimanendo frammentato e marginale. Al contempo, le crescenti preoccupazioni ambientali ne hanno rinnovato l’interesse sia in ambito accademico che industriale. L’innovazione tecnologica ha ulteriormente stimolato lo sviluppo di nuovi approcci. Una di queste innovazioni è la Shot-earth, un materiale ottenuto mediante la proiezione ad alta velocità di una miscela secca di terreno di scavo, aggregati e stabilizzante. Questa tecnica mostra un grande potenziale nel superare i limiti tradizionali dei materiali a base di terra, in particolare per quanto riguarda la resistenza meccanica e la durabilità. A differenza del calcestruzzo, regolato da codici di progettazione consolidati — inclusi quelli relativi agli elementi in flessione — la costruzione in terra si è storicamente basata su conoscenze empiriche, locali o specifiche del sito, generalmente applicate a elementi compressi come le pareti. Tuttavia, questo approccio non è più sufficiente per soddisfare i moderni requisiti di sicurezza. L’assenza di un quadro di progettazione standardizzato limita l’adozione su larga scala dei materiali a base di terra, ritarda lo sviluppo di modelli affidabili e ostacola la definizione di criteri di progettazione universali. In particolare, l’intrinseca variabilità dei terreni scavati e la scarsità di indagini sistematiche su elementi strutturali in scala reale limitano la validazione dei modelli e la valutazione dei requisiti di sicurezza e di esercizio. Questa ricerca affronta tali limitazioni attraverso un quadro sperimentale e analitico robusto. È stata sviluppata una nuova metodologia predittiva per stimare le proprietà fisiche della Shot-earth in diversi mix design, riducendo la dipendenza da costose prove di laboratorio. Sono stati progettati e testati sperimentalmente elementi strutturali in scala reale—tra cui volte, travi, pareti, e piastre—sottoposti a condizioni limite ultime e di esercizio. I risultati sperimentali mostrano che l’elevata adesione tra l’armatura in acciaio e la matrice in terra assicura un’azione composita efficace, consentendo un utilizzo affidabile della Shot-earth in elementi flessionali ed estendendone le applicazioni ben oltre quelle dei materiali in terra tradizionali. I test su scala reale hanno soddisfatto i requisiti normativi, mostrando il potenziale del materiale per l’uso strutturale. Sono inoltre stati sviluppati modelli predittivi per il comportamento strutturale di elementi in Shot-earth armata, basati su approcci consolidati per il calcestruzzo armato. Opportunamente adattati alle specifiche caratteristiche del materiale, questi modelli sono stati calibrati e validati sui risultati sperimentali, mostrando una forte concordanza tra le previsioni teoriche e le prestazioni osservate. In sintesi, questo lavoro fornisce un solido fondamento scientifico e sperimentale per la Shot-earth armata come materiale strutturale. Questa ricerca colma il divario tra tradizione costruttiva in terra e pratica ingegneristica moderna, favorendo l’integrazione della Shot earth nella progettazione e la transizione verso pratiche più sostenibili.