Ricerca sperimentale e numerica sul comportamento isteretico laterale e sul modello semplificato dei tipici Dou‑Gong delle dinastie Ming‑Qing

Antichi mensoloni lignei che proteggono gli edifici dai terremoti

Molti degli imponenti archi, sale e torri storiche in legno della Cina hanno resistito per secoli a scosse sismiche. Una ragione fondamentale è un curioso insieme di blocchetti e travetti incastrati chiamato Dou‑Gong. Questo studio esamina in dettaglio come una famiglia importante di questi mensoloni, delle dinastie Ming e Qing, oscilli e scivoli durante le vibrazioni e come il suo comportamento possa essere rappresentato con un modello ingegneristico semplice. Comprendere questo nascosto “ammortizzatore” ligneo aiuta a preservare meglio gli edifici patrimonio mondiale e a progettare strutture moderne più sicure ispirate a essi.

Un puzzle ligneo con significato sociale

Il Dou‑Gong non è solo un espediente strutturale; è anche un simbolo di rango sociale. Nelle abitazioni storiche ordinarie erano permessi solo mensoloni piccoli e semplici, mentre i cancelli cittadini ufficiali e le sale imperiali presentavano grandi impilamenti di blocchetti riccamente decorati. Gli autori si concentrano su questi mensoloni di livello medio‑alto delle dinastie Ming–Qing impiegati in edifici pubblici importanti. Rispetto alle versioni più elaborate della dinastia Song, i Dou‑Gong Ming–Qing sono più snelli e compatti, con meno bracci sporgenti e un percorso più diretto per il trasferimento delle forze dal tetto alle colonne e alle pareti. Queste differenze suggeriscono che potrebbero rispondere ai terremoti in modo specifico, anziché comportarsi come i mensoloni più antichi studiati nella ricerca precedente.

Tre tipi di mensoloni, tre posizioni nel telaio

I ricercatori hanno esaminato tre disposizioni tipiche dei mensoloni, ciascuna collocata in una posizione diversa di un telaio in legno. Un tipo è situato tra le colonne (DGPS) e non è direttamente collegato a esse. Un secondo tipo poggia sopra le colonne (DGZT) e un terzo è collocato agli angoli dove si incontrano due pareti (DGJ). Da attente indagini sul campo di cancelli e torri storiche a Pechino e nello Shanxi, il team ha ricostruito questi tre allestimenti in scala 1:3 usando lo stesso tipo di pino presente negli originali. Hanno testato la resistenza di base del legno e poi hanno assemblato provini dei mensoloni che riproducevano fedelmente le sagome storiche.

Mettere in movimento i mensoloni per rivelare movimenti nascosti

I mensoloni sono stati fissati in un robusto telaio d’acciaio e spinti avanti e indietro in cicli lenti e controllati per simulare il moto sismico. Piccoli pesi rappresentavano il carico del tetto che premeva dall’alto. Con l’aumentare degli spostamenti, il team ha osservato fessurazioni, separazioni e rotture e ha registrato le forze di spinta e trazione. Tutti e tre i tipi hanno mostrato forte scorrimento tra le superfici lignee a contatto, insieme a progressiva schiacciatura e sfibramento delle fibre nei punti di contatto critici. Le curve forza‑spostamento hanno formato anelli che si restringevano al centro, un effetto chiamato “pinching”, che indica che parti della struttura si aprono e si chiudono durante ogni ciclo e che la rigidezza degrada gradualmente. Tra i tre, i mensoloni posti sopra la colonna (DGZT) e agli angoli (DGJ) assorbivano meglio l’energia, mentre il mensolone tra le colonne (DGPS) manteneva più rigidezza ma dissipava meno energia.

Dalla scultura complessa a linee semplici

Poiché un vero Dou‑Gong comprende molti piccoli blocchetti e superfici di contatto, modelli numerici dettagliati richiedono molto tempo e costi elevati se applicati a un edificio intero. Per affrontare questo problema, gli autori hanno costruito simulazioni tridimensionali raffinate di ciascun mensolone e poi hanno tracciato i principali percorsi interni di “flusso delle forze” dove le sollecitazioni si concentravano. Hanno sostituito la geometria intricata con solo pochi travetti e puntelli idealizzati, includendo alcuni elementi che non esistono letteralmente nel legno ma rappresentano il loro effetto complessivo. Particolare attenzione è stata data a come il legno compresso si deforma attorno a perni nascosti, che controllano quanto i pezzi possono muoversi prima di entrare in scorrimento plastico. Il risultato è un modello semplificato a trave che utilizza una frazione minima delle risorse computazionali originali—dell’ordine di pochi percento degli elementi e dei nodi—pur riproducendo i principali comportamenti di rotazione e scorrimento.

Verificare se il trucco funziona davvero

I modelli semplificati sono stati quindi sollecitati nel mondo virtuale con gli stessi spostamenti impiegati nei test di laboratorio. Confrontando i risultati, i ricercatori hanno riscontrato che le versioni semplificate riproducevano la forma complessiva delle curve sperimentali e la diminuzione di rigidezza con l’aumentare degli spostamenti. I pattern di alte e basse sollecitazioni nelle versioni semplificate corrispondevano anche a quelli delle simulazioni dettagliate. Alcune differenze sono emerse per spostamenti molto grandi, dove difetti reali del legno e complessi effetti di attrito diventano rilevanti, ma per l’intervallo più pertinente alla valutazione strutturale l’accordo è risultato sufficientemente buono per un uso pratico.

Cosa significa per gli edifici storici oggi

Per un non specialista, il messaggio principale è che questi mensoloni lignei stratificati non sono ornamenti fragili; funzionano come ammortizzatori incorporati che permettono agli edifici storici di oscillare, scorrere e dissipare energia sismica senza collassare. Questo studio dimostra che anche le versioni “più semplici” Ming–Qing svolgono questo ruolo protettivo e offre agli ingegneri un modo compatto per rappresentarle all’interno di modelli numerici dell’intero edificio. Ciò rende molto più semplice verificare la sicurezza di grandi monumenti in legno e pianificare interventi di riparazione o rinforzo che rispettino il loro carattere originale.

Citazione: Cui, Z., Chun, Q., Yuan, Y. et al. Experimental and numerical research on the lateral hysteretic behavior and simplified model of typical Dou-Gong in Ming-Qing dynasties. npj Herit. Sci. 14, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02340-x

Parole chiave: Dou‑Gong, prestazione sismica, patrimonio ligneo, architettura Ming–Qing, dissipazione di energia