Simulazione numerica del carico ciclico inverso nella connessione tra pilastro prefabbricato e fondazione a tasca

Perché è importante per la sicurezza sismica

Molti edifici moderni sono assemblati come grandi costruzioni a incastro, usando elementi in calcestruzzo prodotti in fabbrica che vengono rapidamente montati in cantiere. Questo fa risparmiare tempo e denaro, ma solleva una domanda cruciale: queste giunzioni tra gli elementi reggeranno in caso di terremoto? L’articolo affronta questa domanda per una delle giunzioni più critiche — il punto in cui il pilastro verticale incontra la fondazione — testando un tipo di connessione prefabbricata a “tasca” e confrontandola con una connessione tradizionale gettata in opera.

Come vengono uniti gli elementi edilizi

Nella costruzione convenzionale, pilastri e fondazioni sono di solito gettati come un unico blocco continuo di calcestruzzo, creando una connessione senza soluzione di continuità. Nella costruzione prefabbricata, il pilastro è prodotto in fabbrica e successivamente fissato alla fondazione in cantiere. Un metodo promettente è la connessione a tasca: la fondazione viene realizzata con una rientranza (la tasca), il pilastro prefabbricato viene inserito al suo interno e lo spazio residuo viene riempito con un getto di malta ad alta resistenza. Questa malta, insieme all’attrito e al contatto del pilastro contro le superfici irruvidite della tasca, permette alla giunzione di comportarsi in modo simile a una connessione monolitica. Poiché il danneggiamento sismico spesso si concentra in corrispondenza di queste giunzioni, migliorare i dettagli delle tasche potrebbe rendere gli edifici prefabbricati sia più sicuri sia più facili da riparare.

Progettare due soluzioni per migliorare la giunzione

I ricercatori si sono concentrati sul modo in cui le barre d’acciaio sono disposte all’interno della regione della tasca, poiché questo “scheletro” nascosto controlla come le forze vengono trasferite durante le oscillazioni. Sono partiti da un edificio realistico di quattro piani progettato secondo i codici indiani e singaporiani, hanno individuato un pilastro fortemente sollecitato alla base e quindi creato modelli in scala ridotta per la simulazione al calcolatore. Un modello rappresentava una connessione monolitica gettata in opera. Altri due rappresentavano dettagli diversi della tasca: PC I, basato su un progetto esistente con barre aggiuntive agli angoli, e PC II, in cui ciascuna parete della tasca era rinforzata in modo più indipendente con barre verticali e orizzontali più staffe supplementari vicino alla base del pilastro. Tutti e tre i modelli sono stati sottoposti, in un modello numerico, a movimenti laterali ripetuti avanti e indietro — simili a quelli che un pilastro sperimenterebbe in un terremoto — mentre sopportavano un carico verticale costante.

Cosa ha rivelato l’agitazione virtuale

Il team ha utilizzato software avanzato agli elementi finiti per catturare fessurazione, schiacciamento e snervamento dell’acciaio sotto questo carico ripetuto. Le simulazioni hanno riprodotto i precedenti test di laboratorio con un’accuratezza dell’ordine del 15%, dando fiducia ai risultati virtuali. La connessione monolitica è risultata complessivamente la più resistente, come previsto, ma la connessione a tasca PC II si è avvicinata sorprendentemente molto, perdendo solo circa il 16% della resistenza di picco, mentre PC I ha perso circa il 22%. Più importante in termini sismici, le tasche prefabbricate hanno permesso ai pilastri di flettersi maggiormente prima del collasso. Rispetto alla giunzione monolitica, PC I ha mostrato circa i due terzi in più di capacità di deformazione, e PC II l’ha più che raddoppiata. Le mappe di deformazione hanno indicato che la giunzione monolitica concentrava il danneggiamento proprio all’interfaccia pilastro–fondazione, mentre le connessioni a tasca distribuivano il danneggiamento in modo più uniforme, suggerendo che potrebbero essere più facili da riparare dopo le scosse.

Come le giunzioni hanno gestito l’energia dell’oscillazione

Quando un edificio oscilla durante un terremoto, buone connessioni fanno più che restare intatte: assorbono e dissipano energia, così che ne venga trasferita meno nella superstruttura. I ricercatori hanno misurato questa «dissipazione di energia» osservando le curve di carico–spostamento cicliche nelle simulazioni. Entrambe le connessioni a tasca hanno sovraperformato la giunzione monolitica. PC I ha dissipato complessivamente circa il 63% di energia in più, sebbene a scapito di danneggiamento più concentrato nella zona della tasca. PC II ha dissipato circa il 37% di energia in più rispetto alla connessione monolitica e lo ha fatto in modo più controllato, con fessurazioni meno gravi e un migliore confinamento del nucleo di calcestruzzo. La sua risposta è rimasta stabile anche a spostamenti laterali maggiori, rendendola particolarmente promettente per l’uso in regioni soggette a terremoti.

Cosa significa per gli edifici del futuro

Per i non specialisti, il messaggio principale è che prefabbricato non significa necessariamente più debole. Con un dettagliato progetto dell’armatura nascosta all’interno delle fondazioni a tasca, le giunzioni pilastro–fondazione prefabbricate possono eguagliare, e in alcuni aspetti superare, le prestazioni del calcestruzzo pieno tradizionale. In particolare, la disposizione PC II offre una combinazione bilanciata di resistenza, flessibilità e assorbimento di energia. Ciò significa che gli edifici possono oscillare in sicurezza senza cedimenti improvvisi e risultare più facili da riparare in seguito. Lo studio mostra inoltre che le moderne simulazioni al calcolatore, una volta accuratamente validate con esperimenti, possono guidare progetti più sicuri e resilienti prima ancora che venga gettato un singolo pezzo di calcestruzzo.

Citazione: Hemamathi, A., Jaya, K.P. & Sukumar, B. Numerical simulation of reverse cyclic loading in precast column and pocket foundation connection. Sci Rep 16, 5714 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36686-w

Parole chiave: calcestruzzo prefabbricato, ingegneria sismica, connessione pilastro-fondazione, resilienza sismica, simulazione agli elementi finiti