Analisi agli elementi finiti di una colonna costruttiva sullcomportamento fuori dal piano della parete in muratura danneggiata nel telaio in acciaio

Perché queste pareti sono importanti nei terremoti

Quando arriva un terremoto, i muri in mattoni o blocchi che riempiono gli spazi allinterno dei telai degli edifici spesso subiscono i primi danni. Queste pareti di tamponamento sono solitamente considerate tramezzi non strutturali, eppure in realtà contribuiscono silenziosamente a mantenere in piedi gli edifici. Questo studio esplora un modo nuovo e più semplice di costruire le piccole colonne verticali incorporate in tali pareti e pone una domanda cruciale: questa costruzione semplificata è in grado di proteggere ancora la parete — e le persone allinterno — quando il sisma in una direzione fa collassare la parete fuori dal piano, come un libro che cade da uno scaffale?

Come si comportano le pareti comuni quando il terreno si muove

In molti edifici moderni, uno scheletro in acciaio o calcestruzzo viene tamponato con pareti in muratura. Durante un terremoto queste pareti interagiscono con il telaio in modi complessi. Possono irrigidire lintera struttura e assorbire energia, ma possono anche creparsi e fallire. Una debolezza critica è il collasso fuori dal piano, in cui la parete si piega e rigonfia lateralmente e può crollare verso lesterno. Osservazioni post-sisma hanno mostrato che linserimento di strette colonne verticali costruttive allinterno della parete può migliorare notevolmente la stabilità. Tuttavia, il metodo tradizionale — gettare queste colonne in opera con calcestruzzo — richiede diversi giorni di lavoro, casseforme e vibratori accurati, e spesso presenta problemi di qualità.

Unidea di colonna più semplice allinterno della parete

Per affrontare questi ostacoli pratici, gli autori studiano una colonna costruttiva prefabbricata che viene realizzata insieme alla parete in un unico passaggio semplificato. Invece di montare casseforme e poi gettare e vibrare il calcestruzzo separatamente, gli operai inseriscono blocchi prefabbricati e armature mentre posano i mattoni, quindi riempiono gli spazi con malta fluida (grout). Questo approccio riduce il periodo di costruzione per una parete da tre giorni a uno e taglia il costo diretto di circa il 30 percento. Test precedenti hanno mostrato che queste colonne prefabbricate sono più deformabili rispetto a quelle tradizionali gettate in opera, coerente con lidea progettuale desiderabile di un telaio resistente e di una tamponatura leggermente più debole: il telaio principale rimane sicuro mentre il danneggiamento si concentra nella tamponatura sostituibile.

Prove virtuali di scuotimento con modelli computerizzati dettagliati

Usando esperimenti in scala reale precedenti come riferimento, il team ha costruito tre modelli numerici ad alta fedeltà di un telaio in acciaio a un solo piano con una parete in muratura: uno senza colonna interna, uno con una colonna costruttiva tradizionale gettata in opera e uno con la nuova versione prefabbricata. Hanno modellato con cura i mattoni, la malta, il telaio dacciaio, le barre darmatura e le superfici di contatto, poi hanno simulato scuotamenti ciclici nel piano (spostamenti laterali) seguiti da carichi fuori dal piano che spingono la parete perpendicolarmente alla sua superficie. Queste simulazioni hanno riprodotto caratteristiche chiave viste nei test di laboratorio, inclusa la formazione di fessure diagonali, il comportamento di schiacciamento o separazione di parti della parete e la condivisione dei carichi tra telaio e tamponatura, dando fiducia che i modelli catturino il comportamento reale.

Cosa succede quando le pareti vengono spinte fuori dal piano

I risultati mostrano che le colonne costruttive modificano sostanzialmente il modo in cui la parete si piega e fessura sotto carichi fuori dal piano. Nella parete senza colonna, la regione centrale viene spinta fortemente verso lesterno e le fessure si propagano in uno schema a X, formando un unico arco tra le colonne laterali. Quando è presente una colonna gettata in opera, la parete si comporta effettivamente come due pannelli più corti, ciascuno formando il proprio arco. Questo riduce il rigonfiamento centrale e sposta le fessure verso i bordi delle colonne. La colonna prefabbricata produce un comportamento simile a due archi, ma con il danneggiamento concentrato maggiormente nelle giunzioni tra i suoi blocchi prefabbricati, dove la malta è più vulnerabile. Nel complesso, entrambi i tipi di colonna limitano lo spostamento massimo fuori dal piano nella regione centrale della parete.

Quanto si guadagna o si perde in resistenza

I numeri delle simulazioni evidenziano i compromessi. Rispetto alla parete senza alcuna colonna interna, la colonna gettata in opera più che raddoppia la capacità di carico fuori dal piano, mentre la colonna prefabbricata la quasi raddoppia. Entrambe incrementano anche la duttilità della parete, permettendole di deformarsi più a lungo prima di perdere resistenza, e riducono quanto il danneggiamento nel piano indebolisce la prestazione fuori dal piano. Tuttavia, la colonna gettata in opera, molto rigida, attrae forze maggiori durante lo scuotimento nel piano, il che può portare a danni localizzati più estesi quando la parete viene successivamente spinta fuori dal piano. La colonna prefabbricata, più flessibile, ha un effetto di irrigidimento numericamente minore, ma limita meglio lo spostamento e il danneggiamento fuori dal piano dopo che la parete si è già crepata nel piano.

Cosa significa per una costruzione più sicura e più rapida

Per i non specialisti, il messaggio chiave è semplice: aggiungere sottili colonne verticali allinterno delle pareti di tamponamento in muratura le rende molto meno soggette a rigonfiarsi e cadere dal telaio durante o dopo un terremoto, e una versione prefabbricata ben progettata può fornire gran parte di questa protezione con una costruzione più semplice e meno costosa. La colonna gettata in opera offre ancora la massima resistenza assoluta, ma la nuova colonna prefabbricata rappresenta un compromesso promettente tra sicurezza, duttilità, rapidità di costruzione e costo. Poiché questo studio si concentra su telai a un solo piano e su un tipo di parete, sono necessari ulteriori studi prima di applicare i risultati a edifici alti o ad altri materiali di muratura. Anche così, la ricerca indica dettagli pratici e cantierabili che potrebbero aiutare le pareti ordinarie a svolgere silenziosamente un lavoro che salva vite quando il terreno inizia a tremare.

Citazione: Wang, Z., Luo, H., Lin, H. et al. Finite element analysis of a constructional column on the out-of-plane performance of the damaged steel frame-infilled wall. Sci Rep 16, 11177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39054-w

Parole chiave: pareti di tamponamento in muratura, ingegneria sismica, colonne costruttive, analisi agli elementi finiti, comportamento fuori dal piano