Comportamento a carico assiale di colonne composite doppie sigma in acciaio formato a freddo riempite e parzialmente incassate in calcestruzzo

Colonne più resistenti per edifici di uso quotidiano

Con le città sempre più in altezza e una costruzione più rapida, gli ingegneri cercano colonne che siano non solo forti e sicure, ma anche più veloci da realizzare e meno impattanti per il clima. Questo studio esamina un nuovo modo di costruire colonne combinando sottile involucro in acciaio con un calcestruzzo fluido speciale rinforzato con fibre ricavate da roccia vulcanica. I ricercatori pongono una domanda semplice ma dalle grandi conseguenze per gli edifici del futuro: quale disposizione della colonna offre il miglior equilibrio tra resistenza, duttilità e minore impronta di carbonio?

Come i sottili gusci d'acciaio diventano colonne robuste

Negli edifici moderni si usa spesso acciaio formato a freddo, ottenuto piegando lamiere sottili in profili rigidi. Questi elementi leggeri sono facili da trasportare e ideali per la costruzione modulare, ma da soli possono schiacciarsi come una lattina sotto forti carichi assiali. Per superare questo limite, il team ha realizzato colonne accoppiando due profili sigma in acciaio in due configurazioni: chiusi faccia a faccia per formare una scatola d'acciaio, e aperti schiena contro schiena con un'intercapedine che può essere riempita di calcestruzzo. Ogni stile è stato testato in tre varianti: solo acciaio nudo, riempito o incassato con calcestruzzo autocompattante normale, e riempito o incassato con un calcestruzzo avanzato rinforzato con piccole fibre di basalto.

Un nuovo tipo di calcestruzzo fluido e ricco di fibre

Il calcestruzzo impiegato è progettato per scorrere e distribuirsi sotto il proprio peso, fluendo attorno agli angoli stretti e agli armature fitte senza bisogno di vibrazione. I ricercatori hanno migliorato questa miscela sostituendo parte del cemento con cenere volante e fumo di silice — sottoprodotti industriali che contribuiscono a una maggiore compattezza — e aggiungendo corte fibre di basalto ricavate da roccia vulcanica. Al microscopio queste fibre si intrecciano nel calcestruzzo indurito, attraversando microfessure e aggrappandosi al materiale circostante. Questa combinazione produce una struttura interna più densa in grado di resistere meglio alla fessurazione e di deformarsi in modo più graduale invece di rompersi bruscamente.

Portare le colonne al collasso nel laboratorio di prova

Per valutare la prestazione delle diverse colonne, il team ha caricato ogni provino lungo l'asse centrale fino al cedimento, registrando con cura l'accorciamento lungo l'altezza e la flessione laterale. Le versioni in solo acciaio hanno instabilizzato presto, con pareti sottili che si piegavano o si torcevano. L'aggiunta di calcestruzzo autocompattante normale ha più che raddoppiato la capacità portante, perché il nucleo di calcestruzzo aiutava a mantenere la forma dell'acciaio mentre l'acciaio confinava il calcestruzzo. Il vero risultato di spicco è stata la colonna chiusa, completamente riempita con calcestruzzo con fibre di basalto, che ha sostenuto quasi tre volte il carico della colonna in acciaio vuota e circa un terzo in più rispetto alla versione con calcestruzzo ordinario. Ha inoltre registrato un minore accorciamento e ha potuto deformarsi molto più a lungo dopo il raggiungimento della snervamento, mostrando una duttilità molto maggiore — un importante margine di sicurezza durante terremoti o eventi estremi.

Simulazioni, regole di progetto e impronte di carbonio

I ricercatori hanno utilizzato modelli numerici dettagliati per riprodurre le prove di schiacciamento, confermando che il loro gemello digitale coincideva molto da vicino con i cedimenti e le resistenze sperimentali. Hanno poi confrontato le misure con le previsioni dei codici di progetto indiani e internazionali, adattando formule originariamente scritte per acciaio pesante laminato a caldo e calcestruzzo ordinario. L'approccio aggiornato ha previsto in modo affidabile la resistenza delle nuove colonne mantenendo un leggero margine di sicurezza. Parallelamente, una valutazione del carbonio dalla culla alla tomba ha sommato le emissioni dovute alla produzione di acciaio e calcestruzzo, al trasporto dei materiali, alla costruzione, alla manutenzione e al riciclo a fine vita. Sebbene l'aggiunta di calcestruzzo aumenti le emissioni totali rispetto all'acciaio nudo, il grande incremento della capacità portante implica che ogni unità di carbonio fornisce molto più rendimento strutturale — specialmente nelle colonne completamente riempite e rinforzate con fibre.

Bilanciare sicurezza e sostenibilità negli edifici futuri

Alla prova dei fatti, questo lavoro dimostra che gusci sottili d'acciaio sagomati con cura, combinati con un calcestruzzo intelligente e ricco di fibre, possono creare colonne più leggere, più resistenti e con un comportamento di rottura più prevedibile rispetto alle soluzioni convenzionali, usando meno carbonio per unità di capacità portante. In particolare le colonne chiuse riempite con calcestruzzo a fibre di basalto offrono elevata resistenza, migliore controllo di fessurazione e instabilità e una maggiore efficienza lungo l'intero ciclo di vita. Questa combinazione di sicurezza, durabilità e minore impatto ambientale le rende candidate promettenti per la prossima generazione di edifici modulari di media e grande altezza, che devono resistere sia all'uso intenso sia ai cambiamenti climatici.

Citazione: Sharon, R.P.O., Senthilpandian, M. Axial load behaviour of concrete infilled and partially encased cold formed double sigma composite columns. Sci Rep 16, 11497 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39171-6

Parole chiave: colonne composite, acciaio formato a freddo, calcestruzzo con fibre di basalto, calcestruzzo autocompattante, impronta di carbonio incorporata