Comportamento portante e di rottura delle giunzioni orizzontali saldate nelle strutture a pareti tagliate prefabbricate

Perché gli edifici prefabbricati più sicuri sono importanti

Sempre più edifici sono realizzati con grandi pannelli di calcestruzzo prodotti in fabbrica e rapidamente assemblati in cantiere. Questo approccio può ridurre i tempi di costruzione, limitare gli sprechi e migliorare il controllo della qualità. Ma nelle zone sismiche rimane una domanda cruciale: quanto resistono, durante un sisma, i giunti metallici che collegano questi pesanti elementi in calcestruzzo? Questo studio esamina da vicino un tipo chiave di connessione saldata tra pareti e solai negli edifici prefabbricati per valutare quanto sia realmente resistente e tollerante ai danni.

Come vengono assemblati gli edifici moderni

In un edificio in calcestruzzo tradizionale, pareti e solai vengono gettati come una massa quasi continua, quindi la struttura si comporta come un unico blocco. Gli edifici prefabbricati sono diversi: pareti e lastre vengono prodotti in fabbrica e poi collegati sul posto. Quei giunti diventano i “punti deboli” che determinano la sicurezza e i costi di riparazione durante un terremoto. Gli ingegneri possono adottare giunti «bagnati», che prevedono getti in opera aggiuntivi, o giunti «asciutti», che si basano su bulloni o saldature. I giunti bagnati si comportano più come il calcestruzzo monolitico ma rallentano la costruzione. I giunti asciutti sono più rapidi e puliti, tuttavia il loro comportamento sotto forti scuotimenti è meno noto, in particolare per le saldature orizzontali dove le pareti incontrano i solai.

Un nuovo collegamento saldato tra pareti e solai

Gli autori hanno progettato un sistema di giunzione saldata pratico e pensato per la costruzione reale. Piastre d’acciaio vengono incorporate nei bordi dei pannelli murari e della lastra di solaio in fabbrica. In cantiere, una piastra di collegamento viene saldata tra queste piastre incorporate, con barre d’acciaio che vincolano le piastre a travi e pilastri nascosti all’interno del calcestruzzo. Si crea così un “ponte” d’acciaio nascosto che trasferisce le forze tra la parete superiore, il solaio e la parete inferiore. Sono stati costruiti due provini a grandezza naturale: uno che rappresenta una parete esterna collegata a un solaio su un lato e un altro che rappresenta una parete interna collegata a solai su entrambi i lati. Entrambi sono stati montati in una cornice di prova e spinti avanti e indietro per imitare i derivamenti lenti e ripetuti causati da forti terremoti.

Cosa è successo quando la scossa è stata simulata

Durante le prove, i giunti hanno sopportato forze laterali di circa 330 kilonewton—paragonabili al peso di diversi piccoli autocarri—prima che la loro resistenza iniziasse a diminuire. Hanno anche consentito spostamenti superiori di circa 40–44 millimetri mantenendo gran parte del carico, segnalando buona duttilità, cioè la capacità di deformarsi senza rompersi improvvisamente. Le fessure sono comparse per prime nella parete inferiore vicino alle piastre saldate, poi si sono propagate diagonalmente e infine il calcestruzzo nel bordo compressivo della parete è stato schiacciato mentre le piastre e le barre d’acciaio vicine al giunto hanno ceduto. Il meccanismo di rottura è stato una combinazione di scorrimento trasversale nel giunto e flessione della parete—piuttosto che una frattura fragile e improvvisa. Il provino che rappresentava le pareti interne, con solai su entrambi i lati, ha mostrato una rigidezza e una resistenza leggermente maggiori rispetto alla versione da parete esterna, riflettendo un percorso delle forze più equilibrato.

Uno sguardo interno con prove virtuali

Per integrare gli esperimenti di laboratorio, il team ha realizzato un modello numerico tridimensionale dettagliato usando il programma di simulazione ABAQUS. Hanno impiegato un modello avanzato per il calcestruzzo capace di catturare fessurazione, schiacciamento e perdita di rigidezza sotto carichi ripetuti, combinato con un comportamento semplificato ma realistico dell’acciaio. Dopo la calibrazione del modello, hanno riscontrato che le curve carico–spostamento simulate, i punti caldi di sollecitazione e i pattern di fessurazione corrispondevano ragionevolmente alle prove: i carichi di picco e di snervamento erano tipicamente entro il 10–20 percento dei valori misurati. Con questo strumento validato, hanno eseguito esperimenti virtuali per valutare come la variazione del carico verticale sulla parete (compressione assiale) e la geometria della parete (rapporto di sbalzo a taglio) influenzassero le prestazioni. Una maggiore compressione ha aumentato la resistenza di picco ma ha ridotto la capacità di deformazione oltre un certo limite, mentre pareti più alte e snelle hanno spostato il comportamento da danni dominati dal taglio verso danni dominati dalla flessione e una resistenza inferiore.

Cosa significa per la progettazione sismica

Per i non specialisti, il messaggio principale è che giunti saldati dettagliati con cura tra pareti e solai prefabbricati possono comportarsi in modo robusto sotto carichi simili a quelli sismici. Questi giunti non si sono comportati come cuciture fragili; al contrario, hanno sopportato grandi forze, dissipato energia attraverso fessurazione controllata e snervamento dell’acciaio, e sono venuti a cedimento in modo graduale e osservabile. Lo studio mostra anche che i progettisti devono bilanciare il carico verticale e le proporzioni delle pareti per evitare rotture per schiacciamento da eccessiva compressione e per preservare la duttilità. Infine, il modello computazionale validato fornisce uno strumento potente per affinare i dettagli dei giunti ed esplorare scenari più estremi, aiutando gli ingegneri a progettare edifici prefabbricati che siano veloci da costruire e più sicuri quando il terreno trema.

Citazione: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

Parole chiave: calcestruzzo prefabbricato, giunti sismici, connessioni saldate, pareti tagliate, ingegneria sismica