Influenza delle aperture nella sezione sulla risposta ciclica delle travi di collegamento in CA

Perché piccole aperture contano negli edifici alti

Gli edifici moderni in zona sismica spesso si basano su coppie di pareti in calcestruzzo spesse collegate da brevi travi orizzontali che fungono da fusibili strutturali. Queste travi devono oscillare e deformarsi durante le scosse affinché l’edificio possa dissipare energia in sicurezza. Al tempo stesso, architetti e ingegneri praticano regolarmente fori in queste travi per far passare tubazioni e cavi. Questo studio pone una domanda apparentemente semplice ma dalle grandi implicazioni per la sicurezza: quando si praticano aperture per impianti attraverso questi elementi critici, quanto si indeboliscono e diventano più fragili, e una disposizione intelligente dell’acciaio nel calcestruzzo può recuperare la resistenza perduta?

Come le travi di collegamento proteggono le strutture alte

In molte torri, i nuclei di ascensori e scale sono costituiti da due pareti in calcestruzzo affiancate collegate da travi corte e profonde chiamate travi di collegamento. Quando un terremoto spinge l’edificio lateralmente, queste travi devono cedere e deformarsi in modo controllato, assorbendo energia e proteggendo le pareti principali da danni severi. Per travi molto corte, le tradizionali armature dritte tendono a fallire improvvisamente per taglio in modo fragile. Per questo le normative favoriscono disposizioni diagonali dell’acciaio che attraversano la trave come una X, che esperimenti precedenti hanno dimostrato essere più duttili e più efficaci nel dissipare energia. Tuttavia, le norme offrono indicazioni limitate su cosa accade quando esigenze pratiche costringono a realizzare aperture rettangolari attraverso queste travi.

Simulare cicli sismici invece di rompere molte travi

Poiché ampi programmi sperimentali sono costosi, gli autori hanno costruito un dettagliato modello tridimensionale di travi di collegamento in calcestruzzo armato usando il software agli elementi finiti ABAQUS. Per prima cosa hanno verificato che il modello riproducesse test di laboratorio su travi corte con armature convenzionali e diagonali soggette a caricamento monotono e ciclico. Le simulazioni hanno catturato la formazione delle fessure, la diffusione del danneggiamento e l’evoluzione delle curve taglio‑rotazione, riproducendo da vicino i picchi di resistenza misurati, il degrado e la dissipazione di energia. Con questa validazione, hanno simulato dodici travi corte, tutte delle stesse dimensioni, con quattro diverse disposizioni dell’acciaio e con o senza aperture rettangolari all’estremità della trave o a metà luce.

Cosa succede quando si praticano fori nella trave

Lo studio ha confrontato tre strategie di armatura — barre dritte semplici (convenzionale), barre diagonali avvolte da confinamento (confinamento diagonale) e due configurazioni a rombo — per verificare come ciascuna gestisse le aperture. In generale, le travi senza aperture hanno avuto le migliori prestazioni, e quelle con confinamento diagonale si sono distinte: hanno mostrato isteresi regolari e stabili, perdita di rigidezza graduale e la più alta capacità di assorbire energia. L’introduzione di un’apertura ha sempre ridotto resistenza e duttilità, ma la posizione e la forma dell’apertura hanno avuto un ruolo determinante. Piccole aperture vicino alle estremità della trave hanno indebolito gli elementi, tuttavia il confinamento diagonale ha limitato la riduzione della resistenza per taglio a circa il 6% e ha mantenuto gran parte della capacità di rotazione, mentre le armature convenzionali e le configurazioni romboidali sono diventate molto più fragili.

Perché le aperture a metà luce sono particolarmente pericolose

Quando l’apertura è stata posizionata al centro della trave, il percorso diagonale principale di compressione che sopporta il taglio è stato interrotto in due e il comportamento si è degradato sensibilmente. Nelle travi convenzionali con un’apertura alta e stretta, la capacità a taglio è diminuita di circa un terzo e la rotazione massima di oltre la metà, portando a un collasso rapido e fragile dopo poche cicli di carico. Anche i pattern romboidali hanno perso gran parte della loro duttilità e della capacità di dissipazione, talvolta oltre l’80%. Perfino nel miglior caso — confinamento diagonale con apertura centrale — si è registrata una perdita di quasi il 50% della capacità di rotazione, sebbene rimanesse superiore alle travi solide con armature meno efficaci. Le simulazioni hanno inoltre mostrato che modificare le proporzioni dell’apertura, rendendola più lunga e più bassa mantenendo la stessa area, può ridurre significativamente il danno preservando il percorso diagonale critico nel calcestruzzo.

Indicazioni di progetto per prestazioni sismiche più sicure

Dal punto di vista pratico, i risultati forniscono messaggi chiari. Per travi di collegamento corte e dominate dal taglio, l’armatura con confinamento diagonale dovrebbe essere la scelta predefinita, specialmente quando le aperture sono inevitabili, perché preserva meglio resistenza, duttilità e dissipazione di energia. Le aperture vicine al centro della trave sono molto più dannose di quelle vicino alle estremità perché recidono lo strallo diagonale principale che resiste alle sollecitazioni. Se un’apertura a metà luce è necessaria, dovrebbe avere un’altezza contenuta, essere più lunga nella direzione della trave e arretrata rispetto alle facce in modo che il percorso diagonale interno non venga reciso. In termini semplici, l’articolo mostra che dove e come si praticano i fori per gli impianti in questi collegamenti piccoli ma vitali può decidere se un edificio alto si piega e sopravvive a un terremoto — o si incrina e fallisce troppo presto.

Citazione: Ramadan, O.M.O., Elghool, A., Elshafey, N. et al. Influence of web openings on the cyclic response of RC coupling beams. Sci Rep 16, 10475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42360-y

Parole chiave: travi di collegamento in calcestruzzo armato, comportamento sismico, aperture strutturali, analisi agli elementi finiti, ingegneria sismica