Valutazione delle prestazioni e analisi normativa di pilastri CFST a doppia parete con nucleo solido e diverse configurazioni dell’acciaio

Pilastri edilizi più robusti per città più sicure

Le città moderne si affidano a edifici alti, ponti e torri che devono sostenere in sicurezza carichi verticali enormi e resistere a terremoti o impatti. Gli ingegneri cercano continuamente soluzioni di pilastro non solo più resistenti, ma anche più duttili — cioè in grado di piegarsi e deformarsi senza collassare improvvisamente. Questo studio esamina un nuovo tipo di pilastro composito costituito da tubi d’acciaio riempiti di calcestruzzo, disposti a doppia “pelle” attorno a un nucleo solido di calcestruzzo. Confrontando diverse forme e configurazioni, i ricercatori mostrano come piccole variazioni geometriche possano portare a grandi miglioramenti in termini di resistenza, stabilità e resilienza.

Come sono fatti questi nuovi pilastri compositi

I pilastri analizzati appartengono alla famiglia dei concrete-filled steel tubes, in cui un tubo d’acciaio cavo viene riempito di calcestruzzo in modo che entrambi i materiali lavorino insieme. Il team si è concentrato su una variante più recente: pilastri a doppia pelle con nucleo solido. In questi, c’è un tubo d’acciaio esterno e un secondo tubo d’acciaio interno, con tutto lo spazio tra e all’interno riempito di calcestruzzo — senza vuoti. I tubi possono essere quadrati o circolari e la loro combinazione (quadrato–quadrato, circolare–circolare o mista) modifica il comportamento del pilastro sotto carico. Ogni provino era corto e tozzo, alto circa 41 centimetri, una scala che mette in evidenza come la sezione trasversale e la disposizione dei materiali controllino il modo in cui le forze si distribuiscono nel pilastro.

Come sono stati condotti gli esperimenti

Sono stati realizzati otto diversi provini di pilastro utilizzando calcestruzzo standard e tubi d’acciaio a parete sottile. Alcuni erano costituiti solo da tubi d’acciaio senza calcestruzzo, altri da un singolo tubo riempito di calcestruzzo e altri ancora adottavano il nuovo schema a doppia pelle con nucleo solido, con tubo interno ed esterno. Dopo getto e stagionatura, ogni provino è stato posizionato in una grande macchina di prova e compresso assialmente — lungo l’asse — fino al raggiungimento della capacità e a significative variazioni di forma. Durante il caricamento i ricercatori hanno misurato quanto si accorciavano i pilastri, la rigidezza iniziale e quanta deformazione aggiuntiva riuscivano a sostenere dopo il picco di resistenza. Hanno inoltre registrato con cura come e dove l’acciaio si è imbarcato e come il calcestruzzo è franato.

Perché i tubi esterni circolari vincono la gara di resistenza

I risultati hanno mostrato un quadro chiaro: i pilastri circolari erano in genere più resistenti e più duttili di quelli quadrati. Un tubo d’acciaio circolare distribuisce lo sforzo in modo uniforme lungo il perimetro, il che aiuta a confinare il calcestruzzo interno e ritardare l’imbarcamento locale dell’acciaio. Per esempio, un tubo circolare cavo sopportava molto più carico di un tubo quadrato cavo, e un tubo circolare riempito di calcestruzzo superava nettamente il corrispondente quadrato riempito. Il vantaggio si è reso ancora più evidente nei pilastri a doppia pelle. Le configurazioni con tubo esterno circolare, anche quando impiegavano meno acciaio, sopportavano carichi maggiori e si deformavano in modo più graduale rispetto a quelle con tubo esterno quadrato. Il loro collasso coinvolgeva un’espansione radiale relativamente uniforme e una schiacciamento graduale del nucleo, anziché pieghe acute, rigonfiamenti a “piede d’elefante” o imbarcamenti locali improvvisi.

Cosa apportano le doppie pelle e i nuclei solidi

L’aggiunta di un secondo tubo d’acciaio interno e di un nucleo solido di calcestruzzo ha migliorato significativamente le prestazioni rispetto ai pilastri a singola pelle. I migliori provini a doppia pelle erano circa il 56% più resistenti dei corrispondenti a singola pelle realizzati con materiali simili. Il tubo interno aiuta a vincolare il calcestruzzo e sostiene il tubo esterno dall’interno, mentre il nucleo solido evita zone deboli e garantisce che il carico venga trasferito in modo uniforme attraverso l’intera sezione. In alcuni casi, le configurazioni circolari a doppia pelle hanno raggiunto quasi il doppio della resistenza prevista dalle norme di progettazione comuni, evidenziando come i codici attuali siano conservativi per questi layout avanzati. Per indagare più sistematicamente, gli autori hanno allenato una semplice rete neurale artificiale utilizzando dati geometrici e dei materiali per prevedere la resistenza del pilastro, e questa ha riprodotto molto bene i risultati sperimentali, suggerendo uno strumento di progettazione utile una volta disponibili più dati.

Cosa significa per gli edifici del futuro

Per un lettore non specialista, il messaggio principale è semplice: scegliendo con cura la forma e la stratificazione di tubi d’acciaio e calcestruzzo, gli ingegneri possono creare pilastri molto più resistenti e più tolleranti rispetto ai progetti tradizionali. I pilastri a nucleo solido e doppia pelle con tubo esterno circolare, in particolare, combinano elevata resistenza, rigidezza e duttilità, rendendoli interessanti per grattacieli, zone sismiche e strutture che devono assorbire impatti senza cedimenti catastrofici. Sebbene i codici di progettazione correnti ne sottostimino la capacità e siano necessari ulteriori test, questo lavoro indica una direzione chiara verso supporti strutturali più snelli, più sicuri ed efficienti per l’ambiente costruito di domani.

Citazione: Neelamegam, P., Kanchidurai, S., Ganga, V. et al. Performance evaluation and codal assessment of double-skinned solid-core CFST columns with varying steel configurations. Sci Rep 16, 14477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45278-7

Parole chiave: tubi d’acciaio riempiti di calcestruzzo, pilastri a doppia parete, resistenza strutturale, progettazione sismica, materiali da costruzione