Influenza della configurazione di collegamento sulla resistenza al punzonamento dei sistemi pilastro CFST–lastra in calcestruzzo armato sotto carichi eccentrici

Perché i giunti strutturali più sicuri sono importanti

Nelle città moderne, gli edifici in altezza si affidano sempre più a solai piani senza travi, sostenuti direttamente da pilastri massicci. Questo aspetto pulito libera spazio interno ma nasconde un punto vulnerabile: la piccola area in cui ogni pilastro incontra la lastra del solaio. Se quel giunto cede improvvisamente, il solaio può "punzonare" attorno al pilastro e collassare localmente. Questo articolo esplora come rendere quel giunto nascosto molto più resistente e tollerante, utilizzando dettagli in acciaio studiati che possono essere incorporati fin dall’inizio invece di essere aggiunti in seguito come riparazioni.

Combinare tubi d'acciaio e solai piani

Lo studio si concentra su un sistema ibrido diffuso: pilastri in tubo d’acciaio riempiti di calcestruzzo (CFST) collegati a solette piane in calcestruzzo armato. In questi pilastri un tubo d’acciaio cavo viene riempito di calcestruzzo, combinando la resistenza e la rigidezza di entrambi i materiali. I solai piani poggiano direttamente sui pilastri senza travi profonde, il che risparmia altezza e rende più flessibili le pianta interne. Il rovescio della medaglia è che i carichi dei piani superiori si concentrano su una piccola area di lastra attorno a ciascun pilastro. Quando il carico è spostato rispetto al centro del pilastro – per esempio a causa di un uso non uniforme degli spazi o di sollecitazioni sismiche – la lastra può fessurarsi e fallire in modo fragile per punzonamento a meno che il giunto non sia dettagliato con cura.

Testare diverse modalità di collegamento tra lastra e pilastro

Per capire quali dettagli funzionano meglio, i ricercatori hanno costruito e testato in laboratorio dodici provini lastra‑pilastro. Ogni provino aveva la stessa dimensione di lastra e lo stesso pilastro CFST, ma variava il modo in cui erano collegati. Alcuni non avevano alcuna preparazione speciale e fungevano da controllo. Altri impiegavano barre d’acciaio saldate intorno all’esterno del tubo, bulloni corti o lunghi incollati nella parete del tubo e ancorati nella lastra, o barre a C agganciate attorno al tubo e incorporate nel calcestruzzo. Diversi provini combinavano queste soluzioni, come due file di barre saldate più quattro bulloni profondamente ancorati, o barre a C con diverse lunghezze di inglobamento. Tutte le lastre sono state caricate in posizione prossima, ma non esattamente al centro del pilastro, per riprodurre carichi eccentrici realistici.

Osservare fessure, resistenza e duttilità

Durante i test il gruppo ha misurato quanto ogni lastra si è deformata, registrato la comparsa delle prime fessure visibili, monitorato i modelli di fessurazione e portato i provini fino al collasso. Il collegamento semplice ha mostrato le prestazioni peggiori: si è fessurato a un carico basso e ha ceduto improvvisamente con il pilastro che ha punzonato la lastra. L’aggiunta anche di una sola fila di barre saldate ha aumentato significativamente sia il carico di fessurazione sia la capacità ultima, modificando il meccanismo di rottura da un punzonamento fragile a un comportamento più graduale di flessione combinata a punzonamento. L’uso di due file saldate è risultato ancora più efficace, specialmente quando l’armatura principale della lastra era posizionata vicino a quelle barre saldate in modo da lavorare insieme per condividere il carico.

Bulloni, distribuzioni di barre e connettori a C

I collegamenti con bulloni hanno anch’essi migliorato il comportamento del giunto, ma la loro efficacia dipendeva fortemente dalla profondità dell’ancoraggio nella lastra. Aumentare la lunghezza di inglobamento da un superficiale 16 mm a 48 mm ha quasi triplicato la capacità ultima e ha reso la risposta carico‑spostamento più duttile, cioè il giunto poteva deformarsi di più prima di rompersi. Ottimizzare la disposizione delle armature attorno ai bulloni lunghi ha apportato ulteriori benefici: una maglia d’acciaio o uno strato aggiuntivo di armatura superiore hanno distribuito meglio gli sforzi e controllato le fessure molto meglio che limitarsi a distanziare le barre. Tra tutti i dettagli testati, le barre a C con un generoso inglobamento si sono comportate in modo particolarmente positivo, offrendo elevata resistenza, rigidezza e capacità di dissipare energia mantenendo i modelli di fessurazione più uniformi.

La combinazione di dettagli migliore

I risultati più chiari sono emersi dai sistemi ibridi che combinavano diversi dispositivi di collegamento in modo che condividessero il compito di portare il carico. Un giunto con due file saldate di barre di diametro maggiore più quattro bulloni profondamente inglobati ha raggiunto la massima capacità tra le soluzioni saldate e ha mostrato un addolcimento molto graduale dopo il picco di carico, segno di eccellente tenacità. I connettori a C più lunghi hanno offerto una resistenza analogamente impressionante con grandi deformazioni prima del collasso. Tra tutti i provini, i fattori più influenti sono stati il tipo base di collegamento, seguito dalla profondità di inglobamento degli ancoraggi meccanici, mentre la disposizione delle armature si è rivelata uno strumento di prezioso affinamento.

Implicazioni per gli edifici reali

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che il modo in cui colleghiamo i pilastri in acciaio ai solai piani in calcestruzzo può fare la differenza tra una rottura improvvisa e fragile e un giunto che si fessura gradualmente continuando a portare carico. Progettando fin dall’inizio barre saldate, bulloni ancorati correttamente o connettori a C – e disponendo l’armatura circostante in modo che lavori con essi – gli ingegneri possono aumentare notevolmente i livelli di carico che i giunti possono sopportare e dare alle strutture più preavviso e riserva di resistenza prima del collasso. Questo rende i sistemi pilastro CFST–lastra non solo efficienti e flessibili dal punto di vista architettonico, ma anche più sicuri e resilienti rispetto ai carichi disomogenei e variabili che gli edifici reali sperimentano.

Citazione: Ghalla, M., Bazuhair, R.W., Mahfouz, Y.M.B. et al. Influence of connection configuration on the punching resistance of CFST column–RC slab systems under eccentric loading. Sci Rep 16, 12475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46159-9

Parole chiave: pilastri in tubo d'acciaio riempito di calcestruzzo, punzonamento di lastra piatta, collegamenti lastra-pilastro, carico eccentrico, dettagli del collegamento