Indagine numerica degli effetti dei parametri del terreno sulla capacità portante di sollevamento assiale di nuove pali elicoidali fotovoltaici circolari

Supporti solari più resistenti al vento

Con la diffusione dei parchi solari in campi e deserti, i loro sostegni metallici devono resistere a potenti venti che cercano di sradicarli. Gli ingegneri hanno iniziato a usare un nuovo tipo di fondazione in acciaio a spirale chiamata palo elicoidale circolare per ancorare i supporti fotovoltaici, ma rimanevano incerte le modalità in cui i diversi tipi di terreno aiutano o ostacolano questi pali. Questo studio impiega simulazioni al computer per dipanare come le principali proprietà del terreno controllino la resistenza al sollevamento di questi pali speciali, offrendo indicazioni per installazioni solari più sicure e affidabili in tutto il mondo.

Un nuovo tipo di fondazione a spirale

I pali a spirale tradizionali assomigliano a un albero d'acciaio con una o più piastre piatte, un po' come una vite gigante. Il palo elicoidale circolare sostituisce piastre discrete con una superficie a spirale continua avvolta attorno all'albero. Questa forma può essere avvolta con diversa strettezza e installata tramite rotazione, spinta o una combinazione di entrambe. Progetti in campo in Giappone, Cina e Corea del Sud hanno dimostrato che i pali elicoidali circolari possono sostenere carichi verso il basso e verso l'alto molto superiori rispetto ai pali semplici e dritti. Tuttavia, la maggior parte delle ricerche precedenti è stata condotta in vasche di sabbia di laboratorio, lasciando aperte questioni su come i terreni reali con argille, coesione e rigidezze variabili influenzino le loro prestazioni.

Prove virtuali in terreni realistici

Per esplorare queste questioni, gli autori hanno costruito un dettagliato modello numerico tridimensionale di un singolo palo elicoidale circolare circondato dal terreno. Hanno utilizzato software industriale per rappresentare il palo in acciaio come materiale elastico e il terreno come un modello geotecnico comune che include sia resistenza sia deformazione. Il palo simulato è stato installato e poi tirato verso l'alto a stadi, rispecchiando prove in campo di piena scala effettuate su ceneri vulcaniche e argille marine. Quando il team ha confrontato le curve carico–spostamento calcolate con sette serie di misure in sito, la corrispondenza è stata buona, dando fiducia che il palo virtuale si comportasse come quello reale.

Come il palo mobilita la sua resistenza

Sia i test che le simulazioni hanno mostrato che la resistenza al sollevamento non raggiunge un picco e poi cala bruscamente. Piuttosto, la forza necessaria per continuare a tirare il palo aumenta in modo graduale all'aumentare dello spostamento della testa, con un incremento che si attenua progressivamente. Non c'è un punto di rottura netto. Per la progettazione, questo significa che la capacità ultima non può essere letta da un singolo valore massimo; deve essere definita usando livelli di spostamento concordati o adattamenti della curva. Lo studio ha esaminato diverse scelte pratiche e ha trovato che, quando il palo raggiunge il suo stato ultimo, lo spostamento verso l'alto alla testa è circa un decimo del diametro del palo. Il carico a questo spostamento corrisponde strettamente al valore dato da un metodo diffuso basato sull'intersezione di curve, quindi prendere la forza a un decimo del diametro come capacità ultima di sollevamento è una scorciatoia ragionevole.

Quali proprietà del terreno contano di più

Dopo aver validato il loro modello, i ricercatori hanno variato sistematicamente le principali proprietà del terreno su intervalli realistici per i siti di parchi solari. Hanno modificato la rigidezza del terreno, la sua tendenza a contrarsi lateralmente quando viene compresso, la resistenza di legame interna, la resistenza per attrito e la rugosità del contatto tra palo e terreno. Per ogni caso hanno tirato il palo fino a diversi livelli di spostamento e registrato la forza resistente. In tutti gli scenari, un terreno più resistente o più rigido ha sempre aumentato la capacità di sollevamento. Tuttavia, non tutte le proprietà hanno la stessa importanza. Usando diversi metodi di sensibilità complementari, inclusi cambiamenti monofattoriali semplici, piani di prove strutturati e misure statistiche di similarità, hanno trovato in modo coerente che la coesione del terreno è il fattore dominante, seguita dalla rigidezza e dall’angolo di attrito. La proprietà di contrazione laterale e l’attrito diretto sulla superficie palo-terreno hanno avuto un'influenza molto minore.

Indicazioni per fondazioni solari più sicure

In termini semplici, questo lavoro mostra che i pali elicoidali circolari afferrano il terreno con maggiore fermezza quando il terreno stesso è ben legato e ragionevolmente rigido, e che la loro resistenza ultima si raggiunge dopo un movimento di sollevamento modesto ma non trascurabile. Per gli ingegneri che progettano i sostegni fotovoltaici, i risultati evidenziano quali prove di terreno sono più importanti e suggeriscono uno spostamento obiettivo pratico che può sostituire una definizione di collasso più complessa. Concentrandosi prima sulla coesione, poi su rigidezza e attrito, e trattando gli altri parametri come secondari, i progettisti possono gestire meglio l'incertezza nelle condizioni del terreno e utilizzare in modo più efficiente questo promettente tipo di palo nell'espansione dell'energia solare.

Citazione: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

Parole chiave: palo elicoidale circolare, capacità portante di sollevamento, fondazioni fotovoltaiche, sensibilità ai parametri del terreno, analisi agli elementi finiti