Influenza dello sforzo da deformazione sismica sulla legge di evoluzione delle microcricche in prove TPB su calcestruzzo mediante tecnologia AE

Perché le microcricche nel calcestruzzo durante i terremoti sono importanti

Quando un terremoto scuote una città, la sicurezza di ponti, gallerie e edifici dipende da come si incrina il calcestruzzo al loro interno. Questo studio esamina da vicino le microcricche che si formano e crescono nel calcestruzzo quando viene flesso a velocità simili a quelle delle scosse sismiche. Ascoltando il rumore prodotto dalla formazione delle cricche, i ricercatori mostrano come un’eccitazione più rapida possa far apparire il calcestruzzo più resistente pur rendendo il suo collasso più improvviso e fragile, con conseguenze rilevanti per la sicurezza strutturale.

Come il team ha riprodotto un carico in stile sismico

I ricercatori hanno realizzato travi di calcestruzzo con una intaccatura iniziale e le hanno sottoposte a flessione in configurazione a tre punti, con la trave appoggiata su due supporti e una spinta applicata al centro. Hanno controllato con precisione la velocità di applicazione del carico, da condizioni molto lente, quasi statiche, fino a tassi paragonabili a quelli indotti dai terremoti. Contemporaneamente hanno impiegato sensori di emissione acustica, che funzionano come piccoli microfoni, per captare le onde elastiche rilasciate ogni volta che una microcricca si formava o si propagava nel calcestruzzo. Questo ha permesso di registrare sia il comportamento visibile della trave sia l’attività di cricche nascosta al suo interno.

Il calcestruzzo diventa più resistente ma più fragile con l’aumento della velocità di carico

I test a flessione hanno evidenziato che il calcestruzzo non si comporta allo stesso modo sotto carichi lenti e rapidi. All’aumentare della velocità di deformazione, da quasi statica fino a livello sismico, il carico di picco che le travi potevano sopportare è aumentato di circa un terzo, e anche l’energia richiesta per propagare una cricca attraverso la trave è cresciuta in misura simile. Questo apparente incremento di resistenza è dovuto al fatto che l’acqua intrappolata nei pori e nelle microfessure del materiale non riesce a defluire rapidamente a tassi di carico elevati, creando una resistenza aggiuntiva che rallenta la crescita delle cricche. Tuttavia, sebbene le travi sostenessero carichi maggiori, il loro cedimento risultava più brusco, con meno segnali d’avviso visibili e un calo più ripido del carico una volta che la cricca principale si sviluppava.

Da percorsi tortuosi a rotture dirette

Esaminando le superfici di frattura, i ricercatori hanno riscontrato che i percorsi delle cricche variavano con la velocità di carico. Sotto carico lento le cricche si aggiravano attorno agli aggregati più grandi, seguendo le zone di giunzione più deboli tra pietra e matrice. Le superfici di frattura erano ruvide e molti aggregati grossolani risultavano integri, segno di un cedimento più graduale e duttile. Con carichi più rapidi le cricche principali correvano più dritte e attraversavano direttamente molti aggregati. Questo tipo di rottura diretta indica che il materiale non ha avuto il tempo di cercare percorsi più facili e ha invece frantumato le parti più robuste dello scheletro interno, concentrando il danno in una zona stretta.

Ascoltare le cricche per mappare i danni nascosti

Le misure di emissione acustica hanno fornito un quadro dettagliato di come si sviluppavano le microcricche. All’aumentare della velocità di carico sono aumentati sia il numero di eventi registrati sia l’energia acustica totale, indicando un danneggiamento interno di maggiore intensità. A bassi tassi questi eventi erano distribuiti lungo la lunghezza della trave, coerenti con una zona di danno ampia e una cricca principale tortuosa. A tassi più elevati i segnali si sono raggruppati vicino all’intaccatura preesistente, rivelando che le microcricche si stavano fondendo in una singola linea di frattura focalizzata. Analizzando le forme d’onda registrate, il team ha inoltre osservato che il tipo dominante di cricca è passato dalle cricche di apertura, che separano le superfici, alle cricche da scorrimento, che le fanno scorrere l’una rispetto all’altra, al crescere della velocità di carico.

Cosa significa per la progettazione resistente ai terremoti

Lo studio conclude che, sotto carichi simili a quelli sismici, il calcestruzzo può sopportare tensioni maggiori ma tende a rompersi in modo più repentino, con cricche più dritte e dominate da scorrimento che offrono pochi segnali d’avvertimento preventivi. Questo compromesso tra resistenza e duttilità implica che le regole di progetto basate solo su prove lente e statiche possono sottostimare il rischio di cedimenti fragili durante terremoti reali. I risultati suggeriscono che gli ingegneri dovrebbero tener conto di come i modelli di cricca e il danneggiamento interno cambiano con la velocità di carico, rinforzare le parti delle strutture dove è probabile lo scorrimento, e utilizzare sistemi di monitoraggio in grado di rilevare i cambiamenti nel comportamento delle cricche prima che conducano a un collasso improvviso.

Citazione: Xiao, D., Wen, L., Cao, Y. et al. Influence of seismic strain stress on evolution law of microcracks in concrete TPB tests using AE technology. Sci Rep 16, 15483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49968-0

Parole chiave: frattura del calcestruzzo, carico sismico, velocità di deformazione, microcricche, emissione acustica