Acciaio, Calcestruzzo e Bulloni Smontabili: L’Unione (Riusabile) che Fa la Forza!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un’avventura nel cuore pulsante dell’ingegneria strutturale. Parleremo di come far “sposare” al meglio due materiali da costruzione fondamentali: l’acciaio e il calcestruzzo. Nello specifico, ci tufferemo nello studio di colonne tubolari in acciaio (TSC) immerse nel calcestruzzo, esplorando una soluzione tanto affascinante quanto pratica: i connettori a taglio bullonati smontabili. Perché smontabili? Beh, pensate alla sostenibilità e alla possibilità di riutilizzare i componenti! Una vera svolta rispetto ai classici pioli saldati.

Perché questa ricerca è importante?

Le strutture composite acciaio-calcestruzzo sono fantastiche: combinano la resistenza a compressione del calcestruzzo con la resistenza a trazione e la duttilità dell’acciaio. Il risultato? Strutture più performanti, snelle e capaci di sopportare carichi maggiori. Ma il vero “segreto” sta nel garantire che questi due materiali lavorino insieme come una squadra affiatata. Qui entrano in gioco i connettori a taglio, che trasferiscono le forze tra acciaio e calcestruzzo.

Tradizionalmente si usano pioli saldati, efficaci ma permanenti. Se un giorno volessimo smontare la struttura per recuperare l’acciaio (un materiale prezioso e riciclabile)? Con i pioli saldati è un bel problema. Ecco perché mi sono concentrato sui connettori bullonati smontabili: offrono una resistenza comparabile, sono facili da installare (specialmente in sezioni più piccole) e, soprattutto, permettono di separare acciaio e calcestruzzo a fine vita. Figo, no?

Peccato che le normative attuali (come Eurocodice 4, ACI 318, AISC 360) siano ancora un po’ indietro su questo fronte, con poche indicazioni specifiche e validazioni sperimentali limitate per i collegamenti bullonati, specialmente con calcestruzzi ad alta resistenza o sotto carichi dinamici. C’era quindi un vuoto da colmare!

L’Esperimento: Mettere alla Prova i Nostri Campioni

Per capire davvero come si comportano queste connessioni, non c’è niente di meglio che sporcarsi le mani in laboratorio. Abbiamo preparato tre “campioni” speciali, chiamati provini per prove di “push-out”. Immaginate un cubo di calcestruzzo (250x250x200 mm) con all’interno una colonna tubolare quadrata in acciaio (100×100 mm, spessore 4 mm) annegata per 100 mm. Sotto la colonna, abbiamo messo della schiuma per creare uno spazio vuoto, così da studiare solo l’interazione tra acciaio e calcestruzzo laterale, senza “aiutini” dal basso.

I tre moschettieri erano:

• SN: Il nostro controllo. Una colonna tubolare liscia, senza connettori. Volevamo vedere l’adesione “pura” tra acciaio e calcestruzzo.
• SNB: Qui arriva il bello! La stessa colonna, ma con 16 bulloni ad alta resistenza (grado 8.8, diametro 6 mm) avvitati attraverso le pareti del tubolare, che sporgono nel calcestruzzo. Questi sono i nostri connettori smontabili.
• SNBR: Come SNB, ma con un’aggiunta: un’armatura interna al cubo di calcestruzzo (barre verticali da 12 mm e staffe orizzontali da 8 mm). Volevamo capire se l’armatura desse una mano extra.

Abbiamo usato un calcestruzzo normale (NC) con una resistenza a compressione media di 30 MPa. Poi, abbiamo messo ogni campione in una potente pressa e abbiamo iniziato a spingere sulla colonna d’acciaio, misurando con precisione il carico applicato e lo “scorrimento” (slip) tra acciaio e calcestruzzo. L’obiettivo? Vedere quanto carico potevano sopportare prima di cedere e come si deformavano.

Risultati Sperimentali: Cosa Abbiamo Scoperto?

I risultati sono stati illuminanti!

• La potenza dei bulloni: Il campione SN (senza bulloni) ha ceduto a circa 71.6 kN, mostrando principalmente un distacco (debonding) e fessurazioni da spacco nel calcestruzzo. Ma quando abbiamo aggiunto i bulloni (campione SNB), il carico massimo è schizzato a 225.4 kN! Un aumento pazzesco del 217%. Questo dimostra quanto siano efficaci i bulloni nel trasferire il carico.
• Il ruolo dell’armatura: Aggiungere l’armatura (campione SNBR) non ha cambiato molto il carico massimo (226 kN, praticamente identico a SNB). Però, ha fatto una differenza notevole nello scorrimento al picco del carico (+37.7% rispetto a SNB) e nella rigidezza al taglio (+18.7%). In pratica, l’armatura ha reso la connessione più duttile, capace di deformarsi di più prima della rottura, e leggermente più rigida all’inizio.
• Come si rompono: Nei campioni con i bulloni (SNB e SNBR), abbiamo sentito un “crack” distintivo durante il test: era il suono dei bulloni che si rompevano! La rottura avveniva proprio all’interfaccia tra l’acciaio e il calcestruzzo, con una frattura netta dello stelo del bullone. Abbiamo anche osservato uno schiacciamento localizzato del calcestruzzo sotto i bulloni e delle fessurazioni che si propagavano nel cubo.

Le curve carico-scorrimento ci hanno mostrato diverse fasi: un’adesione iniziale, un piccolo scorrimento quasi piatto (quando il bullone si “assesta”), una fase lineare, una non lineare e infine un calo dopo il picco, man mano che i bulloni cedevano.

Passiamo al Digitale: La Simulazione con ABAQUS

Gli esperimenti sono fondamentali, ma per esplorare più a fondo e testare molte più configurazioni (sarebbe costoso e lungo farlo solo in laboratorio!), ci siamo affidati alla modellazione agli elementi finiti (FEM) con il software ABAQUS. Abbiamo creato un modello digitale super dettagliato dei nostri campioni, includendo il calcestruzzo, l’acciaio, i bulloni, i dadi e persino le barre d’armatura.

Abbiamo usato modelli matematici sofisticati per descrivere il comportamento dei materiali, come il modello “Concrete Damage Plasticity” (CDP) per il calcestruzzo (che simula fessurazione, schiacciamento e degrado della rigidezza) e modelli di plasticità con danneggiamento progressivo per l’acciaio dei tubolari e dei bulloni (per simulare la rottura). Abbiamo definito attentamente le interazioni tra le parti (contatto, attrito, aderenza tra armatura e calcestruzzo) e applicato le condizioni al contorno (vincoli e carichi) proprio come nell’esperimento reale.

La buona notizia? I risultati della simulazione FEM hanno combaciato alla grande con quelli sperimentali, sia in termini di curve carico-scorrimento che di modalità di rottura. Questo ci ha dato la fiducia necessaria per usare il modello per uno studio parametrico.

Scavare più a Fondo: Lo Studio Parametrico

Una volta validato il modello, ci siamo chiesti: cosa succede se cambiamo alcuni parametri chiave? Abbiamo usato il nostro modello digitale per scoprirlo, concentrandoci su:

• Spessore del Tubolare (TSC): Abbiamo simulato spessori da 2 mm a 6 mm. Risultato? Aumentare lo spessore fa crescere enormemente il carico massimo (+154% passando da 2 a 6 mm!). Ma attenzione: per spessori piccoli (2 e 3 mm, meno della metà del diametro del bullone), la rottura avviene per schiacciamento locale dell’acciaio del tubolare (bearing failure), non per rottura del bullone. Quindi, regola d’oro: lo spessore del tubolare dovrebbe essere almeno maggiore della metà del diametro del bullone per evitare questo problema. Curiosamente, spessori maggiori (5 e 6 mm) aumentano la resistenza ma riducono la capacità di scorrimento (meno duttilità).
• Resistenza dell’Acciaio del Tubolare: Usando acciai più performanti (da S245 a S420), il carico massimo aumenta (+62%), ma, di nuovo, la duttilità (capacità di scorrimento) diminuisce. Un classico trade-off tra resistenza e duttilità.
• Resistenza del Calcestruzzo: Aumentando la resistenza del calcestruzzo da 25 a 50 MPa, il carico massimo cresce, ma in modo meno marcato (+24.6%). Tuttavia, lo scorrimento al picco si riduce significativamente (-19.8%). Questo conferma che calcestruzzi molto resistenti sono più fragili. Se serve alta duttilità (ad esempio in zone sismiche), usare calcestruzzi esageratamente resistenti potrebbe non essere la scelta migliore.
• Altezza del Bullone (Parte Annegata): Aumentando l’altezza del bullone da 30 mm a 50 mm, sia il carico massimo (+15.8%) che la capacità di scorrimento (+61%) migliorano. Un bullone più “profondo” si ancora meglio.
• Diametro del Bullone: Abbiamo provato diametri da 6 a 12 mm. Aumentando da 6 a 8 mm, il carico cresce. Ma oltre gli 8 mm, il carico massimo e lo scorrimento rimangono costanti! Perché? Perché con bulloni così grossi (rispetto allo spessore del tubolare di 4 mm), la rottura torna ad essere quella per schiacciamento locale dell’acciaio del tubolare. Quindi, altra regola d’oro: il diametro del bullone non dovrebbe superare il doppio dello spessore della parete del tubolare per evitare cedimenti prematuri del tubolare stesso.

Conclusioni: Cosa Portiamo a Casa?

Questa ricerca, combinando esperimenti e simulazioni, ci ha dato un quadro molto chiaro:

1. I connettori a taglio bullonati smontabili sono estremamente efficaci nell’aumentare la capacità portante delle colonne composite acciaio-calcestruzzo.
2. L’armatura nel calcestruzzo non aumenta significativamente la resistenza massima, ma migliora notevolmente la duttilità e la rigidezza della connessione.
3. Ci sono regole geometriche importanti da rispettare: lo spessore del tubolare deve essere adeguato al diametro del bullone (t > Ø/2) e il diametro del bullone non deve essere eccessivo rispetto allo spessore (Ø ≤ 2t) per evitare rotture indesiderate per schiacciamento locale dell’acciaio.
4. Esiste un trade-off tra resistenza e duttilità: materiali più resistenti (acciaio o calcestruzzo) portano a carichi massimi più alti ma a minori capacità di deformazione (scorrimento). Questo è cruciale per la progettazione, specialmente in contesti dove la duttilità è fondamentale.
5. L’altezza del bullone annegato nel calcestruzzo influenza positivamente sia la resistenza che lo scorrimento.

La possibilità di usare connessioni smontabili e riutilizzabili apre scenari interessantissimi per l’edilizia sostenibile, la costruzione modulare, le strutture temporanee e gli interventi di adeguamento o rinforzo dell’esistente. Certo, c’è ancora strada da fare: servono studi su più campioni, con materiali diversi (calcestruzzi ad altissime prestazioni, acciai speciali), analisi a fatica e durabilità, e test su elementi strutturali in scala reale. Ma i risultati sono davvero promettenti!

Spero che questo viaggio nel mondo delle connessioni acciaio-calcestruzzo vi sia piaciuto. È affascinante vedere come, studiando nel dettaglio l’interazione tra materiali e geometrie, possiamo trovare soluzioni sempre più efficienti, sicure e sostenibili per costruire il nostro futuro!

Fonte: Springer