Comparative Study on Axial Compression Performance of Steel Tube–RCC–Timber Composite Columns using FEM Analysis

Gli edifici stanno in piedi perché i loro supporti verticali, le colonne, possono sostenere un peso immenso senza piegarsi o sgretolarsi. Nell'edilizia moderna, gli ingegneri spesso combinano materiali diversi per rendere questi supporti più leggeri, economici o sostenibili. Uno di questi approcci prevede l'inserimento di un nucleo di legno strutturale all'interno di un guscio di calcestruzzo armato. Questa miscela mira a ridurre la quantità di pesante calcestruzzo necessario pur mantenendo la colonna robusta, utilizzando il legno per sostenere parte del carico. Tuttavia, questa combinazione ha un punto debole: sotto una forte pressione, gli angoli del guscio di calcestruzzo tendono a creparsi e a rompersi prematuramente, causando il cedimento dell'intera colonna in modo improvviso e senza preavviso. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno studiato l'avvolgimento di queste colonne miste in un sottile strato di acciaio, una tecnica che agisce come una cintura stretta, stringendo il calcestruzzo e tenendolo insieme proprio quando inizia a creparsi.

Un team di ricercatori dell'Anantrao Pawar College of Engineering & Research in India si è posto l'obiettivo di capire esattamente quanto aiuti questo avvolgimento in acciaio un tipo specifico di colonna: un pilastro rettangolare fatto di calcestruzzo e un blocco centrale di legno. Non hanno costruito colonne fisiche in un laboratorio per questo studio. Invece, hanno creato modelli tridimensionali altamente dettagliati che simulano il comportamento di materiali reali sotto pressione estrema. Utilizzando software avanzati, hanno costruito due versioni della stessa colonna. Entrambe erano alte un metro con una sezione trasversale rettangolare, contenevano la stessa quantità di calcestruzzo, le stesse barre di rinforzo in acciaio e un nucleo centrale di legno. L'unica differenza era che una versione era lasciata come un pilastro standard di calcestruzzo e legno, mentre l'altra era rivestita da un sottile strato di acciaio dolce di due millimetri. I ricercatori hanno poi applicato una forza di schiacciamento sulla parte superiore di ciascuna colonna virtuale, osservando come i materiali reagivano, dove si accumulava lo stress e quando cedevano definitivamente.

I risultati di queste simulazioni hanno rivelato una differenza drammatica tra i due progetti. La colonna standard, senza l'avvolgimento in acciaio, ha raggiunto un carico massimo di 845 kilonewton prima di cedere. Una volta raggiunto questo picco, ha perso forza molto rapidamente, rompendosi in modo fragile con gli angoli del calcestruzzo che si frantumavano e le barre d'acciaio che venivano esposte. Al contrario, la colonna avvolta nel sottile tubo di acciaio ha sopportato un carico molto più pesante, raggiungendo i 1128 kilonewton. Ciò rappresenta un aumento della forza del 33,5 percento. Più importante ancora, la colonna avvolta non è ceduta improvvisamente. Dopo aver raggiunto il suo picco, ha continuato a sostenere il peso mentre si deformava lentamente, mostrando un comportamento molto più flessibile e tollerante. Il tubo di acciaio ha agito come un vincolo, impedendo al calcestruzzo di espandersi verso l'esterno e creparsi, permettendo alla colonna di flettersi e assorbire energia invece di spezzarsi.

Lo studio ha anche esaminato quanto fossero rigide le colonne e come distribuissero la pressione all'interno. La colonna avvolta era il 27,6 percento più rigida, il che significa che resisteva alla flessione in modo più efficace sotto carichi normali. Quando i ricercatori hanno esaminato i modelli di stress interno, hanno visto che la colonna standard concentrava tutta la pressione nei quattro angoli, creando punti caldi di stress che portavano al cedimento immediato. La colonna avvolta nell'acciaio, invece, ha distribuito questa pressione in modo molto più uniforme su tutta la sezione trasversale. Il tubo di acciaio ha assunto l'onere di tenere insieme gli angoli, riducendo la concentrazione di stress in quei punti critici di quasi il 20 percento. Questa ridistribuzione ha permesso al nucleo di legno e al calcestruzzo di lavorare insieme in modo più efficace per un tempo maggiore.

I ricercatori hanno concluso che l'aggiunta di un semplice e sottile strato di acciaio a questo tipo di colonna composita è un modo altamente efficiente per migliorare la sua sicurezza e le sue prestazioni. La piccola quantità di materiale extra ha fornito un beneficio sproporzionatamente grande, potenziando la forza, la rigidità e la capacità di flettersi senza rompersi. Sebbene queste scoperte derivino da simulazioni al computer e non da test fisici, i dati suggeriscono fortemente che questo metodo potrebbe essere una soluzione pratica per gli ingegneri che desiderano utilizzare colonne di legno e calcestruzzo senza sacrificare l'affidabilità strutturale. Lo studio evidenzia come un modesto innesto di acciaio possa trasformare un pilastro fragile e imprevedibile in un supporto robusto e duttile, capace di gestire carichi significativamente più pesanti.