Numerical modeling design and water hammer behaviour of CIPP liners

The thesis aims at studying a specific trenchless technique, Cured In Place Pipe (CIPP), a no--dig relining approach which allows the renewal of existing pipe networks by combining a low environmental impact and a significant reduction in costs. This work is divided in two main parts: in the first one the liner's behaviour in case of buckling instability is analysed; in the second one the response of the combined system (host pipe and liner) during transient hydraulic regime is proposed. Defining a proper design procedure for CIPP is fundamental in order to provide a safe and economical design. Since buckling collapse is the kind of failure which mainly occurs in these structures, the design parameter the thickness must be defined considering the critical buckling load. The buckling problem of a ring under external pressure has already been deeply studied theoretically however, there is still a lack of literature for design applications and new equations physically based must be developed for design methodologies. The current design formulae, provided by standards, are empirical and limited. Therefore, the goal is to define a Finite Element (FE) numerical model in order to obtain a critical buckling pressure for different types of liner and thickness over radius ratios. The second part of the thesis is focused on analysing the effects of the presence of a CIPP liner in a deteriorated pipe during elastic unsteady flow. In particular, this work deals with a new formulation to compute the celerity of the wave which produces the overpressures, when the pipe wall is composed of both the host pipe and liner, which thickness depends on the required mechanical characteristics. The theoretical results have been validated by performing a numerical simulation using a Boundary Element model. The values of the celerity, obtained by the continuity equations, are reported varying the liner’s thickness and Young’s Modulus.

Negli ultimi quarant'anni, in ambito acquedottistico e fognario, si è diffuso l'utilizzo delle cosiddette tecnologie senza scavo (no-dig), anche chiamate “senza trincee” (trenchless). Queste tecnologie consistono nel recupero delle reti di tubazioni o di singoli tubi attraverso metodi che permettano di non eseguire scavi o sostituzioni. Ciò determina un risparmio economico e ambientale non indifferente e soprattutto permette in luoghi molto trafficati, come le grandi città, di evitare disagi alla popolazione. Alla luce dei numerosi potenziali vantaggi, un grande numero di studi è stato svolto negli anni relativamente a queste tecnologie e alla loro applicabilità. Questo lavoro di tesi si pone nel contesto della letteratura relativa alle tecnologie CIPP (Cured In Place Pipe), che consistono nell’inserire un liner all'interno del tubo preesistente, al fine di ottenere l'impermeabilizzazione idraulica e il sostenimento strutturale dei carichi che il tubo ospitante non è più in grado, o non sarà più in grado di sostenere nel prossimo futuro. In questo studio vengono analizzate due principali tematiche: la prima riguardante il dimensionamento statico del liner, ovvero la determinazione dello spessore; la seconda riguardante il comportamento del sistema liner – tubo ospitante in sede di transitorio idraulico e in caso di fenomeni di colpo d’ariete. Per quanto riguarda il primo obiettivo, definire una procedura di dimensionamento per i liner è fondamentale al fine di perseguire gli obiettivi di sicurezza ed economicità. Dal momento che questi elementi sono soggetti soprattutto a fenomeni di instabilità, è necessario determinarne lo spessore in funzione di un carico critico. In questo caso si parlerà quindi di pressione critica di dimensionamento. Il problema di instabilità per anelli circolari soggetti a pressione esterna costante è stato ampiamente studiato a livello teorico e sperimentale; esistono ad oggi normative basate su modelli teorici e analisi sperimentali, ma in alcuni casi queste normative tendono a sovrastimare il valore dello spessore, con conseguente aumento ingiustificato dei costi e dell’utilizzo di materiali. L’obiettivo primario di questo lavoro dal punto di vista del dimensionamento è quindi quello di sviluppare un modello a elementi finiti per la progettazione e quindi verificare l’accuratezza delle normative, confrontandole con i modelli teorici disponibili e con il sopracitato modello numerico, creato con il software ABAQUS. Dall'analisi della letteratura è emerso come l'aspetto idraulico di queste opere sia in generale meno considerato rispetto a quello meccanico. Per questo motivo la seconda parte della tesi è stata dedicata alla creazione di un metodo per stimare la variazione di celerità delle perturbazioni nel caso di transitori idraulici in condotte in pressione che utilizzino la tecnologia CIPP. In particolare, è stata sviluppata una formulazione del problema estromettendo l'ipotesi di piccolo spessore delle tubazioni. La celerità varia in funzione della deformabilità dell'area della sezione del tubo. Quest'ultimo parametro è funzione delle caratteristiche meccaniche del tubo stesso, di cui la deformazione circonferenziale è la principale per il fenomeno in esame. I risultati ottenuti mostrano come la deformazione circonferenziale, e di conseguenza la celerità, varino in funzione dello spessore del liner all’interno del tubo ospitante.