A practical approach for simulating the effects of fires in deep tunnels considering the temperature induced damage

The aim of this work is to provide a simple and immediate tool that evaluates the interaction between the lining and the rock that constitute tunnels under different conditions. An analytical model is presented, which assumes that the tunnel is an axisymmetric cavity whose state of stress is generated during the excavation phase and successively altered due to the exposure to fire. Firstly, the effects of the excavation phase are observed in terms of stress and convergence of the tunnel. To do this, the Convergence Confinement Method allows to determine the equilibrium condition between the rock mass and concrete ring and to establish the effects of their interaction and of installation of a certain type of lining. The promptness of the method is such that it becomes a practical effective tool, that can be easily implemented in the preliminary design phase. Subsequently, the problem of fires in tunnel is analysed: these events are capable of inducing serious consequences on the structure, in particular due to the narrow spaces that facilitate the fast increase in temperatures and the spread of smoke. The fire induced thermal variation in the lining and surrounding rock may be taken by empirical data or calculated by means of analytical or numerical models. In this work, a finite element analysis with COMSOL Multiphysics has been performed to evaluate the temperature variation induced by a standard fire for different time steps. The effects of this thermal variation are analysed in terms of stresses and displacements. To this aim, a multi-layer model is implemented, based on the subdivision of the domains in many different layers. The results show that the consequences are not negligible, especially in terms of radial displacement and hoop stresses. The present model allows to take into account the interaction between rock and lining and considers the non uniform effects of high temperatures on the support. In particular, concrete that is subjected to fire gradually loses compressive strength and stiffness, becoming a more ductile material. In addition, the possibility of having spalling of the lining is evaluated. The results show that, due to the high hoop stresses that are generated inside the material, parts of the intrados may detach.

L'obiettivo del presente è lavoro è quello di fornire uno strumento semplice ed immediato che studi in diverse condizioni l'interazione tra l'anello di rivestimento e la roccia che costituiscono una galleria. Sono riportati dei modelli di tipo analitico che si basano sull'ipotesi di assialsimmetria del problema e che trattano due diverse condizioni: la fase di scavo e l'esposizione del tunnel a fuoco. In primo luogo, si osservano gli effetti della fase di scavo in termini di stato di sforzo e convergenza della galleria. Per fare questo, il metodo della Curva Caratteristica (anche detto Convergence Confinement Method) permette di determinare l'equilibrio tra roccia e anello di calcestruzzo e di stabilire a priori quale sarà l'effetto dello scavo e dell'installazione di un determinato tipo di rivestimento. L'immediatezza del metodo è tale da diventare uno strumento efficace che può essere facilmente utilizzato in una prima fase di progettazione. Successivamente si affronta il problema legato agli incendi in galleria: si tratta di una problematica frequente e in grado di creare gravi effetti sulla galleria stessa, in particolare a causa degli spazi ristretti che facilitano l'aumento delle temperature, la propagazione del fumo e tutti gli effetti che ne derivano. Tramite un'analisi agli elementi finiti sfruttando il software COMSOL Multiphysics si ricava la curva di temperatura indotta da un incendio standard per diversi step temporali e a diverse profondità. Nella fase di riscaldamento l'intradosso è caratterizzato da alti picchi di temperatura, successivamente si osserva una migrazione deli picchi verso gli strati più esterni, fino a raggiungere lo strato roccioso. Si considera nell'analisi anche la fase di raffreddamento. Gli effetti di tale variazione termica sono analizzati in termini di sforzi e spostamenti. A tal fine si presenta un nuovo modello analitico in grado di valutare lo stato di sollecitazione e spostamento radiale al variare della temperatura e del tempo: il rivestimento arriva ad avere un consistente spostamento radiale ed è sede di un grande stato di sforzo, in particolare di tipo tangenziale. Questo modello consente di tenere conto dell'interazione tra ammasso roccioso e rivestimento e considera gli effetti delle alte temperature sul rivestimento. In particolare, il calcestruzzo sottoposto a fuoco perde resistenza a compressione e rigidezza, diventando così un materiale più duttile. Questa caratteristica gli permette di essere sottoposto a minor compressione. Inoltre, si valuta la possibilità che si verifichi spalling nel rivestimento, ovvero che delle parti di materiale si stacchino all'intradosso a causa delle elevate pressioni a cui sono sottoposte.