Analisi di gallerie profonde in presenza di incendio : comportamento del materiale ed implicazioni strutturali

Aim of this Thesis is to investigate the behavior of deep tunnel linings in fire conditions. The lining is made of concrete whose mechanical characteristics have been obtained from previous experimental campaign (at both ambient and high temperature). First of all heating of the lining subjected to a standard fire has been determined, considering all the mechanisms of heat transfer. The static analysis have been carried out using a finite elements software and collated with the solution of a simple axisymmetric situation. This one can be obtained from manual calculations or using a spreadsheet, as done in this Thesis, and has been used in order to validate the results obtained from the finite elements analysis. The obtained results suggest that the restraint offered by the rock can be considered as rigid: this allows to simplify the design of tunnel linings under fire conditions. Moreover, further analysis, carried out changing the ratio between the stiffness of the materials and the geometric conditions, show how, in any case, during a fire the strength of concrete in compression is increased. This phenomenon is due to the longitudinal constraint exerted by the material subjected to thermal expansion.

Scopo della presente tesi è quello di indagare il comportamento al fuoco del rivestimento di gallerie profonde. Tale manufatto si immagina costituito, come usuale, da calcestruzzo e le sue caratteristiche meccaniche a temperatura ambiente ed ad alta temperatura sono state ottenute da precedenti sperimentazioni. Innanzitutto è stato studiato il riscaldamento del rivestimento soggetto ad un incendio standard: a tal proposito sono stati considerati tutti e tre i meccanismi di diffusione del calore. Le analisi statiche sono poi state condotte con l’ausilio di un software ad elementi finiti ed affiancate alla soluzione di una semplice situazione di assialsimmetria. Quest’ultima può essere ottenuta con calcoli manuali o con l’ausilio di un foglio di calcolo, come nel caso presentato, ed è stata utilizzata come validazione di quanto ottenuto dalle analisi ad elementi finiti. I risultati emersi hanno permesso di constatare come il grado di vincolo opposto dalla roccia possa essere considerato rigido, il che comporta una semplificazione nel calcolo al fuoco del rivestimento. Inoltre ulteriori analisi, condotte variando il rapporto tra le rigidezze dei materiali e le condizioni geometriche, hanno mostrato come, in ogni caso, durante un incendio si generino condizioni tali da incrementare la resistenza a compressione del calcestruzzo. In particolare tale fenomeno è legato al confinamento esercitato dal materiale in direzione longitudinale in seguito alla dilatazione termica.