Problems related to the seismic behaviour of submerged floating tunnels

Even though the SFTs (Submerged Floating Tunnels) concept has been studied by engineers and researchers for some decades, the SFT, also known as Archimedes Bridge, can be still considered a new and innovative type of infrastructure. In fact, there is no actual SFT being built in the world until now. It still represents a challenge in structural engineering, both in the scientific and application fields. SFT serves as a revolutionary alternative to cross sea-straits, lakes and other waterways. Compared to suspended or cable stayed bridges, SFTs can take advantage of the water buoyancy, this becoming a significant factor as length increases; when the comparison is made with underground or traditional immersed tunnels, the SFT has a clear advantage since it can be installed in very deep waters, where other crossing solutions cannot be applied. In its relatively short development history, compared to the one of traditional waterway crossing solutions, several research fields were covered in attempt to give a thorough view on the structural behaviour of SFTs under environmental and operational loading, such as seismic, hydrodynamic loads, dynamic forces due to traffic effects, and other accidental loadings such as impacts of various nature. In this thesis, Chapter 1 gives a general overview on this new type of waterway crossing infrastructure, including its short history, advantages, disadvantages, and what we think as its promising future perspective. Besides that, some considerations about its conceptual design and the loading conditions due to its complex environmental surroundings are covered. In Chapter 2, the development of a 3-D finite element (FE) model of a SFT proposed for the Messina Strait crossing is described, on account of the geometrical non-linearity due to large displacement and elastic-plastic material property for the anchoring system (the inelastic material for the bars is introduced for the first time in a complete 3D SFT model). Soil-structure interaction is represented by means of a frequency-independent lumped approach. The actual section with two bars at each side is closely modelled, without making resort to the simpler equivalent models used in past research. Hereafter, 2-D and 3-D complete modal analyses, performed on the linearized model, are described. Chapter 3 provides a solution to generate the artificial ground time history by adopting the Kanai-Tajimi power spectral density, modified by Clough and Penzien, and considering the coherency model of Luco and Wong to represent the spatial variation of the ground motion. Multiple-support seismic excitation is generated having a peak ground acceleration of 0.64g in transversal and vertical directions and 85% of this value in longitudinal direction. Chapter 4 describes the effect, on the structural response, of the non linear behaviour of the anchoring bars and of the devices adopted for controlling the longitudinal motion, having a hack at decreasing the responses of SFT under seismic excitation. Three cases are studied: comparison between elastic-bar 3-D model and inelastic-bar 3-D model; comparison among three different arrangements of passive control devices, referring to the models with no, one, and two devices at tunnel ends; comparison among three different mechanical properties of the control devices. Chapter 5 is devoted to the seaquake effects, acting like an additional hydrodynamic loading arising from the earthquake transmission, through wave propagation in water, from the seabed. A brief history and development of the research on the phenomenon is given. Due to its complexity, some simplifying hypotheses and assumptions have been taken to carry out the seaquake effect derivation. The derivation of seaquake velocity potential based on a 1-D approach is described in this chapter and Appendix C. With the help of Morison equation, popular in calculation of the fluid force on submerged flexible circular columns, the seaquake force can be got knowing the seaquake velocity and acceleration, computed from the velocity potential. Afterwards, some characteristics of the generated seaquake are described and commented. Finally, Chapter 6 refines the SFT 3-D model by accounting for seaquake excitation loading on the tunnel, in addition to the excitation previously considered. Three cases are studied to characterize the seaquake effect: elastic models with or without seaquake, inelastic models with or without seaquake, elastic and inelastic models under the combination of earthquake and seaquake.

Il concetto di tunnel flottante in alveo (SFT “Submerged Floating Tunnel” o Ponte di Archimede) è stato oggetto di studio da parte di ingegneri e ricercatori negli ultimi decenni; nonostante questo esso può essere ancora considerato come un’idea originale e innovativa nel campo delle infrastrutture. In effetti, a tutt’oggi non è stato costruito nel mondo alcun SFT, e quest’ultimo rappresenta ancora una sfida nel campo dell’ingegneria strutturale, sia in termini scientifici, sia in termini applicativi. I tunnel flottanti in alveo rappresentano un’alternativa rivoluzionaria per l’attraversamento di stretti, laghi e specchi d’acqua in generale. Al confronto con la soluzione “aerea” (ponte sospeso o strallato), essi si avvantaggiano per effetto della spinta idrostatica, che diventa un fattore importante all’aumentare della lunghezza; al confronto con i tunnel sub-alvei o immersi (appoggiati sul fondo), i tunnel flottanti presentano un vantaggio evidente nel caso di acque profonde, nelle quali gli altri tipi di tunnel non possono essere installati. . Nella storia dello sviluppo scientifico e tecnologico dei tunnel flottanti, relativamente breve al confronto di quella delle soluzioni tradizionali, la ricerca ha coperto svariati campi, nel tentativo di fornire una visuale completa sul comportamento strutturale sotto l’azione dei carichi ambientali, dovuti ai terremoti ed alle azioni idrodinamiche, ed operativi, quali gli effetti del traffico o di impatti di varia natura. Il Capitolo 1 di questa tesi fornisce una panoramica generale sui tunnel flottanti, con una breve introduzione storica, vantaggi, svantaggi e quelle che si ritiene possano essere le prospettive future di impiego. Inoltre, si formulano alcune considerazioni sulla progettazione concettuale, con particolare riferimento alla complessità delle condizioni di carico dovute all’interazione con l’ambiente. Nel Capitolo 2 si illustra lo sviluppo del modello 3-D ad elementi finiti di un tunnel flottante proposto per lo Stretto di Messina; il modello tiene conto degli effetti di non-linearità geometrici e del comportamento inelastico dei sistemi di ancoraggio (introdotto per la prima volta nel modello strutturale completo di un SFT). Si tiene conto inoltre degli effetti di interazione suolo-struttura, per mezzo di un approccio a parametri concentrati, indipendenti dalla frequenza. Il sistema di ancoraggio, che prevede la presenza di due aste per ogni lato del tunnel, viene modellato senza far ricorso ai modelli semplificati impiegati in ricerche precedenti. I risultati dell’analisi modale, condotta su modelli 2D e sul modello completo 3D linearizzato vengono infine riportati. Il Capitolo 3 descrive i criteri adottati per generare le storie artificiali del moto sismico del terreno, compatibili con lo spettro di potenza di Kanai-Tajimi, modificato da Clough e Penzien e con il modello di coerenza di Luco e Wong, atto a rappresentare la variazione spaziale del moto. Le storie del moto sismico multi-correlato così generate presentano un valore di picco pari a 0.64 g per le componenti di accelerazione trasversale e verticale e pari all’85% di questo valore per la componente longitudinale. Il Capitolo 4 descrive l’effetto, sulla risposta strutturale, del comportamento non-lineare delle aste di ancoraggio al fondo marino e dei dispositivi adottati per il controllo del moto longitudinale; l’ottica è quella della riduzione degli effetti del sisma sul tunnel. Si studiano allo scopo tre set di casi; nel primo si confronta la risposta del modello nelle due situazioni di comportamento elastico e inelastico delle barre di ancoraggio. Nel secondo si valuta la modalità di collegamento longitudinale, mediante dispositivi isteretici, del tunnel alla costa, confrontando la risposta del tunnel “libero” con quelle del tunnel vincolato ad uno o a entrambi gli estremi. Nel terzo set di analisi si valuta l’influenza delle proprietà meccaniche del dispositivo. Il Capitolo 5 è dedicato all’effetto del cosiddetto “seaquake”; questo agisce come una fonte addizionale di eccitazione, di tipo idrodinamico, dovuta alla trasmissione del moto sismico attraverso onde di compressione che si propagano nell’acqua per effetto del moto verticale del fondo marino. Si propone inizialmente un breve inquadramento storico sulla ricerca nel settore. Si introducono poi le ipotesi semplificative adottate, a causa dell’estrema complessità del fenomeno, nella derivazione dei suoi effetti. Quest’ultima è basata su un approccio monodimensionale che consente di calcolare il potenziale della velocità alla quota del tunnel una volta disponibile la storia temporale del moto sismico del fondo (Capitolo 3). Noto il potenziale, e in sequenza le storie temporali di velocità ed accelerazione, le forze sul tunnel sono calcolate mediante un approccio alla Morison. Si mostrano e discutono infine alcuni esempi di generazione. Nel Capitolo 6 si illustra infine la risposta del modello 3-D, calcolata tenendo conto anche dell’effetto del “seaquake”. Tale effetto viene valutato sia in riferimento alla risposta del sistema elastico, sia nel caso in cui le aste di ancoraggio siano soggette a fenomeni di plasticizzazione.