Sul comportamento strutturale di rivestimenti in gallerie profonde soggette ad incendio

Aim of this work is to investigate the behaviour of deep tunnel linings when subjected to fire load. The main issues to investigate, for the understanding of the problem are: - Geotechnical boundary conditions; - Heat intensity and transfer; - Decay of the mechanical properties of the material under fire load; - Indirect effects of thermal expansion. The geotechnical problem has been treated as contingent, trying to model the mean in a realistic way, considering all the issues related to the specific problem. The fire load has been modelled by considering a specific “fire curve” taking into account both the duration and the intensity of the event. By applying the concepts commonly found in the literature and in the codes, it has been taken into account the variation with the temperature of the mechanical and thermal properties of the materials. In the specific problem only the decay of properties with the increase of temperature is taken into account. No recovery of properties in the “cooling phase” is studied. The problem has been studied first by considering a generic axisymmetric case of deep tunnel surrounded by rock with good mechanical properties and unitary lateral earth pressure coefficient, both with a solution obtained with an Excel worksheet, and with a Finite Element solution carried out with the commercial software Abaqus 6.10. On the basis of the solution obtained from this first FEM model, it has been possible to investigate the behaviour of the lining under various conditions, by varying the parameters of the problem and abandoning the simplified hypotheses used in the closed form solution. It will be shown how the variation between reasonable values of the geotechnical main parameters do not play a significant role in the stability of the tunnel lining, and how the main parameters to take into account are those related to the concrete mechanical and thermal properties when subjected to high temperatures. It will be shown how the tunnel lining, according also to the literature cases shown, does not collapse even if the circumferential stress state reaches significant values, but with a severe “fire curve” in the first minutes of the event the stress state could give rise to the spalling phenomena.

Scopo di questo lavoro è quello di investigare il comportamento del rivestimento di tunnel profondi. I principali argomenti da investigare per la completa comprensione del problema sono: - Condizioni al contorno geotecniche; - Trasferimento di calore; - Decadimento delle proprietà meccaniche dei materiali con la temperatura; - Effetti indiretti della espansione termica. Il problema geotecnico è stato trattato come contingente, modellando il mezzo in maniera realistica, considerando tutti i problemi relativi all’argomento trattato. Il carico termico è stato modellato considerando una specifica “curva di incendio” tenendo in considerazione sia la durata sia l’intensità dell’evento. Applicando i concetti comunemente presenti in letteratura e nei codici, è stata presa in considerazione la variazione delle proprietà termiche e meccaniche dei materiali con la temperatura. Nella trattazione adottata è considerato il solo decadimento delle proprietà con la temperatura, senza tenere in considerazione un recupero delle stesse nella fase di raffreddamento. Il problema è stato studiato prima considerando il generico problema assialsimmetrico di tunnel profondo circondato da roccia con buone proprietà meccaniche e coefficiente di spinta a riposo unitario, sia con una soluzione ottenuta con foglio di lavoro Excel, sia con una soluzione agli elementi finiti ottenuta con il software commerciale Abaqus 6.10. Sulla base della soluzione ottenuta da questo primo modello FEM, è stato possibile investigare il comportamento del rivestimento sotto varie condizioni, variando i parametri principali del problema ed abbandonando le ipotesi semplificate usate nella soluzione in forma chiusa. Viene mostrato come la variazione, tra valori ragionevoli, dei principali parametri geotecnici non comporti significativi cambiamenti nella stabilità del rivestimento, e come i parametri principali da tenere in considerazione sono quelli riguardanti le proprietà termiche e meccaniche del calcestruzzo soggetto ad elevate temperature. Viene mostrato come il rivestimento del tunnel, in accordo anche ai casi da letteratura, non raggiunge condizioni di collasso anche se lo sforzo circonferenziale raggiunge valori significativi, ma con una severa “curva di incendio” nei primi minuti dell’evento lo stato di sforzo circonferenziale può provocare il verificarsi del fenomeno dello spalling.