Development of a nonlinear model for RC/FRC elements applied to the analysis of tunnel linings under fire conditions

Nel presente lavoro di tesi è stato sviluppato un modello costitutivo non lineare esistente per l’analisi fino a rottura del comportamento di elementi in c.a. ordinario e fibrorinforzato. In particolare, tale modello è stato qui esteso ed applicato allo studio dei rivestimenti di gallerie in calcestruzzo in condizioni di incendio. Il modello, che segue un approccio di tipo “smeared” e prevede l’applicazione del metodo di decomposizione delle deformazioni in fase fessurata, è formulato in termini di matrice di rigidezza secante, per consentirne l’implementazione all’interno del codice ad elementi finiti adottato. Il modello, denominato 2D-PARC, è stato inizialmente rivisto per quanto concerne la modellazione del contributo resistente offerto dal calcestruzzo, in modo da descrivere correttamente il comportamento del materiale sotto stati di sforzo pluriassiali, sia in fase pre che post-fessurata. A tal fine è stato adottato un approccio basato sull’elasticità isotropa non lineare, che, seppur caratterizzato da un’elevata efficienza computazionale, è al contempo in grado di fornire una rappresentazione molto accurata del comportamento del calcestruzzo. Tale formulazione permette inoltre di simulare gli importanti fenomeni di dilatazione e crushing del materiale in compressione. Successivamente il modello è stato esteso per poter mettere in conto le deformazioni impresse del calcestruzzo, a partire da quelle dovute al ritiro. A tal fine le equazioni di equilibrio e di congruenza che governano il problema sono state opportunamente riscritte, riformulando di conseguenza la matrice di rigidezza del materiale e aggiornando le procedure richieste per il soddisfacimento della convergenza interna dell’algoritmo. Le deformazioni da ritiro sono state valutate in funzione del gradiente di umidità presente nell’elemento. In particolare, quest’ultimo è stato ottenuto eseguendo un’analisi termica equivalente, che sfrutta il parallelismo tra le equazioni di diffusione che governano il problema termico e quello dell’umidità. Al fine di validare sia la nuova modellazione adottata per la descrizione del comportamento del calcestruzzo che l’inserimento delle deformazioni da ritiro, sono stati effettuati numerosi confronti con le evidenze sperimentali disponibili in letteratura tecnica relative a svariate tipologie strutturali in c.a., sia ordinario che fibrorinforzato. Da ultimo, il modello è stato applicato allo studio dei rivestimenti in calcestruzzo di gallerie in condizioni di incendio. Il problema è stato studiato mediante analisi numeriche tridimensionali agli elementi finiti, in cui il comportamento del rivestimento è stato simulato attraverso il legame costitutivo 2D-PARC. A tal fine si è resa necessaria un’ulteriore estensione del modello, in modo da tenere debitamente in conto sia l’influenza delle deformazioni termiche (inserite nell’algoritmo in modo del tutto analogo a quanto già effettuato per il ritiro), quanto il degrado delle caratteristiche del materiale alle alte temperature. Lo stato tenso-deformativo nel rivestimento è stato quindi valutato simulando in maniera realistica tanto le fasi di scavo e successiva installazione del rivestimento – attraverso l’adozione di una procedura step-by-step – quanto la successiva fase di incendio, operando un’analisi non lineare termo-meccanica sequenziale accoppiata. I risultati della modellazione sono stati quindi confrontati con quelli forniti da soluzioni in forma chiusa disponibili in letteratura; in particolare, per validare la modellazione durante l’incendio, è stato sviluppato un opportuno modello analitico ad hoc. E’ stato inoltre condotto uno studio parametrico finalizzato ad investigare l’influenza, sul comportamento strutturale del rivestimento in fase di incendio, di alcuni parametri significativi, quali ad esempio le proprietà meccaniche del terreno, la profondità della galleria e il tipo di incendio considerato.