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Studio del comportamento di gallerie sottoposte ad azioni sismiche mediante approcci numerici avanzati
No full textIl contributo dell’Università di Bologna è indirizzato allo studio del comportamento di gallerie sottoposte ad azioni sismiche mediante approcci numerici avanzati. L’attività di ricerca prevede una parte di lavoro teorico di validità generale, riferito a condizioni geologico, geotecniche e strutturali ideali, ed una parte dedicata all’applicazione della ricerca allo studio di casi reali in contesti sismotettonici diversi con particolare riferimento alle strutture in sotterraneo realizzate nelle formazioni strutturalmente complesse dell’Appennino Settentrionale e Meridionale (argille scagliose del Complesso Caotico, argille varicolori, flysh, ecc..). Gli obiettivi dell’attività di ricerca possono quindi essere sintetizzati nei seguenti punti: (A) ESECUZIONE DI ANALISI DI TIPO DISACCOPPIATO ED ACCOPPIATO ADOTTANDO APPROCCI CARATTERIZZATI DA CRESCENTI LIVELLI DI COMPLESSITA' E LORO CONFRONTO: a1) Definizione di uno o più casi ideali di riferimento in termini di input sismico, distanza bedrock – struttura in sotterraneo, caratteristiche geotecniche dei terreni attraversati e caratteristiche geometriche e strutturali della galleria; a2) Studio dei diversi casi ideali mediante analisi di tipo disaccoppiato e modelli costitutivi per il terreno “semplici”. L’accelerogramma alla quota della galleria verrà valutato mediante l’analisi della risposta sismica locale, adottando il codice di calcolo Eera e schematizzando il terreno come un mezzo mono-fase viscoelastico non lineare. Le azioni sul rivestimento della galleria verranno valutate assimilando la galleria ad una trave elastica sottoposta alle deformazioni imposte dal terreno circostante secondo come indicato nelle sintesi di Wang (1993) e Hashish et al. (2001); a3) Studio dei diversi casi ideali mediante analisi di tipo accoppiato e modelli costitutivi per il terreno “semplici”. Le analisi numeriche verranno realizzate con i codici di calcolo Abaqus e Plaxis in condizioni di deformazione piana, valutando in questa sede le ipotesi dei due programmi circa l’interazione fra lo scheletro solido ed il fluido interstiziale in condizioni dinamiche. Per descrivere il comportamento meccanico dei terreni si adotteranno uno o due modelli costitutivi disponibili nelle librerie dei programmi di calcolo. Questa fase, pur con i limiti rappresentati dall’utilizzo di modelli costitutivi “semplici”, permetterà di approfondire gli aspetti legati all’interazione terreno-galleria in condizioni dinamiche ed alla loro modellazione nell’ambito di analisi agli elementi finiti; a4) Scelta di un modello costitutivo appropriato a descrivere il comportamento dei terreni naturali sotto l’azione di carichi ciclici e dinamici Data la precedente attività del responsabile dell’Unità di Ricerca ed avendo a mente le tipologie di terreni che verranno presi in esame durante l’applicazione della ricerca allo studio di casi reali, verrà preso a riferimento il modello proposto da Kavvadas & Amorosi (2000), apportando a questo lievi modifiche per quanto pertiene alla descrizione del comportamento reversibile secondo quanto proposto recentemente da Houlsby et al. (2005), alla legge di incrudimento isotropo relativa alla componente di destrutturazione in accordo con Amorosi & Boldini (2003), ed eventualmente all’espressione della legge di variazione del modulo plastico per problematiche legate alla sua non facile implementazione secondo una particolare classe di algoritmi di integrazione; a5) Integrazione del modello costitutivo selezionato nel codice di calcolo commerciale Abaqus, e dopo sua messa a punto, nel codice Plaxis di più semplice utilizzo L’implementazione del modello costitutivo sarà realizzata mediante un algoritmo di tipo completamente implicito in grado di assicurare soluzioni accurate del primo ordine, stabilità incondizionata e convergenza asintoticamente quadratica a livello globale, come già dimostrato in precedenti esperienze di integrazioni di versioni più semplificate (i.e.,..
Interpretazione dei cedimenti indotti dallo scavo della nuova linea 5 della metropolitana di Milano
No full textLa nota fa riferimento alla costruzione della nuova Linea 5 della Metropolitana di Milano, attualmente in fase di completamento. Le due gallerie della linea, caratterizzate da un diametro di circa 6.7 m e da una profondità media dell’asse di 15 m dal piano campagna, sono state realizzate con macchine TBM-EPB in terreni alluvionali sabbioso-ghiaiosi parzialmente sotto falda. Nello studio sono presi in esame i cedimenti associati allo scavo della prima galleria della linea (galleria dispari o di destra) nella porzione iniziale della tratta in condizioni di campo libero. Tali misure sono state analizzate a posteriori, in direzione trasversale e longitudinale allo scavo, mediante classiche espressioni semi-empiriche note dalla letteratura. È stata esaminata, inoltre, l’influenza di differenti parametri di scavo, quali, ad esempio, la pressione di supporto al fronte e la pressione delle iniezioni di intasamento a tergo del rivestimento definitivo sull’entità della perdita di volume e sul profilo di subsidenza nelle sezioni monitorate. L’analisi condotta ha consentito di interpretare le misure di sito e di fornire una descrizione di dettaglio dello scavo con macchine EPB nelle specifiche condizioni geotecniche esaminate
Modelling a deep tunnel excavation in a low-porosity tectonised clay
No full textThe design of excavation in clayey soils is usually based on the hypothesis that the material displays undrained behaviour during construction. In the case of a deep tunnel, the high stress relief induced by excavation is associated to the development of a wide plastic zone where pore pressure may significantly decrease up to reach negative values in a wide area surrounding the tunnel walls. This type of hydro-mechanical behaviour, however, hardly applies to pervasively fissured scaly-clays, which can exhibit a mac-roscopic opening of fissures during stress release, resulting in a loss of saturation. In the paper, the stress-strain behaviour observed during construction of a large-diameter tunnel in scaly clays at depth as high as 400 m is reviewed. Different modelling approaches both for the short- and long-term conditions are investigated, ranging from a roughly simplified dry-medium model to a two-phase model with a coupling between perme-ability and plastic deformation
Effetto temporaneo e permanente di un sisma sul rivestimento di una galleria
No full textIn questa nota viene analizzato il comportamento trasversale di gallerie superficiali in terreni argillosi sotto azioni sismiche. A questo scopo sono messi a confronto due diversi approcci, uno basato su analisi della risposta sismica locale 1D e su soluzioni analitiche disponibili in letteratura (approccio disaccoppiato), il secondo su analisi dinamiche complete effettuate con un codice di calcolo non lineare agli Elementi Finiti (approccio accoppiato). Le differenti ipotesi costitutive prese in considerazione nell’approccio accoppiato hanno dimostrato di avere un ruolo rilevante nel calcolo delle sollecitazioni temporanee indotte dal sisma e hanno permesso di mettere in luce come nel caso di comportamento plastico del terreno il rivestimento della galleria risenta dopo la fine del sisma di azioni permanenti di non trascurabile entità
Raticosa tunnel, Italy: characterization of tectonized clay-shale and analysis of monitoring data and face stability
No full textThe Raticosa Tunnel (Italy) is one of several tunnels currently under construction for the new Bologna-Florence
high-speed railway linee The tunnel, having an overburden of up to 500 m, is located in the Apennine range and half of
its lO km length crosses a tectonized clay-shale formation known as "Chaotic Complex". The ~onstructionmethod is
based on full face excavation combined with face reinforcement by means of fiber-glass dowels. Primary lining consists
of a shotcrete layer and closed-ring steel sets. Due to heavy squeezing ground conditions, as predicted in the preliminary
investigation phase, the excavation of the tunnel was performed under the strict control of an extensive monitoring
system.
The paper presents an overvie\v of the physical and mechanical parameters of the Raticosa shale, summarizing the
results of laboratory and in situ tests. Face "extrusion" and tunnel wall displacements recorded during the excavation
advance have been analyzed and correlated with construction stages. The displacements measured near the tunnel face
generally confirm the validity of the design criteria of face reinforcement and early invert closure, which assures tunnel
stability before casting the finallining. Large, time-dependent, deformations of ground have generally been recorded,
causing local failure phenomena at some locations along the tunnel foute. A tentative explanation of the observed
behavior has been proposed on the basis of empirica1 models. Finally, the effect of fiber-glass dowels on face stability
has been evaluated by using limit analysis
Analisi numerica tridimensionale degli effetti indotti dallo scavo di un pozzo profondo sulle Mura Aureliane nei pressi di Porta Asinaria
No full textLa città di Roma è attualmente interessata dai lavori per la costruzione di una nuova linea metropolitana che attraverserà il centro storico della città. In questa nota viene presentata un’analisi numerica 3D agli Elementi Finiti relativa all’interazione tra lo scavo di un pozzo profondo 30 m, necessario per l’immissione delle macchine EPB da usare per la realizzazione delle gallerie di linea, e le vicine Mura Aureliane nei pressi di Porta Asinaria. Questo studio si inquadra in una più ampia attività di ricerca condotta dagli Autori negli ultimi anni volta a valutare mediante strumenti di calcolo integrati di tipo geotecnico e strutturale l’impatto sul patrimonio storico ed architettonico della costruzione di infrastrutture in area urbana
Modellazione degli effetti indotti dallo scavo di gallerie superficiali su strutture in muratura
No full textIn questa nota viene descritto un approccio numerico agli Elementi Finiti per la modellazione dei danni indotti dallo scavo di gallerie superficiali su strutture in muratura. Il comportamento meccanico della muratura, schematizzata come una struttura periodica costituita da blocchi e giunti, è descritto alla scala macroscopica come un mezzo omogeneo anisotropo. Il terreno, un materiale argilloso di media consistenza, è invece modellato attraverso un semplice legame costitutivo elastico-perfettamente plastico. Le analisi numeriche, condotte con il codice di calcolo Abaqus, hanno riguardato il comportamento di pareti in muratura e sono state condotte, in questa prima fase, adottando condizioni di deformazione piana per il terreno e di tensione piana per la struttura. Esse hanno fornito alcune prime indicazioni circa i complessi meccanismi di interazione terreno-struttura che si manifestano in corrispondenza di differenti valori del volume perso durante lo scavo della galleria
Modellazione numerica del comportamento dinamico di gallerie superficiali in terreni argillosi
No full textLo studio del comportamento delle strutture in sotterraneo soggette ad azioni sismiche va affrontato in maniera diversa rispetto a quanto viene fatto comunemente per le strutture in elevazione. Mentre il comportamento di queste ultime è regolato dalle caratteristiche inerziali della struttura stessa, la risposta dinamica delle strutture in sotterraneo è governata dalla risposta deformativa del terreno circostante e dalla loro interazione. Questa differenza è una conseguenza della trascurabile inerzia della costruzione in sotterraneo rispetto a quella del terreno che la circonda.
In relazione ai danni prodotti dalle vibrazioni del terreno al passaggio delle onde sismiche, gli stati deformativi che può subire una galleria in seguito ad esso possono essere sintetizzati secondo gli schemi riportati in Figura 1.1 (Owen e Scholl, 1981), dove si assimila la struttura in sotterraneo ad una trave elastica sottoposta alle deformazioni imposte dal terreno circostante. Con riferimento all’asse della galleria risulta quindi necessario analizzare il comportamento dell’opera secondo due direzioni:
• direzione longitudinale: la galleria è sollecitata secondo la sua direzione longitudinale dalla deformazioni di compressione ed estensione che si sviluppano secondo il suo asse e dalle deformazioni flessionali che si originano dalle vibrazioni delle particelle di terreno in direzione perpendicolare al suo asse;
• direzione trasversale:la galleria è sollecitata nel piano trasversale dall’azione di onde di taglio con direzione di propagazione pressoché perpendicolare al suo asse che portano all’ovalizzazione della sezione strutturale (Wang, 1993).
Il comportamento di una galleria in presenza di sisma può essere analizzato sia ricorrendo a soluzioni in forma chiusa basate su approcci di tipo analitico sia effettuando delle analisi dinamiche complete mediante, ad esempio, un codice di calcolo non lineare agli Elementi Finiti (FEM). Nel primo caso gli effetti locali sono tenuti in conto attraverso specifiche analisi di propagazione locale, finalizzate alla definizione delle caratteristiche del sisma alla quota della galleria (approccio disaccoppiato). Le analisi FEM, invece, permettono di valutare il comportamento della galleria tenendo conto in maniera più realistica dell’interazione terreno-rivestimento, del comportamento non lineare del terreno e dell’accelerogramma di progetto nella sua interezza e non solo attraverso parametri sintetici (approccio accoppiato).
Il problema della propagazione monodimensionale è stato analizzato adottando l’approccio lineare equivalente implementato nel codice EERA (Bardet et al., 2000). Le sollecitazioni nel rivestimento della galleria sono state calcolate, limitatamente alla sola direzione trasversale, facendo riferimento alle equazioni proposte da Wang (1993) sia per condizioni di full-slip sia per quelle di no-slip tenendo conto della differente rigidezza del terreno e della struttura.
Le analisi FEM sono state condotte in condizioni di deformazione piana con il codice PLAXIS. Nell’ottica di un confronto con i risultati ottenuti dall’approccio disaccoppiato, in un primo gruppo di analisi è stato utilizzato per il terreno un modello costitutivo di tipo visco-elastico. In una seconda serie di analisi è stato introdotto come ulteriore ingrediente la plasticità, facendo riferimento al criterio di resistenza di Mohr-Coulomb. Tutte le analisi numeriche sono state condotte in condizioni non drenate e lo smorzamento viscoso è stato introdotto secondo la formulazione di Rayleigh
Analysis of tunnel behaviour under seismic loads: the role of soil constitutive assumptions
No full textIn this paper a set of 2D FEM analyses of tunnel behaviour during seismic loading is presented using a traditional and a more advanced numerical approaches. The numerical analyses, carried out under plane strain conditions, are aimed at establishing the relevance of the different constitutive assumptions on the computed ground deformation and loads acting in the transversal section of the tunnel lining during the seismic wave propagation. The behaviour of the soil is described, in one case, by a linear visco-elastic model, and, in a second case, by a plasticity model capable of describing early development of non-linearity, memory of stress history, anisotropy and the effects of structure and its degradation with plastic straining. Special emphasis is given to the description of the calibration procedure for the material parameters and the
initialisation of state variables in correlation to the geotechnical characterization of the soil deposit
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