Studio del comportamento statico e dinamico dei sistemi galleria-terreno-strutture in elevazione in ambiente urbano

Nowadays, it is becoming ever more evident that there is a growing need for underground structures, to solve the problems faced by transportation and utility networks. So, over the past fifty years, the geotechnical research community has devoted great attention to the construction of underground structures. Moreover, in seismic areas, it is extremely important to assess the possible damage to the tunnel and to the aboveground structures as a result of earthquakes. Great attention has recently been devoted to tunnel-soil systems, while studies involving tunnel plus soil plus aboveground structures (fully-coupled analyses) are still very rare. The main purpose of the present thesis is to study the seismic behaviour of a tunnel-soil-aboveground building system and evaluating the effects of the tunnel on the response of the aboveground building and vice versa employing FEM analyses. Firstly, aspects concerning the excavation phase were studied proposing a simple and useful procedure for refining the soil profile established in the design phase of the tunnel, analysing the vibrations induced by the Tunnel Boring Machine on the surface during the digging. After analysing aspects concerning the excavation phase, the dynamic response of the tunnel-soil-aboveground building system was investigated through a series of parametric analyses employing FEM modelling, starting from a real case-history regarding the Catania (Italy) underground network. Great attention was devoted to the role of the soil heterogeneity at the depth of the tunnel, not sufficiently studied up to now, performing a parametric analysis varying the degree of heterogeneity (in terms of impedance ratio). Then, other parametric analyses were performed, analysing the influence of: a) the different models adopted to describe the interface behaviour between the soil and the tunnel lining; b) the depth of the tunnel and the location of the aboveground building; c) the input motion applied at the bedrock of the model to study the influence of the frequency content of the earthquake on the seismic response of the coupled system soil-tunnel- aboveground structure. To take into the soil non-linearity, equivalent visco elastic linear analyses and visco elastoplastic analyses were performed, using a constitutive model for the soil with isotropic and kinematic hardening. The achieved results were reported in terms of: peak ground acceleration, amplification ratios, amplification functions, seismic forces on the building. Bending moments and axial forces acting in the tunnel were also evaluated and compared with those obtained using the closed-form solutions proposed by Wang (1993) and Penzien (2000). The presented work highlights the extremely important role played by geotechnical aspects together with the full-coupled tunnel-soil-aboveground structure interaction.

Al giorno d'oggi, è sempre più evidente la necessità di costruire strutture in sotterraneo per contrastare le problematiche relative alle reti di trasporto e all’inquinamento atmosferico. Così, negli ultimi cinquant'anni, grande attenzione è stata dedicata alla costruzione di strutture sotterranee. Inoltre, nelle zone sismiche, è estremamente importante valutare i possibili danni alla galleria e alle strutture in elevazione a seguito di eventi sismici. Maggiore attenzione è stata recentemente dedicata ai sistemi galleria-terreno, mentre gli studi che coinvolgono la galleria, il terreno circostante e le strutture in elevazione (analisi completamente accoppiate) sono ancora molto rari. Lo scopo principale della presente tesi è lo studio del comportamento sismico di un sistema galleria-terreno interagente-strutture in elevazione e la valutazione degli effetti della galleria sulla risposta delle strutture in elevazione e viceversa mediante analisi FEM. In primo luogo, sono stati studiati gli aspetti riguardante la fase di scavo, proponendo una semplice e utile procedura per raffinare il profilo geologico stabilito in fase di progettazione della galleria, analizzando le vibrazioni indotte in superficie dalla TBM (Tunnel Boring Machine) durante la fase di scavo. Terminata l’analisi riguardante gli aspetti legati alla fase di scavo, è stata analizzata la risposta dinamica di un sistema galleria-terreno-strutture in elevazione eseguendo una serie di analisi parametriche mediante analisi agli Elementi Finiti, partendo da un caso reale riguardante la metropolitana di Catania (Italia). Grande attenzione è stata dedicata al ruolo dell’eterogeneità del terreno alla profondità della galleria, non sufficientemente studiato fino adesso, effettuando una serie di analisi parametriche variando il grado di eterogeneità (in termini di rapporto di impedenza). Inoltre, altre analisi parametriche sono state effettuate al fine di valutare l’influenza: a) dei differenti modelli utilizzati al fine di descrivere il comportamento all’interfaccia tra terreno e galleria; b) della profondità della galleria e della posizione della struttura in elevazione rispetto all’asse della galleria; c) dell’input applicato al bedrock del modello per studiare l’influenza del contenuto in frequenza dell’accelerogramma sulla risposta sismica del sistema accoppiato galleria-terreno-strutture in elevazione. Per considerare il comportamento non lineare del terreno in condizioni dinamiche, sono state effettuate delle analisi visco elastico-lineari equivalenti e visco elasto-plastiche, utilizzando un modello costitutivo del terreno con incrudimento isotropo e cinematico. I risultati ottenuti sono stati riportati in termini di accelerazioni massime, rapporti di amplificazione, funzioni di amplificazione e forze sismiche sulla struttura in elevazione. Inoltre, sono stati valutati i momenti flettenti e gli sforzi assiali lungo la galleria e confrontati con i valori ottenuti mediante le soluzione analitiche in forma chiusa proposte da Wang (1993) e Penzien (2000). Il presente lavoro di tesi evidenzia l’importanza degli aspetti geotecnici e dell’interazione galleria-terreno-strutture in elevazione sulla risposta sismica dell’intero sistema.