Μελέτη άοπλης τελικής επένδυσης σήραγγας μέσω αριθμητικών και στοχαστικών αναλύσεων

Abstract

Το μεγαλύτερο ποσοστό των τελικών επενδύσεων σηράγγων, που κατασκευάζονται μέχρι σήμερα, ειδικά στην Ελλάδα, είναι κατασκευασμένες από οπλισμένο σκυρόδεμα, βέβαια τον τελευταίο καιρό έχει παρατηρηθεί μία τάση αλλαγής στα υλικά της κατασκευής από οπλισμένο σκυρόδεμα σε άοπλο. Οι λόγοι της μεταστροφής είναι οικονομικής και κατασκευαστικής φύσης. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία γίνεται αρχικά μέσω παρατρικών αρκθμητικών αναλύσεων με τρισδιάστα πεπερασμένα στοιχεία υπολογισμου τηςαξονικής δυνάμεως και της καμπτικής ροπής στη διατομή της τελικής επένδυσης σήραγγας και ο υπολογισμός της εκκεντρότητας των φορτίσεων στην τελική επένδυση της σήραγγας.Τα δεδομένα αυτά θα συναξιολογηθούν για την επιλογή κατάλληλων παραμέτρων των στοχαστικών αναλύσεων. Επιπλέον, λόγω της ιδιαιτερότητας του άοπλου σκυροδέματος (ελλέιψη οπλισμού). όπου έχει αρκετά διαφορετική λογική από το οπλισμένο σκυρόδεμα στη μηχανική συμπεριφορά, γίνεται μια σημαντική προσπάθεια κατανόησης της μηχανικής συμπεριφοράς του άοπλου σκυροδέματος, συγκρίνοντας διαφορετικές προσεγγίσεις που υπάρχουν απο τη διεθνή βιβλιογραφία και εξετάζοντας την επιρρόη διαφόρων παραμέτρων στην τελικήαντοχή της άοπλης διατομής σκυροδέματος π.χ. ποιότητα σκυροδέματος, επιτρεπόμενη ρωγμάτωση, δευτερογενής ρωγμάτωση κ.α. Επίσης γίνεται μια σύντομη αναφορά στην εφαρμογή άοπλων τελικών επένδυσεων στην Ελλάδα, παραθέτοντας βασικά στοιχεία της κάθε τελικής επένδυσης αλλά και των σηράγγων, όπου έχει τοποθετηθεί άοπλη τελική επένδυση ή τμήμα αυτής. Έχοντας ως δεδομένο ότι τα φορτία της τελικής επένδυση, έχουν μεγαλύτερη αβεβαιότητα ΄πό τα φορτία που χρησιμοποιούνται για συνήθης κατακσκευές και βασιζόμενοι στο θεωρητικό υπόβαθρο του άοπλου σκυροδέματος, γίνονται παραμετρικές διαστασιολογήσεις και στοχαστικές αναλύσεις (με τη μέθοδο επαναληπτικής προσομοίωσης MONTE - CARLO) ποικίλων διατομών και φορτίσεω, έτσι ώστε ναπροκύψει το εκάστοτε επίπεδο αξιοπιστίας της κάθε άοπλης διατομής. Οι αναλύσεις έγιναν και για απολύτως συσχετισμένα και για ασυσχέτιστα εντατικά μεγέθη δράσεων. Για συσχετισμένα εντατικά μεγέθη δράσεων έγιναν επίσης περαιτέρω αναλύσεις και παράχθηκαν επιμέρους συντελεστέςγια την τήρηση κάποιων απαιτούμενων επιπέδων αξιοπιστίας (ανάλογα την κλάση των συνεπειών,της αξιοπιστίας, την περίοδο αναφοράςκ.α.) των άοπλων τελικών επένδυσεων. Κλείνοντας, γίνεται μια σύγκριση οπλισμένου σκυροδέματος έναντι άοπλου για την κατασκευή τελικής επένδυσης σήραγγας όσον αφορά το κόστος και το επίπεδο εξιοπιστίας. Τέλος γίνεται συγκεντρωτικά μια σύνοψη των σημαντικότερων αποτελεσμάτων της εργασίας και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.

The last decades, the majority of tunnel final linings, especially in Greece, have been constructed from reinforced concrete. However nowadays there is a trend towards a change from reinforced to plain concrete. The reasons, which lead to this approach, are mainly financial and structural. This postgraduate thesis, initially estimates through parametric numerical analysis with three - dimensional finite elements the axial forces and the bending moments, which are developed on the final lining of a circular tunnel and also calculates the eccentricity of the final lining loads. This data will be evaluated for the selection of appropriate input parameters for the stochastic parametric analyses. Moreover, there is a significant effort, through various analyses, to understand the mechanical behavior of plain concrete, comparing different theories of plain concrete from international bibliography and also considering the factors - parameters, which influence the ultimate resistance of a plain concrete section, such as concrete strength, primary cracking, secondary cracking etc. Also a brief reference is made to the implementation of plain concrete final linings in Greece, describing the main geotechnical and structural characteristics of the specific tunnels. The tunnel final lining loads have higher uncertainty than the loads of the conventional structures. Therefore in this thesis, parametric design and stochastic analyses (through simulation method of MONTE – CARLO) are carried out, based on the theoretical basis of plain concrete, to calculate the reliability level of each plain concrete section. The analyses are performed for totally correlated and non - correlated acting loads (axial forces and bending moments). Finally, additional analyses for correlated acting loads are performed to estimate the values of the permanent load partial factors, in order to obtain particular reliability levels (according to the class of consequences, reliability levels, the return period, etc.). In conclusion, there is a comparison of plain concrete against reinforced concrete according to the cost of a typical cross section and the reliability level. Finally the most important results of the thesis are summarized and suggestions for further research are proposed.