A tridimensional finite element approach to model a tunnel with shotcrete and precast concrete

• Published in: Revista IBRACON de estruturas e materiais Vol. 9; no. 3; pp. 403 - 413
• Main Authors: Fiore, P. V., Maghous, D. B., Campos Filho, A.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: IBRACON - Instituto Brasileiro do Concreto 01.06.2016; Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON)
• Subjects: ANSYS; ENGINEERING, CIVIL; finite elements; tunnel; viscoelasticity; viscoplasticity; viscoplasticity; elementos finitos; viscoelasticity; ANSYS; viscoelasticidade; viscoplasticidade; finite elements; tunnel; túneis
• ISSN: 1983-4195; 1983-4195
• DOI: 10.1590/S1983-41952016000300005

ABSTRACT This paper describes a numerical simulation with 3D finite elements of a tunnel. The viscoplastic law of Perzyna represents the rockmass behavior. The concrete, shotcrete or precast, is modeled as a viscoelastic material through the Maxwell and Kelvin chain models. Finite element simulations are performed by incorporating subroutines for viscoelastic concrete models in the ANSYS code. The method to simulate tunnel excavations is by activating and deactivating elements in sequential steps. In the first part of the paper two validations are performed. The analytical solution and the deformation achieved on the stabilization in the ANSYS code are compared with an unlined tunnel. A lined tunnel, with an elastic and viscoplastic rockmass combined with an elastic lining, is compared with the results of the GEOMEC91 code. In the second part, it is compared the same tunnel with two different concrete lining for two chain models. Finally, it is modeled the Kielder experimental tunnel, which in situ measured data is available. RESUMO Este artigo apresenta um procedimento para a simulação numérica por elementos finitos tridimensionais do processo de escavação de um túnel com revestimento em concreto. O comportamento do maciço rochoso é representado pela lei viscoplástica de Perzyna. O concreto, projetado ou pré-moldado, é modelado como um material viscoelástico através das cadeias de Maxwell e Kelvin. As simulações por elementos finitos são realizadas pela incorporação de sub-rotinas dos modelos viscoelásticos para o concreto no programa ANSYS. O método para simular a escavação do túnel é pela ativação e desativação de elementos em etapas sucessivas. Na primeira parte do artigo duas validações do modelo são apresentadas. A solução analítica e a obtida pelo programa ANSYS, para a deformação alcançada após a estabilização, são comparadas para um túnel sem revestimento. Os resultados para um túnel revestido, considerando o maciço viscoplástico e o revestimento elástico, são comparados com os valores determinados pelo programa GEOMEC91. Na segunda parte, o mesmo túnel é analisado, considerando o revestimento de concreto viscoelástico, conforme os modelos das cadeias de Maxwell e Kelvin. Finalmente, é modelado o túnel experimental de Kielder, para o qual dados medidos in situ estão disponíveis.