Numerical simulations of fires in road and rail tunnels with structural and fluid dynamic analysis

Nel presente lavoro di tesi vengono studiati, mediante metodi numerici, le prestazioni di sistemi di ventilazione longitudinale e la risposta strutturale di gallerie esposte ad incendio. Fluidodinamica computazionale consente di simulate il campo di moto fluido in un generico dominio risolvendo le equazioni di Navier Stokes. Numerosi codici numerici sono stati sviluppati per la risoluzione di tali equazioni, ma dato il suo specifico sviluppo il codice Fire Dynamic Simulator è stato scelto, FDS. FDS è usato per simulare il campo di moto indotto da un incendio e dai ventilatori assili al fine di valutare la capacità di questi sistemi nel confinare il fumo. I ventilatori assiali installati in galleria sono stati modellati e validati usando dati sperimentali in un flusso freddo, senza incendio, al fine di confrontare i profili di velocità e di pressione. Successivamente un'intera galleria è stata simulata con un incendio e ventilatori attivi, i risultati sono stati confrontati con dati sperimentali usando le temperature le velocità e i flussi volumetrici. Le simulazioni hanno mostrato la capacità di FDS nel simulare ventilatori assili e scenari di incendio, stimando l'incremento di pressione, i profili di velocità e il confinamento dei fumi. Inoltre FDS è in grado di predire correttamente l'effetto di throttling in una galleria considerando la riduzione del flusso volumetrico attraverso una galleria indotto da un incendio. FDS è stato successivamente usato per stimare i carichi termici su una struttura in calcestruzzo esposta ad incendio. Un codice strutturale sviluppato presso l'Università di Padova, Comes-HTC, è stato usato per simulare la risposta del calcestruzzo ad alte temperature. Questo codice è stato accoppiato con FDS al fine di usare delle condizioni al contorno maggiormente realistiche per la verifica strutturale. Per accoppiare i due codici un metodo di interpolazione dei risultati è stato proposto e verificato per interfacciare griglie Cartesiane con griglie strutturate. L'analisi accoppiata è stata poi applicata per studiare una trave in calcestruzzo esposta a differenti scenari di incendio, valutando l'influenza della velocità di crescita dell'incendio e della potenza per unità d'area. L'analisi accoppiata è stata usata per studiare l'incendio di una carrozza ferroviaria in una galleria, lo studio si è concentrato sulla modellazione dell'incendio e sulla risposta della volta. L'analisi accoppiata è stata sviluppata per trasferire i risultati di FDS a Comes-HTC, tuttavia al fine di studiare l'influenza della struttura sul campo fluido un accoppiamento tipo two ways è stato sviluppato per la trave esposta ad incendio. Un'altra analisi accoppiata è stata proposta integrando il modello di Comes-HTC in FDS. In differenti approcci al problema hanno mostrato risultati simili, per cui l'accoppiamento tipo one way è stato considerato come il più fruibile data la sua capacità di accoppiare geometrie non coincidenti.