Towards characterization improvement and design optimization of steel fibre reinforced concrete elements for underground structures: experimental study and non-linear analysis

Abstract

(English) Underground transport infrastructure has become a defining challenge of modern civil engineering, driven by growing urban demand and the need for efficient, durable solutions. Mechanised tunnelling with Tunnel Boring Machines (TBMs) has become the dominant construction method, and precast segmental linings its primary structural solution. The design of these linings is not governed by global ring behaviour alone. Localised effects at radial joints, including concentrated load transfer during TBM thrust and service stages, confinement under partially loaded contact areas, and internal force redistribution under accidental actions such as fire, frequently determine performance. Capturing these mechanisms accurately in design has direct consequences for material use, construction cost, and structural reliability. Fibre reinforced concrete (FRC) is well established as a structural material for segmental linings, with a solid normative basis and extensive practical application. Its most relevant benefits are: post-cracking ductility for splitting control at joints, crack width limitation under service hoop forces, and residual tensile capacity under fire-induced spalling. At radial joints specifically, the response under concentrated loading is governed by two distinct confinement-like mechanisms: a geometry-related contribution associated with the biaxial compressive stress state developing beneath the loaded area, and a material-related contribution driven by fibre bridging and toughness that stabilises post-peak behaviour and delays cracking. Translating these mechanisms into consistent and optimised structural design remains an open problem where the potential for efficiency gains is significant but validated methodologies linking material characterisation to structural response are still needed. This thesis addresses these challenges through an integrated experimental and numerical programme. The experimental component characterises both confinement-like contributions under partially loaded conditions representative of radial joints, quantifying their dependence on fibre content and loading eccentricity. These results provide the constitutive basis for non-linear finite element models calibrated through inverse analysis and validated against independent experimental data at specimen and structural scale. The validated framework is then applied within a reliability-based design context to assess the structural efficiency achievable when post-cracking behaviour and confinement effects are explicitly accounted for. The fire component extends this framework through sequentially coupled thermo-mechanical analysis with explicit joint modelling and parametric treatment of spalling depth, providing the internal forces at radial joints under the accidental combination and contributing to a verification procedure for this design scenario based on the experimental and numerical framework developed throughout the thesis. (Català) La creixent demanda de transport urbà eficient ha convertit les infraestructures subterrànies en un component central de l'enginyeria civil moderna. L'excavació mecanitzada mitjançant tuneladores (TBM) s'ha consolidat com a mètode constructiu predominant, i el revestiment de dovelles prefabricades com a solució estructural principal. El disseny d'aquests revestiments no està governat únicament pel comportament global de l'anell: els efectes localitzats a les juntes radials, incloent la transferència de càrregues concentrades durant l'empenta de la TBM i en servei, el confinament en zones d'entrada de càrrega parcial, i la redistribució d'esforços sota accions accidentals com el foc, determinen amb freqüència el comportament estructural. El formigó reforçat amb fibres (FRF) està ben consolidat com a material estructural per a revestiments, amb una base normativa sòlida i una àmplia aplicació pràctica. Els seus avantatges més rellevants són: la ductilitat post-fissuració per al control del hendiment a les juntes, la limitació de l'obertura de fissura sota esforços circumferencials en servei, i la capacitat resistent residual sota el desconxament induït pel foc. A les juntes radials, la resposta sota càrrega concentrada està governada per dos mecanismes de confinament diferenciats: una contribució geomètrica associada a l'estat biaxial de compressió sota la placa de càrrega, i una contribució material impulsada pel pont i tenacitat de les fibres que estabilitza la branca post-pic i retarda la localització de fissures. La translació d'aquests mecanismes a un disseny consistent i optimitzat continua sent un problema obert, amb potencial significatiu de millora en eficiència, però amb necessitat de metodologies validades que vinculin la caracterització material amb la resposta estructural. Aquesta tesi aborda aquests reptes mitjançant un programa experimental i numèric integrat. El component experimental caracteritza ambdues contribucions de confinament sota condicions de càrrega parcial representatives de les juntes radials, quantificant la seva dependència del contingut de fibres i l'excentricitat de càrrega. Aquests resultats proporcionen la base constitutiva per a models d'elements finits no lineals calibrats mitjançant anàlisi invers i validats a escala de proveta i estructural. Aquest marc s'aplica en un context de disseny basat en fiabilitat per avaluar l'eficiència estructural assolible quan el comportament post-fissuració i els efectes de confinament es modelen de forma explícita. El component de foc estén aquest marc mitjançant una anàlisi termo-mecànica seqüencialment acoblada amb modelització explícita de juntes i estudi paramètric de la profunditat de desconxament, proporcionant els esforços a les juntes radials sota la combinació accidental i contribuint a un procediment de verificació per a aquest escenari de disseny. (Español) La creciente demanda de transporte urbano eficiente ha convertido las infraestructuras subterráneas en un componente central de la ingeniería civil moderna. La excavación mecanizada mediante tuneladoras (TBM) se ha consolidado como método constructivo predominante, y el revestimiento de dovelas prefabricadas como su solución estructural principal. El diseño de estos revestimientos no está gobernado únicamente por el comportamiento global del anillo: los efectos localizados en las juntas radiales, incluyendo la transferencia de cargas concentradas durante el empuje de la TBM y en servicio, el confinamiento en zonas de entrada de carga parcial, y la redistribución de esfuerzos bajo acciones accidentales como el fuego, determinan con frecuencia el comportamiento estructural. El hormigón reforzado con fibras (HRF) está bien consolidado como material estructural para revestimientos, con una base normativa sólida y una amplia aplicación práctica. Sus ventajas más relevantes son: la ductilidad post-fisuración para el control del hendimiento en las juntas, la limitación de la abertura de fisura bajo esfuerzos circunferenciales en servicio, y la capacidad resistente residual bajo el desconchamiento inducido por fuego. En las juntas radiales, la respuesta bajo carga concentrada está gobernada por dos mecanismos de confinamiento diferenciados: una contribución geométrica asociada al estado biaxial de compresión bajo la placa de carga, y una contribución material impulsada por el puenteo y tenacidad de las fibras que estabiliza la rama post-pico y retrasa la localización de fisuras. La traslación de estos mecanismos a un diseño consistente y optimizado sigue siendo un problema abierto, con potencial significativo de mejora en eficiencia, pero con necesidad de metodologías validadas que vinculen la caracterización material con la respuesta estructural. Esta tesis aborda estos retos mediante un programa experimental y numérico integrado. El componente experimental caracteriza ambas contribuciones de confinamiento bajo condiciones de carga parcial representativas de las juntas radiales, cuantificando su dependencia del contenido de fibras y la excentricidad de carga. Estos resultados proporcionan la base constitutiva para modelos de elementos finitos no lineales calibrados mediante análisis inverso y validados a escala de probeta y estructural. Dicho marco se aplica en un contexto de diseño basado en fiabilidad para evaluar la eficiencia estructural alcanzable cuando el comportamiento post-fisuración y los efectos de confinamiento se modelan de forma explícita. El componente de fuego extiende este marco mediante un análisis termo-mecánico secuencialmente acoplado con modelización explícita de juntas y estudio paramétrico de la profundidad de desconchamiento, proporcionando los esfuerzos en las juntas radiales bajo la combinación accidental y contribuyendo a un procedimiento de verificación para este escenario de diseño.