Παραμετρική αξιολόγηση αγωγών με εύκαμπτους κόμβους: Διασταυρώσεις με ρήγματα οριζόντιας ολίσθησης

Ιωάννου, Μαριάνα

dc.contributor.author	Ιωάννου, Μαριάνα	el
dc.contributor.author
dc.date.accessioned	2015-09-10T06:31:56Z
dc.date.available	2015-09-10T06:31:56Z
dc.date.issued	2015-09-10
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41245
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.4063
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) "Analysis and Design of Earthquake Resistant Structures"	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Εύκαμποι κόμβοι	el
dc.subject	Flexible Joints	en
dc.subject	Ρήγματα Οριζόντιας Ολίσθησης	el
dc.subject	Strike Slip Fault	en
dc.subject	Αγωγοί	el
dc.subject	Pipelines	en
dc.title	Παραμετρική αξιολόγηση αγωγών με εύκαμπτους κόμβους: Διασταυρώσεις με ρήγματα οριζόντιας ολίσθησης	el
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Parametric evaluation of pipelines with flexible joints in areas of large ground deformation: Crossing with strike slip faults	en
heal.classification	Μηχανική	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-06-30
heal.abstract	Οι σεισμικά επιβαλλόμενες μόνιμες εδαφικές μετακινήσεις, όπως αυτές που προκαλούνται από τη διάρρηξη ενεργών ρηγμάτων, την οριζόντια εξάπλωση ρευστοποιημένων εδαφών ή τις κατολισθήσεις (κυκλικές ή επίπεδες εδαφικές αστοχίες), αποτελούν ίσως το πιο σοβαρό κίνδυνο που αντιμετωπίζουν οι υπόγειοι αγωγοί μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι οι αγωγοί είναι γραμμικές κατασκευές πολύ μεγάλου μήκους και κατά συνέπεια, είναι σχεδόν αδύνατο η χάραξη τους να μη διασχίζει ρηξιγενείς ζώνες ενεργών ρηγμάτων ή περιοχές με πιθανές εδαφικές αστοχίες (κατολισθήσεις, οριζόντια εξάπλωση), ενώ οι μετακινήσεις αυτές είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που προκαλούνται από τη σεισμική δόνηση. Από τις διάφορες αιτίες μόνιμων εδαφικών μετατοπίσεων, η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εστιάζει στο σχεδιασμό υπόγειων αγωγών έναντι μετατοπίσεων που οφείλονται σε διάρρηξη ενεργών ρηγμάτων, διότι είναι οι μοναδικές που δεν μπορούν να αποφευχθούν αντιμετωπίζοντας τις ίδιες τις αιτίες της αστοχίας (π.χ. με τοπική βελτίωση ή ενίσχυση των εδαφών, εφαρμογή δικτύου αποστράγγισης, εφαρμογή μεθόδου αντιστήριξης, κτλ), αλλά πρέπει να αναληφθούν από τον σχεδιασμό του ίδιου του αγωγού. Ο παραμορφωμένος φορέας μετά τη διάρρηξη ενός αγωγού που διασταυρώνεται με τυχαία κλίση με ένα ρήγμα οριζόντιας ολίσθησης, παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Οι συνήθεις «συμβατικές» μεθοδολογίες για την αντιμετώπιση μόνιμων εδαφικών μετακινήσεων λόγω διάρρηξης ενεργών ρηγμάτων μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα με το αν ο κύριος μηχανισμός με τον οποίο προσπαθούν να περιορίσουν την επιβαλλόμενη παραμόρφωση στον αγωγό, αποσκοπεί στην απομείωση της τριβής μεταξύ εδάφους και αγωγού (π.χ. χρήση επιστρώσεων-γεωυφασμάτων, επίχωση με ελαφρόπετρα), στην ενίσχυση του αγωγού (π.χ. αύξηση πάχους τοιχώματος αγωγού ή αλλαγή είδους χάλυβα) ή στην απομείωση/μηδένισμό των επιβαλλόμενων περιορισμών σε εγκάρσιες μετατοπίσεις του αγωγού στην περιοχή της διάρρηξης (π.χ. διεύρυνση τάφρου, κατασκευή εξωτερικά υπόγειου κιβωτίου από Οπλισμένο Σκυρόδεμα). Όμως όλες οι εφαρμοζόμενες «συμβατικές» μέθοδοι, με εξαίρεση την κατασκευή εξωτερικού περιβλήματος, είναι εν γένει αποτελεσματικές για μικρές έως μεσαίες μετατοπίσεις του ρήγματος (μέχρι 2.5-3.0 διαμέτρους του αγωγού). Εξαίρεση αποτελεί η μέθοδος κατασκευής ενός «θυσιαζόμενου» εξωτερικού περιβλήματος από σκυρόδεμα (culvert), το κόστος όμως της οποίας αυξάνεται υπέρμετρα καθώς μεγαλώνει η αναμενόμενη μετακίνηση του ρήγματος. Έχοντας υπόψη τα ανωτέρω, μελετάται στον Τομέα Γεωτεχνικής του ΕΜΠ μελετήθηκε ο εναλλακτικός σχεδιασμός αγωγών σε περιοχές μεγάλων εδαφικών μετακινήσεων, με χρήση εύκαμπτων κόμβων, μέσω αριθμητικών αναλύσεων και πειραμάτων μικρής κλίμακας. Στα πλαίσια αυτής της ερευνητικής προσπάθειας αναπτύχθηκε και μία νέα αναλυτική μεθοδολογία για την εκτίμηση της επιρροής των εύκαμπτων κόμβων στα εντατικά μεγέθη που αναπτύσσονται στον αγωγό. Στο πλαίσιο της ανωτέρω ευρύτερης ερευνητικής προσπάθειας, στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, έγινε παραμετρική διερεύνηση και αξιολόγηση της ακρίβειας της προτεινόμενης αναλυτικής μεθοδολογίας για αγωγούς με εύκαμπτους κόμβους που διασχίζουν ρήγματα οριζόντιας ολίσθησης. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε και οικονομοτεχνική αξιολόγηση της εν λόγω μεθόδου σχεδιασμού έναντι των «συμβατικών» μεθόδων, προκειμένου να ορισθούν οι συνθήκες εφαρμογής της στην πράξη. Από την εκτενή σύγκριση με αριθμητικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν γίνεται φανερό ότι η προτεινόμενη αναλυτική μεθοδολογία προσεγγίζει ικανοποιητικά το μηχανισμό του φαινομένου και δίνει αξιόλογα αποτελέσματα για σχεδόν το σύνολο των περιπτώσεων που εξετάστηκαν. Επιπροσθέτως, μέσα από την εποπτική σύγκριση των αποτελεσμάτων των αναλυτικών και αριθμητικών επιλύσεων και των σχετικών σφαλμάτων κάθε μεγέθους, καθορίστηκαν τα παρακάτω όρια εφαρμογής της προτεινόμενης αναλυτικής μεθοδολογίας: • Κατακόρυφη μετατόπιση ρήγματος μεγαλύτερη από μιάμιση φορά τη διάμετρο του αγωγού (Df>2D) • Γωνία διασταύρωσης με το ρήγμα μεγαλύτερη ή ίση των 60ο. Διευκρινίζεται ότι τα προαναφερθέντα όρια δεν αποτελούν πρακτικό περιορισμό στην χρήση της αναλυτικής μεθοδολογίας, δεδομένου ότι η χρήση εύκαμπτων κόμβων μας ενδιαφέρει για περιπτώσεις μεγάλων εδαφικών μετακινήσεων (>2.5-3.0D), ενώ όταν ο αγωγός διασταυρώνεται με το ρήγμα υπό μικρή γωνία, η χρήση κόμβων δεν ενδείκνυται, εφόσον οι παραμορφώσεις στον αγωγό οφείλονται κατά κύριο λόγο από τις αξονικές μετατοπίσεις και η χρήση στροφικών κόμβων δεν απομειώνουν ουσιαστικά τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις. Από την οικονομοτεχνική σύγκριση μεταξύ της προτεινόμενης μεθόδου σχεδιασμού με εύκαμπτους κόμβους με τις «συμβατικές» μεθόδους, διαπιστώθηκε ότι για να έχει τη μέγιστη αποτελεσματικότητα η χρήση εύκαμπτων κόμβων, ο αγωγός πρέπει να τέμνει κάθετα το ρήγμα. Επιπροσθέτως, διαπιστώθηκε ότι η χρήση τους είναι ευνοϊκή για τον αγωγό και απομειώνει τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις κάτω από το θεμιτό όριο του 0.5% ακόμα και για μετατοπίσεις έως 3.3D όταν τέμνει τον αγωγό υπό κλίση 60ο, και έως 10D, για την περίπτωση κάθετης τομής. Κατά συνέπεια η μέθοδος αυτή έχει τη μεγαλύτερη ευμενή επιρροή από όλες τις «συμβατικές» μεθόδους, πλην του εξωτερικού περιβλήματος (culvert). Αναφορικά με το κόστος, η χρήση εύκαμπτων κόμβων είτε ανά 6m είτε ανά 8m αποτελεί ναι μεν ακριβότερη λύση για μεσαίες μετατοπίσεις από τη χρήση ελαφρόπετρας ή την αύξηση του πάχους του αγωγού, όμως αυτές οι μέθοδοι έχουν όριο εφαρμογής περί τα 3.5D. Επιπροσθέτως η χρήση εύκαμπτων κόμβων είναι στην πλειοψηφία των περιπτώσεων φθηνότερη της κατασκευής εξωτερικού περιβλήματος (culvert), ενώ κατασκευαστικά δεν χρειάζεται καμία πρόσθετη πρόβλεψη εφόσον οι κόμβοι απλά συγκολλούνται στις προβλεπόμενες θέσεις, όπως τα υπόλοιπα τμήματα του αγωγού. Συνοψίζοντας, καταλήγουμε ότι για την περίπτωση κάθετης διασταύρωσης με το ρήγμα, η αύξηση του πάχους του τοιχώματος του αγωγού ενδείκνυται για επιβαλλόμενες μετατοπίσεις df ≤ 3.0D, όπου D είναι η διάμετρος του αγωγού. Η χρήση εύκαμπτων κόμβων αποτελεί την πιο αποτελεσματική και συμφέρουσα λύση για μεγαλύτερες επιβαλλόμενες μετατοπίσεις 3.5D < df ≤ 10D, ενώ, για ακόμη μεγαλύτερες επιβαλλόμενες μετατοπίσεις df > 10D συστήνεται η προστασία του αγωγού από υπόγεια κιβώτια (culvert) οπλισμένου σκυροδέματος. Για την περίπτωση διασταύρωσης υπό γωνία, η αύξηση του πάχους του τοιχώματος του αγωγού ενδείκνυται για επιβαλλόμενες μετατοπίσεις df ≤ 3.0D, όπου D είναι η διάμετρος του αγωγού, ενώ για μεγαλύτερες μετατοπίσεις η χρήση ελαφρόπετρας αποτελεί τη βέλτιστη λύση, αφού μειώνει επαρκώς τις παραμορφώσεις και κοστίζει λιγότερο.	el
heal.abstract	One of the most severe dangers that underground petroleum of gas pipelines face, is permanent ground deformation (PGD), such as the one applied by the activation of seismic faults that cross it, the lateral spreading of liquefied soils or slope failures (cyclic or plane ground failures). The main reason behind this is that pipelines are (a) linear structures and as such, it is impossible for its axis to not cross one or more fault zones or areas with possible ground failures (landslides, lateral spreading) and (b) because this kind of displacements are much larger than those applied by seismic motions and are permanent. From the various causes of PGD, this thesis focuses to the design of underground pipelines versus displacements caused by the activation of seismic faults that cross the pipeline axis, due to fact that this kind of displacements cannot be avoided by dealing with the cause of the failure itself (such is the case with ground failures where special design measures can be taken for the local improvement of the ground in the area, the application of drainage network, etc.), but the pipe design must be able to resist the applied deformations from the fault. Figure 1 presents the deformed form of a pipeline that crosses a strike-slip fault with a random angle. The common “traditional” methods for the dealing with the applied PGD due to active fault offset can be categorized according to the main mechanism that they utilize in order to prevent the developed strain in the pipeline: (a) reduction of the side friction between the pipe and the ground (e.g. use of coatings – geogrids, fill with pumice stone) (b) reinforcement of the pipeline ability to cope with the applied deformations (e.g. increase of pipe wall thickness, change of steel type), and (c) reduction of the ground resistance to the lateral displacements of the pipeline near the fault area (e.g. increase of excavation width, construction of external underground culvert from reinforced concrete). All the above mentioned methods can be applied for small to medium fault offsets, up to 2.5-3.0 pipe diameters. Exception is the construction of an external culvert from reinforced concrete, method that can protect the pipeline against very large fault displacements, but is expensive and its cost increases geometrically with the increase of the fault offset. Thus, in the Geotechnical Department of NTUA, an alternative design method with the use of flexible joints is being researched for pipelines at areas where large PGD are encountered. In this research effort, a new analytical methodology has been developed for the estimation of the beneficial effect of flexible joints to the developing pipeline strains. This thesis, as part of this research effort, focused at the parametric investigation and evaluation of the validity of this analytical methodology for pipelines with flexible joints that cross strike-slip faults. In addition, an economic-technical evaluation of the proposed design method has been made, against the “traditional” design methods, in order to define practically its application limits. From the extensive comparison with the numerical analyses that have been made, it is clear that the proposed analytical methodology can accurately estimate the phenomenon and can give accurate results for almost all checked cases. Moreover, from the comparison of the results between the analytical and the numerical methodologies and the relative error of each design parameter, the following application limits for the analytical methodology have been defined: • Vertical fault offset larger than one and a half pipe diameter (Df>1.5D) • Crossing angle of the pipeline with the fault trace equal or more than 60o. It must be clarified that the afore mentioned limits are not a practical limitation of the use of the analytical methodology, since the use of flexible joints is proposed only for large ground deformations (>2.5-3.0D). In addition, the use of flexible joints is not recommended when the pipeline crosses the fault with small angle, since in this case the developing strains are mainly due to axial deformations, and thus the use of such flexible joints is pointless. From the economic-technical comparison between the proposed design method with flexible joints and the “traditional” methods, it has been found that their use is beneficial for the pipe and can reduce the developing strains under the limit strain rate of 0.5%, for fault offsets up to 3.3D when the crossing angle is 60o and up to 10D for vertical crossing angle. Thus, the proposed design method has the largest beneficial effect between all the “traditional” methods, except from the construction of an external culvert. The use of flexible joints either every 6m or 8m, may be a more expensive method for large PGDs from the use of pumice stone or the increase of pipe wall thickness, but those methods have an application limit up to 3.5D. Moreover, the use of flexible joints is less expensive from the construction of external culvert in most cases, and easier to be applied, since it does not need additional construction provisions (the flexible joints are just being welded at the selected positions). More specifically, for vertical crossing angle, the increase of the pipe wall thickness is recommended for applied displacements df ≤ 3.5D, where D is the pipe diameter. The use of flexible joints is the most effective and economic solution for larger applied displacements 3.5D < df ≤ 10D, while, for even larger displacements df > 10D the use of external culvert from reinforced concrete is recommended. For the case of smaller crossing angles, the increase of the pipe wall thickness is recommended for applied displacements df ≤ 3.0D, while for larger displacements the use of pumice stone as fill material has been found to be the best solution, both technically and economically.	en
heal.advisorName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Γαντές, Χάρης	el
heal.committeeMemberName	Φραγκιαδάκης, Μιχάλης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	188 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true