Πειραματική και αριθμητική αξιολόγηση της απόκρισης χαλύβδινων σωλήνων με και χωρίς εύκαμπτους κόμβους υπό εγκάρσια επιβαλλόμενη μετακίνηση

Μπαχάς, Κωνσταντίνος; Bachas, Konstantinos

dc.contributor.author	Μπαχάς, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Bachas, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2016-06-10T09:40:24Z
dc.date.available	2016-06-10T09:40:24Z
dc.date.issued	2016-06-10
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42659
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11968
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μεταλλικοί αγωγοί	el
dc.subject	Πειραματική και αριθμητική αξιολόγηση	el
dc.subject	Εγκάρσια επιβαλλόμενη μετακίνηση	el
dc.subject	Steel pipes	en
dc.subject	Experimental and numerical evaluation	en
dc.subject	Transverse imposed displacement	en
dc.title	Πειραματική και αριθμητική αξιολόγηση της απόκρισης χαλύβδινων σωλήνων με και χωρίς εύκαμπτους κόμβους υπό εγκάρσια επιβαλλόμενη μετακίνηση	el
dc.title	Experimental and numerical evaluation of the response of steel pipes with and without flexible joints under transverse imposed displacement	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μεταλλικές κατασκευές	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/6aa62585dd0180516223521f270569cb0146f613
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-03-16
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η αποτελεσματικότητα της χρήσης εύκαμπτων κόμβων σε υπόγειους μεταλλικούς αγωγούς υπό εγκάρσια επιβαλλόμενη μετακίνηση μέσω πειραματικών δοκιμών και αριθμητικής προσομοίωσης. Η ενδεχόμενη ενεργοποίηση ενός σεισμικού ρήγματος από το οποίο διέρχεται ο υπόγειος αγωγός οδηγεί σε μεγάλες επιβαλλόμενες μετακινήσεις, τις οποίες ο αγωγός αναγκάζεται να ακολουθήσει αναπτύσσοντας μεγάλη ένταση που ενδέχεται να οδηγήσει σε αστοχία. Η τοποθέτηση εύκαμπτων κόμβων στον αγωγό μεταξύ των χαλύβδινων τμημάτων στοχεύει στη συγκέντρωση των αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων στους κόμβους, ώστε τα τμήματα του αγωγού να παραμένουν σχεδόν ευθύγραμμα, αναπτύσσοντας πολύ μικρή ένταση. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται εισαγωγικά στοιχεία για τους υπόγειους μεταλλικούς αγωγούς. Αρχικά γίνεται αναφορά στις δράσεις που αναπτύσσονται (σεισμικές και μη σεισμικές) και στα συνήθη μέτρα προστασίας που εφαρμόζονται έναντι διάρρηξης ρήγματος. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται γενικές πληροφορίες για τους εύκαμπτους κόμβους και συγκεκριμένα για τους κόμβους τύπου bellow που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Τέλος, παρατίθενται τα κριτήρια εφελκυστικής και θλιπτικής αστοχίας αγωγών υπό μεγάλες παραμορφώσεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο σχεδιασμός των πειραματικών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν. Οι πειραματικές δοκιμές αφορούν σωλήνες υπό εγκάρσια μετακίνηση χωρίς περιβάλλον έδαφος και στοχεύουν στην προσομοίωση της παραμόρφωσης αγωγού υπό διάρρηξη ρήγματος. Τα τέσσερα δοκίμια αγωγών που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα (τρία συνεχή και ένα με κόμβους) περιγράφονται αναλυτικά ως προς τη γεωμετρία και τον τρόπο κατασκευής τους. Περιγράφεται επίσης το πλαίσιο δοκιμών στο οποίο πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα. Επιπλέον, παρουσιάζονται αναλυτικά όλα τα μετρητικά όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τον ποσοτικό προσδιορισμό της απόκρισης των αγωγών κατά την επιβολή της εγκάρσιας μετακίνησης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εφελκυσμού σε δοκίμια μονοαξονικού εφελκυσμού για τον προσδιορισμό της ποιότητας του χάλυβα. Ακολούθως, οι εύκαμπτοι κόμβοι υποβλήθηκαν μεμονωμένα σε δοκιμές εφελκυσμού και κάμψης με σκοπό τον υπολογισμό της αντίστοιχης δυσκαμψίας τους. Έπειτα, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών στους τέσσερις αγωγούς και ειδικότερα η απόκριση των δοκιμίων μέσω του δρόμου ισορροπίας δύναμης - μετακίνησης. Επιπλέον, παρουσιάζεται η εξέλιξη των παραμορφώσεων που καταγράφηκαν από strain gauges συναρτήσει της επιβαλλόμενης μετακίνησης. Συγκριτικά αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών και εξαγωγή συμπερασμάτων παρουσιάζεται στο τέλος. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η βαθμονόμηση αριθμητικών προσομοιωμάτων με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα. Ειδικότερα, εξετάζονται εναλλακτικές αριθμητικές προσεγγίσεις, με χρήση τόσο στοιχείων δοκού, όσο και επιφανειακών στοιχείων. Διερευνήθηκε η επιρροή παραμέτρων, όπως η σύνδεση του δοκιμίου με το πλαίσιο δοκιμών, η προσομοίωση με γραμμικά ή επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία, καθώς και η επιρροή των παραμενουσών τάσεων λόγω της διαμήκους συγκόλλησης των εν ψυχρώ διαμορφωμένων δοκιμίων. Η βαθμονόμηση των προσομοιωμάτων ανέδειξε ότι η σύνδεση των δοκιμίων στο πλαίσιο δοκιμών δύναται να θεωρηθεί πάκτωση. Για τα συνεχή δοκίμια απαραίτητη είναι η αριθμητική προσομοίωση με επιφανειακά στοιχεία προκειμένου να ληφθούν υπόψη οι παραμένουσες τάσεις. Αντιθέτως, στην αριθμητική προσομοίωση του δοκιμίου με κόμβους επαρκεί η προσομοίωση με γραμμικά στοιχεία. Ειδικότερα, οι εύκαμπτοι κόμβοι προσομοιώνονται με μετακινησιακά και στροφικά ελατήρια. Τα αριθμητικά αποτελέσματα σε όρους δρόμους ισορροπίας δυνάμεων και παραμορφώσεων συγκρίνονται με τα πειραματικά και διαπιστώνεται ικανοποιητική σύγκλιση. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την πειραματική και αριθμητική αξιολόγηση της χρήσης εύκαμπτων κόμβων σε υπόγειους αγωγούς. Διαπιστώθηκε ότι η εισαγωγή κόμβων συμβάλει δραστικά στη μείωση της αναπτυσσόμενης έντασης και στην αποτελεσματική προστασία του αγωγού. Επιπλέον διαπιστώθηκε ότι η συμπεριφορά του δοκιμίου με κόμβους ήταν γραμμική και ελαστική σε αντίθεση με τα συνεχή δοκίμια, των οποίων η συμπεριφορά ήταν μη-γραμμική με ανάπτυξη πλαστικών αρθρώσεων στις θέσεις μέγιστης έντασης.	el
heal.abstract	In the present diploma thesis the effectiveness of integrating flexible joints in buried steel pipes under transverse imposed displacement to prevent failure due to transverse imposed displacement is experimentally and numerically investigated. The activation of a seismic fault that is transversed by a buried pipe causes large imposed displacements that the pipe is forced to follow by developing large strains, which may lead to failure. The introduction of flexible joints between the adjacent pipe steel parts aims at concentrating the developing strains at the joints and retain the pipes parts virtually undeformed and consequently unstressed. In the first chapter a brief introduction to buried steel pipes is presented. The external seismic and non-seismic loads acting on the pipe and the commonly adopted mitigating measures against the consequences of faulting are presented. Then, technical data for commercial flexible joints and specifically for the bellow-type one’s, which are used in this thesis, are presented. Finally, the tensile and compressive strain limits to prevent pipe failure are briefly discussed. The second chapter is about the design of the experimental set-up. In the present thesis, pipes without surrounding soil subjected to transverse displacement are experimentally investigating. The experiments aim at simulating the pipe deformation due to fault offset. The geometry and the construction process of the four pipe specimens (three continuous pipes and one with flexible joints) are described in detail. Moreover, the testing frame and the measuring instruments used to evaluate the specimen’s response are presented. In the third chapter the results of the experiments are shown. The mechanical properties of the specimens’ steel were identified at first through uniaxial tensile tests of appropriately designed coupons extracted from the specimens. Then, the two flexible joints were subjected to tensile and bending tests in order to obtain theιr stiffness. Afterwards, the results of the pipe specimens experiments are presented, and specifically the response of the pipes through force – displacement and strain - displacement equilibrium paths. Finally, the experimental results are compared and conclusions are extracted. In the fourth chapter, numerical models are calibrated based on the experimental results. Alternative numerical approaches using either beam elements or shell elements are investigated. The effects of parameters such as the connection of the pipe with the testing frame, the modeling with linear or shell finite elements and the effect of the residual stresses due to the longitudinal welding and the cold-forming of pipes were also researched. The calibration of the models revealed that the specimen – testing frame connection can be considered as rigid. As far as the continuous specimens are concerned, the numerical modeling using shell elements was shown to be necessary in order to take into account the residual stresses. On the contrary, the modeling of the specimen with flexible joints with beam-type elements was shown to be adequate. Moreover, the flexible joints are modeled with translational and rotational spring elements. The numerical equilibrium paths are compared against the experimental ones, indicating a good match. Finally, in the fifth chapter, the conclusions extracted from the experimental and numerical evaluation of the integration of flexible joints in buried pipes are presented. It was found that the introduction of the joints has a significant contribution to the reduction of the developed strains and consequently on the prevention of pipe failure. Moreover, it was found that the response of the specimen with flexible joints was linear and elastic. On the other hand, the behavior of the continuous specimens was non-linear, as plastic hinges developed at locations of high stress.	en
heal.advisorName	Γαντές, Χάρης	el
heal.committeeMemberName	Θανόπουλος, Παύλος	el
heal.committeeMemberName	Αβραάμ, Τάσος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	70 σ.
heal.fullTextAvailability	true