Καμπύλες φορτίου - μετατόπισης για εγκάρσια μετατόπιση υπόγειου αγωγού σε ρευστοποιημένο έδαφος

Δελαβίνια, Δήμητρα; Delavinia, Dimitra

dc.contributor.author	Δελαβίνια, Δήμητρα	el
dc.contributor.author	Delavinia, Dimitra	en
dc.date.accessioned	2020-05-04T19:39:27Z
dc.date.available	2020-05-04T19:39:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50377
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18075
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
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	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Υπόγειοι αγωγοί	el
dc.subject	Εδαφικά ελατήρια	el
dc.subject	Καμπύλες φορτίου - μετατόπισης	el
dc.subject	Εγκάρσια κατακόρυφη προς τα άνω μετατόπιση	el
dc.subject	Εγκάρσια οριζόντια μετατόπιση	el
dc.subject	Liquefaction	en
dc.subject	Buried pipelines	en
dc.subject	Soil springs	en
dc.subject	Load - displacement curves	en
dc.subject	Transverse upward displacement	en
dc.subject	Transverse horizontal displacement	en
dc.title	Καμπύλες φορτίου - μετατόπισης για εγκάρσια μετατόπιση υπόγειου αγωγού σε ρευστοποιημένο έδαφος	el
dc.title	Load - displacement curves for transverse displacement of buried pipeline in liquefied soil	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Γεωτεχνική μηχανική	el
heal.classification	Geotechnical engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-11-01
heal.abstract	Ο αντισεισμικός σχεδιασμός των υπόγειων αγωγών έναντι μόνιμων εδαφικών μετατοπίσεων πραγματοποιείται μέσω αριθμητικών αναλύσεων στις οποίες η αλληλεπίδραση εδάφους - αγωγού προσομοιώνεται από ανεξάρτητα μεταξύ τους ελαστο-πλαστικά ελατήρια σε κάθε διεύθυνση μετατόπισης. Η συμπεριφορά των ελατηρίων αυτών περιγράφεται από δι-γραμμικές καμπύλες φορτίου - μετατόπισης που ορίζονται από το οριακό φορτίο και την ελαστική στιβαρότητα. Η ελαστική στιβαρότητα ισούται με το λόγο του οριακού φορτίου προς την αναγκαία (οριακή) μετατόπιση για την επίτευξη του οριακού φορτίου. Όταν ένας αγωγός σχεδιάζεται να εγκιβωτιστεί σε κορεσμένο, πλήρως στραγγιζόμενο έδαφος (ήτοι με υδροστατικές πιέσεις πόρων), οι παραπάνω καμπύλες προσδιορίζονται επακριβώς από τις διεθνείς οδηγίες σχεδιασμού (ASCE 1984, ALA 2001, PRCI 2009). Όμως, όταν το έδαφος αναμένεται να ρευστοποιηθεί μερικώς ή ολικώς, δεν υπάρχουν σαφείς οδηγίες σχεδιασμού. Συγκεκριμένα, για την περίπτωση του μερικώς ρευστοποιημένου εδάφους (συντελεστής ασφαλείας έναντι ρευστοποίησης, 5.0 > FSl > 1.0) δεν υπάρχει καμία διαθέσιμη οδηγία. Ωστόσο, για το πλήρως ρευστοποιημένο έδαφος (FSl ≤ 1.0) η πιο σύγχρονη και αξιόπιστη πρόταση σχεδιασμού (O’Rourke and Liu, 2012) αφορά στην εφαρμογή ενός μειωτικού συντελεστή 3 % στην καμπύλη φορτίου - μετατόπισης των ελατηρίων. Ειδικότερα, προτείνουν αυτός ο μειωτικός συντελεστής να εφαρμόζεται τόσο στο οριακό φορτίο όσο και στην ελαστική στιβαρότητα, ανεξάρτητα από τα χαρακτηριστικά των αγωγών (διάμετρος, βάθος εγκιβωτισμού), τη διεύθυνση των ελατηρίων και την κατεύθυνση μετατόπισης του αγωγού (π.χ. εγκάρσια κατακόρυφη προς τα άνω και εγκάρσια οριζόντια μετατόπιση, οι οποίες εξετάζονται στην παρούσα εργασία). Στη σχετική βιβλιογραφία αποδεικνύεται ότι η παρουσία ενός ρηχού υπόγειου αγωγού επηρεάζει την κατανομή του λόγου υπερπιέσεων πόρων (ru) στο περιβάλλον έδαφος. Συγκεκριμένα, όταν το έδαφος μακριά από τον αγωγό (ελεύθερο πεδίο) είναι πλήρως ρευστοποιημένο, το υπερκείμενο έδαφος των ρηχών αγωγών δε ρευστοποιείται και επομένως διατηρεί σημαντικό ποσοστό της διατμητικής του αντοχής και δυστμησίας. Αντιθέτως, σε βαθιούς αγωγούς, το υπερκείμενο έδαφος δεν «προστατεύεται» και ρευστοποιείται αντίστοιχα με το ελεύθερο πεδίο. Ανομοιόμορφες κατανομές του λόγου ru αναμένονται ακόμα και όταν αναπτύσσονται μεν υπερπιέσεις πόρων στην εδαφική στρώση, αλλά δεν επιτυγχάνεται ρευστοποίηση στο ελεύθερο πεδίο. Στην παρούσα εργασία, η ένταση των ανομοιόμορφα αναπτυγμένων τιμών ru ποσοτικοποιείται σε κάθε περίπτωση μέσω της μέσης καθ’ ύψος τιμής του λόγου ru στο ελεύθερο πεδίο (συμβολίζεται ως ru,ff). Στη συνέχεια, διερευνάται η επίδραση διαφορετικών τιμών του ru,ff (από 0.0 που αντιστοιχεί σε πλήρως στραγγιζόμενο έδαφος έως 1.0 που αντιστοιχεί στην πλήρη ρευστοποίηση) στην καμπύλη φορτίου - μετατόπισης των αγωγών. Οι καμπύλες φορτίου - μετατόπισης των αγωγών διερευνώνται σε έδαφος με ru,ff = 0.0 έως 1.0, στοχεύοντας στην ποσοτικοποίηση των μειωτικών συντελεστών του οριακού φορτίου και της ελαστικής στιβαρότητας. Η διερεύνηση γίνεται αριθμητικά με τη μέθοδο Πεπερασμένων Διαφορών (FLAC) και το καταστατικό προσομοίωμα NTUA-SAND. Αρχικά, αναπτύσσεται η επιθυμητή τιμή ru,ff (ru,ff > 0.0) και στη συνέχεια ο εκάστοτε αγωγός μετατοπίζεται ως άκαμπτο στερεό εντός του (τροποποιημένου εξαιτίας της σεισμικής δόνησης) πεδίου ενεργών τάσεων, εξασφαλίζοντας όμως ότι οι σεισμικώς ανεπτυγμένες υπερπιέσεις πόρων διατηρούνται σταθερές. Σημειώνεται ότι κατά την εγκάρσια μετατόπιση του αγωγού σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, η καμπύλη φορτίου - μετατόπισης προκύπτει ως η συνισταμένη δύναμη αντίστασης που το γειτονικό έδαφος επιβάλλει στη διεπιφάνεια αγωγού - εδάφους κατά τη διάρκεια της μετατόπισης του αγωγού. Από τη σύγκριση των καμπυλών φορτίου - μετατόπισης για διαφορετικούς αγωγούς, διαφορετικές διευθύνσεις και τιμές ru,ff , προκύπτει ότι το οριακό φορτίο και η ελαστική στιβαρότητα φθίνουν με την αύξηση του ru,ff . Ως αποτέλεσμα, λαμβάνουν την ελάχιστη τιμή τους όταν ru,ff = 1.0. Επίσης, διαπιστώνεται ότι οι μειωτικοί συντελεστές του οριακού φορτίου και της ελαστικής στιβαρότητας εξαρτώνται από την κατεύθυνση μετατόπισης των αγωγών και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά αυτών, για κάθε τιμή ru,ff . Όμως, για κάθε εγκάρσια διεύθυνση, η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του αγωγού είναι λιγότερο σημαντική από την επίδραση του λόγου ru,ff. Επιπλέον, σε αντίθεση με τη συνήθη πρακτική σχεδιασμού, αποδεικνύεται ότι η οριακή μετατόπιση μειώνεται και αυτή με την αύξηση του ru,ff , οπότε οι μειωτικοί συντελεστές του οριακού φορτίου και της ελαστικής στιβαρότητας δεν μπορεί να είναι ίδιοι. Από πρακτικής σκοπιάς, η εφαρμογή ενός μειωτικού συντελεστή 3 % στο οριακό φορτίο και την ελαστική στιβαρότητα όταν ru,ff = 1.0 (FSl ≤ 1.0) κρίνεται μη-συντηρητική, ειδικά για την εγκάρσια οριζόντια μετακίνηση. Το συμπέρασμα αυτό προκύπτει από τη σύγκριση της τιμής 3 % με τις τιμές που προέκυψαν από τις αριθμητικές αναλύσεις. Στις περιπτώσεις των εγκάρσια κατακόρυφων για την προς τα άνω μετατόπιση των αγωγών και των εγκάρσια οριζόντιων ελατηρίων, από τις αριθμητικές αναλύσεις προέκυψαν τιμές 3.5-11 % και 7-14 % αντίστοιχα, όλες μεγαλύτερες του 3 %. Επίσης, οι μειωτικοί συντελεστές της ελαστικής δυσκαμψίας είναι πολύ διαφορετικές του 3 %, δεδομένου ότι οι αριθμητικές αναλύσεις κατέληξαν σε τιμές 11-29 % και 18-30 %, για τα εγκάρσια κατακόρυφα ελατήρια για την προς τα άνω μετατόπιση των αγωγών και τα εγκάρσια οριζόντια ελατήρια, αντίστοιχα. Επιπλέον, όταν το έδαφος στο ελεύθερο πεδίο είναι μερικώς ρευστοποιημένο (1.0 > ru,ff > 0.0, ή κατά προσέγγιση 5.0 > FSl > 1.0) αυτοί οι μειωτικοί συντελεστές έχουν αρκετά μεγαλύτερες τιμές (παραμένουν, ωστόσο, μικρότεροι του 1.0). Αυτό σημαίνει ότι η θεώρηση ενός μερικώς ρευστοποιημένου εδάφους ως πλήρως ρευστοποιημένου είναι μη-συντηρητική, ενώ αν αγνοηθεί η ανάπτυξη των υπερπιέσεων πόρων (δηλαδή αν θεωρηθεί ότι ru,ff = 0.0) ο σχεδιασμός θα είναι πιθανότατα υπερσυντηρητικός. Σε κάθε περίπτωση, η παρούσα εργασία προτείνει κατάλληλες τιμές των μειωτικών συντελεστών για όλες τις περιπτώσεις ru,ff (ή ισοδύναμα FSl), οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν εύκολα στην πράξη.	el
heal.abstract	The seismic design of buried pipelines against permanent ground displacements is mostly performed numerically with the use of elasto-plastic soil springs that simulate the soil - pipe interaction independently in each direction. Each spring is described by a bilinear load - displacement curve, defined by its ultimate load and its elastic stiffness. The elastic stiffness is defined as the ratio of ultimate load to the (ultimate) displacement required to reach the ultimate soil resistance (ultimate load). In the case of a pipe embedded in saturated, fully drained soil (with hydrostatic pore pressures), international design guidelines (ASCE 1984, ALA 2001, PRCI 2009) define precisely the above-mentioned curves. However, in the case that the pipeline is buried in a fully or partially liquefied soil, it is unclear how the seismic design should be performed. Specifically, there are no guidelines for the design of pipelines in partially liquefied soil (factor of safety against liquefaction, 5.0 > FSl > 1.0). But, for the design of pipelines in fully liquefied soils (FSl ≤ 1.0) the most recent and reliable proposal (O’Rourke and Liu, 2012) is to apply a reduction factor of 3 % to the soil spring load - displacement curve. Particularly, it is proposed that this reduction factor applies to both the ultimate load and the elastic stiffness, regardless of the characteristics of the pipe (diameter, embedment depth), the direction of the soil springs and the direction of the pipe displacement (e.g. transverse vertical upward and transverse horizontal displacement, studied here). In pertinent literature it is proved that a shallow embedded pipe affects the excess pore pressure ratio (ru) distribution in the surrounding soil. In particular, in the case that the soil fully liquefies at the free-field, the area above the shallow pipe does not, so it retains most of its shear strength and stiffness. On the other hand, if the pipe is deeply embedded, the area above it is not similarly “protected” and liquefies similarly to what occurs at the free-field. Likewise, in the case of a seismic excitation that does not liquefy the soil at the free-field, a non-uniform ru profile around the pipe is expected. In any case, the level of the developed ru values, despite their variability, is hereby quantified with the average value of ru over depth in the free-field (denoted as ru,ff). Next, the ru,ff effect (0.0 in the case of a fully drained saturated soil, 1.0 in case of a fully liquefied soil in free-field) on the load - displacement curves of the pipes is examined. The load - displacement curves are investigated in soils with ru,ff values ranging from 0.0 to 1.0, so that the reduction factors of ultimate load and elastic stiffness are pinpointed. This investigation is performed numerically with a Finite Difference program (FLAC) employing the NTUA-SAND constitutive model. Firstly, the desired ru,ff value is achieved (ru,ff > 0.0) and then each embedded pipe gets displaced like a rigid body within the (modified due to the shaking) effective stress field, ensuring that the pore pressures developed during shaking remain unchanged. Note that while a pipe is being transversely displaced, the load - displacement curve comes out as the resultant resistant force of the neighboring soil acting on the pipe - soil interface during the displacement of the pipe. Comparing the load - displacement curves that correspond to different pipes, displacement directions and ru,ff values, it turns out that both the ultimate load and the elastic stiffness decrease when ru,ff increases. As a result, they take their lowest values when ru,ff = 1.0. Also, it is found that the reduction factors for the ultimate load and the elastic stiffness depend on the direction of a pipe displacement and the pipe characteristics (diameter, embedment depth), for any given ru,ff value. However, for any given direction of pipe displacement, the pipe characteristics have a much smaller effect on the values of reduction factors than the value of ru,ff. Furthermore, unlike common practice, it is proved that the ultimate displacement also decreases when ru,ff increases, which means that the ultimate load can’t have the same reduction factor with elastic stiffness. From a practical perspective, the application of a 3 % reduction factor to both the ultimate load and the elastic stiffness when ru,ff = 1.0 (or FSl ≤ 1.0) is found to be non-conservative, especially for the transverse horizontal springs. This conclusion arises by comparing the 3% value with the values extracted from the numerical analyses. In the cases of the transverse vertical upward and transverse horizontal soil springs the numerical analyses led to reduction factors with values 3.5-11 % and 7-14 % respectively, i.e. all larger than 3 %. Moreover, the reduction factors of elastic stiffness are far different from 3%, given that the numerical analyses concluded to values 11-29 % and 18-30 % in the cases of the transverse vertical upward and transverse horizontal soil springs, respectively. In addition, when the soil is partially liquefied at the free-field (1.0 > ru,ff > 0.0, or 5.0 > FSl > 1.0 approximately), these reduction factors have much larger values (but remain smaller than 1.0). This means that considering partially liquefied soils as fully liquefied is non-conservative, while disregarding completely the excess pore pressure buildup (i.e. considering ru,ff = 0.0) may lead to over-conservative design. In any case, this work proposes appropriate values for the reduction factors for all cases of ru,ff (or FSl equivalently), which can be readily used in engineering practice.	en
heal.advisorName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Καββαδάς, Μιχαήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113 σ.
heal.fullTextAvailability	false