عنوان پایان‌نامه
بررسی آزمایشگاهی و عددی پاسخ خطوط لوله‌ی پیوسته مدفون تحت اثر تغییر شکل‌های متمرکز ماندگار زمین-گسلش
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مکانیک خاک وپی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2357;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81017;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2357;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81017
- تاریخ دفاع
- ۱۴ اردیبهشت ۱۳۹۶
- دانشجو
- رضا یگانه خاکسار
- استاد راهنما
- مجید مرادی
- چکیده
- پدیده ی تغییرشکل های ماندگار زمین (PGD)، غالباً موجب وقوع آسیب های شدید به سازه ها و تجهیزات واقع در مجاورت آن می شود. یکی از انواع متمرکز این نوع تغییرشکل ها، گسلش بوده و از جمله سازه هایی که مورد تهدید این نوع پدیده قرار می گیرند، خطوط لوله هستند. این خطوط لوله ی مدفون انتقال گاز، نفت و ... ناگزیر به عبور از نواحی مختلف با تنوع مخاطرات ژئوتکنیکی بوده و از طرف دیگر نیز بسته به اهمیت شان به عنوان شریان های حیاتی، می بایست در هر شرایطی در حالت سرویس دهی باقی بمانند. بر این اساس، مطالعات متعدد تحلیلی، فیزیکی و عددی برای بررسی پاسخ و رفتار خطوط لوله ی مدفون تحت اثر گسلش انجام یافته اند که هر کدام نقاط قوت و ضعف خود را داشته اند. در تحقیق حاضر، با توجه به اینکه مدل سازی فیزیکی سانتریفیوژ یکی از قوی ترین ابزارهای شناخت رفتار بوده و مدل سازی عددی نیز دارای توان مندی و آزادی عمل در مدل سازی است، طی یک فرآیند مطالعاتی، ترکیبی از روش های تحقیق فیزیکی و عددی مدنظر قرار گرفته است. هدف از این تحقیق این بوده است که محدودیت هندسی موجود در غالب مدل سازی های خطوط لوله یعنی اثر تداخلی تکیه گاه های انتهایی بر رفتار مدل برطرف گردد. در این راستا، ابتدا دو آزمایش مدل سازی فیزیکی خط لوله مدفون تحت اثر مکانیسم گسلش نرمال و دو مدل با گسلش معکوس که دارای تکیه گاه های انتهایی گیردار برای لوله بوده اند به عنوان مدل های مبنا انجام گرفته اند. سپس بر پایه ی داده های آزمایش های مبنا، یک مدل عددی تدوین شده و مورد واسنجی (کالیبراسیون) قرار گرفته است. در گام بعد، مدل عددی توسعه داده شده و برای طراحی سیستم تکیه گاهی فنری از آن استفاده شده است. این تکیه گاه فنری ابداعی قابلیت جایگزینی سختی های محوری و خمشی بخش حذف شده ی لوله را داشته و هدف اصلی تحقیق حاضر یعنی حذف اثرات تداخلی تکیه گاه ها بر روی پاسخ لوله را محقق می کند. در ادامه، تکیه گاه فنری مذکور مدل سازی فیزیکی شده و برای بررسی صحت عملکرد آن یک تست فیزیکی مکانیسم گسلش نرمال و یک آزمایش معکوس صورت پذیرفته است. تطابق قابل قبول نتایج طراحی با خروجی های مدل فیزیکی عملکرد مناسب مکانیسم ابداع شده را مورد تایید قرار داده است. پس از تایید عملکرد تکیه گاه های فنری ابداع شده، از آن برای مطالعه ی پارامتریک اثرات تغییر در عمق مدفون و قطر لوله بر روی پاسخ آن در گسلش معکوس استفاده شده است. در یک آزمایش گسلش نرمال و یک آزمایش معکوس نیز تاثیر بکارگیری روش ابداعی استفاده از فیوز پلی اتیلن در ناحیه ی محتمل وقوع گسلش برای کاهش آسیب پذیری لوله مورد مطالعه قرار گرفته است. در تمامی مراحل فرآیند فوق، از نتایج مدل سازی های عددی و فیزیکی برای بررسی و تحلیل مکانیسم رفتار، شناخت نوع آسیبها، توزیع کرنش در نواحی مختلف و حالات تغییرشکل لوله های مدفون تحت اثر گسلش شیب لغز و نیز مقایسه ی عملکردی آنها با حدود کرنشی مندرج در استانداردها و دستورالعمل ها استفاده شده و نتایج نیز ارائه گردیده است. به عنوان جمع بندی، اهم نتایج بدست آمده در جریان این تحقیق عبارتند از: • ابداع سیستم تکیه گاهی فنری برای رفع محدویت هندسی مدل سازی لوله و حذف اثرات تداخلی تکیه گاهی بر روی پاسخ لوله • مطالعه ی فیزیکی و عددی رفتار خطوط لوله ی فلزی مدفون تحت اثر گسل معکوس و نرمال بدون حضور اثرات تداخلی تکیه گاهی • پیشنهاد روشی کارآمد برای کاهش آسیب پذیری خطوط لوله مدفون در نواحی مجاور گسل
- Abstract
- Buried pipelines are commonly used to transport water, gas and oil. They are classified as lifelines as they carry materials essential to the support of human life. Due to the importance of lifelines survivability, it is of prime importance to study their threats to mitigate damages. Permanent ground deformation (PGD) such as fault crossing and lateral spreading are some of the most important threats for pipelines. Especially, localized PGD or faulting is a severe hazard for them. Over the years, numerous analytical, physical and numerical investigations have been conducted to investigate the pipeline behavior due to faulting. The lack of well-documented field case histories of pipeline failure due to faulting plus the cost and complex facilities needed for full scale experimental simulation make a centrifuge-based method to determine the behavior of pipelines subject to faulting the best method to verify these approaches. In physical modeling approach, a direct but limited model could be provided with valuable model response results, but the analytical and numerical methods require benchmark experimental data for verification, although giving extensive opportunities for model response investigations. In current study, a combination of physical centrifuge modeling and numerical modeling methods have been employed to overcome the geometrical limitation of the small scale modeling for investigation of buried pipeline response subjected to dip-slip faulting. Initially, four centrifuge tests with fixed end pipelines have been conducted, investigated and utilized for the verification of a numerical model. Then, the calibrated numerical model have been used to develop the pipeline "spring-like" end connection system which was going to represent the behavior of the omitted pipeline length due to small scale modeling geometrical limitation. Moreover, two verifying centrifuge tests have been conducted, employing the newly developed "spring-like" end connection system. This thesis presents the axial and bending strains induced in a pipeline. Also investigated was the influence of factors such as faulting offset, burial depth and pipe diameter on the axial and bending strain of pipelines and on the ground soil failure and pipeline deformation pattern. Furthermore, initial strain at the wrinkling point of the pipe under reverse faulting is studied and compared with theoretical values. Also, the tensile rupture of a pipeline due to normal faulting was investigated. Finally, a new mitigation method purposed and investigated its performance by one centrifuge test. The most important conclusions of this thesis are as follow: ? For normal faulting, the dominant response of centrifuge models with fixed end pipelines were axial tensile behavior, while comparison with the results of previous studies would reveal the significant effect of pipe end connections on the higher levels of strain magnitudes. But such pipelines have not exceeded the tensile strain failure limit criterion and could remain in service. ? Subjected to reverse faulting, the pipelines with fixed end connections experienced compression while the dominant response of the pipes was bending. ? The reverse centrifuge tests results revealed that the parameters of "Relative burial depth" (H/D) and the "Relative fault displacement" (U/D) might also play a role in choosing the type of pipeline buckling, apart from the factor of pipe wall thickness to diameter (t/D). ? Longitudinal extension of the numerical model demonstrated that the pipeline would experience much lower levels of strains in full scale numerical simulation than the fixed end pipeline simulation. ? Convincing agreement of the "spring-like" pipeline end connection centrifuge test results with those of numerical simulation indicated that such combined small scale-numerical modeling approach could be employed to overcome the geometrical limitation of the small scale centrifuge tests and such "spring-like" centrifuge model could represent the "full pipeline length modeled" mechanism. ? The "spring-like" centrifuge model results subjected to normal faulting demonstrated that the axial tensile behavior could not be considered as the dominant response in spring-like end mechanism, contrary to fixed end mechanism. ? In reverse faulting mechanism, the "spring-like" centrifuge model results showed lower orders of compressive strain, compared to the fixed end centrifuge models. Moreover, the bending strain distribution was more concentrated in the region adjacent to the faulting plane with higher magnitudes of bending strain for pipelines in fixed end connection tests, while the bending strain distribution for pipeline of spring-like end connection test was significantly smoother and without sharp extremums.
