Υπόγειοι χαλύβδινοι αγωγοί με εύκαμπτους κόμβους υπό διάρρηξη σεισμικού ρήγματος

Abstract

Objective of the doctoral thesis is the investigation of the behavior of buried oil and gas pipelines with flexible joints subjected to tectonic fault rupture and the formulation of practical design guidelines. Bellow-type flexible joints are proposed as an innovative mitigating measure against the consequences of faulting and are introduced in the pipeline in the fault vicinity in order to absorb strains through relative rotation of the adjacent pipe segments, which then remain barely undeformed and consequently unstressed. This approach introduces a different design approach for minimizing the risk of tensile fracture and local buckling, instead of aiming at reducing pipe – soil friction, which is the case for the commonly used mitigating measures.Based on the shortcomings identified in the existing literature and the modern design and construction practice regarding the protection of buried pipes subjected to tectonic rupture, the research effort of the thesis focused on the following objectives: (a) Investigation of the commercially available flexible joints and selection of the appropriate type for application in buried high-pressure oil and gas pipelines subjected to fault rupture, (b) Investigation of the effectiveness of flexible joints in terms of reducing the developing longitudinal tensile and compressive strains, in order to protect the pipeline against tensile fracture and local buckling, respectively, (c) Investigation of the parameters that affect the efficiency of flexible joints, such as burial depth, fault offset magnitude, pipeline – fault crossing angle and diameter over thickness ratio, (d) Optimization of the configuration of flexible joints, considering also the uncertainty regarding the exact location of the fault trace on the ground surface, (e) Comparative evaluation of the proposed mitigating measure to those that are commonly applied in practice, (f) Formulation of practical design guidelines for pipelines with flexible joints under tectonic fault rupture, (g) Investigation of the overall buckling behavior of beams with internal hinges resting on foundation through a simplified model, which models buried pipes with flexible joints under faulting, in order to evaluate the potential of upheaval buckling emerging as a failure mode and (h) Development of methodology for the performance assessment of buried pipelines at fault crossings and application of this methodology as a decision making tool for the effectiveness of flexible joints for such use.The aforementioned objectives of the doctoral thesis have been achieved through the experimental and numerical investigation of the behavior of pipes with flexible joints, while the performance assessment methodology for buried pipes at fault crossings was based on the framework of performance-based earthquake engineering.

Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς χερσαίων αγωγών καυσίμων με εύκαμπτους κόμβους, οι οποίοι υπόκεινται σε σεισμική διάρρηξη ρήγματος και η διατύπωση πρακτικών οδηγιών για το σχεδιασμό τους. Οι εύκαμπτοι κόμβοι τύπου bellow προτείνονται ως ένα καινοτόμο μέτρο προστασίας του αγωγού έναντι των συνεπειών της διάρρηξης ρήγματος και εισάγονται στον αγωγό στην περιοχή του ρήγματος προκειμένου να απορροφήσουν τις παραμορφώσεις μέσω της σχετικής στροφής των συνδεόμενων τμημάτων του αγωγού, τα οποία κατά συνέπεια παραμένουν σχεδόν απαραμόρφωτα και συνεπώς αναπτύσσουν πολύ χαμηλή ένταση. Με την προσέγγιση αυτή εισάγεται μία διαφορετική φιλοσοφία σχεδιασμού για τον περιορισμό του κινδύνου εκδήλωσης τοπικού λυγισμού και εφελκυστικής αστοχίας, αντί να επιδιώκεται η μείωση της τριβής, όπως συμβαίνει στα συνήθη μέτρα προστασίας.Με βάση τις ελλείψεις που εντοπίσθηκαν στην υπάρχουσα βιβλιογραφία και στη σύγχρονη μελετητική και κατασκευαστική πρακτική αναφορικά με την προστασία υπόγειων αγωγών υπό τεκτονική διάρρηξη, η παρούσα ερευνητική προσπάθεια επικεντρώνεται στους ακόλουθους στόχους: (α) Διερεύνηση των εμπορικά διαθέσιμων κόμβων και επιλογή του κατάλληλου τύπου για εφαρμογή σε υπόγειους αγωγούς μεταφοράς υδρογονανθράκων υπό υψηλή πίεση, οι οποίοι υπόκεινται σε τεκτονική διάρρηξη, (β) Διερεύνηση της αποδοτικότητας των εύκαμπτων κόμβων σε όρους μείωσης των αναπτυσσόμενων διαμήκων θλιπτικών και εφελκυστικών παραμορφώσεων, με σκοπό την προστασία του αγωγού έναντι τοπικού λυγισμού και εφελκυστικής θραύσης αντίστοιχα, (γ) Διερεύνηση των παραμέτρων που επηρεάζουν την αποδοτικότητα των κόμβων, όπως βάθος ταφής, μέγεθος διάρρηξης, γωνία διασταύρωσης αγωγού – ρήγματος, λόγος διαμέτρου προς πάχος, (δ) Βελτιστοποίηση της διάταξης κόμβων στον αγωγό υπό το πρίσμα της αβεβαιότητας ως προς τη θέση εμφάνισης του ίχνους του ρήγματος στην επιφάνεια του εδάφους, (ε) Συγκριτική αξιολόγηση του προτεινόμενου μέτρου προστασίας σε σχέση με τα συνήθη που εφαρμόζονται στην πράξη, (στ) Διατύπωση πρακτικών οδηγιών σχεδιασμού αγωγών με εύκαμπτους κόμβους υπό διάρρηξη τεκτονικού ρήγματος, (ζ) Διερεύνηση της προλυγισμικής και μεταλυγισμικής συμπεριφοράς δοκών επί εδάφους με εσωτερικές αρθρώσεις μέσω ενός απλοποιημένου μοντέλου, με το οποίο προσομοιώνονται αγωγοί με εύκαμπτους κόμβους υπό ανάστροφη διάρρηξη, με σκοπό την αξιολόγηση του ενδεχομένου εμφάνισης του καθολικού λυγισμού ως μορφής αστοχίας και (η) Διατύπωση μεθοδολογίας για την αποτίμηση επιτελεστικότητας αγωγών σε διασταύρωση με σεισμικό ρήγμα και χρήση αυτής ως εργαλείου αξιολόγησης της αποτελεσματικότητας των εύκαμπτων κόμβων. Η επίτευξη των ανωτέρω στόχων της διατριβής πραγματοποιήθηκε μέσω πειραματικής και αριθμητικής διερεύνησης της απόκρισης αγωγών με κόμβους, ενώ η μεθοδολογία αποτίμησης επιτελεστικότητας αγωγών υπό σεισμική διάρρηξη βασίστηκε στο πλαίσιο της σεισμικής μηχανικής βάσει επιτελεστικότητας.