تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
مقدمه
اکثر زلزلههای قدرتمند، جابجایی گسلها را در پی دارند که این جابجایی در سنگ بستر منجر به جابجاییهای تفاضلی در عمق خاک میشوند. اندرکنش سازههای مهندسی با این جابهجاییها باعث به وجود آمدن جابهجاییهای ماندگار و بعضا تخریب سازهها میگردد. عدم امکان پرهیز از ساخت سازههای خطی مانند لولهها، پلها، تونلها و راههای ارتباط زمینی بر روی گسلها موجب شده است تحقیق بر روی تاثیر گسلش بر روی اینگونه سازهها بیش از پیش احساس شود. یکس از این سازهها لولههای مدفون در خاک میباشد که در صورت در نظر نگرفتن تاثیر این مهم در طراحی و اجرای آنها، هنگام وقوع زلزله میتواند خسارتهای صنعتی، اقتصادی و اجتماعی بسیاری به بار آورد. به عنوان مثال در زلزله اکوادور سال ۱۹۸۷، فقط ۸۵۰ میلیون دلار صرف بازسازی و اجرای دوباره خطوط لوله شد. در زلزله ۱۹۰۶ سان فرانسیسکو نیز قطعی شبکه آبرسانی، منابع آب محدودی برای مقابله با آتشسوزی توسط آتشنشانان مورد استفاده قرار گرفت. در این ارائه سعی شد مطالعات تحلیلی و آزمایشگاهی در ارتباط با تاثیر گسلش بر لولههای مدفون در خاک مورد بررسی قرار گیرد.
مطالعات تحلیلی
نیومارک و هال(۱۹۷۵)
این دو محقق برای اولین بار یک روش تحلیلی ساده بر اساس کرنش کششی و تغییرشکلهای کوچک در ارتباط با میزان جابجایی گسل امتداد لغز و چگونگی تاثیر آن بر لوله مدفون ارائه دادند.
کندی و همکاران (۱۹۷۷)
این محققان کار نیومارک و هال را بدین گونه توسعه دادند که تاثیرات عکسالعمل جانبی خاک را روی فصل مشترک(Interface) خاک و لوله و همچنین اثر کرنشهای محوری بزرگ حاصله از گسلش امتداد لغز در نظر گرفتند. شکل۱ تصویری از نیروها و جابجاییهای در نظر گرفته شده در تحلیل این محققان را نشان میدهد. آنها برای سادهتر شدن تحلیل تغییرشکل لوله را به صورت کمانی از دایره در نظر گرفتند. فرض دیگر آنها این بود که در محل تلاقی گسل با خط لوله فقط نیروی محوری کششی برای برقراری تعادل وارد میشود و مقاومت خمشی در مقابل نیروهای به وجود آمده در نظر گرفته نشد.
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
ونگ و یه (۱۹۸۵)
آنها برای تحلیل لوله مدفون در خاک تئوری تیر روی فونداسیون الاستیک را مطرح کردند. خط لوله به ۴ بخش تقسیم شد. دو بخش در ناحیه تغییرشکل زیاد و دو بخش در ناحیه تغییرشکل کوچک تقسیمبندی شدند. آنها برای تحلیل ناحیه با تغییرشکل بزرگ فرض استفاده از کمان دایرهای برای تغییرشکل به کار بردند و برای ناحیه با تغییرشکل کوچک از روش تحلیل تیرها روی فونداسون الاستیک استفاده کردند. نمونه لوله و بارها و جابجاییهای وارده بر لوله مدفون تحت تاثیر گسل امتدادلغز که توسط آنها تحلیل شد در شکل۲ آمده است.
تاکادا و همکاران (۲۰۰۱)
یک روش جدید و شبه تحلیلی برای بدست آوردن ماکسیمم کرنش لوله مدفون گذرنده از گسل امتدادلغز با چندین کار تحلیلی و عددی ارائه دادند. آنها غیر خطی بودن خواص مصالح و تغییرشکل مقطع لوله را در تحلیل خود در نظر گرفتند. روابط آنها به صورت زیر گزارش شد:
کارامیتروس و همکاران در سال ۲۰۰۷ و ترینکوو و چرنیو در سال ۲۰۱۰ طیف وسیعی از لولهها را مورد تحلیل قرار دادند همچنین رفتار لولههای مدفون گذرنده از گسل نرمال را مورد بررسی قرار داده و روابطی برای حداکثر کرنش لوله با توجه به گسلش ارائه کردند. روابطی برای لولههای تحت فشار داخلی نیز گزارش شد. اما برای صحتسنجی کارهای تحلیلی گفته شده به مدلسازی شرایط گسلش و بررسی آزمایشگاهی لولههای مدفون گذرنده از گسل هنگام وقوع زلزله نیاز میباشد که در ادامه چند نمونه از آزمایشهای انجام شده آورده شده است.
مطالعات آزمایشگاهی
اوروک و همکاران (۲۰۰۵)
تحقیق ایشان جزو اولین تلاشها برای استفاده از سانتریفیوژ RPI در دانشگاه پلی تکنیک رنسلر، به منظور مدلسازی بررسی اندرکنش لولههای مدفون با گسل امتدادلغز میباشد. آنها نمودارهای کرنش بر حسب فاصله از گسل در جابهجاییهای مختلف گسل ارائه دادن که نمونهای از آن در شکل۳ آمده است.
ها و همکاران (۲۰۰۸)
این محققان با انجام آزمایشات سانتریفیوژ با شتاب ۱۲.۲g به بررسی تفاوت رفتار لوله های مدفون در برابر گسل های نرمال و امتدادلغز پرداختند. دریافتند در حالت امتدادلغز توزیع فشار عکسالعمل خاک-لوله نسبت به گسل متقارن میباشد اما در گسلش نرمال در قسمت فرادیواره تمرکز فشار وجود دارد و نیروی عکسالعمل خاک-لوله در سمت دیگر گسل کمتر است. نمودارهای زیر گویای این مطلب میباشند.
الف)
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
ب)
ابدون و همکاران (۲۰۰۹)
تارک ابدون، میکائیل اوروک و توماس اوروک با انجام ۵ جفت آزمایش سانتریفیوژ تاثیر پارامترهای مختلف درصد رطوبت، سرعت جابهجایی گسل، عمق نسبی مدفون(H/D) و قطر لوله بر میزان کرنش ایجاد شده در لوله های مدفون را مورد بررسی قرار دادند. نتایج کار آنها بدین صورت بود که نرخ سرعت جابهجایی گسل و درصد رطوبت تاثیر زیادی بر کرنش ایجاد شده لوله گذرنده از گسل امتدادلغز ندارند. از طرف دیگر دریافتند که عمق مدفون و قطر لوله هم در کرنش لوله و هم در الگوی گسیختگی خاک تاثیرگذارند. نتایج این محققین را میتوان در نمودار زیر جمعآوری کرد.
اوروک و بونا (۲۰۰۷)
در دانشگاه کورنل با انجام آزمایشات بزرگ مقیاس شکل۶ کرنشهای محوری و خمشی ایجاد شده روی لولههای مدفون بر اثر گسلش امتدادلغز را اندازهگیری کردند. همچنین ترکها و گسیختگی تشکیل شده روی خاک را مورد ارزیابی قرار دادند. در شکل۶ مشاهدات بعد از پایان یک تست آورده شده است. آنها در این آزمایش تغییرشکل مقطع لوله و میزان خارج شدن از حالت دایرهای شکل و اعوجاج آن را اندازهگیری کردند.
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
با رجوع به مطالب بالا و دیگر ادبیات فنی موجود تعداد کثیری از مطالعات در ارتباط با پاسخ لولههای مدفون در برابر گسلش امتدادلغز و نرمال صورت گرفته است. این در حالیست که میتوان مطالعات روی گسلهای معکوس را نهایتا در ۱۰ سال اخیر یافت. قابل توجه است که در کشور ما به دلیل قرار گرفتن میان دو صفحه فشاری، اغلب گسلها از نوع معکوس میباشند پس بررسی اندرکنش این نوع گسل در کشور ما دارای اهمیت بیشتری است. در ادامه در مورد دو مدلسازی فیزیکی گسلش معکوس و تاثیر آن بر خط لوله مدفون در آزمایش بزرگ مقیاس و کوچک مقیاس به طور خلاصه مطالبی آورده شده است.
جلالی و همکاران ۲۰۱۸
ایشان در دانشگاه شریف با ساخت دستگاه بزرگ مقیاس نشان داده شده در شکل۷ رفتار لوله های مدفون تحت اثر گسلش معکوس را مورد بررسی قرار دادند. دو آزمایش بزرگ مقیاس برای بررسی تفاوت لولههای فولادی ۶اینچ و ۴اینچ که در خطوط انتقال گاز مورد استفاده قرار میگیرد، انجام گرفت. هدف از این آزمایشها بررسی تاثیر میزان جابهجایی گسل، نسبت عمق مدفون به قطر لوله و قطر لوله به ضخامت لوله، بر روی رفتار لوله بود. همچنین در این آزمایش نیروهای عکسالعمل خاک-لوله در طول لوله با صحتسنجی نرمافزار المان محدود تعیین و نتایج با American Lifeline Alliance Guidelines[3] مقایسه شد.
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
دستگاه آزمایش مورد استفاده قادر به جابهجایی نیمه سمت راست جعبه آزمایش با زاویه ۶۱ درجه به میزان ۶۰ سانتیمتر بود. خاک ماسهای خوب دانهبندیشده برای انجام آزمایش با ضریب اصطکاک داخلی ۳۳.۵ درجه در نظر گرفته شد. شماتیک نحوه انجام آزمایش انجام گرفته در شکل ۸ آمده است.
تفسیر نتایج
مشاهدات عینی سطح خاک، نشاندهنده دو نوع ترک، یکی در امتداد خط لوله و دیگری موازی با صفحه گسلش بود. ترکها ناشی از گسلش روی سطح خاک عمود بر امتداد لوله و برای هر دو آزمایش در فاصله حدودا ۵۰ تا ۶۰ میلیمتر از امتداد تصویر خط ۶۱ درجه روی سطح خاک تشکیل شد. ترکهای طولی نیز برای هر دو آزمایش در قسمت Hanging wall در فاصله حدود ۲۰۰ تا ۲۲۰ میلیمتر از خط اثر گسل در امتداد خط لوله و بالای آن مشاهده گردید. البته بازشدگی ترک بالای لوله ۶ اینچی بیشتر از لوله ۴ اینچی بود که میتواند ناشی از سطح تماس بیشتر آن با خاک و در نتیجه بیشتر بودن نیروهای uplift ایجاد کرده باشد.
مشاهدات عینی خط لوله نیز اطلاعات مفیدی به این محققان داد. لوله تغییرشکل Sشکل داشت و در دو محل کمانش موضعی در لوله اتفاق افتاده بود که با نتایج حاصل در دانشگاه کورنل همخوانی داشت اما بر خلاف مشاهدات آنان(آزمایش گسل امتدادلغز) محل کمانش موضعی نسبت به خط گسل غیر متقارن رخ داده بود که میتواند به دلیل تفاوت در ظرفیتهای uplift و ظرفیت باربری جانبی خاک باشد. مشاهدات عینی آنها در شکل زیر آمده است.
با ابزارگذاری لولههای مدفون در قسمت تاج و پایین لوله، کرنشهای محوری و خمشی اندازهگیری و با نتایج حاصل از مدلسازی عددی با نرمافزار آباکوس مقایسه گردید. نمودارهای شکل ۱۰حاصل کار این محققان میباشد. همانطور که مشخص است تمرکز کرنشها با محل اتفاق افتادن کمانش همخوانی دارد. آنها همچنین با ارائه نمودارهای مقایسه حداکثر کرنش تاج بر حسب میزان جابهجایی گسل معکوس مربوط به لولههای ۴ و ۶ اینچ(شکل۱۱) به این نتیجه رسیدند که برای هر دو لوله در شروع کمانش، کرنش ایجاد شده در نمودار یک پرش دارد که بعد از آن افزایش کرنش با یک نرخ ثابت ادامه پیدا میکند. با توجه به نمودار در لوله ۶ اینچ این پرش با جابهجایی کمتر گسل دیده میشود که به دلیل D/t بالاتر آن است. اما به خاطر سختی بیشتر این لوله مقدار افزایش و پرش آن کمتر از لوله ۴ اینچ است.
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
دمیرچی و همکاران (۲۰۱۸)
این محققان در دانشگاه ساری انگلستان با انجام چندین آزمایش کوچک مقیاس روی لولههای مدفون گذرنده از گسل معکوس یک روش جدید برای مدلسازی فیزیکی ارائه کردند که در آن پارامترهای تاثیرگذار بر رفتار لوله در گروههایی بدون بعد دستهبندی و گفتند برای شبیهسازی با مدل واقعیت کافیست این گروه بدون بعد در مدلسازی با واقعیت یکسان در نظر گیرد و در آن صورت رفتار لوله را میتوان از روی آزمایش کوچک مقیاس تعیین کرد. آنها رفتار لوله را مانند تیر روی فونداسیون الاستیک در نظر گرفتند و معادله زیر را بر اساس ضرایب بدون بعد برای لوله در نظر گرفتند:
آنها گفتند که اگر بتوان پارامترهای بدون بعد که در جدول زیر آمده است را در آزمایش برابر با واقعیت در نظر گرفت نتایج آزمایش کوچک مقیاس تخمینی خوبی از واقعیت خواهد داشت. شکل دستگاه استفاده شده توسط این محققان در ادامه آمده است.
همانطور که در نمودار شکل۱۳ مشاهده میشود نتایج آنها با مدلسازیهای عددی مطابقت دارد. قابل ذکر است که آنها یک پروژه واقعی را نیز با روش خود مدلسازی کرده و توانستند همه پارامترهای بدون بعد را با واقعیت یکی در نظر بگیرند غیر از پارامتر سختی یا که نتایج حاصل در نمودار شکل۱۴ آمده است. آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که با ثابت گرفتن قطر لوله با افزایش H/D کرنشهای خمشی افزایش پیدا میکند و با توجه به مطالعه موردی گسل معکوس در ناحیه سن فرناندو و مدلسازی عددی آن دریافتند که لولهها تحت تاثیر نیروهای فشاری با افزایش میزان جابجایی گسل به دلیل شروع کمانش موضعی در جابهجاییهای پایین آسیبپذیرتر میشوند. همچنین گفتند لولهها کرنشهای طولی بزرگتری را با افزایش نسبت سختی نسبی لوله-خاک که در با پارامتر بدون بعد در نظر گرفته شد، تجربه میکنند.
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
جمعبندی
- در مدلسازیهای فیزیکی پدیده گسلش، با توجه به نوع آزمایشی که میخواهیم انجام دهیم مانند سانتریفیوژ یا بزرگ مقیاس یا کوچک مقیاس، می بایست در انتخاب پارامترهای مدلسازی جهت شبیهسازی صحیح با واقعیت دقت کرد.
- کرنش ایجاد شده در لولههای مدفون در اثر گسلش معکوس ترکیبی از کرنشهای محوری و خمشی هستند که باید برای طراحی لولهها در برابر گسلش مد نظر قرار گیرند.
- کرنشهای ایجاد شده در اثر گسلش در لولههای مدفون بسیار تحت تاثیر قطر لوله، عمق مدفون لوله، ضخامت لوله، میزان جابجایی گسل و میزان سختی خاک میباشد.
- در مدلسازیهای آزمایشگاهی کوچک مقیاس باید بدانیم با مدلسازی حتی اگر تاثیر اندازه ذرات ماسه را مد نظر قرار دهیم باز هم به دلیل رفتار اتساعی خاک در تنشهای کم مسیر گسیختگی خاک مطابق با واقعیت نمیباشد پس مهم است که ما بدانیم آزمایشی که استفاده میکنیم کدام اطلاعاتش دقیق و مطابق با واقعیت و قابل تعمیم میباشد و کدام نتایج اینطور نیست. مشکل تاثیر رفتار اتساعی خاک را میشود با آزمایش سانتریفیوژ به دلیل افزایش تنشهای وارده در شتابهای بالا از بین برد و مسیر گسیحتگی را با توجه به رفتار انقباضی خاک مشاهده کرد که به واقعیت نزدیکتر است. پس آزمایش سانتریفیوژ اطلاعات دقیقتری از نحوه گسیختگی و مسیر آن در خاک به ما میدهد.
- لولههای با نسبت قطر به ضخامت بالاتر به دلیل پایینتر بودن کرنشهای حالت بحرانی شروع چینخوردگی، در جابهجاییهای کمتر گسل شروع به کمانش موضعی خواهند کرد اما مقدار افزایش کرنش طولی آنها به دلیل سختی بالاترشان کمتر خواهد بود.
- با توجه به نمودارهای ارائه شده در شکل۱۲، اگر بخواهیم از مدل تحلیل برای طراحی لولههای مدفون در برابر گسلش استفاده کنیم و سریعتر بدون انجام آزمایش و کارهای عددی طراحی اولیه انجام دهیم بهتر است به سراغ مدل تحلیل Kennedy برویم.
- در گسلهای امتدادلغز توزیع کرنش محوری و خمشی در دو طرف گسل در طول لوله به طور تقریبی متقارن است اما این نتیجه برای گسلهای نرمال و معکوس اینگونه نیس و در گسلهای معکوس تمرکز کرنشها بیشتر در سمت Hanging wall میباشد که دلیلش میتواند تفاوت نیروهای uplift خاک و میزان ظرفیت باربری جانبی خاک باشد.
- شکل کلی لوله مدفون هنگام گسلش در عمقهای زیاد به صورت Sشکل همراه با دو ناحیه کمانش موضعی روی لوله میباشد که این دو قسمت از لوله به صورت مفصل عمل میکنند و اجازه میدهند لوله در این بین راحت بچرخد و بیشترین کرنش محوری و خمشی در این مقاطع اتفاق میافتد.
- قسمتی از لوله که در ناحیه Hanging wall قرار دارد هنگام گسلش معکوس بیشتر دچار چینخوردگی و کمانش موضعی میشود و احتمال اینکه دچار شکست شود بیشتر است.
- لولههای پلی اتیلن با دانسیته بالا(HDPE) نسبت به لولههای فولادی در برابر کمانش حاصل از گسلش عملکرد بهتری دارند و تحقیقات بسیاری روی آنها در این زمینه انجام گرفته است که این مهم را تصدیق میکند.
- در مدلسازی فیزیکی، میزان جابجایی گسل که اعمال میکنیم نسبت به اندازه دانهها نباید درصد زیادی را پوشش دهد. الگوی گسیختگیها متاثر از سایز دانهها نیز میباشد.
- ارائه روشهای مؤثر به منظور کاهش آسیبپذیری لولههای مدفون تحت پدیده گسلش معکوس و ارائه راهکار بسیار محدود میباشد و هیچ دستورالعمل مشخصی در رابطه با این موضوع در آییننامهها تدوین نشده است.
- گفته میشود در جاهایی که گسل وجود دارد علاوه بر اینکه از نظر کرنشهای وارده به لوله بهتر است عمق مدفون کم باشد، اینکه اگر میزان جابهجایی گسل زیاد هم باشد و باعث گسیختگی لولههای مدفون شود، با بیرونزدگی لوله میشود سریعا نقاط صدمه دیده را پیدا و آن قسمت را ترمیم یا تعویض کرد و از وارد آمدن خسارتهای بیش از حد جلوگیری به عمل آورد.
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
مراجع
Newmark NM, Hall WJ. Pipeline design to resist large fault displacements. Proceedings of the U.S. National; 1975
Kennedy RP, Chow AW, Williamson RA. Fault movement effects on buried oil pipeline. Transp Eng J ASCE 1977;103:617–۳۳
Wang L, R L, Yeh Y. A refined seismic analysis and design of buried pipeline for faul movement. Earthq Eng Struct Dyn 1985;13(1):75–۹۶
Takada S, Hassani N, Fukuda K. A new proposal for simplified design of buried steel pipes crossing active faults. Earthq Eng Struct Dyn 2001;30:1243–۵۷
Karamitros DK, Bouckovalas GD, Kouretzis GP. Stress analysis of buried steel pipelines at strike-slip fault crossings. Soil Dyn Earthq Eng 2007;27:200–۱۱.
Kennedy RP, Chow AW, Williamson RA. Fault movement effects on buried oil pipeline. Transp Eng J ASCE 1977;103:617–۳۳.
Palmer MC, O’Rourke TD, Stewart HE, O’Rourke MJ, Symans M. Large displacement soil-structure interaction test facility for lifelines. In: Proceedings of the 8th US national conference commemorating the 1906 San Fransisco earthquake, EERI, San Fransisco. 2006.
O’Rourke TD, Bonneau A. Lifeline performance under extreme loading during earthquakes. In: Pitilakis KD, editor. Earthquake Geotechnical Engineering. Dordrecht, Netherlands: Springer; 2007. p. 407–۳۲.
O’Rourke M, Gadicherla V, Abdoun T. Centrifuge 45odelling of PGD response of buried pipe. Earthq Eng Eng Vib 2005;4(1):69–۷۳.
Ha D, Abdoun TH, O’Rourke MJ, Symans MD, O’Rourke TD, Palmer MC, Stewart HE. Buried high-density polyethylene pipelines subjected to normal and strike-slip faulting – a centrifuge investigation. Can Geotech J 2008;45:1733–۴۲.
Abdoun TH, Ha D, O’Rourke MJ, Symans MD, O’Rourke TD, Palmer MC, Stewart HE. Factors influencing the 41odelling of buried pipelines subjected to earthquake faulting. Soil Dyn Earthq Eng 2009;29:415–۲۷.
Ha D, Abdoun TH, O’Rourke MJ, Symans MD, O’Rourke TD, Palmer MC, Stewart HE. Earthquake faulting effects on buried pipelines-case history and centrifuge study. J Earthq Eng 2010;14(5):646–۶۹.
HojatJalali, Rahimzadeh Rofooei, Khajeh Ahmad Attari, Samadian, Experimental and finite element study of the reverse faulting effects on buried continuous steel gas pipelines, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 86(2016)1–۱۴.
Demircia, Bhattacharyaa, Karamitrosb, Alexander, Experimental and numerical modelling of buried pipelines crossing reverse faults, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 114 (2018) 198–۲۱۴