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

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۱) نحوه تحلیل تاثیر گسلش امتداد لغز بر لوله مدفون توسط کندی و همکاران

 

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.

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۲) نحوه تحلیل تاثیر گسلش امتدادلغز بر لوله مدفون توسط ونگ و یه

 

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:

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

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.

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۳) نمودارهای کرنش ایجاد شده در لوله مدفون بر حسب فاصله از گسل برای جابه¬جایی¬های مختلف

 

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.

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

الف)

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۴) الف) شماتیک نحوه انجام آزمایش و ب) نتایج حاصل از آزمایش سانتریفیوژ آقای ها و همکاران (۲۰۰۸)

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.

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۵) مقایسه تاثیر پارامترهای مختلف بر کرنش حداکثر ایجاد شده با استفاده از آزمایش سانتریفیوژ با شتاب ۱۲.۲g

 

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

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۶) آزمایش بزرگ مقیاس تاثیر گسلش امتدادلغز بر کرنش¬های ایجاد شده در لوله¬های مدفون

 

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

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۷) دستگاه آزمایش بزرگ مقیاس برای مدل¬سازی گسلش معکوس

 

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.

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۸) تغییرشکل اعمالی ۶۰ سانتی متر با زاویه ۶۱ درجه برای مدل¬سازی گسلش معکوس

 

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.

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۹) تغییرات لوله مدفون و سطح خاک در گسلش معکوس به میزان ۶۰ سانتیمتر

 

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

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۱۰) کرنش¬های اندازه¬گیری شده از آزمایش و پیشبینی شده از مدل¬سازی عددی در آزمایش الف)۴ اینچ ب)۶ اینچ

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۱۱) مقایسه کرنش طولی حداکثر در a)تاج b)پایین لوله برای لوله¬های مدفون ۴ و ۶ اینچ بر حسب جابه¬جایی گسل

 

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:

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

 

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.

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
جدول (۱-۱) پارامترهای بدون بعد در نظر گرفته شده در مدل¬سازی فیزیکی لوله¬های مدفون در آزمایش دمیرچی و همکاران

 

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

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۱۲) نمایی از دستگاه کوچک مقیاس مدل¬سازی گسلش معکوس و لوله¬های مدفون

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۱۳) مقایسه نتایج حاصل از آزمایش با مدل¬سازی عددی توسط نرم¬افزار آباکوس
تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۱۴) نتایج حاصل از آزمایش¬های کوچک مقیاس و مطالعه موردی San Fernando 1971

 

جمع­بندی

 

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه

تحلیل و بررسی اثر پدیده گسلش بر لوله های مدفون در ماسه
شکل (۱-۱۵) مقایسه روش تحلیلی Kennedy با سایر روش¬های تحلیل عددی و آزمایشگاهی

 

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

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *