Mechanical behavior of buried steel pipelines crossing active strike slip faults

Λόγω της αυξανόμενης ζήτηση για νέα μεγάλα έργα αγωγών πετρελαίου και φυσικού αερίου σε όλο τον κόσμο, η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την συμπεριφορά των υπογείων μεταλλικών αγωγών που διέρχονται από επικίνδυνες γεωμορφολογικά περιοχές στις οποίες παρατηρούνται ρήγματα οριζόντιας ολίσθησης. Η διατριβή βασίζεται σε ένα αποτελεσματικό συνδυασμό λεπτομερών αριθμητικών προσομοιώσεων και αναλυτικών λύσεων κλειστής μορφής. Αρχικά μια εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση διεξάγεται για την αξιολόγηση και την εκτίμηση των διαθέσιμων αναλυτικών και αριθμητικών μοντέλων, πειραματικών αποτελεσμάτων και των διαθέσιμων λογισμικών του εμπορίου. Επί πλέον, γίνεται μια καταγραφή των κανονισμών που χρησιμοποιούνται στον σχεδιασμό των αγωγών αυτών δίνοντας έμφαση στους κανονισμούς που προσεγγίζουν τον σχεδιασμό με βάση τις επιτρεπόμενες παραμορφώσεις. Η αλληλεπίδραση του συστήματος εδάφους-αγωγού διαμορφώνεται μέσω της χρήσης πεπερασμένων στοιχείων, χρησιμοποιώντας ένα γενικής χρήσης πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων. Πρώτα παρουσιάζεται μια λύση κλειστής μορφής για τη σχέση δύναμης-μετατόπισης ενός υπόγειου αγωγού ο οποίος υποβάλλεται σε εφελκυσμό, τόσο για αγωγούς πεπερασμένου όσο και άπειρου μήκους. Η λύση αυτή χρησιμοποιείται υπό μορφή μη γραμμικών ελατηρίων στα δύο άκρα του αγωγού σε λεπτομερή μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων, επιτρέποντας έτσι την αποτελεσματική μη γραμμική ανάλυση του συστήματος εδάφους-αγωγού σε μεγάλες μετακινήσεις ρηγμάτων οριζόντιας ολίσθησης. Η ανάλυση λαμβάνει υπ όψη την θεωρία μεγάλων παραμορφώσεων, ανελαστική συμπεριφορά του υλικού τόσο του αγωγού όσο και του περιβάλλοντος εδάφους, καθώς και τις συνθήκες επαφής και τριβής στη διεπιφάνεια εδάφους-αγωγού. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων του εδάφους και του αγωγού στην μηχανική συμπεριφορά του αγωγού. Θεωρήθηκαν λόγοι D/t και υλικά, αντίστοιχα με αυτά που χρησιμοποιούνται σε αγωγούς πετρελαίου και φυσικού αερίου. Ερευνήθηκε επίσης η επιρροή της εσωτερικής πίεσης στην συμπεριφορά του αγωγού. Η ανάλυση διεξάγεται με επιβολή της μετακίνησης του ρήγματος μέσω στοιχειωδών βημάτων. Κατάλληλα κριτήρια αστοχίας του χαλύβδινου αγωγού χάλυβα καθορίστηκαν και ελέγχονται καθ’ όλη την ανάλυση. Τα αριθμητικά αποτελέσματα παρουσιάζουν σε μορφή διαγράμματος, την μετακίνηση του ρήγματος στην οποία πληρούνται τα καθορισμένα κριτήρια αστοχίας, σε σχέση με τη γωνία που σχηματίζει το κάθετο επίπεδο του ρήγματος και ο άξονας του αγωγού. Η γωνία αυτή ονομάζεται β. Τα αποτελέσματα των παραμετρικών αναλύσεων δείχνουν ότι για ένα ρήγμα οριζόντιας ολίσθησης το οποίο είναι κάθετο στον άξονα του αγωγού (β=0), συμβαίνει τοπικός λυγισμός σε σχετικά μικρές μετατοπίσεις του ρήγματος τόσο για άπειρο όσο και για πεπερασμένο μήκος αγωγού. Καθώς η γωνία μεταξύ του ρήγματος και του άξονα του αγωγού αυξάνεται, ο τοπικός λυγισμός μπορεί να αποφευχθεί λόγω της διαμήκους έντασης που αναπτύσσεται, αλλά τότε ο αγωγός μπορεί να αστοχήσει εξαιτίας της μεγάλης αξονικής εφελκυστικής παραμόρφωσης ή της οβαλοποίησης της διατομής. Τα αριθμητικά μοντέλα θεωρούν διάφορες γωνίες β, τόσο για άπειρο όσο και πεπερασμένο μήκος του αγωγού. Αποδεικνύεται ότι οι συνοριακές συνθήκες του αγωγού έχουν σημαντική επίδραση στην συμπεριφορά αυτού. Τέλος, προκειμένου να εξηγηθεί η δομική συμπεριφορά του αγωγού σε σχέση με την εμφάνιση τοπικού λυγισμού, αναπτύσσεται ένα απλοποιημένο αναλυτικό μοντέλο το οποίο καταδεικνύει τον ανταγωνιστικό ρόλο μεταξύ της κάμψης και της αξονικής παραμόρφωσης του αγωγού. Το μοντέλο αυτό, λαμβάνοντας υπόψη τις συνοριακές συνθήκες κατά μήκους του αγωγού, παρέχει λογικές εκτιμήσεις, κλειστής μορφής, για το σχηματισμό του τοπικού λυγισμού για σχετικά μικρές τιμές της γωνίας β.