بخشی از مقاله
خلاصه :
خطوط لوله به دلیل انتقال نفت و گاز و غیره در سطح وسیع کاربرد دارند و نامگذاري آنها تحت عنوان شریانهاي حیاتی نشان از اهمیت این سیستمها دارد.خطوط لوله به دلیل گستردگی در پهنه وسیع جغرافیایی به همراه شرایط خاك متفاوت ،به ناچار در معرض خطرات لرزه اي متعددي نظیر برخورد گسل،روانگرایی،انتشار موج ناشی از زلزله،آبتاز و ... قرار دارند.
لذا مدلسازي لوله هاي مدفون و همچنین بررسی آنها یکی از مباحثی است که در مهندسی عمران به خصوص طراحی شریان هاي حیاتی مطرح است . در این تحقیق ، به منظور بررسی عملکرد لوله هاي مدفون در برابر خسارات وارده ،بویژه کمانش موضعی،مدلسازي عددي صورت می گیرد.بدین صورت که کمانش 20 نوع لوله فولادي استانداردکه از لحاظ نسبت ضخامت به قطر با یکدیگر متفاوتند در سه حالت بدون فشار داخلی و فشار داخلی برابر 500Psi و 1000Psi مورد ارزیابی قرار می گیرد.
مقدمه
بشر همواره در معرض بلایاي طبیعی مانند سیل،طوفان،زلزله می باشد. اما در این میان زلزله به عنوان مهمترین عامل خرابی ، ممکن است مشکلات زیادي را براي زندگی انسان از طریق آسیب زدن به خطوط انتقال نفت و گاز و ... بوجود آورد.
بررسی ها نشان می دهد عواملی که باعث ایجاد آسیب در اثر زلزله میشوند به دو دسته حرکت پایدار زمین و حرکت گذراي زمین تقسیم می شوند ،حرکت پایدار زمین هر چند داراي شدت کمتري هستند اما نسبت به حرکت گذراي زمین که شدت بیشتري دارند،خسارات بیشتري بر خطوط لوله مدفون وارد می کنند.به عنوان مثال در زلزله هایی مانند زلزله 1971 سان فرناندو و زلزله 1995 کوبه اصلی ترین خرابیهاي لرزه اي در لوله هاي انتقال نفت و گاز در اثر جابجایی هاي ماندگار زمین مانند جابجایی گسل اتفاق افتاده است.
همچنین در زلزله 1964 آلاسکا ،خطوط گاز در منطقه گسلش دچار گسیختگی فراوان شدند و بیشتر آسیبهاي وارده در اثر زمین لغزش و ترك خوردن زمین بوده است،و نیز در زلزله 1999 چی چی تایوان بیش از یک چهارم شبکه انتقال آب دچار خسارت جدي گردید.
از ارزیابی خسارات وارده به خطوط لوله مشخص شد که حدود % 48 خسارات وارده به لوله هاي مدفون آب به دلیل انتشار امواج لرزه اي در خاك بوده است و بقیه خسارات وارده به خطوط لوله به دلیل روانگرایی ، فروریزي زمین ، ایجاد ترك در زمین ، جابجایی افقی زمین و جابجایی عمودي زمین ایجاد شده می باشد. از آنجا که گسیختگی خطوط لوله نفت و گاز علاوه بر خسارات اقتصادي شدید می تواند سلامت محیط زیست را هم به خطر بیاندازد، بسیاري از محققین به بررسی رفتار خطوط لوله مدفون پرداختند.
نیومارك و هال در سال 1975 به عنوان اولین کسانی که پیرامون تحلیل خطوط لوله مدفون در برابر حرکات گسل را مورد تحقیق قرار دادند بشمار میآیند. نیومارك و هال حرکت گسل را در یک صفحه منفرد تعریف نموده و توده خاك را به صورت دو جسم صلب متحرك در طرفین گسل فرض نمودند. ایشان همچنین فرض نمودند که خط لوله به حرکات گسل به صورت تغییر شکل محوري بین نقاط مهاري موثر پاسخ می دهد.
حاصل تحقیقات این دو محقق منجر به ارائه ي روش تقریبی براي تحلیل خطوط لوله مدفون در برابر حرکات گسل گردید.[16] - ١٩٧٥Paramell and Ludke - رفتار خطوط لوله مدفون را در برابر امواج زلزله با استفاده از مدلسازي ریاضی مورد بررسی قرار دادند. ایشان خاك اطراف را به صورت نیم فضاي الاستیک فرض نمودند که انتشار امواج تولید نیروي محوري در خط لوله می نمود. تحقیق فوق حاکی از ناچیز بودن تغییر مکان نسبی لوله و خاك اطراف بود .
براي بدست آوردن درك و بینش بهتري از اندرکنش خاك و لوله،پژوهشگران آزمایشات متعددي را انجام دادند. داتا و شیه در سال [14] 1984 و گوتو و تاکادا در سال 1977 با انجام آزمایشات استاتیکی و دینامیکی روابطی را براي محاسبه تغییرمکان نسبی بین لوله و خاك ارائه نمودند. آنها با انجام آزمایشاتی بر روي لوله هاي با قطر کم، تاریخچه زمانی رفتار خاك – لوله را براي لوله هاي فولادي جوش شده و لوله هاي چدنی با اتصالات مکانیکی بدست داده اند.
اُرورك و تروتمن در سال 1980 و راو و داویس در سال 1982 با انجام آزمایشات متعدد روابطی را براي محاسبه ي ضریب ظرفیت باربري افقی ارائه دادند. ایشان همچنین متذکر گردیده اند که ماسه شل منقبض شونده در طی بارگذاري افقی متراکم می گردد که در نتیجه زاویه اصطکاك افزایش یافته و بالطبع اثرات خود را بر نیروهاي اندرکنش خواهد داشت.
محققین مذکور همچنین با انجام آزمونهایی رفتار لوله مدفون در ماسه یکنواخت خشک را مورد بررسی قرار داده و روابطی را به منظور بر آورد نیروهاي اندرکنشی خاك– لوله در حرکات قائم لوله ارائه نمودند. نتایج ارائه شده توسط ایشان با نتایج مطالعه راو و داویس در سال 1982که با استفاده از روش اجزاي محدود براي صفحات مهاري افقی صورت گرفته است مطابقت دارد .
نوگامی و نوواك در سال 1982عکس العمل خاك را به حرکات محوري و جانبی شمع و یا اجسام استوانه اي صلب طویل با در نظر گرفتن کرنش دینامیکی در صفحه محاسبه نمودند، به گونه اي که سختی دینامیکی خاك به صورت ترکیبی از پارامترهاي بدون بعد سختی و میرایی دینامیکی خاك در واحد شمع در اثر نوسانات افقی و قائم در دو جهت محوري و جانبی ارائه شد.
در سال 1994 "چیو" و همکاران مدل "وانگ" و "یه" را بهبود بخشیدند.براي رفع نقیصه مدل قبلی ضریب انحناي خط لوله را متغییر فرض نمودند. در مطالعه آنها معادلات دیفرانسیل جابجایی مقاطع لوله استخراج شده است که به همراه معادلات تعادل به روش هاي عددي قابل حل است. اُرورك و لیو و فلورز – برونز در سال 1995 تأثیر حرکات ماندگار زمین بر لوله هاي فلزي مدفون را مورد بررسی قرار دادند. ایشان براي لوله هاي مدفون در معرض حرکات بزرگ زمین رابطه اي را بین کرنش لوله و میزان حرکات زمین ارائه نمودندُ.ارورك و همکاران با بررسی تعدادي خطوط لوله در معرض حرکات طولی بزرگ زمین در طی زلزله ي نورتریج رابطه استخراجی توسط مرجع پیشین را مناسب دانستند .
لیو و اُرورك در سال 1997 با استفاده از روش المان محدود رفتار لوله هاي مدفون را نسبت به حرکات جانبی بزرگ زمین مطالعه نمودند . محققین فوق الذکر نتیجه گرفتند که در صورتی که جابجایی هاي بزرگ زمین در عرض کمی از زمین رخ دهد، خط لوله بسان تیر عمل می کند و توسط سختی خمشی کنترل می شود در حالی که براي ناحیه عریض، رفتار خطوط لوله بسان کابل می باشد و توسط نیروهاي محوري بوجود آمده در خط لوله کنترل می گردد . نوواك و هایندي در سال 1980 و تاکادا در سال 2001 عکس العمل خاك به حرکات هارمونیک لوله را با این فرض که خاك محیطی با ویسکو الاستیسیته خطی و با فرکانس تابع میرایی مصالح می باشد، محاسبه نمودند.
