|
|
تحلیل غیرخطی اثرات گسلش سطحی بر لوله های مدفون با استفاده از روش تفاضل محدود و نیوتن چندمتغیره
|
|
|
|
|
نویسنده
|
توحیدی فر حمید ,موسوی مجتبی ,جعفری محمد کاظم
|
منبع
|
علوم و مهندسي زلزله - 1400 - دوره : 8 - شماره : 2 - صفحه:37 -55
|
چکیده
|
بررسی گسیختگیهای خطوط لوله مدفون پس از وقوع زمینلرزههای شدید نشان داده است که یکی از علل عمده در خرابیهای این سازههای خطی ناشی از اثر گسلش سطحی بوده است. بنابراین، در صورت طراحی و اجرای مناسب خطوط لوله مدفون، جابهجایی ماندگار زمین ناشی از حرکت گسل سنگ بستر موجب گسیختگی این دست از لولهها نخواهد شد. بهمنظور بررسی رفتار لولههای مدفون در برابر جابهجایی ناشی از گسلش، در این مقاله یک روش عددی با ترکیب تکنیکهای تفاضل محدود و نیوتن چند مجهولی توسعه داده شده است. روش ارائهشده رفتار غیرخطی لوله و فنرهای جایگزین خاک، و کرنش های بزرگ را بهصورت همزمان در مدل تیر فنر در نظر میگیرد. همچنین، بهمنظور مدلسازی دقیقتر برش، از مدل تیر تیموشنکو برای مدلسازی لوله استفاده شده است. اعتبارسنجی روش ارائهشده با نتایج یک آزمایش سانتریفیوژ و یک مدلسازی عددی اجزای محدود صورت گرفته است. روش ذکر شده با استفاده از یکسری پارامترهای ساده و تلاش محاسباتی پایینتر پاسخهای مناسبی را ارائه کرده است. همچنین، نتایج تاثیر عرض ناحیه گسلی روی رفتار یک لوله فولادی مدفون تحت گسلش نرمال 70 درجه در انتهای مقاله ارائه شده است. این نتایج بهطورکلی نشاندهندهی افزایش کرنش کششی، لنگر خمشی و انحنای لوله با کاهش عرض ناحیه گسلش بودهاند.
|
کلیدواژه
|
گسلش سطحی، خط لوله مدفون، مدلسازی عددی، روش تفاضل محدود، روش نیوتن چند متغیره، رفتار غیر خطی
|
آدرس
|
پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله, پژوهشکده مهندسی ژئوتکنیک, ایران, پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله, پژوهشکده مهندسی ژئوتکنیک, ایران, پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله, پژوهشکده مدیریت خطر پذیری و بحران, ایران
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nonlinear Analysis of the Surface Faulting Effects on the Buried Pipelines: the Application of the Combination of Finite Difference and Multivariable Methods
|
|
|
Authors
|
Tohidifar Hamid ,Moosavi Mojtaba ,Jafari Mohammad Kazem
|
Abstract
|
In current modern cities, the use of buried pipelines in the conveying of vital fluids such as water, oil, and gas have become very important. Investigations on the behavior of the buried pipelines after the occurrence of the severe earthquakes have indicated that one of the primary sources of the failures of these kinds of linear structures were due to surface fault rupture. Therefore, if the buried pipelines are designed and implemented correctly, the permanent ground displacement due to the movement of the bedrock fault will not lead to such rupture of the pipes. On this basis, different researchers have concentrated their studies on investigating the interaction of pipe and soil during the permanent ground displacement. Due to the difficulty and cost of laboratory tests on this phenomenon, the number of available experimental data is very few. On the other hand, analytical studies have various limitations and complexities that have made it difficult for engineers to use these methods. In addition, numerical methods used to study the interaction of pipes and faults are mostly prepared for academic environments. These numerical approaches usually need the knowledge of soil or pipe advanced constitutive models and require the familiarity with mathematical parameters necessary for the convergence of the computational efforts.In order to investigate the behavior of buried pipes against faulting displacement, in this paper, a numerical method has been developed by combining finite difference and Newton multivariable techniques. The equilibrium equation of forces in x and y directions along with the equilibrium equation of bending moment for an infinite section of the pipe under the influence of the displaced soil pressure has been obtained first. Then the system of equations for all of the discretized nodes of a pipeline has been solved using the proposed hybrid method. The proposed method simultaneously considers the nonlinear behavior of pipes, soil equivalent springs, and large strains in the beamspring model. In addition, to more precisely assess the shear factor in the beam behavior, the Timoshenko beam model has been applied to model the pipe.The validity of the proposed method has been performed using the results of a laboratory centrifuge test on HDPE pipe and 90° normal fault. In addition, this hybrid method is also validated with the results of a finite element numerical analysis on 70° normal fault and API5LX65 oil transfer pipe. Comparison of the obtained results for different parameters such as longitudinal strains, settlement, and flexural bending of the pipes shows that the presented numerical method is very suitable in predicting the interaction behavior of pipes against dipslip faults. At the same time, a lower computational effort has been required to arrive in the final answers. In addition, using the proposed numerical method, the effect of fault zone width with values equal to 0.001, 10, 30, 60, and 100 m on the behavior of a pipeline against a normal 70degree fault has been investigated. The results of this study show that increasing the width of the fault zone significantly reduces the amount of tensile strain in the pipes. Also, increasing the width of the fault zone causes the pipe to rupture from two different points, while in the small fault width equal to 0.001 m, the pipe failure occurs only at one point. Maximum bending moment and pipe curvature also increased with decreasing fault width.
|
Keywords
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|