قطر لوله در گسلش لوله های مدفون پلی اتیلن

خدیجه علی نژاد : دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران، سازه، دانشکده فنی مهندسی دانشگاه مازندران – khadijealinezhad@gmail.com

سید مجتبی موسوی : استادیار پژوهشکده ژئوتکنیک پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله – moosavi@iiees.ac.ir

مقاله بررسی اثرات قطر لوله در مخاطرات ناشی از گسلش سطحی بر لوله های مدفون پلی اتیلن در اولین کنفرانس ملی ایده‌های نو در مهندسی ساختمان و توسعه شهری در سال 1394 در استان مازندران و شهر محمود آباد رائه شده است.
چکیده : بررسی اثرات قطر لوله در مخاطرات ناشی لرزه خیز بودن کشور ایران و گسترش روز افزون خطوط لوله انتقال نفت و گاز در سطح کشور، ضرورت مطالعه بهسازی خطوط لوله در نواحی گسلش‌ را دو چندان می سازد. در تحقیق حاضر جهت بررسی اثرات قطر بر رفتار لوله‌های پلی اتیلن تحت اثر گسلش معکوس اقدام به مطالعات پارامتری در مقیاس واقعی در نرم‌ افزار المان محدود PLAXIS، گردید. سپس به منظور صحت سنجی، اقدام به مدلسازی عددی گسلش معکوس وارد بر لوله پلی اتیلن مدفون ، با استفاده از نرم‌ افزار المان محدود PLAXIS  شده و نتایج حاصل از نرمافزار با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. انطباق قابل قبول نتایج حاصل از مدلسازی در نرم افزار PLAXIS با نتایج آزمایشگاهی، نشان داد که روش اتخاذ شده می‌تواند در مقوله مورد بحث، مورد اتکا قرار گیرد. نتایج حاصل از مدلسازی عددی نشان می‌دهند در لوله به قطرهای 160 و 110 میلی متر مقادیر نیروها به مقدار نسبتا کمی افزایش مییابند ولی در قطر 200 میلی متر، به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش دارند.

کلمات کلیدی: گسلش معکوس،مدلسازی عددی،لوله پلی اتیلن، PLAXIS.

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
تغییرمکان تفاضلی زمین در طرفین گسل-گسلش- آسیب های قابل توجهی را در زلزله های گذشته به خطوط لوله مدفون وارد ساخته است. لرزه خیز بودن کشور ایران و گسترش روز افزون خطوط لوله انتقال نفت و گاز در سطح کشور، ضرورت تدوین و گردآوری پژوهش هایی جهت طراحی فنی و بررسی رفتار این سازه ها را دو چندان می سازد. از این رو بررسی عملکرد و مطالعه بهسازی خطوط لوله در نواحی گسلش‌ از اهمیت خاصی برخوردار است. با توجه به اهمیت خطوط لوله مدفون و تأثیر بسزایی که حرکات گسل بر لوله‌های مدفون می تواند داشته باشد طراحی لوله‌های مدفون در برابر حرکات گسل غیر قابل اجتناب است. البته واضح است که اگرچه طراحی مقاوم این سازه‌ها در برابر حرکات بسیار بزرگ گسلش امکان پذیر نیست، لیکن با رعایت ملاحظات اقتصادی می توان لوله‌های مدفون را در برابر حرکات گسل تا حدودی مقاوم سازی نمود و از شدت خسارات احتمالی کاست . از این رو به منظور کاهش آسیب پذیری و پیش بینی رفتار دقیق خطوط لوله‌ها در برابر مخاطرات گسلش سطحی مطالعات عددی و آزمایشگاهی در سالیان اخیر صورت گرفته است. یاسودا و همکاران  (2004) به بررسی راهکارهای کاهش مخاطرات گسلش بر روی شریان‌های حیاتی پرداختند. برای شبیه‌سازی ناشی از گسلش یک مدل آزمایشگاهی را پیشنهاد کردند که این مدل شامل دو محفظه یکی ثابت و دیگری متحرک می‌باشد که به صورت افقی و قائم حرکت می‌کند تا گسلش قائم و افقی را شبیه‌سازی کند. با استفاده از این مدل به بررسی اثرات قطر لوله نسبت به گسل و عمق مدفون لوله و استفاده از پلی‌استاریرن به عنوان پوشش محافظ برای لوله پرداخته است. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که برای کاهش صدمات ناشی از گسلش بر روی لوله‌ها استفاده از خاک سبک و مواد انعطاف‌پذیر مانند پلی‌استایرن، قرار دادن لوله مدفون روی شیب و نزدیک بودن عمق مدفون به سطح زمین بسیار مناسب می‌باشد.



ها و همکاران  2008 ، براساس چهار آزمایش سانتریفوژ رفتار لوله های مدفون پلی اتیلن با چگالی بالا را تحت گسلش امتداد لغز و نرمال بررسی نمودند. نتایج آزمایش ها نشان داد که رفتار لوله تحت گسلش امتداد لغز دارای تقارن و در مورد گسلش نرمال دارای عدم تقارن می باشد. عبدون و همکاران  2009 ، اثر پارامترهای مختلف از جمله نسبت قطر به ضخامت لوله (D/t) را روی گسل امتداد لغز مورد بررسی قرار دادند و دریافتند که نسبت قطر لوله به ضخامت لوله (D/t) عامل بسیار مؤثری در فعل و انفعالات خاک و لوله می‌باشد. لای و همکاران  2012، هشت لوله پلی اتیلن با چگالی بالا را، با جوش متصل کننده و فشار داخلی آب در رس غیر یکنواخت، تحت گسلش معکوس، به صورت تمام مقیاس مورد آزمایش قرار دادند و اثر پارامترهای قطر، ضخامت دیواره لوله، زاویه خط لوله با گسل عبوری و سطوح بارگذاری را بررسی کردند. آن ها دریافتند که این پارامترها بر پاسخ لوله تحت گسلش معکوس اثرات مهمی دارند و لوله با قطر بزرگ، سخت تر و عملکرد لرزه ای بهتری نسبت به لوله با قطر کوچک دارد. رفوئی و همکاران 2012 یک آزمایش تمام مقیاس بر روی لوله فولادی 4 اینج تحت گسلش معکوس انجام دادند و نتایج را با مدل المان محدود سه بعدی صحت سنجی کردند. رفوئی و همکاران 2014 یک مطالعه پارامتری با استفاده از مدل المان محدود انجام دادند و اثر پارامترهای مختلف از جمله مصالح لوله، نسبت
قطر به ضخامت لوله (D/t) و… را بر لوله های فولادی وپلی اتیلن با چگالی بالا،تحت گسلش معکوس بررسی کردند. نتایج حاکی از آن است که در نسبت قطر به ضخامت لوله (D/t) ثابت، با افزایش قطر، کرنش های طولی فشاری کاهش می یابند.
با توجه به اینکه اکثر گسل‌های کشورمان از نوع معکوس می‌باشند و حدود 20% از لوله های مورد استفاده در خطوط و شبکه های توزیع گاز ایران از جنس پلی اتیلن است، نیاز به انجام مطالعات بیشتر جهت بررسی عوامل موثر بر رفتار لوله‌های پلی اتیلن تحت اثر گسلش معکوس کاملاً احساس می‌شود. در این تحقیق جهت بررسی اثر قطر بر رفتار لوله‌های پلی اتیلن تحت اثر گسلش معکوس، اقدام به مطالعات پارامتری در مقیاس واقعی در نرم افزار  PLAXIS، گردید. سپس به مدلسازی عددی و صحت‌سنجی با نتایج حاصل از مدلسازی فیزیکی  انجام شده با دستگاه شبیه‌ساز گسلش معکوس، پرداخته شد. با توجه به بررسی نتایج این پژوهش به روشنی می توان بیان نمود که اساسا بهره گیری از اقطار کوچکتر می تواند به عنوان یک ایده نو جهت کاهش خطرات گسلش سطحی مطرح گردد.
مدلسازی عددی
تمرکز مدلسازی عددی با استفاده از نرم افزار PLAXIS بر گسلش معکوس قرار گرفت، زیرا در نرم افزار PLAXIS المان های متنوعی در دسترس است و مدل های رفتاری نظیر مدل الاستیک خطی، مور- کلمب و مدل خاک سخت شونده و مدل خاک خزشی وجود دارد. این نرم افزار توانایی مدلسازی شرایط مرزی و بارگذاری های متنوع را در مسائل استاتیکی و دینامیکی داراست. همچنین امکان پذیری مدلسازی رفتار خاک تحت شرایط زهکشی شده و زهکشی نشده و رفتار غیرخطی خاک از مزایای دیگر این نرم افزار است . در این بخش اقدام به مطالعات پارامتری در مقیاس واقعی، جهت بررسی عوامل موثر بر رفتار لوله‌های پلی اتیلن تحت اثر گسلش معکوس، می گردد. برای این منظور لوله های پلی اتیلن به لوله 200 میلیمتر و لوله 110 میلیمتر و لوله 160 میلیمتر  که مورد استفاده در خطوط و شبکه های توزیع گاز ایران هستند، در عمق دفن 1 متری (عمق دفن مرسوم لوله پلی اتیلن در ایران) از سطح زمین مدل می شوند. لوله های در نظر گرفته شده در این مقاله همانند پژوهش رفوئی و همکاران 2014، از جنس پلی اتیلن با چگالی بالا  ، از نوع PE100 با مینیمم مقاومت مورد نیاز   10 Mpa می باشند. به منظور شبیه‌سا‌زی مدل عددی، مدل خاک بر روی محدوده‌ای از سنگ بستر به ارتفاع 5 متر با سرعت موج برشی 1000 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است. طول قسمت متحرک مدل (قسمت اعمال گسلش) برابر با 100 متر و قسمت ثابت آن 100 متر است. ارتفاع کل مدل 20 متر می باشد. همچنین در محل اعمال گسلش به نمونه از المان درزه و جهت مدل‌سازی لوله‌ از المان‌های دارای سختی خمشی که در برنامه به عنوان Plate شناخته می‌شود، استفاده شده است . مشخصات خاک و لوله های شبیه سازی شده در جداول 1 و 2 آمده است. شکل 2 هندسه و شرایط مرزی مدل گسلش معکوس قائم با عمق دفن 1 متر را نشان می دهد. 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

نتیجه گیری
در تحقیق حاضر جهت بررسی اثرات قطر بر رفتار لوله‌های پلی اتیلن تحت اثر گسلش معکوس اقدام به مطالعات پارامتری در مقیاس واقعی در نرم‌ افزار المان محدود PLAXIS، گردید. سپس به منظور صحت سنجی، اقدام به مدلسازی عددی گسلش معکوس وارد بر لوله مدفون پلی اتیلن، با استفاده از نرم‌ افزار المان محدودPLAXIS  شده و نتایج حاصل از نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. انطباق قابل قبول نتایج حاصل از مدلسازی در نرم افزار PLAXISبا نتایج آزمایشگاهی، نشان داد که روش اتخاذ شده می تواند در مقوله مورد بحث، مورد اتکا قرار گیرد. نتایج حاصل از مدلسازی عددی نشان می دهند که با تغییر قطر لوله، نقاطی که در آن ها حداکثر نیروها به وجود می آیند، ثابتند به عبارت دیگر موقعیت حداکثر نیروها به قطر لوله وابسته نیست.  در قطرهای 160 و 110 میلی متر مقادیر نیروها به مقدار نسبتا کمی افزایش می یابند ولی در قطر 200 میلی متر، به شدت افزایش دارند. این مسئله به این دلیل است که با افزایش قطر لوله به 200 میلی متر، سختی خمشی و سختی محوری نسبت به قطرهای 160 و 110 میلی متر، به شدت افزایش می یابند. به طور کلی با افزایش قطر، مقادیر پاسخ های لوله با سرعت بیشتری تغییر می کنند. اساسا بهره گیری از اقطار کوچکتر می تواند به عنوان یک ایده نو جهت کاهش خطرات گسلش سطحی مطرح گردد.  بنابراین در یک جابجایی معین گسل و یک عمق دفن مشخص، برای کاهش خطر گسلش معکوس بر لوله پلی اتیلن، می توان قرار دادن موازی چند لوله با قطر کوچک (کوچکتر از 200) را به عنوان یک ایده نو در شبکه توزیع گاز کشور، مطرح کرد.

مراجع
1.    نوری، س. (1393)، "بررسی اثرات گسلش معکوس بر شریان های حیاتی،" پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد همدان.

2.    Yasuda, S., Kishino, H., Yoshizaki, K., SUZUKI, N., and ISOYAMA, R. (2004, August). "Countermeasures of buried steel pipes against surface fault rupture", In13th World Conference on Earthquake Engineering. Vancouver, BC, Canada.
3.    American Lifeline Aliance (ALA), (2001), “Seismic Fragility Formulations for Water Systems”, Part 1-Guideline, www.americanlifelinesalliance.org.
4.    ASCE, (1984).  “Guidelines for the Seismic Design of Oil and Gas Pipeline Systems, Committee on Gas and Liquid Fuel Lifelines, Technical Council on Lifeline Earthquake Engineering, American Society of Civil Engineers, Reston,VA.  
5.    Ha, D., Abdoun, T.H., O’Rourke, M.J., Symans, M.D., O’Rourke, T.D., Palmer, M.C., Stewart, H.E. (2008),   “Buried high-density polyethylene pipelines subjected to normal and strike-slip faulting- a centrifuge investigation” Canadian Geotechechnical Journal, vol. 45, no. 12, pp. 1733-1742.
6.    Abdoun T. H., Ha, D., O’Rourke, M. J., Symans, M. D., O’Rourke, T. D., Palmer, M. C., Stewart, H. E. (2009),   “Factors influencing the behavior of buried pipelines sub-jected to earthquake faulting.”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 29, pp. 415– 427.  
7.    Li, H. J., Xue, N., Li, X. J., et al (2012). “An in-situ experimental study on buried pipelines with internal pressure subject to a simulated reverse-slip fault movement”, 15th World Conference on Earthquake Engineering, (Sep., 2012).
8.    Rofooei, F. R., Jalali, H. H., Attari, N. K., and Alavi. (2012). "M. Full-Scale Laboratory Testing of Buried Pipelines Subjected to Permanent Ground Displacement Caused by Reverse Faulting". 15th World Conference on Earthquake Engineering (Sep., 2012).
9.    Rofooei, F. R., Jalali, H. H., Attari, N. K., and Kenarangi,  and M, Samadian. (2014). " Parametric Study of Buried Steel and HDPE Gas Pipelines due to Oblique-Reverse Faulting". Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
10.    PLAXIS, Tutorial_Manual_ 2D-Version 8.6.

11.    موسوی، س.م. (1391)، "تمهیدات مهندسی پی برای ساخت ساختمان ها در پهنه های گسلی شیب لغز فعال" پایان‌نامه دکتری، پژوهشکده ژئوتکنیک پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، تهران.

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید