Ανάλυση υπογείου αγωγού μεταφοράς υγροποιημένου φυσικού αερίου υπό σεισμική διέγερση

• Κύριος συγγραφέας: Τρύφωνος, Κυριάκος
• Άλλοι συγγραφείς: Μπούσιας, Ευστάθιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Αγωγοί; Σεισμός; Αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής; Φυσικό αέριο; Pipelines; Seismic risk; SSI; LNG; 665.744

Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται το πρόβλημα της σεισμικής διέγερσης ενός υπόγειου αγωγού μεταφοράς Υγροποιημένου Φυσικού Αερίου (LNG). Το πρόβλημα αυτό ανήκει στην κατηγορία προβλημάτων Αλληλεπίδρασης Εδάφους-Κατασκευής, γι’ αυτό και για την επίλυσή του χρειάζεται ειδική μελέτη. Η παρούσα διατριβή εκπονείται στα πλαίσια ενός Ευρωπαϊκού προγράμματος με την ονομασία Experimental & Computational Hybrid Assessment of Natural Gas Pipelines Exposed to Seismic Risk (EXCHANGE-RISK). Σε αυτό το πρόγραμμα θα εκτελεστούν πειραματικές δοκιμές, αναλυτικές προσομοίωσες και υβριδικές δοκιμές έτσι ώστε να εκτιμηθεί ο σεισμικός κίνδυνος που αντιμετωπίζουν οι αγωγοί μεταφοράς φυσικού αερίου. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι απόκτηση των απαραίτητων γνώσεων που αφορούν ένα πρόβλημα σεισμικής διέγερσης υπογείου αγωγού, έτσι ώστε να αξιοποιηθούν σε μεταγενέστερο στάδιο. Στο Κεφάλαιο 1 της διατριβής γίνεται μια παρουσίαση του του προβλήματος του αγωγού, τονίζοντας τη σημασία έργων τέτοιου βεληνεκούς και τις συνέπειες από τυχόν αστοχία. Στη συνέχεια γίνεται μια επεξήγηση του όρου Αλληλεπίδραση Εδάφους-Κατασκευής, ενώ παρουσιάζονται οι μέθοδοι αντιμετώπισης τέτοιου είδους προβλημάτων. Το πρόβλημα στη γενική του περίπτωση ξεφεύγει από τα όρια της παρούσας διατριβής, γι’ αυτό και εξηγούνται οι διάφορες αποποιήσεις και παραδοχές που έγιναν, για να γίνει εφικτή η λύση μέρους του προβλήματος. Τέλος, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια θέματα που θα μελετηθούν μέσα στα πλαίσια του προγράμματος EXCHANGE-RISK, δίνοντας έμφαση στις Υβριδικές Δοκιμές. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται παρουσίαση κάποιων εισαγωγικών εννοιών της Μηχανικής των Υλικών, όπως είναι οι τάσεις και οι ανηγμένες παραμορφώσεις. Εισάγονται έννοιες όπως οι κύριες, εκτροπικές και οκταεδρικές τάσεις-παραμορφώσεις, με σκοπό την καλύτερη κατανόηση του καταστατικού νόμου των εδαφών, ο οποίος παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 4. Επίσης παρουσιάζονται οι σχέσεις τάσεων-ανηγμένων παραμορφώσεων και οι διάφορες σταθερές που τις συνδέουν. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται οι ίδιες σχέσεις σε συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης, η οποία μπορεί να θεωρηθεί σε πολλά προβλήματα Εδαφομηχανικής. Το Κεφάλαιο 3 αναφέρεται στις βασικές αρχές της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων. Αρχικά γίνεται η διατύπωση της βασικής εξίσωσης κίνησης σώματος σύμφωνα με την Αρχή των Δυνατών Έργων. Στη συνέχεια εισάγεται η έννοια των συναρτήσεων μορφής, οι οποίες αποτελούν σημαντικό κριτήριο για την αξιοπιστία της μεθόδου. Παρουσιάζονται επίσης τα Ισοπαραμετρικά πεπερασμένα στοιχεία, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε προσομοιώσεις εδαφών. Έμφαση δίνεται στο τετράκομβο ισοπαραμετρικό στοιχείο επίπεδης παραμόρφωσης, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στις αναλύσεις κατά την παρούσα διατριβή. Τα Ισοπαραμετρικά στοιχεία χρησιμοποιούν συνήθως αριθμητική ολοκλήρωση Gauss για τον υπολογισμό του μητρώου δυσκαμψίας. Στο τέλος παρουσιάζεται η μέθοδος αριθμητικής ολοκλήρωσης Gauss, ενώ εξετάζεται και η περίπτωση μειωμένης τάξης ολοκλήρωσης, καθώς και οι συνέπειες της στην αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των καταστατικών νόμων των εδαφών. Παρουσιάζεται το υλικό προσομοίωσης και οι καταστατικές εξισώσεις για αμμώδη εδάφη, ενώ στη συνέχεια για αργιλικά. Τα αμμώδη υλικά περιγράφονται με υλικά πολλαπλής διαρροής που εξαρτώνται από την ενεργό τάση περίσφιξης, σε αντίθεση με τα αργιλικά που είναι ανεξάρτητα της τάσης αυτής. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται ένα απλό αριθμητικό παράδειγμα μη-γραμμικής στατικής φόρτισης τύπου Pushover σε ένα τετράκομβο στοιχείο αργιλικού υλικού. Στόχος του παραδείγματος είναι η κατανόηση των καταστατικών εξισώσεων ενός εδαφικού υλικού. Επίσης γίνεται και σύγκριση των αποτελεσμάτων για επιλογή δύο διαφορετικών τιμών των επιφανειών διαρροής. Στο Κεφάλαιο 5 ελέγχεται η αξιοπιστία του πεπερασμένου στοιχείου SSPQuad, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του εδαφικού υλικού με δύο διαφορετικούς τρόπους. Αρχικά γίνεται ο έλεγχος συρραφής προκειμένου να ελεγχθεί αν το στοιχείο ικανοποιεί τις απαιτήσεις σύγκλισης. Στη συνέχεια αναλύονται οι βασικές εξισώσεις της μονοδιάστατης διάδοσης σεισμικών κυμάτων. Η θεώρηση της μονοδιάστατης διάδοσης σεισμικών κυμάτων αποτελεί μια αρχική απλοποιημένη θεώρηση, έτσι ώστε να γίνει πιο εύκολη η κατανόηση διάδοσης σεισμικών κυμάτων στο χώρο. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται ένα μονοδιάστατο παράδειγμα διάδοσης εγκάρσιων κυμάτων καθ’ ύψος μιας εδαφικής στήλης. Σε αυτό το παράδειγμα γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων του στοιχείου SSPQuad με δύο άλλα πεπερασμένα στοιχεία, έτσι ώστε να επαληθευτεί η αξιοπιστία του σε ένα μη-γραμμικό δυναμικό πρόβλημα. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η θεωρία διάδοσης σεισμικών κυμάτων σε πραγματικά εδάφη, ενώ παράλληλα εξηγείται πώς εφαρμόζεται αυτή η θεωρία στη ΜΠΣ. Αρχικά εισάγονται βασικές έννοιες όπως είναι τα κύματα επιφανείας Rayleigh και Love, ενώ εξηγούνται εν συντομία φαινόμενα όπως η ανάκλαση, η διάθλαση και η διασπορά σεισμικών κυμάτων. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην απόσβεση των εδαφών. Γίνεται ανάλυση των όρων απόσβεση ακτινοβολίας, ιξώδης απόσβεση, υστερητική απόσβεση και απόσβεση Rayleigh. Ακολούθως αναλύονται οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια και την ευστάθεια της μεθόδου, δηλαδή το μέγεθος των πεπερασμένων στοιχείων και το χρονικό βήμα της ανάλυσης. Επιπλέον εξηγούνται οι συνοριακές συνθήκες Lysmer που υιοθετήθηκαν στην παρούσα διατριβή. Τέλος, δίνονται κάποιες πρόσθετες πληροφορίες για τους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα επίλυσης του συστήματος εξισώσεων με τη ΜΠΣ. Το Κεφάλαιο 7 εστιάζει στην προσομοίωση του μεταλλικού αγωγού. Στην αρχή παρουσιάζεται το προσομοίωμα δοκού DisplacementBeamColumn Element που χρησιμοποιήθηκε κατά μήκος του μέλους και το προσομοίωμα ινών σε επίπεδο διατομής. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στις προϋπάρχουσες διαμήκεις τάσεις που καταπονούν τον αγωγό κατά τη σεισμική διέγερση. Περιγράφονται οι ιδιότητες των μη-γραμμικών ελατηρίων Winkler, τα οποία προσομοιώνουν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στη διεπιφάνεια εδάφους-αγωγού. Αρχικά περιγράφονται οι ιδιότητες τους σε μονοτονική φόρτιση, ενώ ακολούθως περιγράφεται ο καταστατικός τους νόμος σε ανακυκλιζόμενη φόρτισή. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια αναφορά στη διαφορική εξίσωση κίνησης του αγωγού, ενώ δίνονται κάποιες πληροφορίες για τα είδη και τις ιδιότητες των διαφόρων συνδέσεων που υλοποιούνται στους αγωγούς. Στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται η κυρίως ανάλυση ενός συνεχούς χαλύβδινου αγωγού που βρίσκεται μέσα σε ένα εδαφικό στρώμα άμμου. Αρχικά παρουσιάζονται τα δεδομένα του προβλήματος και στη συνέχεια ακολουθεί η ανάλυση. Η ανάλυση χωρίζεται σε δύο μέρη, την ανάλυση του εδάφους και την ανάλυση του αγωγού. Στο πρώτο μέρος της ανάλυσης, παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την εύρεση του κατάλληλου μεγέθους του πλέγματος των πεπερασμένων στοιχείων, αλλά και των παραμέτρων της απόσβεσης Rayleigh. Αρχικά εφαρμόζεται η ανάλυση βαρύτητας στο έδαφος και στη συνέχεια η σεισμική διέγερση. Η σεισμική διέγερση έγινε για δύο πραγματικές σεισμικές καταγραφές: (1) Αίγιο, 15/06/1995, Μw = 6.2, PGA = 0.50 g, (2) Northridge, California από καταγραφή στο σταθμό Rinaldi, 17/01/1994, Μw = 6.7, PGA = 0.84 g. Στη συνέχεια γίνεται παρουσίαση και σχολιασμός των διατμητικών τάσεων-παραμορφώσεων, αλλά και των οριζόντιων και κατακόρυφων επιταχύνσεων που αναπτύσσονται σε κάποια επιλεγμένα σημεία του εδάφους. Ακολουθεί το δεύτερο μέρος της ανάλυσης που αποτελείται από τη σεισμική διέγερση του αγωγού. Παρουσιάζονται αρχικά οι μετατοπίσεις-επιταχύνσεις στην αρχή και το πέρας του αγωγού. Πριν την πραγματοποίηση της διέγερσης, αναλύονται κάποια στοιχεία για την Κινηματική και την Αδρανειακή αλληλεπίδραση εδάφους-αγωγού. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Σχολιάζονται οι μέγιστες τάσεις που καταγράφηκαν κατά μήκος του αγωγού, καθώς και η συμπεριφορά των μη-γραμμικών ελατηρίων Winkler. Τέλος, πραγματοποιείται μια παραμετρική διερεύνηση της επιρροής του βάθους που βρίσκεται ο αγωγός, αλλά και της διατομής του. Το γενικό συμπέρασμα που προέκυψε από την εκπόνηση της παρούσας διατριβής είναι ότι το πρόβλημα της σεισμικής διέγερσης ενός υπογείου αγωγού αποτελεί ένα πολύ δύσκολο εγχείρημα. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της διατριβής παρουσιάζονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 9. Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τη σεισμική απόκριση ενός υπογείου αγωγού σύμφωνα με την παρούσα διατριβή είναι οι εξής: το είδος και η διεύθυνση των σεισμικών κυμάτων που αναμένεται να επηρεάσουν την τοποθεσία του αγωγού, οι τοπικές εδαφικές συνθήκες, η μέγιστη εδαφική επιτάχυνση και το βάθος που βρίσκεται ο αγωγός. Η μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων χρησιμοποιείται σε τέτοιου είδους αναλύσεις. Παράγοντες που επηρεάζουν την αξιοπιστία και την ταχύτητα της μεθόδου είναι: το μέγεθος των πεπερασμένων στοιχείων, το χρονικό βήμα επίλυσης και το είδος των πεπερασμένων στοιχείων που θα χρησιμοποιηθούν. Θα πρέπει να γίνει σαφές ότι η παρούσα διατριβή δεν αποτελεί μια πλήρη σεισμική μελέτη ενός υπόγειου μεταλλικού αγωγού. Το πρόβλημα που μελετήθηκε, αποτελεί ένα πρόβλημα διάδοσης σεισμικών κυμάτων μέσα σε ένα κατακόρυφο επίπεδο παράλληλο με τον άξονα του αγωγού. Στη γενικότερη περίπτωση, η σεισμική διέγερση θα βρίσκεται σε τυχαία διεύθυνση σε σχέση με τον άξονα του αγωγού. Τέλος, μια πλήρης σεισμική μελέτη του αγωγού θα πρέπει να περιλαμβάνει επίσης, προβλήματα Μόνιμων Εδαφικών Παραμορφώσεων (Permanent Ground Deformation PGD).