چکیده

خطوط لوله در بسیاری از سیستمهای معمول مانند لولهکشی گاز طبیعی یا انتقال آب و فاضلاب کاربرد وسیعی دارند. لولههای مدفون تحت اثر خطر تغییرشکلهای دائمی زمین و انتشار امواج زلزله قرار دارند. تحقیقات نشان دادهاند که خطوط لوله فولادی مستقیم مدفون، تحت اثر انتشار امواج زلزله تا جابجایی حداکثر یک متر در برابر خسارت مقاومند. ولی کرنشهای ایجادشده در خطوط لوله تحت اثر

تغییرشکلهای دائمی زمین به مراتب بیش از اثر انتشار امواج
زلزله است. تغییرشکلهای بزرگ زمین میتواند باعث ورود لوله به
فاز غیرخطی، وقوع کمانش موضعی و کاهش سطح مقطع لوله گردد.
بسیاری از معیارهای وقوع کمانش موضعی در لوله ها و شکست در
آنها بر اساس حداکثر کرنش فشاری لوله میباشد. این تحقیق به

بررسی اثر زمینلغزش بر خطوط لوله فلزی پیوسته مدفون پرداخته و کرنش ایجاد شده در لوله را برای قطرهای مختلف لوله و مشخصات مختلف خاک بررسی نموده است. در این راستا لولههایی با قطر و ضخامت مختلف، در انواع خاکهای متراکم و سست رسی و ماسهای تحلیل شدند. با استفاده از تحلیل المان محدود غیرخطی، حداکثر کرنش فشاری ایجاد شده در لوله تحت اثر زمینلغزش، با دامنه جابجایی بزرگ محاسبه شد. نتایج نشان میدهند که کرنش فشاری در لوله های

مدفون در رس نسبت به ماسه بیشتر است و افزایش ضخامت لوله
الزاما باعث کاهش کرنش فشاری آن نخواهد شد.
واژههای کلیدی: خطوط لوله فلزی پیوسته مدفون، زمین لغزش، تحلیل المان
محدود غیر خطی، اندرکنش خاک و لوله.

-۱ مقدمه

لولههای مدفون در شهرهای بزرگ و صنعتی وظیفه اساسی انتقال آب، گاز، نفت، مخابرات و جمع آوری فاضلاب را برعهده دارند و در کشورهایی که زیربنای اقتصاد آنها براساس نفت و مشتقات آن میباشد، از اهمیت فوقالعادهای برخوردارند. گسیختگی خطوط لوله نفت و گاز علاوه بر خسارات اقتصادی هنگفت، میتواند سلامت محی زیست را نیز در معرض خطر قرار دهد. تاریخچه مهندسی زلزله شریانهای حیاتی به زلزله ۱۹۷۱ سانفرناندو باز میگردد که عمده خسارت این زلزله، آسیب-دیدگی شریانهای حیاتی بویژه خطوط لوله و پلها بود.[۱]

آسیبهای وارده به سیستم خطوط لوله گاز و آب در اثر وقوع زلزله کوبه در ژاپن، عملیات امداد را با دشواریهایی روبرو ساخت.

۱

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18&19 December 2013, Tabriz , Iran

گسیختگی لوله انتقال آب شهر، حدود ۱/۵ میلیون نفر را با کمبود آب مواجه نمود .[۲] زلزله ۱۹۹۹ ‘چی چی’ تایوان اثرات تخریبی قابل توجهی بر خطوط انتقال آب بر جای گذارد. عملیات آبرسانی در برخی مناطق آسیبدیده در حدود چهار ماه پس از وقوع زلزله راهاندازی گردید . [۳]

تغییرشکلهای دائمی زمین مانند زمینلغزش، گسلش، گسترش جانبی خاک، نشست و … بهعلت اثرات موضعی شدیدتر، برای لولههای مدفون خطرناکترند و موارد مختلفی از شکست در اثر حرکات دائمی زمین گزارش شده است .[۴]کرنشهای ایجادشده در لوله در اثر تغییرشکلهای دائمی زمین نسبت به انتشار امواج بیشتر است، ولی انتشار امواج ناحیه بسیار بزرگتری از شبکه را دربرمیگیرد.

اولین مطالعاتی که در زمینه خسارت وارده به خطوط لوله مدفون انجام شد تعیین منحنی های شکست براساس اطلاعات ثبت شده از زلزله های واقعی بود. در سال ۱۹۸۳ اولین بار ‘اگوچی’ و همکاران [۵]، شکست خطوط لوله در برابر حرکات دائمی زمین و انتشار امواج را

جدا نمودند. در سال ۱۹۹۳ ‘ارورک’ و ‘آیالا’ [۶] با تکمیل کارهای
قبلی و براساس اطلاعات موجود از چهار زلزله ایالات متحده و دو

زلزله مکزیک، نمودار نرخ آسیب را در برابر سرعت زلزله برای انواع لوله بتنی، چدنی، آزبست سیمانی و … برای انتشار امواج زلزله ترسیم نمودند. گرچه مطالعه درزمینه استخراج منحنی های شکست تا سالیان اخیر نیز ادامه دارد ولی، رواب شکست فق یک حدس کلی از آسیب وارد شده به یک شبکه را مشخص مینمایند و هیچ اطلاعاتی از سطح شکستهای ایجادشده، محل آنها یا میزان افت عملکرد شبکه نمیتوانند ارائه کنند. بنابراین محققین به روشهای تحلیلی و عددی در محاسبه پاسخ خطوط لوله مدفون تحت اثر زلزله توجه بیشتری نشان دادند.

در سال ۱۹۷۷ ‘ونگ’ و ‘ارورک’ [۷] با مدل نمودن لوله بصورت تیر بر بستر الاستیک، تغییر شکل بستر را بصورت یک موج سینوسی فرض کردند و بهاین نتیجه رسیدند که حرکت نسبی بین خاک و لوله ناچیز است. ‘مولسکی’ و همکاران [۸ ] با استفاده از مدل پوسته استوانه محدود برای خ لوله مدفون و مدل ‘وینکلر’ برای خاک اطراف لوله، با صرفنظر کردن از اثرات دینامیکی و بروش شبهاستاتیکی لوله مدفون را در برابر زلزله تحلیل کردند. ‘داتا’ و همکاران [۹] و [۱۱] رفتار دینامیکی لوله مدفون را در حالت کرنش مسطح بررسی کردند. لوله را بصورت پوسته نازک نامحدود، ایزوتروپ، همگن و الاستیک مدل نمودند. با این فرض که لوله با مقطع دایرهای در یک ترانشه دایروی و هم مرکز با لوله واقع شده است.

در سال ۲۱۱۱ ‘تاکادا’ و همکاران [۱۱] متذکر شدند که رفتار لولههای قطور مدفون، به رفتار پوسته شباهت بیشتری دارد. بر همین

اساس و به کمک روش المان محدود، تاثیر حرکات گسل را روی خطوط
لوله مدفون بررسی نمودند. آنها روشی جدید برای محاسبه بیشینه

کرنش در لوله، با در نظر گرفتن تغییرشکل مقطع لوله در اثر حرکات گسل ارائه نمودند. در سال ۲۱۱۴ ‘لیو’ و همکاران [۱۲] یک فنر معادل برای مدلسازی شرای مرزی در لوله با مدل پوسته در یک گسل ارائه نمودند. در واقع برای دستیابی به نتایج بهتر در تحلیل خ لوله، باید آنرا بجای المان تیر با المان پوسته مدل نمود که بهعلت بلند بودن طول لوله و بالا بودن حجم محاسبات، مدلسازی با مشکل مواجه میگردد. کار ‘لیو’ و همکاران کاهش طول لوله و جایگزین کردن بخش حذفشده با فنرهای معادل بود.

۲

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18&19 December 2013, Tabriz , Iran

در سال ۲۱۱۸ ‘رفوئی’ و ‘قربانی’ [۱۳] مطالعهای روی رفتار لرزهای لولههای مدفون در اثر انتشار امواج انجام دادند. در این مطالعه یک لوله مدفون با المان تیر مدلسازی، و اندرکنش آن با خاک بهکمک فنرهای غیرخطی در سه راستای عمود بر هم در نظر گرفته شد. آنها نتیجه گرفتند که با افزایش سختی لوله نسبت به خاک، نیروی وارده به لوله بیشتر میشود و احتمال لغزش بین لوله و خاک نیز افزایش مییابد.