Yanal Kalıcı Zemin Deformasyonlarına Maruz Gömülü Boruların Davranışları Üzerine Bir İnceleme

Abstract

Türkiye, Asya ile Avrupa arasında bir geçit konumunda bulunmasından ötürü birçok doğalgaz boru hattını üzerinde bulundurmaktadır. Aynı zamanda Türkiye depremsellik açısından çok riskli bir bölgede yer almaktadır. Bu iki koşulun aynı zamanda mevcut olmasından dolayı doğalgaz boru hatlarının güvenliğinin sağlanması önem arz etmektedir. Geçmiş depremler boru hatlarının kalıcı zemin hareketleri tarafından tehdit altında bulunduğunu göstermiştir. Depremler sonucunda oluşan kalıcı zemin deformasyonları nedeniyle boru hatlarında önemli birçok hasar oluşmuştur. Maddi ve yaşamsal kaza riskini azaltmak amacıyla deprem nedeniyle oluşan kalıcı zemin deformasyonlarına maruz gömülü boru hatlarının davranışlarının incelenmesi gerekmektedir. Sonlu elemanlar yöntemi kalıcı zemin deformasyonlarına maruz boruların davranışını incelemek için yararlı olan yöntemlerden biridir. O’Rourke ve Tawfik (1983), 1971 yılında meydana gelen San Fernando depreminde oluşan yanal kalıcı zemin deformasyonlarını incelemişlerdir. Hamada ve O’Rourke (1992), 1964 yılında meydana gelen Niigata depreminde oluşan yanal kalıcı zemin deformasyonlarını incelemişlerdir. Yapılan bu çalışmalar sonucunda iki tip yanal kalıcı zemin deformasyonuna rastlanmış olup, gözlenen bu yanal kalıcı zemin deformasyonları dağılı yayılı kalıcı zemin deformasyonu ve bölgesel ani kalıcı zemin deformasyonu olarak sınıflandırılmışlardır. Dağılı yayılı kalıcı zemin deformasyonları sıvılaşmaya bağlı oluşan kalıcı zemin deformasyonu durumlarında, bölgesel ani kalıcı zemin deformasyonları ise toprak kayması durumlarında gözlemlenmektedir. O’Rourke (1988), Suzuki ve diğerleri (1988), Kobayashi ve diğerleri (1989), O’Rourke (1989) dağılı yayılı kalıcı zemin deformasyonlarını modelleyebilmek amacıyla farklı bağıntılar önermişlerdir. Önerilen bu bağıntılarda maksimum kalıcı zemin deformasyonu, kalıcı zemin deformasyonu bölgesinin merkezinde oluşmaktadır. Kalıcı zemin deformasyonu bölgesinin sınırlarında ise kalıcı zemin deformasyonu değerleri sıfırdır. Bu çalışmada yanal kalıcı zemin deformasyonlarına maruz boru hatlarının davranışı, farklı boru et kalınlığı, çelik boru tipi, boru çapı, kalıcı zemin deformasyonu tipi ve genişliği, kalıcı zemin deformasyonu miktarı, boruyu çevreleyen zeminin içsel sürtünme açısı, borunun gömülü derinliği için parametrik olarak ABAQUS programı yardımıyla incelenmiştir. Sonlu elemanlar modellerinde boru et kalınlığının, yanal kalıcı zemin deformasyonlarına maruz gömülü boru davranışına etkisinin incelenebilmesi için diğer parametreler sabit tutularak boru et kalınlığı 0.002m-0.008m arasında değişen değerlerden seçilmiştir. Boru çapının yanal kalıcı zemin deformasyonuna maruz gömülü boru davranışına etkisinin incelenebilmesi için diğer tüm parametreler sabit tutulmuş, boru çapı 0.5m-1.0m arasında değerlerden seçilmiştir. Boruyu çevreleyen zeminin kayma mukavemeti açısının kalıcı zemin deformasyonlarına maruz gömülü boru davranışına etkisini inceleyebilmek açısından zemin kayma mukavemeti açısı sırasıyla 250, 300 ve 350 olarak seçilmiştir. Gömülü boru derinlikleri sonlu elemanlar modellerinde 0.6m, 0.8m, 1.0m ve 1.2 m olarak seçilmiş olup, farklı gömülü derinliklerdeki gömülü boruların yanal kalıcı zemin deformasyonları altındaki davranışı incelenmiştir. Maksimum yanal kalıcı zemin deplasmanı değerleri 1.3m, 3.0m ve 5.0m olarak seçilmiş olup, farklı zemin deformasyonları altında gömülü boru davranışı incelenmiştir. Yanal kalıcı zemin deformasyonu bölgesi genişliği 10m, 30m ve 50m olarak sonlu elemanlar modellerinde dikkate alınmıştır. Farklı yanal kalıcı zemin deformasyonu değerleri için yanal kalıcı zemin deformasyonlarına maruz gömülü boru davranışı incelenmiştir. Boru çelik sınıfının, yanal kalıcı zemin deformasyonlarına maruz gömülü boruların davranışına etkisini inceleyebilmek açısından sonlu elemanlar modellerinde dört farklı çelik tipi kullanılmıştır. Bu çelik boru tipleri X-42, X-52, X-60 ve X-70 tipi çelik borulardır. Literatürde yanal kalıcı zemin deformasyonlarına maruz gömülü borular ve bu gömülü boruların kendisini çevreleyen zeminle olan etkileşimi farklı sonlu elemanlar modelleri kullanılarak modellenmiştir. Liu ve O’Rourke (1997b), Liu ve O’Rourke (1999), O’Rourke ve diğerleri (2003) gömülü boruyu kiriş elemanı olarak, gömülü boru ile boru etrafındaki zeminin etkileşimini ise eksenel ve yanal nonlineer yay elemanlarını kullanarak modellemişlerdir. Takada ve diğerleri (2001), Yoshizaki ve Oguchi (1996), Yoshizaki ve diğerleri (2001), Yoshizaki ve Sakanoue (2004), Karamitros ve diğerleri (2007) boru hattını hibrid model (kiriş+kabuk elemanı) kullanarak, boru ile zemin arasındaki etkileşimi ise nonlineer zemin yaylarını kullanarak modellemişlerdir. Lee (2010), Vazouras ve diğerleri (2010, 2012), Jafarzadeh ve diğerleri (2012), gömülü boruları kabuk elemanı ile boruyu çevreleyen zemini ise katı sürekli ortam ile modellemişlerdir. Zemin davranışını modelleyebilmek için Mohr-Coulomb modelini kullanmışlardır. Boru ile zemin arasındaki etkileşimi teğetsel ve normal temaslarla modellemişlerdir. Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde boru elemanın kiriş elemanı, kabuk elemanı ve kiriş ve kabuk elemanının birlikte kullanılması (hibrid model) ile modellenebildiği görülmektedir. Bu çalışma kapsamında boruyu modelleyebilmek için kiriş elemanı kullanılmıştır. Gömülü boru ile boruyu çevreleyen zemin arasındaki etkileşim nonlineer yayların davranışını temsil eden bağlantı elemanları kullanılarak modellenmiştir. Ramberg ve Osgood (1943) farklı çelik sınıfları için akma sonrası gerilme şekil değiştirme davranışının tanımlanması için bir model önermişlerdir. Bu çalışma kapsamında, çelik boruların akma sonrası davranışı Ramberg-Osgood bağıntısı kullanılarak modellenmiştir. Sonlu eleman modellerinde X-42, X-52, X-60 ve X-70 tipi çelik boru kullanılmıştır. Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde gömülü boru ile zemin arasındaki etkileşimin nonlineer yay elemanları ile modellendiği görülmektedir. Bu çalışma kapsamında, boru ve zemin arasındaki etkileşim nonlineer davranışa sahip eksenel ve yanal bağlantı elemanları kullanılarak modellenmiştir. Bağlantı elemanlarının nonlineer davranışının modellenebilmesi için gerekli olan parametreler; maksimum zemin direnci ve maksimum elastik deformasyondur. Bu parametreler ALA (2001)’de önerilen bağıntılar yardımıyla hesaplanmıştır. Yanal kalıcı zemin deformasyonu, bağlantı elemanlarının uç noktalarına kalıcı zemin deformasyonu bölgesi içinde uygulanmıştır. Yanal yayılı kalıcı zemin deformasyonu dağılımı O’Rourke’nin (1989) önerdiği bağıntı kullanılarak hesaplanmıştır. Sonlu elemanlar modelinin ankraj noktaları, kalıcı zemin deformasyonu bölgesi sınırlarından 400m ötede seçilmiştir. Ankraj noktaları, eksenel ve eğilme deformasyonlarının sıfıra çok yakın olduğu noktalarda seçilmektedir. 400m’lik bir ankraj mesafesinin sonlu elemanlar modelinin sınır koşullarından etkilenmemesi için yeterli olduğu literatür çalışmalarında görülmektedir. Bağlantı elemanlarının uç noktaları kalıcı zemin deformasyonu bölgesi içinde yassym, kalıcı zemin deformasyonu bölgesi dışında ise ankastre olarak modellenmiştir. Parça elemanlarının boyutunun seçilmesi sonlu elemanlar analizlerinin gerçeğe yakın sonuçlar verebilmesi açısından büyük önem arzetmektedir. Parça elemanların sayısı arttıkça analiz sonuçları gerçeğe yakın değerlerde olacaktır. Parça elemanlarının sayısının artması aynı zamanda analiz süresini de arttıracaktır. Hem analiz süresinin kısaltılması hem de analiz sonuçlarının yeterli hassaslıkta elde edilebilmesi için optimum bir parça sayısının belirlenmesi gerekmektedir. Optimum parça sayısının seçilmesi için herhangi bir standart bulunmamaktadır. Bu nedenle optimum parça eleman sayısının seçilmesi için ön bir çalışma yapılması gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında sonlu elemanlar analizlerinden önce optimum parça sayısının belirlenebilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda optimum parça sayısı belirlenmiş olup, sonlu elemanlar analizlerinde bu parça sayıları kullanılmıştır. Maksimum ve minimum boru eğilme momenti ve maksimum boru deplasmanları sonlu elemanlar analizleri sonucunda elde edilmiştir. Maksimum ve minimum boru momentlerinin ve maksimum boru deplasmanlarının boru çapına, boru et kalınlığına, çelik boru tipine, kalıcı zemin deformasyonu tipi ve genişliğine, kalıcı zemin deformasyonu miktarına, dolgu malzemesinin içsel sürtünme açısına ve boru gömülü derinliğine bağlı olarak değişimi gözlemlenmiştir. Ayrıca farklı kalıcı zemin deformasyonu bölgesi genişlikleri için boruda oluşan deplasman dağılımları elde edilmiş ve kullanılan kalıcı zemin deplasmanı dağılımı ile boruda oluşan deplasman dağılımları karşılaştırılmıştır. İnce et kalınlığına sahip boruların daha esnek bir davranışa sahip olduğu sonucu çıkarılmıştır. Rijit borular esnek borulara göre daha az deplasman yapmaktadırlar. Boru rijitliği arttıkça borudaki eğilme momentleri de artmaktadır. Kalıcı zemin deformasyonu bölgesinin genişliği yanal kalıcı zemin deformasyonuna maruz boru davranışını önemli bir şekilde etkilemektedir. Boru dar kalıcı zemin deformasyonu bölgelerinde rijit boru gibi davranmaktadır. Diğer yandan, boru geniş kalıcı zemin deformasyonu bölgelerinde ise esnek boru gibi davranmaktadır. Kalıcı zemin deformasyonu modelleri bölgesel ani kalıcı zemin deformasyonu ve yayılı dağılı zemin deformasyonu olarak ikiye ayrılmaktadır ve boru davranışı üzerinde önemli bir etkiye sahip oldukları görülmektedir. Yayılı dağılı zemin deformasyonu modelinde maksimum ve minimum boru momentleri kalıcı zemin deformasyonu merkezinde ve sınırlarında oluşmaktadır. Diğer yandan, bölgesel ani kalıcı zemin deformasyonu modelinde ise kalıcı zemin deformasyonu merkezinde ve sınırlarında boru momentleri neredeyse sıfırdır.

The past eartquakes showed that the pipelines are threatened by permanent ground deformation. A lot of significant damages occurred in pipelines due to the permanent ground deformation (PGD) caused by earthquakes. To predict behavior of pipeline subjected to external loading caused by earthquake induced PGD is essential in design to reduce the risk of accident, injury and material loss. Finite element method is one of the useful methods to predict behavior of pipeline subjected to PGD. In this study, the behavior of pipeline subjected to transverse PGD is investigated parametrically for various wall thickness, diameter and steel type of pipe, type and width of PGD zone, the amount of PGD, PGD patterns, angle of friction angle of backfill and burial depth of pipe using ABAQUS. Beam elements were used to model pipe. The pipe-soil interaction was modeled by axial and lateral connector elements which have nonlinear behavior. Transverse PGD is applied to end point of connector elements in PGD zone. Spatially distributed PGD was calculated by using the equation proposed by O’Rourke (1989). Maximum and minimum bending moments of pipe and maximum pipe displacements were obtained from finite element element analyses results. The variation of pipe moments and pipe displacements depending on pipe diameter, the wall thickness of pipe, steel type, type and width of PGD zone, the amount of PGD, the angle of friction of backfill and burial depth of pipe were observed. It is concluded that the thinner wall correspond to the more flexible pipe behavior. The more rigid pipe displace less than more flexible one. However, bending moments increase with increased pipe rigidity. The width of PGD zone significantly influences the behavior of pipeline subjected to transverse PGD. The pipe behaves like a stiff pipe for narrow PGD zone. On the other hand, the pipe behaves like a flexible pipe for large PGD zone. PGD patterns which can be divided into two groups such as spatially distributed and localized abrupt PGD have a significant effects on pipe behavior. The maximum and minimum pipe moment occurs at the center and margins of PGD zone for spatially distributed PGD. On the other hand, the pipe moments at the center and margins of PGD zone are nearly zero for localized abrupt PGD.