Eksenel basınç kuvveti ve eğilme momentine maruz çelik boruların performans kriterlerinin saptanması

Gömülü boru hatları su, doğalgaz ve petrol gibi hayati öneme sahip ürünlerin taşınması ve dağıtılması amacıyla kullanılan kritik alt yapı elemanlarıdır. Bu tür enerji nakil sistemleri, güzergahları üzerinde fay hatları ile kesişebilmekte, kesişim açısına bağlı olarak kalıcı zemin deformasyonları etkisinde çekme ve basınç gerilmelerine maruz kalabilmekte ve ciddi hasarlar alabilmektedirler. Tasarım ilkesi açısından çelik borularının çekme göçmesine maruz kalması beklenir. Fakat mecburi güzergâh sebebiyle ters ya da bazı yanal atımlı fayların kesilmesi gerektiği durumlarda net eksenel basınç kuvvetleri altında prematüre göçmeler yaşanabilmektedir. Mevcut yönetmeliğe göre, deprem etkisi altında kalan boru hatları için belirtilen tasarım esasları, kesintisiz kullanım ve kontrollü hasar durumları için tarif edilmiş en büyük eksenel çekme ve basınç birim yer değiştirme değerlerine göre sınırlandırılmıştır. Ancak, boruların özellikle basınç altındaki burkulma sonrası ileri seviye performansları yeteri kadar bilinmemektedir. Bu çalışma kapsamında, özelikle borularda basınç kaybı ve hasar oluşumuna sebebiyet veren eksenel basınç ve eğilme momenti altındaki limit durumları incelenmiştir. Bu amaçla, Türkiye’de bulunan mevcut boru hatlarını karakterize edecek şekilde, su isale (Kullar), doğalgaz (TANAP) ve petrol (BTC) boru hatlarına ait D/t oranları ile malzeme karakteristik özellikleri dikkate alınarak üç boyutlu sonlu elemanlar modeli yardımıyla birleşik yükleme koşulları altındaki davranışları incelenmiştir. Böylelikle, ötelenme miktarlarına ve rotasyon miktarlarına bağlı olarak borularda oluşacak limit durumlar belirlenmiştir. Söz konusu çalışma sonuçlarının ülkemizdeki boru hatlarının performans tabanlı tasarımlarında kullanılması beklenmektedir.

Anahtar Kelimeler:

Gömülü boru hattı, limit durumlar, eksenel basınç yükü, birleşik yükleme, burkulmas sonrası, eğilme momenti

Determination of performance criteria of steel pipes subjected to axial compressive load and bending moment

Buried pipelines are critical infrastructure components which employed for delivering and distributing vital products such as water, gas and oil. Such energy transmission lines might cross fault lines on their routes, undergo tension and compression strains due to crossing angle under permanent ground deformations and severely damaged. Steel pipe failures are expected to be due to tensile loads in terms of design issues. However, in cases where reverse or some strike-slip faults have to be crossed due to forced routing, premature failures may occur under net axial compressive loads. According to the current code, the design principles for pipelines under earthquake effect are limited due to maximum axial tension and compression deformation values defined for uninterrupted and controlled damage cases. However, ultimate post-buckling behavior of steel pipes are remains little known. In this study, limit states due to axial deformations under axial compressive and bending load conditions, which mainly cause loss of pressure integrity and pipe damages, are investigated. For this purpose, corresponding D/t ratios and material properties are considered to characterize the existing pipelines in Turkey such as, water transmission (Kullar), natural gas (TANAP) and oil (BTC) pipelines by using three-dimensional finite element model under combined loading conditions. In this way, limit states due to displacements and rotation demands are specified. The results of this study are expected to be used in the performance-based design of steel pipes in Turkey.

Keywords:

Buried pipeline, limit states, compressive load, bending moment, combined loading, post-buckling,

PDF

___

Uckan E., Lifeline damage caused in the 23 October (Mw= 7.2) 2011 and 9 November (M= 5.6) 2011, Van earthquakes in eastern Turkey, In International efforts in Lifeline earthquake Engineering, 51-58, 2014.
Uckan E., Akbas B., Kaya E. S., Cakır F., Ipek C., Makaracı M., and Ataoglu S., Design issues of buried pipelines at permanent ground deformation zones, Disaster Science and Engineering, 2 (2), 53-58, 2016.
Eidinger J., Performance of Thames Water 2.2 Meter Diameter Pipeline at North Anatolian Fault Crossing. In G&E Engineering Systems Inc. Report No. 48.01.01, prepared for Rennselaer Polytechnic Institute, National Science Foundation, May 9, 2001.
Eidinger J. M., O’Rourke M., Bachhuber J., Performance of pipelines at fault crossings. In Proceedings, 7th US National Conference on Earthquake Engineering, July, 2002.
Psyrras N., Kwon S., Gerasimdis S., Sextos A., Can a buried gas pipeline experience local buckling during earthquake shaking?, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 116, 511-529, 2019.
Vazouras P., Karamanos S.A., Dakoulas P., Finite element analysis of buried steel pipelines under strike-slip fault displacements. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 30 (11), 1361-1376, 2010.
Vazouras P., Karamanos S.A., Dakoulas P., Mechanical behavior of buried steel pipes crossing strike-slip faults. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 41, 164-180, 2010.
Kaya E.S., Uckan E., Cakir F., Akbas B. A 3D nonlinear numerical analysis of buried steel pipes at strike-slip fault crossings. Gradevinar, 68, 815-823, 2016.
Kaya E.S., Uckan E., O'Rourke M.J., Karamanos S.A., Akbas B., Cakir F., Cheng Y. Failure analysis of a welded steel pipe at Kullar fault crossing. Engineering Failure Analysis, 71, 43-62, 2017.
Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Türkiye Boru Hattı Sistemleri ve Sıvı Depolama Tankları Deprem Yönetmeliği, 2021.
Pournara A.E., Karamanos S.A., Mecozzi E., Lucci A., Structural resistance of high-strength steel CHS members. Journal of Constructional Steel Research 128, 152-165, 2017.
Varelis G.E., Karamanos S.A., Buckling of high-strength steel cylinders under cyclic bending in the inelastic range. Journal of Pressure Vessel Technology, 136 (2), 1-11, 2014.
Reid S.R., Plastic deformation mechanism in axially compressed metal tubes used as impact energy absorbers, Int. J. Mech. Sci. 12 (35), 1035-1052, 1993.
Tsetseni, S., Karamanos S.A., Axial compression capacity of welded-slip pipeline joints." Journal of transportation engineering, 133 (5), 335-340, 2007.
Korkmaz Ö., Boru Hattı ve Yer Üstü Tesisleri İnşaat Aktiviteleri Genel Bakış. Trans Anatolian Pipeline Project, 2019.
Cebeci, E.B., Boru Hatları Ekonomisi Tarife Belirleme Kriterleri. YL Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi, 2010.
Wijewickreme D., Honegger D., Mitchell A., Fitzell T., Seismic Vulnerability Assessment and Retrofit of a Major Natural Gas Pipeline System: A Case History. Earthquake Spectra 21(2), 539–567, 2005.