تأثیر زمین لرزه بر لوله‌های دفن‌شده چیست؟

عملکرد لوله‌های دفن‌شده در شرایط لرزه‌ای، تنها به ویژگی‌های خود لوله وابسته نیست و تعامل میان لوله، خاک اطراف، عمق دفن و مشخصات حرکت زمین نیز در این رفتار نقش دارد. این موضوع برای لوله‌های انعطاف‌پذیر uPVC دفن‌شده اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ زیرا پاسخ آن‌ها تحت تأثیر شرایط خاک و نحوه انتقال نیرو در محیط اطراف قرار دارد. در پژوهشی درباره پاسخ عرضی لوله‌های uPVC دفن‌شده در برابر تکانش زمین‌لرزه، با استفاده از مدل‌سازی عددی در PLAXIS 2D، اثر پارامترهای مختلف بر رفتار لرزه‌ای این لوله‌ها بررسی شده است.

چرا رفتار لرزه‌ای لوله‌های انعطاف‌پذیر اهمیت دارد؟

در چهار دهه گذشته، مطالعات متعددی رفتار لوله‌های انعطاف‌پذیر دفن‌شده را تحت بارگذاری‌هایی مانند تراکم خاک، پشتیبانی ناحیه قوس لوله، ارتفاع خاک پرکننده، بار ترافیکی، حفره‌های فرسایشی، حفاری‌های مجاور و اشباع خاک بررسی کرده‌اند. این مطالعات به طراحان کمک کرده‌اند نحوه تعامل لوله و خاک و عوامل مؤثر بر عملکرد لوله‌های دفن‌شده را بهتر بشناسند. در مورد زلزله باید میان دو نوع تغییر شکل زمین تمایز قائل شد: تغییر شکل موقت زمین که ناشی از عبور امواج لرزه‌ای است و تغییر شکل دائمی زمین که می‌تواند در اثر پدیده‌هایی مانند روانگرایی، رانش زمین و جابه‌جایی‌های تکتونیکی ایجاد شود. پژوهش مورد بررسی بر پاسخ عرضی لوله در برابر تغییر شکل موقت زمین و تکانش لرزه‌ای تمرکز دارد.

مدل‌سازی لوله uPVC دفن‌شده در PLAXIS 2D

برای بررسی رفتار لرزه‌ای، یک مدل دوبعدی المان محدود با استفاده از نرم‌افزار PLAXIS 2D توسعه داده شد. عرض مدل 20 متر و عمق آن 20 متر در نظر گرفته شد. انتخاب عرض مدل پس از تحلیل حساسیت انجام شد و نسبت عرض مدل به عرض آبراهه یا تونل نیز مطابق معیار پیشنهادی زانگ و لیو، کمتر از 12 در نظر گرفته نشد.

برای شبیه‌سازی شرایط واقعی اجرای لوله، تحلیل به‌صورت مرحله‌ای انجام شد:

1. ابتدا تنش‌های درجا در خاک بومی تعیین شد.
2. حفاری ترانشه شبیه‌سازی شد و در هر مرحله لایه‌ای با ضخامت 0.1 تا 0.3 متر حفاری شد.
3. لوله با فعال‌سازی عناصر مربوط به آن در مدل نصب شد.
4. ترانشه به‌صورت مرحله‌ای با لایه‌هایی با ضخامت حداکثر 0.3 متر پر شد.
5. در مرحله نهایی، تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی برای بررسی اثر تکانش زمین‌لرزه انجام گرفت.

تحلیل دینامیکی با گام زمانی 0.004 ثانیه انجام شد؛ این مقدار بر اساس کوچک‌ترین طول موج و ارتفاع متوسط عناصر تعیین شده است.

شرایط مرزی و مدل‌سازی اندرکنش خاک و لوله

در مراحل استاتیکی، حرکت افقی دو انتهای مدل محدود شد و حرکت افقی و عمودی کف مدل نیز جلوگیری شد. برای تحلیل دینامیکی، مرزهای جذبی PLAXIS در دو طرف مدل به کار رفتند تا گستردگی محیط اطراف شبیه‌سازی شده و از بازتاب موج‌های برشی به داخل مدل جلوگیری شود. این مرزها بر مبنای فرمول‌بندی Lysmer و Kuhlmeyer تعریف شده‌اند. در روابط مورد استفاده، تنش عادی و تنش برشی با چگالی خاک، سرعت موج فشاری، سرعت موج برشی و سرعت حرکت ذرات مرتبط هستند. ضرایب آرامش C1=1.0 و C2=0.25 نیز مطابق مقادیر پیش‌فرض توصیه‌شده در PLAXIS 2D در نظر گرفته شدند. برای مدل‌سازی خاک از عناصر 15 گره‌ای و برای لوله از عناصر صفحه‌ای پنج‌گره‌ای استفاده شد. اندازه عناصر در خاک ترانشه و اطراف آن 0.02 متر و در سایر بخش‌های دامنه خاک 0.60 متر در نظر گرفته شد. همچنین برای شبیه‌سازی تعامل خاک و لوله، عناصر رابط با ضریب کاهش مقاومت 0.7 استفاده شدند. میرایی عددی و میرایی مصالح نیز در تحلیل لحاظ شد.

چه عواملی پاسخ لرزه‌ای لوله را افزایش می‌دهند؟

نتایج پژوهش نشان داد که افزایش ارتفاع خاک پرکننده و افزایش شتاب اوج زمین (PGA) باعث افزایش پاسخ لرزه‌ای لوله می‌شود. در چنین شرایطی، تغییرات سختی خاک و میزان پشتیبانی اطراف لوله اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

همچنین مشخص شد که وزن خاک پرکننده تأثیر قابل توجهی بر پاسخ لرزه‌ای ندارد. در این مطالعه، تغییر ناشی از وزن خاک پرکننده حداکثر حدود 6 درصد گزارش شده است. این رفتار به ارتباط پیچیده میان فشار خاک و میزان پشتیبانی خاک از لوله نسبت داده شده است.

موقعیت لایه سنگ نیز عامل مهم دیگری است. بررسی عمق‌های 10، 20، 30 و 40 متر نشان داد که نزدیک‌تر بودن لایه سنگ به سطح زمین می‌تواند پاسخ لرزه‌ای لوله را افزایش دهد.

فرکانس زمین‌لرزه چه نقشی دارد؟

برای تحلیل اثر فرکانس، سه رکورد واقعی زمین‌لرزه شامل Upland 1990، Loma Prieta 1989 و Northridge 1994 مورد استفاده قرار گرفتند. فرکانس غالب این رکوردها به‌ترتیب 2.8، 0.66 و 0.93 هرتز گزارش شده است. رکوردهای Loma Prieta و Northridge برای مقایسه با رکورد Upland تا شتاب اوج زمین 0.24g مقیاس شدند.

نتایج نشان داد که فرکانس غالب زمین‌لرزه بر پاسخ لوله اثر دارد و با افزایش فرکانس غالب، پاسخ لرزه‌ای لوله کاهش می‌یابد. بنابراین، صرفاً بررسی شدت حرکت زمین برای ارزیابی رفتار لوله کافی نیست و ویژگی‌های فرکانسی تحریک نیز باید در تحلیل‌های عددی مورد توجه قرار گیرند.

جمع‌بندی؛ طراحی لوله دفن‌شده فقط به مشخصات خود لوله محدود نیست

مطالعه رفتار لرزه‌ای لوله‌های uPVC دفن‌شده نشان می‌دهد که تکانش زمین‌لرزه می‌تواند نیروی محوری یا فشار دیواره لوله، لنگر خمشی و تغییر قطر قائم را افزایش دهد. ارتفاع خاک پرکننده و شتاب اوج زمین از عوامل مهم مؤثر بر این پاسخ هستند، در حالی که وزن خاک پرکننده اثر محدودی دارد. همچنین موقعیت لایه سنگ و فرکانس غالب حرکت زمین می‌توانند پاسخ لوله را تغییر دهند. از سوی دیگر، مدل‌سازی دقیق خاک اهمیت زیادی دارد؛ زیرا پاسخ لوله انعطاف‌پذیر به سختی خاک اطراف آن وابسته است. بنابراین در تحلیل‌های لرزه‌ای، توجه هم‌زمان به مشخصات لوله، شرایط نصب، ویژگی‌های خاک و مشخصات حرکت زمین ضروری است. این یافته‌ها برای تولیدکنندگان لوله‌های پلاستیکی، مهندسان طراحی خطوط لوله و پژوهشگران حوزه زیرساخت‌های دفن‌شده قابل استفاده هستند.

در پروژه‌های تأسیساتی، انتخاب محصول نیز باید در کنار بررسی شرایط بهره‌برداری، مشخصات فنی و الزامات طراحی انجام شود. برای آشنایی بیشتر با محصولات و حوزه فعالیت یزدپولیکا می‌توانید به وب‌سایت رسمی یزدپولیکا و بخش محصولات مراجعه کنید.

منبع علمی استفاده‌شده:
Alzabeebee, S. (2019). Response of buried uPVC pipes subjected to earthquake shake. Innovative Infrastructure Solutions, 4, 52. DOI: 10.1007/s41062-019-0243-y.