Deprem Etkisi Altında Doğalgaz Boru Hatlarının Nümerik Analizi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Deprem Etkisi Altında Doğalgaz Boru Hatlarının Nümerik Analizi İ. Vural 1, S. Firat 2, B. Unutmaz 3, N. Işık 4 1 Sakarya Üniversitesi, /Türkiye, ivural@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, /Türkiye, sefirat@sakarya.edu.tr 3 Kocaeli Üniversitesi, /Türkiye, berna.unutmaz@kocaeli.edu.tr 4 Gazi Üniversitesi, /Türkiye, nihatsinan@gazi.edu.tr Numerical Analysis of Natural Gas Pipelines Under Seismic Effect Abstract Due to the active fault zones in Turkey, risk evaluation projects are required to be prepared for urban areas in order to minimize the earthquake effects. Unfortunately, the number of previous works on this subject is very limited in Turkey. There is a great need for such a research considering the current local area properties, architectural plans and structural systems. Construction of buried pipelines in especially earthquake prone areas requires very special considerations. Buried pipelines, serving as utilities or lifelines in a city, must be stable during and after an earthquake as they were before and must comply with the design codes in practice. In this study, numerical assessment of settlement and lateral deformation of buried pipelines, considering the effects of soil liquefaction, soft ground layer effects, peak ground accelerations and soil deformations has been performed. This research will give a chance to the local and governmental organizations to consider reevaluation of safety measures if it is necessary. Keywords Buried pipelines, pipes, seismic performance, liquefaction, reliability. I. GİRİŞ Dünyanın en aktif deprem kuşakları üzerinde bulunan ülkemizde depremlerin zararlarını en aza indirebilmek amacıyla yapılması gereken çalışmalardan biri de şehirleşmiş alanlarda altyapılar için deprem risk analizlerinin yapılmasıdır. Ülkemizdeki yerel koşulları, yerel mimari düzenlemeleri ve yaygın olarak kullanılan taşıyıcı yapı sistemlerini dikkate alan deprem risk analizlerinin yapılması ve yaygınlaştırılmasına gereksinim vardır. Gömülü boru hatlarının güvenliği özellikle deprem riski olan bölgelerde çok önemlidir. Gömülü borular şehrin can damarlarıdır ve bir deprem anında mutlaka sağlam kalmalı ve tasarım standartlarını karşılamalıdır. Son depremler, örneğin 1994 Northridge, Kaliforniya, Amerika Birleşik Devletleri, 1995 Kobe, Japonya ve 1999 Kocaeli, Türkiye depremleri altyapı (can damarı) sistemlerine geniş ölçüde zarar verdiler. Bu sistemlerdeki yaygın aksama, zararların coğrafik değişkenliğini ve zararla geçici ve kalıcı yer deformasyonları arasındaki ilişkilerin değerlendirilmesine imkân sağlamıştır. Boru hatları çok geniş alana yayılan, sismik tehlikelerle karşı karşıya kalan ve zemin koşullarından en çok etkilenen en önemli can damarlarıdır. Ülkemizde çoğu boru hatları sismik hareketliliğin yüksek olduğu alanlardan geçmektedir. Toprak ve Yoshizaki çalışmalarında, boru hatlarının deprem öncesinde olduğu kadar deprem sonrasında da fonksiyonunu devam ettirebilmesinin gerekliliğini vurgulamışlardır [1]. Lee vd yılında yaptığı çalışmada, zaman-tanım alanında analizler yaparak Kore için doğalgaz boru hatları tasarımında kullanılmak üzere çalışmalar yapmışlardır. Bu çalışmada farklı zemin özellikleri, farklı deprem senaryoları gibi çeşitli parametreler ve boru hattı derinliklerinin etkileri incelenmiştir [2]. Güçlü deprem hareketlerine karşı, tasarımda ve değerlendirmede kullanılacak ana hatların belirlenmesinin yanında, Sıvılaşmaya Maruz Alanlardaki Gaz İletim Boru Hatları Tasarımı için Tavsiye Edilen Uygulamaları oluşturmak için 1996 yılından 2000 yılına kadar bir araştırma projesi gerçekleştirilmiştir. Bu proje şu teknik konuları incelemiştir: sıvılaşma sonucu oluşan yer değiştirmeler; toprak ve boru etkileşimi; boru hattındaki deformasyonların değerlendirilmesi ve gaz sızıntısı olmaması şartını sağlayan boru deformasyonlarıdır [3,4]. Bu konular üzerinde deneysel ve analitik çalışmalar gerçekleştirilmiştir [5,6]. Yüksek şekil değiştirme oranlarıyla büyük deformasyonlar, hazırlanan ana hatlarda tanımlanmıştır. Ayrıca kalıcı yer deformasyonlarına maruz gömülü boru hatlarının değerlendirilmesi için analitik modellerin geliştirilmesi amacıyla gerçek ölçekte deneyler yapılmıştır [7]. Literatürde incelenen bazı hasar oluşumları Şekil 1 ve 2 de verilmiştir. Şekil 1 de kum kaynaması ve sıvılaşma sonucunda boru hatlarında oluşabilecek muhtemel hasarlar gösterilmiştir [8]. Zemin hareketlerine bağlı olarak zeminde oluşabilecek gerilme ve basınç bölgelerinde de alt yapılarda hasar oluşumları görülmektedir (Şekil 2). 123

2 Deprem Etkisi Altında Doğalgaz Boru Hatlarının Nümerik Analizi Borusuz Dinamik 2. Borulu Statik Borulu Dinamik Şekil 1: Sıvılaşmaya bağlı muhtemel hasar oluşumları. Şekil 2: Zemin kaymalarına bağlı muhtemel basınç-gerilme hasar oluşumları [8]. olmak üzere, iki ayrı tip analiz yapmaya imkan sağlayacak şekilde modeller oluşturulmuştur. A. Zemin Özellikleri Kullanılan nümerik modelin gerçek sonuçları daha iyi yansıtabilmesi ve modelin gerçeğe daha yakın olabilmesi için model boyutları mümkün olduğunca büyük tutulmaya çalışılmıştır. Kurulan nümerik modelin boyutları 50 x 50 m olarak alınmıştır. Zemin özelliklerinin belirlenmesinde sondaj verilerinden faydalanılmıştır. Nümerik model ile yapılan ilk çalışmalar tek tabakalı zemin gibi modellenerek yapılmıştır. İleriki aşamalarda boru hattının geçtiği bölgeye ait genel zemin özellikleri belirlenerek analizlerin bölgeye özel olarak yapılması planlanmaktadır. Literatüre göre kabul edilen tek tabakalı zemin formasyonu için zemin özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Zemin formasyonuna ait diğer özellikler hesaplanırken aşağıdaki genel eşitliklerden faydalanılmıştır. Tablo 1: Zemin özellikleri. Zemin Birim Bulk Kayma Kohezyon türü hacim modülü modülü (kn/m 2 ) C S ağırlık (kn/m2) (kn/m 2 ) (m/s) (kn/m 3 ) ( o ) Kum φ G = ρ C (1) 2. S Şekil 3: Türkiye doğalgaz ve petrol boru hatları haritası [9] Bu çalışmada gömülü boru hatlarının sismik performanslarının değerlendirmesi için tek tabakalı bir zeminde, sonlu farklar yöntemine göre analiz yapan FLAC 2D nümerik analiz programı kullanılarak oturma parametrelerine bağlı hasarlar incelenmiştir. Bu araştırmada, gömülü boru hatlarındaki hasarı etkileyen değişkenler olarak, maksimum yer ivmesi ve zemin deformasyonları araştırılmıştır. II. NÜMERİK MODELİN OLUŞTURULMASI Nümerik model aşamasında öncelikle yapılacak analizler hakkında değerlendirmeler yapılarak, kurulacak farklı modeller belirlenmeye çalışılmıştır. Bu aşama borusuz ve borulu olmak üzere iki ayrı set oluşturularak zemin özellikleri girildikten sonra modelin statik ve dinamik analizlerinin yapılması planlanmıştır. Bu aşamaya kadar yapılan analizlerde, 1. Borusuz Statik G : Kayma modülü C : Kayma dalga hızı E : Elastisite modülü K : Bulk modülü υ : Poisson oranı E G = (2) 2(1 + υ) E K = (3) 3(1 2υ ) B. Dinamik Yükleme ve Sınır Şartları Sınır şartlarını belirlerken problemi iyi tanımlamak ve çözümü probleme göre üretmek gerekir. Matematiksel modelleme ile yapılan çalışmalarda sınır şartlarındaki yansımaları engellemenin en iyi yolu, zeminin sönümleme özelliğinden dolayı büyük boyutlu modellerin kullanılarak sistemin çözümlenmesidir. Ancak bu sistemlerin çözümü çok uzun zamanlarda gerçekleşmekte ve nümerik çalışma şartlarını 124

3 S. Fırat, İ. Vural, B. Unutmaz, N. Işık zorlaştırmaktadır. Bu problemin çözümü için yine FLAC 2D içeriğinde bulunan quiet (sönümleyici) sınır şartları kullanılmıştır. Bu konuda viskoz sınır şartları için Lysmer ve Kuhlemeyer farklı çözümler önermiştir [10]. Ayrıca FLAC 2D kayma dalga hızı ile yapılan dinamik analizlerde yeterli bir mesafe bırakıldığında serbest alan (Free-Field) sınır şartlarının dalga yansımalarını engellemek için yeterli olacağını belirtmiştir. Bu çalışmada sınır şartları olarak sonsuz zemin bölgesini ayrıklaştırmada zeminin devamlılığını sağlayabilmek için ve sınırlarda dalga yansımalarını önleyebilmek için FLAC 2D içeriğinde bulunan serbest alan (Free-Field) sınır koşulları kullanılmıştır (Şekil 4) λ : En büyük dalga boyu C : Dalga yayılım hızı Kullanılan dalga yayılım hızı en düşük doğal titreşim periyoduna göre C s veya C p olarak alınır. G : Kayma modülü ρ : Birim hacim ağırlığı K + 4G / 3 C p = (6) ρ C S = G / ρ (7) K : Bulk modülü C : P Kayma dalga hızını P C : S Kayma dalga hızını göstermektedir. S Şekil 4: Sismik analiz için serbest alan sınır şartlarında matematik model [11] C. Dalga Yayılımı ve Mesh Aralıkları Nümerik modelde sisteme verilen giriş dalgasının frekans içeriği ve dalga hızının her ikisi de, nümerik dalga iletiminin doğruluğunu etkiler. Kuhlemeyer ve Lysmer yaptıkları çalışmada nümerik modelde dalga yayılımının doğruluğu için elaman boyutu hakkında öneride bulunmuşlardır [12]. Buna göre matematiksel modelde kullanılacak maksimum eleman boyutu giriş dalgasının frekans içeriğinin maksimum değerinin 1/10 undan daha küçük olmak zorundadır. Buna göre; λ : dalga boyu l : En büyük mesh aralığı λ l (4) 10 Sistemin doğal salınım modunun temel frekansına bağlı olarak; C f = (5) λ bulunur. D. Malzeme özellikleri Bu çalışmada zemin özelliklerini modelleyebilmek için özellikle dinamik analiz aşamasında Mohr-Coulomb model kullanılmıştır. E. Sönüm oranı Zeminlerin tekrarlı yükler altında davranışlarını, bir başka ifadeyle dinamik özelliklerini tanımlarken, bunları gerilme şekil değiştirme ve mukavemet özellikleri diye iki gruba ayırabiliriz. Gerilme şekil değiştirme özellikleri olarak genellikle dinamik kayma modülü ve sönüm oranı değerlerinin ve bunların birim şekil değiştirmeye bağlı olarak değişimlerinin bulunması anlaşılır [13]. Bu çalışmada zemin sönüm oranını olarak Local Damping modülü kullanılmış sönüm değeri olarak % 5 alınmıştır. F. Deprem Kaydı Nümerik modelde kullanıla deprem de saat 3.02 İzmit in 11 km güney-doğusunda meydana gelen ve Sakarya havzasında altyapılar dahil büyük hasara neden olan bir yer hareketidir. Depremin moment büyüklüğü M w =7.4 ve yüzey dalgası büyüklüğü M s =7.8 değerleri civarında değişmektedir. Depremin odak derinliğinin km olduğu ve sağ atımlı 120 km civarında bir fay hareketi ortaya çıktığı yapılan incelemelerle belirlenmiştir. Bu çalışmada kullanılan deprem kaydı verileri 17 Ağustos Marmara depremine ait veriler olup, Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesinin Sakarya İstasyonu ndan (SKR) anakaya üzerinden aldığı kayıtlardır. Sakarya deprem istasyonunun kırılmanın olduğu fay a uzaklığı yaklaşık 3.1 km olarak hesaplanmıştır. Maksimum ivme değeri 0.40 g ve zaman aralığı 0.01 saniye olarak kaydedilen deprem 45 saniye sürmüş ve enerji boşalımının % 90 ilk 20.9 saniyede 125

4 Deprem Etkisi Altında Doğalgaz Boru Hatlarının Nümerik Analizi gerçekleşmiştir. Kullanılan deprem kaydı üzerinde Baseline Correction uygulaması yapılmıştır. (Şekil 5). hattı bulunan zemin koşulu için oldukça yüksektir. Çünkü bu değer gömülü boru hattına zarar verebilir. a) b) Şekil 5: a) Nümerik modelde kullanılan deprem kaydı ivmezaman grafiği b) hız- zaman grafiği a) III. NÜMERİK ANALİZ SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ FLAC 2D ile yapılan analiz çalışmaların da birimler kilonewton (kn) ve metre (m) olarak kullanılmış ve sonuçlar bu değerler üzerinden elde edilmiştir. Şekil 6 da FLAC 2D ile kurulan nümerik model ve mesh aralıkları görülmektedir. Kurulan modelde mesh aralığı 1 m x 1 m olarak alınmıştır. b) Şekil 7: Borusuz dinamik analizde tabandan yüzeye a) düşey yer değiştirmenin değişimi b) yatay yer değiştirmenin değişimi Şekil 6: FLAC 2D matematiksel model ve özellikleri. Nümerik analizler çalışmalarında borulu dinamik analizde tabandan yüzeye yatay ve düşey yer değiştirmelerin deprem öncesi statik duruma göre arttığı görülmektedir. Boruludinamik analizlerde dinamik analiz sonundaki deformasyon durumu değişmesine rağmen, deprem süresince en yüksek deformasyon yaklaşık 30 cm olarak hesaplanmıştır (Şekil 8). FLAC 2D ile yapılan analizlerde statik durumda yatay ve düşey yer değiştirmelerin çok düşük değerlerde olduğu belirlenmiştir. Aynı zemin koşullarında yapılan dinamik analiz sonuçları incelendiğinde, yer değiştirmeler için her iki yönde de artış gözlemlenmiştir. Yatay yer değiştirmelerde yaklaşık 16 cm lik bir değişim ölçülmüş olup oturma değerleri incelendiğinde 30 cm lik değerlere ulaşıldığı hesaplanmıştır. (Şekil 7). Bu yer değiştirme değerleri, içerisinde gömülü boru 126

5 S. Fırat, İ. Vural, B. Unutmaz, N. Işık a) b) Şekil 8: Borulu dinamik analizde tabandan yüzeye a) düşey yer değiştirmenin değişimi b) yatay yer değiştirmenin değişimi FLAC 2D analizleri sonucunda elde edilen maksimum düşey yer değiştirme (D.Y.) ve yatay yer değiştirme (Y.Y.) değerleri deprem anında oluşan maksimum yer değiştirme (D.A.) ve deprem sonrasında oluşan kalıcı yer değiştirme (D.S) değerleri karşılaştırmalı olarak Tablo 2 de sunulmuştur. Bu tablodan da anlaşılacağı üzere, gömülü borunun büyük zemin kesiti içinde yatay yer değiştirmelere karşı deprem sırasındaki etkisinin az olmasına rağmen, düşey yer değiştirmeler incelendiğinde boru varlığının oturma değerlerini arttırdığı görülmektedir. D.Y. (cm) Y.Y. (cm) Tablo 2: Borulu-Borusuz Analiz sonuçları. Borusuz Borulu Statik Dinamik Statik Dinamik D.A D.S D.A D.S D.A D.S D.A D.S IV. SONUÇLAR Adapazarı ve çevresi Kuzey Anadolu Fayından dolayı tektonik hareketlilik açısından aktif bir alandır. Bu bölge aynı zamanda alüvyon dolgu zeminde yer alması sebebiyle geçmişte meydana gelen kuvvetli depremlerde büyük yıkımlara uğramıştır. Bölge zeminlerinin jeolojik ve geoteknik özellikleri değerlendirildiğinde, deprem esnasında sıvılaşma ve oturmaya bağlı deformasyonların oluşması bakımından büyük bir potansiyele sahip oldukları görülmektedir. Bu oturma ve yer değiştirmeler, bu zeminlerin üzerinde ya da içerisinde yer alacak mühendislik yapılarının deprem sırasındaki performansını özellikle etkilemekte ve bu yapılar üzerinde ek yüklerin oluşmasına sebep olmaktadır. Boru hatları da bu mühendislik yapıları içinde önemli bir yer kapsamaktadır. Deprem sonrasında çıkan yangınlarla mücadele etmek için su gerektiği gibi, depremi izleyen günlerde de gerek insanların yaşamı gerekse endüstri için petrol, doğal gaz, su ve atık su sistemlerinin işlevselliğini sürdürmesi ya da çok kısa zamanda hizmet verebilmeyi geri kazanması gerekir. Yukarıdaki örneklerden de anlaşılacağı üzere, boru hatlarının deprem öncesinde olduğu kadar deprem sırasında ve sonrasında da fonksiyonlarını devam ettirebilmeleri can ve mal kayıplarının azaltılması ve yaşanabilir ortam koşullarının sağlanmasında temel etkenlerden biridir. Bu nedenle, boru hatlarının deprem sırasındaki performanslarının önceden belirlenebilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada sıvılaşma analizi yapılmamıştır. Yapılan analizlerde gömülü boru hattının büyük zemin kesiti içinde yatay ve düşey yer değiştirmelere bağlı olarak hasar alma ihtimali incelenmiştir. Sonuç olarak, yer hareketine bağlı olarak zemin içinde oluşan yaklaşık 16 cm lik yatay yer değiştirmenin ve 30 cm lik düşey yer değiştirme değerinin zemin kesiti içindeki gömülü boru yapısını deformasyona uğratması beklenmektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışma Sakarya Üniversitesi BAPK tarafından no ile desteklenmiştir. Yazarlar bu destek için teşekkür eder. KAYNAKLAR [1] Selçuk TOPRAK, Koji YOSHIZAKI, Boru Hatlarına Deprem Yüklerinin Etkisi, Beşinci Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, İstanbul, Mayıs [2] Do Hyung Lee, Byeong Hwa Kim, Hacksoo Lee, Jung Sik Kong, Seismic Behavior of a Buried Gas Pipeline Under Earthquake Excitations, Engineering Structures, Vol. 31 pp:1011_1023, [3] Kobayashi, T., Shimamura, K., Oguchi, N., Ogawa, Y., Uchida, T., Kojima, S., Kitano, T., Tamamoto, K., Recommended Practice for Design of Gas Transmission Pipelines in Areas Subject to Liquefaction, Proceedings, International Gas Research Conference, TP-34, Amsterdam, [4] Masuda, T., Kobayashi, T., Yoshizaki, K., Kobayashi, M., Recommended Practice for Design of Gas Transmission Pipelines in 127

6 Deprem Etkisi Altında Doğalgaz Boru Hatlarının Nümerik Analizi Areas Subject to Liquefaction, Proceedings, International Conference on Application and Evaluation of High-Grade Linepipes in Hostile Envrionments, [5] Miki, C., Oguchi, N., Uchida, T., Suganuma, A., Inoue, T., Deformation and Fracture Properties of Straight Steel Pipe with Internal Pressure under Uniaxial Compressive and Bending Load, Proceedings, 12th World Conference on Earthquake Engineering, No. 1433, New Zealand, 2000a. [6] Miki, C., Kobayashi, T., Oguchi, N., Uchida, T., Suganuma, A., Katoh, A., Deformation and Fracture Properties of Steel Pipe Bend with Internal Pressure Subjected to In-Plane Bending, Proceedings, 12th World Conference on Earthquake Engineering, No. 1814, New Zealand, 2000b. [7] Yoshizaki, K., O Rourke, T. D., Hamada, M., Large Scale Experiments of Buried Steel Pipelines with Elbows Subjected to Permanent Ground Deformation, Proceedings, Seventh U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Theme: Urban Earthquake Hazard, No: 217, Boston, MA, U.S.A., [8] Alan F. Rauch, An Emprical Method for Predicting Surface Displacements Due to Liquefaction-Induced Lateral Spreading in Earthquakes, Dissertation Submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in Partial Fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Civil Engineering, [9] [10] Lysmer, J., Kuhlemeyer, R.L., A finite dynamic model for infinite media, Journal of Engineering Mechanics Division, 95, ,1969, [11] FLAC 2D, User s Manual-Fast Lagrangian Analysis of Continua, Itasca Consulting Group, Minnesota, [12] Kuhlemeyer, R. L., and J. Lysmer. Finite Element Method Accuracy for Wave Propagation Problems, J. Soil Mech. & Foundations, Div. ASCE, 99 (SM5), , [13] S. ALTUN, A. ANSAL, Tekrarlı yükler altında kumların gerilme şekil değiştirme özellikleri,itü dergisi/d mühendislik, Cilt:2, Sayı:4, 25-34, Ağustos