Urban earthquake risk assessment of buried gas pipelines

Abstract

İnşaat mühendisliği altyapılarında, sismik eğilimli bölgelerdeki gömülü gaz sürekli boru hatları (BCGP'ler), özellikle gömülü borunun jeoteknik arızalar (örneğin, Dalga yayılımı, heyelan, fay geçişi ve zeminin sıvılaşması) nedeniyle büyük eksenel gerilmeye maruz kalması durumunda, deprem nedeniyle segmentinde veya tüm şebekede sızıntılara veya kırılmalara maruz kalabilir. Mevcut tez, bir deprem sonrasında kentsel ölçekte BCGP'lerin riskini değerlendirmek için bir metodoloji sunmaktadır. Doğu Marmara'da merkez İzmit / Kocaeli bölgelerine sismik tehlike analizi yapılmaktadır. Konu tezinde, klasik olasılıksal sismik tehlike analizi (PSHA) ve Monte Carlos (MC) yöntemi ile PSHA gibi sismik tehlike yöntemleri uygulanmaktadır. Söz konusu bölge için en yüksek yer ivmesi (PGA), en yüksek yer hızı (PGV) ve spektral ivme (Sa) gibi sismik şiddet ölçüleri (IM'ler) tahmin edilmektedir. Bu IM'ler daha sonra BCGP'lerin geçici dalga yayılımı (TWP) ve kalıcı zemin deformasyon tehlikeleri (PGD) nedeniyle oluşan hasarların davranışını analiz etmek için kullanılır. Heyelan ve sıvılaşma üç fazlı (duyarlılık, tetikleme ve PGD) modelleri kullanılarak risk değerlendirmesi tamamlanır. Onarım ve bakım maliyetleri açısından kayıp rakamları, paydaşlar ve ağ yöneticileri için bir karar destekleyici araç olarak türetilmiştir. Ayrıca, 3 boyutlu sonlu elemanlar analizi (FEA), ABAQUS/CAE paketi kullanılarak, 0,5g aralıklarla 0,1g ila 1,5g arasında ölçeklendirilen 10 kuvvetli yer hareketi (SGM) kaydı dikkate alınarak gerçekleştirilir. Maksimum eksenel gerilme, her bir sismik yüke karşı BCGGP'lerde hesaplanır. Sonuçlar, gömülü boruların, sırasıyla yüksek plastik killi, orta kum ve kumtaşına göre gevşek toprakta ilk hasara daha yatkın olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca boru uçları için pimli-pimli sınır koşullarının (BC'ler), pimli-sabit ve sabit-sabit BC'lerden daha yüksek eksenel gerinim kazandığı fark edilir. Ayrıca sığ derinliğe gömülen boruların, derinlere göre daha fazla hasar görme riskinin daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Mevcut tezde benimsenen prosedür, profesyonellere ve ilgili makamlara hızlı araştırma için basit ve ön tasarım yolu sağlar. Kentsel ölçekte yapısal bir sağlık izleme ve karar alma mekanizması geliştirilmiştir. Geliştirilen mekanizma senaryo ve/veya gerçek zamanlı olarak uygulanabilmektedir. Bu projenin geliştirilmesi, bu ülkenin güvenilirlik durumunu bir üst seviyeye çıkaracaktır.In civil engineering substructures, buried continuous gas pipelines (BCGPs) in seismic-prone areas may suffer leaks or breaks of its segment or as the whole network due to an earthquake event, especially if the BCGPs are subjected to large axial strain due to geotechnical failures (e.g., Wave propagation, lateral spreading, fault crossing and liquefaction of soil). The current thesis presents a methodology to evaluate the risk of BCGPs at an urban scale in the aftermath of an earthquake. Seismic hazard analysis is carried in the East Marmara to center Izmit / Kocaeli regions. The analysis is performed by using methods such as classical probabilistic seismic hazard analysis (PSHA), and PSHA with the Monte Carlos (MC) method. Seismic intensity measures (IMs), such as peak ground acceleration (PGA), peak ground velocity (PGV), and spectral acceleration (Sa), are estimated for the subject region. These IMs are then used to analyze the behavior of BCGPs damages due to transient wave propagation (TWP) and permanent ground deformation hazards (PGD). Risk assessment is completed using landslide and liquefaction three phase (susceptibility, triggering and PGD) models. Loss figures in terms of repair and maintenance costs are derived as a decision supporting tool for stakeholders and network managers. Further, 3D finite element analysis (FEA) is carried out using ABAQUS/CAE package considering 10 strong ground motion (SGM) records, that are scaled at 0.1g to 1.5g with an interval of 0.5g. Maximum axial strain is computed in BCGPs against each seismic load. The results reveal that buried pipes are more prone to damage first in loose soil than high plastic clayey, medium sand and sandstone respectively. It is also noticed that pinned-pinned boundary conditions (BCs) for pipe ends gain higher axial strain than the pinned-fixed, and fixed-fixed BCs. It is observed that pipes buried at shallow depth are at higher risks to damage first than the deep ones. The procedure adopted in current thesis provide a simple and preliminary design path to the professionals and the concerned authorities for quick investigation. A structural health monitoring and decision-making mechanism is developed at urban scale. The developed mechanism can be implemented in the scenario and / or real-time. The development of this project will increase the reliability status of this country to a higher level.