Transverse displacements of buried pipelines subjected to external loading
Abstract
Denne hovedoppgaven undersøker effektene av en ekstern last på nedgravede rør. Fokuseter på forsyvninger på langs av røret. Numeriske og eksperimentelle forsøk er utført, ogresultatene are sammenlignet med en ny anaytisk løsning laget av oppgavens eksterneveileder. En rekke beregningsmodeller er tilgjengelig i vitenskapelig literatur, men deinvolverer hovesakelig forskyvninger som følge av tunnelutbygging. Literaturstudiet i denneoppgaven introduserer derfor de viktigste bergningsmodellene for forskyvninger over entunnel og laster generelt. I 2018 utledet Klar en elastisk kontinuum løsning med Fourierserier. Denne løsninger tillater både forskyvninger som følge av tunnelutbygging eller enhvilken som helst tilfeldig last. Rørlinjenes respons kan til slutt beskrives med en romligfrekvens avhengig stivhet istedenfor den konstante stivhetskoeffisienten man typisk fra denmye brukte Winkler-modellen.
Rørlinjene blir påført en punklast i denne oppgaven. Dette første til oppløfting og envariabel forskyvningsprofil på langs med rører som ble målt med Particle Image Velocimetry(PIV). Eksperimentelle forsøk prøver å dra rørlinjene ut av grunnen og bilder er tattkontinuerlig med økende last. I tillegg til å undersøke den elastiske kontinuum løsningen,blir resultatene også sammenlignet med en rekke beregningsformler for uttrekning av rør ogden maksimale mobiliseringsdistansen. Samtlig beregningsformler antar at rører erubøyelige i lengderetning, men situasjonen med en punklast og en variabelforskyvingsprofile forekommer ofte i felten. Testene indikerer hvor godtberegningsformelene fungerer for et rør som ikke har variabel forsyvning i lengderetning.Den numeriske studien dreier seg kun om elastiske deformasjoner i løsmassen fordi dette ernødvendig i den elastisk kontinuerlig løsningen. En romlig frekvens avhengighet ble etablertbasert på de numeriske modellene og verdiene var i overensstemmelse med teoretiskanalytiske beregninger. Dette viser at Winkler-modellen mister informasjon når stivhetenblir bestemt. Målinger fra eksperimentelle forsøk med tøyninger som overstiger terskelenfor lineær oppførsel i løsmasser viser at stivheten blir konstant med romlig frekvens og er isamme størrelsesorden som Winkler-modellen.
Et nytt eksperimentelt oppsett ble designet som en del av hovedoppgaven. Modellen erlaget for eksperimenter i sentrifugen men de fleste eksperimentene ble utført uten atsentrifugen ble akselerert. Eksperimentene i 1g er ment som konseptbevis, men resultateneer analysert fra disse. Designet av sentrifugemodellen er dokumentert i denne oppgaven.Fremtidige prosjekter kan henvise til dette dokumentet hvis hele modellen eller deler avkomponentene brukes. Pilottester viste at modellen har enkelte problemer i centrifugen.Nødvendig forbedringer til modellen er gitt i slutten av oppgaven. This thesis investigates the effects of an external load on buried pipelines. The focus is ontransverse, vertical displacements of the pipeline itself. Experimental and numerical studiesthe pipeline response and compares the results to a new analytical solution developed bythe supervisor of this thesis. Several prediction models for transverse displacements ofpipelines have been developed; most of them concern the response to tunnel induceddisplacements. Therefore, the literature review in this thesis presents the history of tunnelinduced pipeline displacements before tying it in with general external loads. In 2018, Klar(2018) presented an elastic continuum solution using Fourier expansion. This allows theinput of tunneling-induced Greenfield displacements or any arbitrary load. The pipelineresponse can ultimately be described using a spatial frequency-dependent stiffness ratherthan a constant stiffness seen in the commonly used Winkler-model.
In this thesis, a point load is applied to the pipelines. This caused uplift and transversedisplacements of the pipeline, which has been measured using particle image velocimetry.The experiments are effectively attempting to pull the pipeline out of the soil, but imagesare taken continuously to get the response with increasing loads. In addition to thecontinuum solution, prediction formulas for the pullout response of pipes are investigated.Pullout capacity and maximum mobilization distance the experiments are compared to thepredicted values. All of these formulas assume a perfectly rigid pipe, but the point loadsituation and transverse deflection profile of this pipe commonly occur in the field. The testsestablish the validity of current practices for estimating the pullout response of a pipe. Thenumerical study only concerns linear elastic strains as the elastic continuum solution worksin the linear-elastic range of the soil. A spatial frequency dependency for the stiffness wasestablished from the numerical studies, and the values are in good agreement with theelastic continuum solution. This shows that the stiffness in the commonly used Winklermodel is missing information on the soil-structure response. Measurements from theexperiments with strains exceeding the linear threshold indicate that the spatial frequency-dependent stiffness reverts to a constant and is in the same range as the Winkler-model.More tests are needed to confirm this.
A new experimental set up was designed for this thesis. The model is intended forcentrifuge experiments, but three out of four experiments are not carried out during flight.The 1g experiments are both intended as a proof of concept, but the results are alsoanalyzed. The design of the centrifuge model is documented in this thesis. Future projectscan refer to this document if the setup or one of its components are used. The pilot testsshow that the model had some issues during flight. Necessary improvements to the set upare also given.