Παραμετρική αξιολόγηση αγωγών με εύκαμπτους κόμβους: Διασταυρώσεις με ρήγματα οριζόντιας ολίσθησης - Ιωάννου, Μαριάνα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, 2015)
Οι σεισμικά επιβαλλόμενες μόνιμες εδαφικές μετακινήσεις, όπως αυτές που προκαλούνται από τη διάρρηξη ενεργών ρηγμάτων, την οριζόντια εξάπλωση ρευστοποιημένων εδαφών ή τις κατολισθήσεις (κυκλικές ή επίπεδες εδαφικές αστοχίες), αποτελούν ίσως το πιο σοβαρό κίνδυνο που αντιμετωπίζουν οι υπόγειοι αγωγοί μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι οι αγωγοί είναι γραμμικές κατασκευές πολύ μεγάλου μήκους και κατά συνέπεια, είναι σχεδόν αδύνατο η χάραξη τους να μη διασχίζει ρηξιγενείς ζώνες ενεργών ρηγμάτων ή περιοχές με πιθανές εδαφικές αστοχίες (κατολισθήσεις, οριζόντια εξάπλωση), ενώ οι μετακινήσεις αυτές είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που προκαλούνται από τη σεισμική δόνηση. Από τις διάφορες αιτίες μόνιμων εδαφικών μετατοπίσεων, η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εστιάζει στο σχεδιασμό υπόγειων αγωγών έναντι μετατοπίσεων που οφείλονται σε διάρρηξη ενεργών ρηγμάτων, διότι είναι οι μοναδικές που δεν μπορούν να αποφευχθούν αντιμετωπίζοντας τις ίδιες τις αιτίες της αστοχίας (π.χ. με τοπική βελτίωση ή ενίσχυση των εδαφών, εφαρμογή δικτύου αποστράγγισης, εφαρμογή μεθόδου αντιστήριξης, κτλ), αλλά πρέπει να αναληφθούν από τον σχεδιασμό του ίδιου του αγωγού. Ο παραμορφωμένος φορέας μετά τη διάρρηξη ενός αγωγού που διασταυρώνεται με τυχαία κλίση με ένα ρήγμα οριζόντιας ολίσθησης, παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Οι συνήθεις «συμβατικές» μεθοδολογίες για την αντιμετώπιση μόνιμων εδαφικών μετακινήσεων λόγω διάρρηξης ενεργών ρηγμάτων μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα με το αν ο κύριος μηχανισμός με τον οποίο προσπαθούν να περιορίσουν την επιβαλλόμενη παραμόρφωση στον αγωγό, αποσκοπεί στην απομείωση της τριβής μεταξύ εδάφους και αγωγού (π.χ. χρήση επιστρώσεων-γεωυφασμάτων, επίχωση με ελαφρόπετρα), στην ενίσχυση του αγωγού (π.χ. αύξηση πάχους τοιχώματος αγωγού ή αλλαγή είδους χάλυβα) ή στην απομείωση/μηδένισμό των επιβαλλόμενων περιορισμών σε εγκάρσιες μετατοπίσεις του αγωγού στην περιοχή της διάρρηξης (π.χ. διεύρυνση τάφρου, κατασκευή εξωτερικά υπόγειου κιβωτίου από Οπλισμένο Σκυρόδεμα). Όμως όλες οι εφαρμοζόμενες «συμβατικές» μέθοδοι, με εξαίρεση την κατασκευή εξωτερικού περιβλήματος, είναι εν γένει αποτελεσματικές για μικρές έως μεσαίες μετατοπίσεις του ρήγματος (μέχρι 2.5-3.0 διαμέτρους του αγωγού). Εξαίρεση αποτελεί η μέθοδος κατασκευής ενός «θυσιαζόμενου» εξωτερικού περιβλήματος από σκυρόδεμα (culvert), το κόστος όμως της οποίας αυξάνεται υπέρμετρα καθώς μεγαλώνει η αναμενόμενη μετακίνηση του ρήγματος. Έχοντας υπόψη τα ανωτέρω, μελετάται στον Τομέα Γεωτεχνικής του ΕΜΠ μελετήθηκε ο εναλλακτικός σχεδιασμός αγωγών σε περιοχές μεγάλων εδαφικών μετακινήσεων, με χρήση εύκαμπτων κόμβων, μέσω αριθμητικών αναλύσεων και πειραμάτων μικρής κλίμακας. Στα πλαίσια αυτής της ερευνητικής προσπάθειας αναπτύχθηκε και μία νέα αναλυτική μεθοδολογία για την εκτίμηση της επιρροής των εύκαμπτων κόμβων στα εντατικά μεγέθη που αναπτύσσονται στον αγωγό. Στο πλαίσιο της ανωτέρω ευρύτερης ερευνητικής προσπάθειας, στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, έγινε παραμετρική διερεύνηση και αξιολόγηση της ακρίβειας της προτεινόμενης αναλυτικής μεθοδολογίας για αγωγούς με εύκαμπτους κόμβους που διασχίζουν ρήγματα οριζόντιας ολίσθησης. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε και οικονομοτεχνική αξιολόγηση της εν λόγω μεθόδου σχεδιασμού έναντι των «συμβατικών» μεθόδων, προκειμένου να ορισθούν οι συνθήκες εφαρμογής της στην πράξη. Από την εκτενή σύγκριση με αριθμητικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν γίνεται φανερό ότι η προτεινόμενη αναλυτική μεθοδολογία προσεγγίζει ικανοποιητικά το μηχανισμό του φαινομένου και δίνει αξιόλογα αποτελέσματα για σχεδόν το σύνολο των περιπτώσεων που εξετάστηκαν. Επιπροσθέτως, μέσα από την εποπτική σύγκριση των αποτελεσμάτων των αναλυτικών και αριθμητικών επιλύσεων και των σχετικών σφαλμάτων κάθε μεγέθους, καθορίστηκαν τα παρακάτω όρια εφαρμογής της προτεινόμενης αναλυτικής μεθοδολογίας: • Κατακόρυφη μετατόπιση ρήγματος μεγαλύτερη από μιάμιση φορά τη διάμετρο του αγωγού (Df>2D) • Γωνία διασταύρωσης με το ρήγμα μεγαλύτερη ή ίση των 60ο. Διευκρινίζεται ότι τα προαναφερθέντα όρια δεν αποτελούν πρακτικό περιορισμό στην χρήση της αναλυτικής μεθοδολογίας, δεδομένου ότι η χρήση εύκαμπτων κόμβων μας ενδιαφέρει για περιπτώσεις μεγάλων εδαφικών μετακινήσεων (>2.5-3.0D), ενώ όταν ο αγωγός διασταυρώνεται με το ρήγμα υπό μικρή γωνία, η χρήση κόμβων δεν ενδείκνυται, εφόσον οι παραμορφώσεις στον αγωγό οφείλονται κατά κύριο λόγο από τις αξονικές μετατοπίσεις και η χρήση στροφικών κόμβων δεν απομειώνουν ουσιαστικά τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις. Από την οικονομοτεχνική σύγκριση μεταξύ της προτεινόμενης μεθόδου σχεδιασμού με εύκαμπτους κόμβους με τις «συμβατικές» μεθόδους, διαπιστώθηκε ότι για να έχει τη μέγιστη αποτελεσματικότητα η χρήση εύκαμπτων κόμβων, ο αγωγός πρέπει να τέμνει κάθετα το ρήγμα. Επιπροσθέτως, διαπιστώθηκε ότι η χρήση τους είναι ευνοϊκή για τον αγωγό και απομειώνει τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις κάτω από το θεμιτό όριο του 0.5% ακόμα και για μετατοπίσεις έως 3.3D όταν τέμνει τον αγωγό υπό κλίση 60ο, και έως 10D, για την περίπτωση κάθετης τομής. Κατά συνέπεια η μέθοδος αυτή έχει τη μεγαλύτερη ευμενή επιρροή από όλες τις «συμβατικές» μεθόδους, πλην του εξωτερικού περιβλήματος (culvert). Αναφορικά με το κόστος, η χρήση εύκαμπτων κόμβων είτε ανά 6m είτε ανά 8m αποτελεί ναι μεν ακριβότερη λύση για μεσαίες μετατοπίσεις από τη χρήση ελαφρόπετρας ή την αύξηση του πάχους του αγωγού, όμως αυτές οι μέθοδοι έχουν όριο εφαρμογής περί τα 3.5D. Επιπροσθέτως η χρήση εύκαμπτων κόμβων είναι στην πλειοψηφία των περιπτώσεων φθηνότερη της κατασκευής εξωτερικού περιβλήματος (culvert), ενώ κατασκευαστικά δεν χρειάζεται καμία πρόσθετη πρόβλεψη εφόσον οι κόμβοι απλά συγκολλούνται στις προβλεπόμενες θέσεις, όπως τα υπόλοιπα τμήματα του αγωγού. Συνοψίζοντας, καταλήγουμε ότι για την περίπτωση κάθετης διασταύρωσης με το ρήγμα, η αύξηση του πάχους του τοιχώματος του αγωγού ενδείκνυται για επιβαλλόμενες μετατοπίσεις df ≤ 3.0D, όπου D είναι η διάμετρος του αγωγού. Η χρήση εύκαμπτων κόμβων αποτελεί την πιο αποτελεσματική και συμφέρουσα λύση για μεγαλύτερες επιβαλλόμενες μετατοπίσεις 3.5D < df ≤ 10D, ενώ, για ακόμη μεγαλύτερες επιβαλλόμενες μετατοπίσεις df > 10D συστήνεται η προστασία του αγωγού από υπόγεια κιβώτια (culvert) οπλισμένου σκυροδέματος. Για την περίπτωση διασταύρωσης υπό γωνία, η αύξηση του πάχους του τοιχώματος του αγωγού ενδείκνυται για επιβαλλόμενες μετατοπίσεις df ≤ 3.0D, όπου D είναι η διάμετρος του αγωγού, ενώ για μεγαλύτερες μετατοπίσεις η χρήση ελαφρόπετρας αποτελεί τη βέλτιστη λύση, αφού μειώνει επαρκώς τις παραμορφώσεις και κοστίζει λιγότερο.