Πειραματική και αριθμητική αξιολόγηση της απόκρισης χαλύβδινων σωλήνων με και χωρίς εύκαμπτους κόμβους υπό εγκάρσια επιβαλλόμενη μετακίνηση - Μπαχάς, Κωνσταντίνος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών, 2016)
Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η αποτελεσματικότητα της χρήσης εύκαμπτων κόμβων σε υπόγειους μεταλλικούς αγωγούς υπό εγκάρσια επιβαλλόμενη μετακίνηση μέσω πειραματικών δοκιμών και αριθμητικής προσομοίωσης. Η ενδεχόμενη ενεργοποίηση ενός σεισμικού ρήγματος από το οποίο διέρχεται ο υπόγειος αγωγός οδηγεί σε μεγάλες επιβαλλόμενες μετακινήσεις, τις οποίες ο αγωγός αναγκάζεται να ακολουθήσει αναπτύσσοντας μεγάλη ένταση που ενδέχεται να οδηγήσει σε αστοχία. Η τοποθέτηση εύκαμπτων κόμβων στον αγωγό μεταξύ των χαλύβδινων τμημάτων στοχεύει στη συγκέντρωση των αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων στους κόμβους, ώστε τα τμήματα του αγωγού να παραμένουν σχεδόν ευθύγραμμα, αναπτύσσοντας πολύ μικρή ένταση. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται εισαγωγικά στοιχεία για τους υπόγειους μεταλλικούς αγωγούς. Αρχικά γίνεται αναφορά στις δράσεις που αναπτύσσονται (σεισμικές και μη σεισμικές) και στα συνήθη μέτρα προστασίας που εφαρμόζονται έναντι διάρρηξης ρήγματος. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται γενικές πληροφορίες για τους εύκαμπτους κόμβους και συγκεκριμένα για τους κόμβους τύπου bellow που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Τέλος, παρατίθενται τα κριτήρια εφελκυστικής και θλιπτικής αστοχίας αγωγών υπό μεγάλες παραμορφώσεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο σχεδιασμός των πειραματικών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν. Οι πειραματικές δοκιμές αφορούν σωλήνες υπό εγκάρσια μετακίνηση χωρίς περιβάλλον έδαφος και στοχεύουν στην προσομοίωση της παραμόρφωσης αγωγού υπό διάρρηξη ρήγματος. Τα τέσσερα δοκίμια αγωγών που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα (τρία συνεχή και ένα με κόμβους) περιγράφονται αναλυτικά ως προς τη γεωμετρία και τον τρόπο κατασκευής τους. Περιγράφεται επίσης το πλαίσιο δοκιμών στο οποίο πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα. Επιπλέον, παρουσιάζονται αναλυτικά όλα τα μετρητικά όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τον ποσοτικό προσδιορισμό της απόκρισης των αγωγών κατά την επιβολή της εγκάρσιας μετακίνησης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εφελκυσμού σε δοκίμια μονοαξονικού εφελκυσμού για τον προσδιορισμό της ποιότητας του χάλυβα. Ακολούθως, οι εύκαμπτοι κόμβοι υποβλήθηκαν μεμονωμένα σε δοκιμές εφελκυσμού και κάμψης με σκοπό τον υπολογισμό της αντίστοιχης δυσκαμψίας τους. Έπειτα, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών στους τέσσερις αγωγούς και ειδικότερα η απόκριση των δοκιμίων μέσω του δρόμου ισορροπίας δύναμης - μετακίνησης. Επιπλέον, παρουσιάζεται η εξέλιξη των παραμορφώσεων που καταγράφηκαν από strain gauges συναρτήσει της επιβαλλόμενης μετακίνησης. Συγκριτικά αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών και εξαγωγή συμπερασμάτων παρουσιάζεται στο τέλος. Στο τέταρτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η βαθμονόμηση αριθμητικών προσομοιωμάτων με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα. Ειδικότερα, εξετάζονται εναλλακτικές αριθμητικές προσεγγίσεις, με χρήση τόσο στοιχείων δοκού, όσο και επιφανειακών στοιχείων. Διερευνήθηκε η επιρροή παραμέτρων, όπως η σύνδεση του δοκιμίου με το πλαίσιο δοκιμών, η προσομοίωση με γραμμικά ή επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία, καθώς και η επιρροή των παραμενουσών τάσεων λόγω της διαμήκους συγκόλλησης των εν ψυχρώ διαμορφωμένων δοκιμίων. Η βαθμονόμηση των προσομοιωμάτων ανέδειξε ότι η σύνδεση των δοκιμίων στο πλαίσιο δοκιμών δύναται να θεωρηθεί πάκτωση. Για τα συνεχή δοκίμια απαραίτητη είναι η αριθμητική προσομοίωση με επιφανειακά στοιχεία προκειμένου να ληφθούν υπόψη οι παραμένουσες τάσεις. Αντιθέτως, στην αριθμητική προσομοίωση του δοκιμίου με κόμβους επαρκεί η προσομοίωση με γραμμικά στοιχεία. Ειδικότερα, οι εύκαμπτοι κόμβοι προσομοιώνονται με μετακινησιακά και στροφικά ελατήρια. Τα αριθμητικά αποτελέσματα σε όρους δρόμους ισορροπίας δυνάμεων και παραμορφώσεων συγκρίνονται με τα πειραματικά και διαπιστώνεται ικανοποιητική σύγκλιση. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την πειραματική και αριθμητική αξιολόγηση της χρήσης εύκαμπτων κόμβων σε υπόγειους αγωγούς. Διαπιστώθηκε ότι η εισαγωγή κόμβων συμβάλει δραστικά στη μείωση της αναπτυσσόμενης έντασης και στην αποτελεσματική προστασία του αγωγού. Επιπλέον διαπιστώθηκε ότι η συμπεριφορά του δοκιμίου με κόμβους ήταν γραμμική και ελαστική σε αντίθεση με τα συνεχή δοκίμια, των οποίων η συμπεριφορά ήταν μη-γραμμική με ανάπτυξη πλαστικών αρθρώσεων στις θέσεις μέγιστης έντασης.