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 έναν από τους πλέον σοβαρούς κινδύνους που αντιμετωπίζουν οι υπόγειοι αγωγοί μεταφοράς πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι (α) 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), και (β) οι μετακινήσεις αυτές είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που προκαλούνται από τη σεισμική δόνηση και επιπλέον είναι μόνιμες.

 

Από τις διάφορες αιτίες μόνιμων εδαφικών μετατοπίσεων, η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εστιάζει στο σχεδιασμό υπόγειων αγωγών έναντι μετατοπίσεων που οφείλονται σε διάρρηξη ενεργών ρηγμάτων. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτών των μετατοπίσεων είναι ότι 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 κανονικό ρήγμα, 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 τον κύριο μηχανισμό με τον οποίο προσπαθούν να αποτρέψουν την επιβαλλόμενη παραμόρφωση στον αγωγό:

(α) μείωση της πλευρικής τριβής μεταξύ του αγωγού και του εδάφους (π.χ. χρήση επιστρώσεων-γεωυφασμάτων, επίχωση με ελαφρόπετρα)

(β) ενίσχυση της ικανότητας του ίδιου του αγωγού να αναλάβει τις επιβαλλόμενες μετατοπίσεις (π.χ. αύξηση πάχους τοιχώματος αγωγού ή αλλαγή του είδους του χάλυβα) και

(γ) μείωση της αντίδρασης του εδάφους επί των εγκάρσιων μετατοπίσεων του αγωγού στην περιοχή της διάρρηξης (π.χ. διεύρυνση τάφρου, κατασκευή εξωτερικά υπόγειου κιβωτίου από Οπλισμένο Σκυρόδεμα).

Σχήμα 1: Παραμορφωμένη κατάσταση αγωγού που διασταυρώνεται με το ίχνος κανονικού ρήγματος

Όλες όμως οι ανωτέρω μέθοδοι μπορούν να εφαρμοστούν για μικρές έως μεσαίες μετατοπίσεις του ρήγματος, δηλαδή έως 1.5-2.0 διαμέτρους του αγωγού. Εξαίρεση αποτελεί η κατασκευή εξωτερικού περιβλήματος από σκυρόδεμα (culvert), η οποία όμως είναι μία ακριβή μέθοδος, της οποίας το κόστος εκτοξεύεται καθώς μεγαλώνει η αναμενόμενη μετακίνηση του ρήγματος. Έχοντας υπόψη τα ανωτέρω, μελετάται στον Τομέα Γεωτεχνικής του ΕΜΠ ο εναλλακτικός σχεδιασμός αγωγών σε περιοχές μεγάλων εδαφικών μετακινήσεων, με χρήση εύκαμπτων κόμβων, μέσω αριθμητικών αναλύσεων και πειραμάτων μικρής κλίμακας. Στα πλαίσια αυτής της ευρύτερης 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 ορθής διάρρηξης. 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 τη διάμετρο του αγωγού (Δz>D)

                 ·         Απόσταση μεταξύ διαδοχικών κόμβων μικρότερη των 12m.

 

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 (>D), ενώ η τοποθέτηση τους σε αραιή διάταξη (L≥12m) δεν απομειώνει ουσιαστικά τις αναπτυσσόμενες παραμορφώσεις στον αγωγό και κατά συνέπεια δεν έχει νόημα να εφαρμόζεται.

 

Από την οικονομοτεχνική σύγκριση μεταξύ της προτεινόμενης μεθόδου σχεδιασμού με εύκαμπτους κόμβους με τις «συμβατικές» μεθόδους, 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, έχοντας έτσι 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 μεγάλες μετατοπίσεις από τη χρήση ελαφρόπετρας ή την αύξηση του πάχους του αγωγού, όμως αυτές οι μέθοδοι έχουν όριο εφαρμογής τα 2D.  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 η αύξηση του πάχους του τοιχώματος του αγωγού ενδείκνυται για επιβαλλόμενες μετατοπίσεις d_f  ≤ 1.5D, όπου D είναι η διάμετρος του αγωγού, ενώ για 1.5D < d_f ≤ 2.0D συνιστάται η χρήση ελαφρόπετρας. Η χρήση εύκαμπτων κόμβων αποτελεί την πιο αποτελεσματική και συμφέρουσα λύση για μεγαλύτερες επιβαλλόμενες μετατοπίσεις 2.0D < d_f ≤ 3.5D, ενώ, για ακόμη μεγαλύτερες επιβαλλόμενες μετατοπίσεις d_f > 3.5D συστήνεται η προστασία του αγωγού από υπόγεια κιβώτια (culvert) οπλισμένου σκυροδέματος.