Лекции по "Сейсмике"

- Городские сети  с большим количеством разветвлений, подсоединений и т.д. сооружаются  из труб малого диаметра (т.е.  трубопроводы  малого диаметра  имеют большую протяженность;

- Степень защемления  в грунте трубопроводов малого  диаметра гораздо более высокая,  чем трубопроводов диаметром  более 300мм.

2.4  Зависимость повреждаемости трубопроводов от их ориентации в пространстве.

Реакция трубопровода и особенности его разрушения (или неразрушения) существенно зависят  от их ориентации трубопровода по отношению  к направлению распространения  сейсмических волн. Наибольшие повреждения трубопроводов (прежде всего подземных) происходят в тех случаях, когда направление трассы трубопровода совпадает с направлением сейсмического воздействия (с вектором сейсмической деформации в грунтовой толще). Если продольная ось подземных трубопроводов (даже больших диаметров) перпендикулярна направлению вектора сейсмического воздействия, повреждения незначительные. На надземных системах в таких случаях возможны значительные смещения трубопроводов на опорах и даже их разрушение или сброс с опор. После землетрясения значительные деформации в толще грунтового массива, на поверхности земли имеются трещины. Большее количество разрывов труб по кольцевому сечению от действия продольных сил имеется на трубопроводах, трасса которых параллельна направлению сейсмического воздействия (зависимость от действия значительных растягивающих и сжимающих сил после землетрясения).

2.5  Влияние  заглубления подземного трубопровода  на его сейсмостойкость.

Заглубление трубопровода сказывается на его сейсмостойкость. С увеличением глубины сейсмическое ускорение и смещение частиц грунта в волне будут снижаться. Трубопроводы деформируются совместно с грунтовым  массивом почти как единое целое (чем плотнее грунт, тем большая  степень совместного деформирования), квазистатическое нагружение трубопровода. Необходимо учитывать конкретные условия, где можно установить пути снижения аварийности трубопроводов. Повышение  сейсмостойкости по мере заглубления трубопровода связано не столько с затуханием сейсмических колебаний по мере заглубления, сколько с уменьшением осадок грунтового основания, вызванных сотрясением (при вертикальном воздействии). При определении необходимого заглубления трубопровода следует учитывать ряд технологических и эксплуатационных требований, технические возможности землеройных машин, темпы и сроки строительства. Роторные экскаваторы могут отрывать траншею глубиной до 3м. Изменение глубины заложения от 1 до 2,5м (что реально возможно) приведет к снижению сейсмического ускорения на 19%, однако при этом возрастет степень защемления трубопровода в грунте. Установить, во всех ли случаях увеличение заглубления в указанных пределах будет способствовать повышению сейсмостойкости трубопровода.

2.6  Систематизация  повреждений трубопроводов для  оценки сейсмичности площадки  строительства.

Все трубопроводы делятся на 4 группы (по «схожести» их работы при сейсмических воздействиях):

Группа А - а/ц  и керамические подземные трубопроводы с раструбными или муфтовыми (нежесткими) стыками;

Группа Б –  ж/б, чугунные и пластмассовые (из нехрупких  пластмасс) подземные трубопроводы с раструбными или муфтовыми (нежесткими) стыками;

Группа В – подземные стальные трубопроводы со сварными или фланцевыми стыками, подземные пластмассовые (из нехрупких пластмасс, например, из полиэтилена) со сварными или другими жесткими стыками;

Группа Г -  надземные  стальные и пластмассовые (из нехрупких  пластмасс) трубопроводы со сварными стыками, уложенные на рамные или стоечные опоры (например, из ж/б или стальных свай-стоек) и на массивные ж/б (бетонные, каменные) опоры.

Рекомендуется следующая  классификация повреждений трубопроводов:

Легкие – практически не приводят к нарушению нормальной эксплуатации трубопровода:  а) на подземных небольшие подвижки и деформации, несквозные трещины в местах заделки и на стыках до 0,2мм; б) на надземных перекос опор, трещины до 0,3мм.

Средние – допускается  эксплуатация только в аварийной  ситуации и требуется ремонт (без разрывов ,но сзначительными деформациями труб с искривлением нитки, сброс с опор без разрывов).

Тяжелые – разрушения, эксплуатация невозможна. Отдельные  участки трубопроводов, имеющих  тяжелые повреждения, вырезают, демонтируют, переукладывают, вновь собирают в  нитку. На подземных разрывы, сквозные трещины и переломы труб, сброс  с опор и разрушение опор.

Группа -  к которой  отнесены трубопроводы, не получившие каких-либо повреждений. Условно разделены  на группы:

Редкие случаи -  одно-два повреждений на 1км трассы;

Отдельные случаи -  более двух, но менее пяти повреждений;

Частые случаи – более пяти, но менее десяти повреждений;

Массовые случаи – более десяти повреждений.

Систематизация  признаков состояния трубопроводов  при сейсмических воздействиях 6-12 баллов:

- 6 баллов - небольшие смещения на опорах, перекосы стоек- опор;

- 7 баллов – в отдельных случаях плавное искривление в плане продольной оси надземных стальных (гибких) трубопроводов Д=100-150мм. Перемещение их на опорах без разрушения, трещины на опорах. Массовое разрушение нежестких стыков ж/б, а/ц и керамических трубопроводов. Повреждения грунтовых насыпей над наземными трубопроводами;

- 8 баллов – образование трещин в ж/б опорах, значительные повреждении опор надземных трубопроводов. Перекосы, проседания и падение опор-стоек неглубокого заложения, сброс с опор, искривление вдоль оси надземных и открытых наземных гибких стальных трубопроводов. Разрушения нежестких стыков. Гофрообразование на стенках труб. Разрушение городских сетей подземных со сварными трубами. Разрушения грунтовых насыпей над наземными трубопроводами.

-  9 баллов – тоже самое, только более массовое разрушение, чем при 8баллах, опор-стоек, насыпей, городских сетей.

- 10 баллов – массовые разрушения всех типов трубопроводов магистральных и городских со сварными стыками, повреждения наземных стальных трубопроводов.

- 11 баллов – полное разрушение надземных, массовые разрушения подземных, значительные повреждения наземных трубопроводов.

- 12 баллов – полное разрушение надземных, повреждения и разрушения практически всех подземных, массовые повреждения наземных трубопроводов.

Приложения:  №1 табл.2.1 Характерные повреждения при сейсмических воздействиях.

№2 табл. 2.3 Степень и частота повреждений трубопроводов, проложенных в различных грунтовых условиях.

4.1. ОЦЕНКА "ИНЖЕНЕРНОГО  РИСКА" ПРИМЕНИТЕЛЬНО К   МАГИСТРАЛЬНЫМ ТРУБОПРОВОДАМ

(ВЕРОЯТНОСТНАЯ  ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ  ВОЗДЕЙСТВИЯХ)

Требования сейсмостойкости  трубопроводов обусловлены прежде всего необходимостью обеспечения  эксплуатации основ¬ных конструкций  трубопроводных систем во время землетря¬сения и в течение определенного  последующего периода без проведения каких-либо крупных ремонтных работ. Определив сейсмические нагрузки, практически  всегда можно создать конструкцию, способную без всяких повреждений  выдерживать сильные землетрясения, но стоимость таких конструкций  может быть весьма велика. В связи  с этим необходимо найти некото¬рые оптимальные решения, обеспечивающие определенный уро¬вень сейсмостойкости  трубопроводов, что позволит осуществ¬лять  их эксплуатацию в аварийных ситуациях  и будет препятст¬вовать появлению  тех или иных повреждений.

По-видимому, можно  допускать в конструкциях трубопрово¬дов при сейсмических воздействиях некоторые  остаточные де¬формации или смещения самого трубопровода, деформации эле¬ментов опор, образование трещин в теле бетонных и железобе- , тонных фундаментов  и т.д. Но при этих повреждениях не должна прекращаться эксплуатация трубопровода.

Как и при оценке надежности любых конструкций, здесь  возникает и другой вопрос: что  экономически целесообраз¬нее - заранее  усилить конструкции трубопровода или нести по¬том (может быть) определенные затраты на восстановление, компенсировать из резерва недопоставленный продукт, время простоя предприятия  и т.д.? Таким образом, ставится еще  одна задача — определить допустимый уровень повреждений трубо¬проводов с учетом затрат на проведение ремонтно-восстанови-тельных  работ и компенсационных затрат. И все это - при не:определенности возникновения в этом районе землетрясения  в период срока службы сооружения, при отсутствии увереннос¬ти в том, что землетрясение будет иметь  определенную силу и эпицентр его  будет находиться достаточно близко от данного трубопровода. В этом случае даже задача о надежности сооруже¬ния  с чисто экономической ответственностью будет решаться в условиях значительной неопределенности исходных факторов.

В опубликованных в последние годы материалах, в  том числе в СНиП П-7-81, приводятся данные о повторяемости землетрясе¬ний определенной силы для различных  районов, некоторые количественные оценки, коэффициенты для введения в рас¬четные формулы с целью  увеличения расчетных сейсмических нагрузок и повышения, таким образом, сейсмостойкости кон¬струкции. Однако и эти сведения полностью не устраивают име¬ющиеся неопределенности.

По-разному должен решаться и вопрос обеспечения степени  надежности различных трубопроводов. Если при расчете некото¬рых местных  трубопроводных сетей, при повреждении  которых не возникнут пожары, не прекратится снабжение газом, водой  и пр. районов, пострадавших от землетрясения, следует приме¬нять сравнительно невысокие  значения коэффициентов запаса, то для жизненно важных трубопроводов  и трубопроводных сетей эти коэффициенты должны быть достаточно большими. Как  известно, разрушение и прекращение эксплуатации систем жизнеобеспечения (в том числе водопроводов) в Сан-Фернан¬до в 1971 г. или в Мехико в 1985 г. привели к тяжелым послед¬ствиям. Из-за повреждений водопроводной сети было затрудне¬но тушение пожаров, многие из которых возникли из-за разры¬вов трубопроводов.

Весь круг рассмотренных  задач объединяется в единую проб¬лему, называемую проблемой "инженерного  риска" в сейсми¬ческом строительстве. Исследованию этой проблемы в послед¬ние годы посвящен ряд работ в СССР (В.В. Болотин, И.П. Голь-денблат, СВ. Поляков, Ш.Г. Напетваридзе), США (Дж. Уиг-гинс, О'Коннер, Р.В. Уитмен, С.А. Корнелл) и других странах [5, 12, 16,21].

В ряде работ американских специалистов (Дж. Уиггинс и др.) выдвигается  принцип так называемого сбалансированного  риска, эквивалентного понятию "инженерный риск", основан¬ного на сопоставлении  возможного риска гибели людей в  резуль¬тате землетрясения с  риском гибели людей при автомобильных  катастрофах, вследствие несчастных случаев  на производстве, в общественных местах и дома, т.е. со всеми видами риска, которому каждый из нас подвергается ежедневно и уровень которого достаточно постоянен.

Применительно к  трубопроводам можно утверждать: чем больше протяженность трубопровода, проходящего в сейсми¬ческом  районе, чем больший срок службы этого трубопровода,

тем большая вероятность  того, что сильное землетрясение  мо¬жет произойти достаточно близко от трассы и вызвать разруше¬ния, т.е. вероятность риска повреждений  или разрушений трубо¬проводов возрастает. При этом уровень сейсмостойкости  трубо¬провода должен быть таким, чтобы  число повреждений на трубо¬проводе  за период его эксплуатации не превышало  возможного количества повреждений  на рассматриваемом участке за время  нормальной эксплуатации

Необходимо отметить, что объекты водопровода, канализа¬ции и энергоснабжения (независимо от числа  работающих вбли¬зи этих объектов) во многих случаях должны быть отнесены к категории наиболее ответственных  сооружений, т.е. должны быть приравнены к театрам и другим общественным зданиям, больницам и т.п., где  среднее ежедневное пребывание людей, подвергающихся риску, составляет 1000 человек  и более. Это положение принималось  нами во внимание при составлении  таб¬лицы эвристических оценок капитальности (ответственности) трубопроводов, данные которой следует учитывать при  опреде¬лении расчетной балльности

Для оценки общего риска повреждений трубопровода и осу¬ществления на основании полученных данных оптимизации не¬обходимы  следующие сведения:

а) стоимость дополнительных ниток, перемычек и т.д., повы¬шающих  надежность обеспечения водой, газом  и другими про¬дуктами отдельных  предприятий или целых районов

б) стоимость ремонтно-восстановительных  работ как самих трубопроводов, так и связанных с ними объектов, которые мог¬ли быть повреждены в  результате землетрясения или из-за вто¬ричных причин взрыва или пожара, вызванных землетрясением;

в) убытки в результате простоя предприятий из-за недоподачи сырья, вследствие пожаров'; тушение  которых было за¬труднено из-за отсутствия воды и т.п.      >

При наличии дублирующих  трубопроводных линий, если ис¬ключена возможность их одновременного повреждения, могут либо уменьшиться, Либо вовсе  исключиться простои предприя¬тий из-за неподачи воды, газа, сырья и  т.д. Однако, если эти тру¬бопроводы  находятся на той же самой площадке и все ориенти¬рованы в пространстве одинаково, то вероятность поврежде¬ния всей группы трубопроводов одновременно весьма велика. Трубопроводные системы  следует проектировать таким  обра¬зом, чтобы вероятности выхода из строя любого элемента систе¬мы трубопровода, насосной или компрессорной  станции были сопоставимы.

Оценка сейсмического  риска для каждого элемента системы  должна рассматриваться отдельно на основе критериальных оце¬нок, свойственных для этого элемента. При анализе  работы сис¬тем "трубопровод —  грунт" и "трубопровод — опора  — грунт" в качестве случайных  можно рассматривать физико-механичес¬кие  характеристики грунтов, прочностные  и деформационные характеристики трубопровода и опорных конструкций, а также  величины и распределение внешних  воздействий. В действующих нормативных  документах указанные характеристики конструк¬ций, статические нагрузки и воздействия рассматриваются  как детерминированные, а возможные  изменения учитываются, как правило, по максимуму с помощью коэффициентов  усло¬вий работы и перегрузки.