Toetsen van leidingen op aardbevingsbelasting


Sinds een aantal jaren neemt de frequentie alsmede de zwaarte van aardbevingen in Noord- Nederland als gevolg van de aardgaswinning toe. De overheid en het bedrijfsleven vragen zich af of bestaande en nieuwe ondergrondse leidingen bestand zijn tegen toekomstige aardbevingen. Onno Walta heeft voor behalen van de titel Master of Pipeline Technology een methode ontwikkeld waarmee de kans op bezwijken door het passeren van een aardbevingsgolf kan worden bepaald. De methode sluit aan op de huidige normen van de NEN 3650 serie en Eurocode.


Voor natuurlijke aardbevingen – tektonische aardbevingen als gevolg van het verschuiven van aard-schollen – bestaan al methoden om de bestendigheid van constructies te berekenen. De aardbevingen in Noord-Groningen worden door gaswinningen veroorzaakt. Zulke geïnduceerde aardbevingen kunnen andere gevolgen hebben voor ondergrondse leidingen, omdat de duur van de beving korter is en de beving op een ger ingere diepte plaatsvindt. Het afstudeeronderzoek van Onno Walta richtte zich op het berekenen van de invloed van dit type aardbevingen op buisleidingen.

Geïnduceerde aardbevingen introduceren extra spanningen en vervormingen in de leidingwand, die kunnen leiden tot falen of bezwijken van de leiding. Om de extra spanningen te berekenen, is in de thesis gebruikgemaakt van de theorie van Spangler uit de NEN 3650. Het blijkt dat slechts enkele parameters significante invloed hebben op de spanningen in de buisleidingwand.


Door heel Nederland liggen er leidingen in de grond voor het transport van gas. (Foto: Gasunie).

Ringspanning
De maatgevende grond- en aanlegparameters bepalen de grootte van de tangentiële ringspanningen in de buiswand. De ontwikkelde methode start daarom met het bepalen van de gemiddelde waarde en standaardafwijkingen in die parameters. Met deze parameters als invoer wordt de gemiddelde en de karakteristieke tangentiele buiswandspanning berekend. Naast de grondbelasting wordt de ringdoorsnede van de buisleiding ook belast door druk vanuit de aardbevingsgolf. Deze dynamische belasting is kort, maar wel éénzijdig. Dit heeft tot gevolg dat er extra tangentiële spanningen in de buiswand ontstaan. De grootte van deze dynamische belasting is met behulp van Plaxis bepaald.

Aardbevingsgolven veroorzaken ook belasting in de axiale richting van de buis. De grootte van de belasting hangt af van de zwaarte van de aardbeving alsmede van de samenstelling van de dertig meter grond direct onder het maaiveld. Schattingen of metingen geven de maatgevende parameters voor het berekenen van de gemiddelde en de karakteristieke axiale spanningen. Bij die berekening is de opbouw van de buisleiding van belang. Bij continue leidingen zonder koppelingen ontstaan door de opgelegde grondverplaatsingen vanuit de aardbevingsgolf buigende momenten en axiale krachten in de buisleiding. Het effect van de aardbevingsgolf is onder ander afhankelijk van de hoek van inval ten opzichte van de as van de buisleiding.

Bij leidingen opgebouwd uit korte buizen, ofwel discontinue leidingen, concentreren de opgelegde grondverplaatsingen zich als hoekrotaties in de koppelingen. De grootte van de hoekrotatie is afhankelijk van de grootte van opgelegde grondverplaatsingen en van de verhouding n = golflengte aardbeving λ / buislengte Lbuis. Voor grote verhoudingen van n volgt de buis als het ware de golfbeweging in de grond. De hierbij optredende hoekrotaties zijn voor omstandigheden in Groningen maximaal 1,2°. De optredende buigende momenten en axiale krachten zijn bij discontinue leidingen lager dan bij continue leidingen. Bij toenemende buislengte nemen de grootte van de buigende momenten en axiale krachten toe terwijl de grootte van de hoekrotaties afneemt.

De grafiek toont de hoekrotatie van discontinue leidingen als functie van de verhouding golflengte en buislengte. Factor alfa is een hulpgrootheid om de grootte van de hoekverdraaiing te berekenen.
(Grafiek: Onno Walta)


Interactie

Hoewel een aardbevingsbelasting een dynamische belasting is, wordt de berekening quasi statisch uitgevoerd. Voor een rechte veldstrekking zonder bochten of aansluitingen is deze benadering verantwoord. Per buismateriaal wordt de interactie tussen de axiale en tangentiële spanningen bepaald voor de gemiddelde waarde en karakteristieke spanningen. Voor de combinatie buisdiameter, doorsnede en toelaatbare materiaalspanning wordt de bezwijkspanning berekend. Hierdoor is het mogelijk met behulp van Excel de toetsing uit te voeren.

Voor zowel voor de belasting op de buisleidingen als de weerstand van de buisleidingen tegen de belasting, zijn nu de gemiddelde waarden met bijbehorende standaardafwijking vastgesteld. Deze waarden worden gebruikt in de toetsing gebaseerd op een analyse volgens de First Order Methode uit de Eurocode NEN-EN 1990 +A1/C2:2011. Dit is een probabilistische bovengrensbenadering op niveau II. Met behulp van een wiskundige bewerking wordt de betrouwbaarheidsfactor β berekend, waarmee ook de kans op bezwijken bekend is. Met deze kans kan men afwegen welke maatregelen men moet nemen om de gevolgen van een aardbeving te minimaliseren.


Ook interessant:




AFSTUDEERDER:
Onno Walta
PROJECT: Onderzoek aardbevingsbelasting op ondergrondse leidingsystemen
WAAR: Master of Pipeline Technology, Avans+ en Stichting Pipeliner

Download

De scriptie van Onno is beschikbaar via de kennisbank.
>> Naar scriptie

'Lastige stap naar probabilistiek'

"Ik vind dat Walta dit probleem op dit niveau goed aangepakt heeft. De primaire doelstelling was te komen tot een meer probabilistische beschouwing van de problematiek. Het was lastig om de stap te maken van het voor hem beken- de terrein van de statische beschouwing naar de golfproblematiek en de probabilistiek. Hoewel ik tevreden ben over de uitkomst, had ik daar meer tijd aan willen besteden. De implementatie van de uitkomst is nu iets achtergebleven. Er is veel aandacht besteed aan de rapportage; die is erg goed en dat blijkt ook uit de beoordeling van dit onderdeel. Het totale werk voldoet aan mijn verwachtingen. Hier kunnen we mee verder."

dr.ir. Paul Hölscher
Deltares, Geo engineering