Numerical modelling of wave induced soil liquefaction around buried pipelines and cables

Gömülü borular ve kablolar etrafında dalga kaynaklı zemin sıvılaşmasının sayısal modellenmesi

PDF İndir

Tez No: 708782
Yazar: SELAHATTİN UTKU YILMAZ
Danışmanlar: DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Mühendislik Bilimleri, İnşaat Mühendisliği, Engineering Sciences, Civil Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2022
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 121

Özet

Petrol ve doğal gaz endüstrisinde, denizaltı boru hatları uzun yıllardır temel altyapılardan biri olmuştur. Ayrıca, yenilenebilir enerji sektöründe de açık deniz rüzgar enerjisi teknolojisinin gelişmesiyle birlikte açık deniz kabloları güç iletimi için önemli yapılar olmaya başlamıştır. Özellikle diziler arası ve şebeke bağlantı kablolarının uzunlukları, sayıları zaman içinde sürekli artmaktadır. Bu artış bu sektörde yeni enerji nakil hatları ihtiyacını doğurmaktadır. Bu kabloların çapları 0,05 ila 0,4 m civarındayken, denizaltı boru hatları 0,2 ila 1,5 m civarındadır. Kabloların çapları boru hatlarına göre nispeten daha küçük olsa da aralarında geometrik benzerlikler bulunmaktadır. O halde bu yapılar aynı tasarım yönergelerinde değerlendirilebilirler. Ancak bu açık deniz boru hatları veya kabloları gibi deniz altyapıları, deniz tabanına gömüldüklerinde dalga kaynaklı zemin sıvılaşması riskine maruz kalabilirler. Özellikle silt veya ince kum gibi gevşek ince taneli deniz dibi zeminler, düşük geçirgenlik vb. gibi özelliklere sahip olduklarından sıvılaşma riski yüksektir. Bu nedenle, denizaltı boru hatları veya kabloları gibi gömülü deniz altyapıları bu olaydan korkunç bir şekilde etkilenebilir. Başka bir deyişle, bu olay bu boru hatlarının veya kablolarının sürdürülebilirliğini, stabilitesini tehlikeye atmakta ve bu altyapılarda ciddi hasarlara yol açabilmektedir. Geoteknik mühendisliği literatüründe sıvılaşma; deprem, patlama, şok veya dalga etkisi altında zeminin taneleri arasında boşluk suyu basıncının birikmesi ve bununla birlikte bu biriken boşluk suyu basıncının zeminin efektif gerilmesini yenmesi olayı olarak da ifade edilir. Bu durumda, dalga veya deprem gibi bu periyodik etkilerden dolayı zemin deformasyonlara uğrar yani zeminin o durağan (stabil) dokusu bozulur ve böylece efektif gerilmenin sıfır olduğu bölgelerde zemin taneleri serbestlik kazanırlar. Sonrasında, bu serbest kalan zemin taneleri de su ile karışır ve bu karışım akışkan gibi davranır. Dolasıyla, dalga kaynaklı döngüsel kayma gerilmeleri etkisi altında bu zemin tanelerinin bozulması ve bununla birlikte boşluk hacminin genişleyerek veya daralarak bu taneleri yeniden düzenlenmesi (yerleşme) olayı yani sıvılaşma, bu tezde detaylı olarak incelenmiştir. Bu tezde öncelikle dalga kaynaklı zemin sıvılaşması kavramı fiziksel olarak irdelenmiştir ve bu olgunun nedenleri, sonuçları araştırılmıştır. Ayrıca bu olaya neden olan koşullardan (hangi tür yüklemelerde, hangi tür zeminlerde meydana geldiği vb.) bahsedilmiştir. Kısaca, zemin sıvılaşmasının artık ve anlık sıvılaşma olmak üzere iki farklı türü vardır ve her iki sıvılaşma türünden de bahsedilmiştir. Ancak, bu tezde, tasarım yönergeleri için zeminin artık sıvılaşması kullanılmıştır. Bu olgunun yapılara, özellikle de gömülü nesnelere etkisi birçok yönden irdelenmiştir. Genel olarak, sıvılaşan zeminde daha ağır gömülü nesnelerin daha derine battığı, daha hafif nesnelerin ise zemin sıvılaştığında yüzeye çıktığı belirtilmiştir. Bunlara batma ve yüzdürme hataları da denir. Literatürde bu hatalarla ilgili çok sayıda makale ve araştırma incelenmiştir. Bunlara ek olarak, bu araştırmalarda deniz tabanın mekanizması, bu deniz dibi zeminin sıvılaşma, sıkışma süreci yani zeminin yaşam döngüsü, yüklemeler altında bu zeminin gerilme-şekil değiştirme ilişkisi ve ilgili koşullar (dalga veya deprem yüklemesi şiddeti, zemin tipi, vb.) üzerinde durulmuştur. Konularla ilgili bu tezde teorik (analitik ve sayısal modeller) ve deneysel çalışmalar belirtilmiştir. Özellikle açık deniz boru hatları veya kabloları gibi gömülü nesnelerin, mevcut zeminin sıvılaşması üzerine etkisi ile ilgili makaleler detaylı olarak incelenmiştir. Sonrasında, boru hattının varlığının, aşırı boşluk basıncı oluşumunun artması nedeniyle zeminin sıvılaşma duyarlılığını arttırdığı tespit edilmiştir. Dolayısıyla ilgili makalelerden hareketle, bu olgunun tasarımcılar ve uygulayıcılar için boru hatları veya kablolar etrafındaki sıvılaşma potansiyelini güvenilir yöntemlerle değerlendirebilmeleri açısından kritik olduğu tespit edilmiştir. İkinci olarak, zeminin yüklemeler altında 3 boyutta kesme gerilmesi-şekil değiştirme ilişkilerinden bahsedilmiştir. Başka bir deyişle, zemindeki gerilme ve deformasyon ilişkisini matematiksel olarak modellemek ve sonrasında bu modelleri çözmek için bu tezde Biot Denklemleri tarafından yönetilen bu zemin ilişkilerinden bahsedilmiştir. Ayrıca, aşırı boşluk basıncının zamanla birikimini hesaplamak için, Biot Denklemlerine dayalı olarak (kaynak terim, yer değiştirme ve basınç parametreleriyle) Temel Denklem belirtilmiştir. Burada Biot Denklemlerine bağlı olarak oluşturulan Temel Denklemin kaynak terimi, biriken boşluk suyu basıncı, şekil değiştirme gibi parametreler daha sonrasında tasarım kriterleri için önemli olduğundan etraflıca incelenmiştir. Üçüncü olarak, zeminde dalga etkisi sonucu oluşan aşırı boşluk suyu basıncının zamanla birikimini benzeştirmek (simule etmek) için ilgili Biot Denklemleri ve Temel Denklemi içeren çok fazla sayıda sayısal model geliştirilmiştir. Başka bir deyişle, iyi yapılandırılmış bir OpenFOAM platformunda, boru hatları ve kablolar gibi gömülü silindirik yapıların varlığında deniz tabanının artık sıvılaşmasının fiziğini başarıyla temsil edebilen çok sayıda sonlu eleman modeli kurulmuştur. Bu tezde ayrıca, EU-Horizon 2020 (MarTERA ERA-NET Cofund) NuLIMAS Projesi yardımıyla bu sayısal modeller geliştirilmiştir. Kullanılan bu OpenFOAM CFD yazılımında uygulanan modellerin iki bileşeni vardır. İlk bileşen, Biot'un (poroelastik) boşluklu ortam denklemlerini çözer ikinci bileşen ise, boşluk suyu basıncı oluşumu için matematiksel bir model kullanır. Ayrıca bu modellerin geometri değişimlerine önemli ölçüde duyarlı olan mesh yapısında detaylı olarak çalışılmıştır. Özellikle zemin-boru etkileşim alanlarında geometrinin sıklıkta değiştiği yerler olduğundan mesh yoğunluğu ve boyutunun iyi ayarlanamamasından dolayı pek çok problemle karşılaşılmıştır. Bu problemleri çözmek için de geometrinin keskin bir şekilde yani hızlı bir şekilde değiştiği bölgeler daha küçük (bölgelere) parçalara ayrılarak daha yumuşak (yavaş) geçiş olabilecek şekilde tasarımlar yeniden düzenlemiştir. Sonrasında tasarımları yapılan bu modeller için uygun sınır koşulları araştırılmıştır. Sınır koşulları sayısal modeller için çok kiriktir. İlk olarak, bahsedilmiş olan Temel denklem, kısmi türevli bir diferansiyel denklemdir ve bu denklemlerin çözümünü numerik (sayısal) olarak yapmak için belirli bölgelerde uygun sınır koşullarının tanımlanması gerekir. Örneğin, bu tez için zemini bir dikdörtgen prizma olarak tanımlarsak, prizmanın yüzey alanları bu koşullara göre ayarlanmalıdır. Dolasıyla, bu prizmanın yüzey alanlarında basınç/yer değiştirme durumuna göre bunlara uygun sınır koşulları tanımlanmıştır. Özellikle zemin ve boru kesişim bölgelerinde basınç/yer değiştirmeleri tanımlamak için sınır koşulları kavramında son derece sıkı çalışılmıştır. Çünkü hem geometrik olarak değişimlerin yoğun olduğu bölgeler olması hem de fiziksel açıdan farklı malzemelerin bir arada tanımlandığı bölgeler olduğundan sınır koşulları tanımlanması burada zorlaşmıştır. Ayrıca, pratik uygulamalarda kullanım için bir katsayı ile borunun pürüzlülüğünü (yani tamamen pürüzsüz, tamamen pürüzlü veya kısmen pürüzlü borular) ifade edebilen modeller geliştirilmiştir. Bunun için de borunun etrafında yani yüzey alanında OpenFOAM'da“partialSlip”denilen bir modül ve bu modülün içindeki“valueFraction”adlı bir katsayı kullanılmıştır. Dördüncü olarak, Johan Roenby tarafından daha önce geliştirilmiş olan“biotFoam”adlı bir çözücü aşırı boşluk suyu basıncının zamanla artışını ifade edebilmek amacıyla Biot Denklemleri ve Temel Denklemin sayısal olarak çözülmesi için OpenFOAM'da uygun zemin ve dalga parametrelerine göre yeniden uyarlanmıştır. Sonrasında bu modelleri doğrulamak ve ilgili makalelerin deneysel sonuçları ile karşılaştırmak için çalıştırılmıştır. Özellikle bu tezde zemin, dalga ve su özellikleri gibi tüm malzeme özellikleri, OpenFOAM'da kullanılan“biotFoam”çözücüsünün doğrulanması ve bulguların deneysel sonuçlarla karşılaştırılması için ilgili makalelere dayalı olarak ayarlanmıştır. Burada, zeminin geçirgenliği (k) ve zeminin bağıl yoğunluğu (Dr) genellikle bu çözücünün ayar parametreleri olarak kullanılmıştır. Son olarak, ilgili makaleler ile bu tezde geliştirilen modeller arasında detaylı bir şekilde karşılaştırma yapılmıştır ve bu tezin sayısal modellerinin genel olarak makalelerle uyumlu olduğu görülmüştür. Başka bir deyişle, bu sayısal modellerdeki sonuçlar, makalelerdeki sonuçlarla büyük ölçüde başarılı bir şekilde örtüşmektedir. Özellikle örselenmemiş durumda (boru hattı durumu olmadan), boru hattının uzak alanında ve boru hattının alt tarafında, modeller ve deneyler arasında yüksek bir tutarlılık bulunmuştur. Diğer bir deyişle, zamanla oluşan aşırı boşluk basıncı artışları yukarıda belirtilen bölgelerde başarılı bir şekilde birbiriyle örtüşmektedir. Ancak, boru hattının üst tarafı ve açık deniz tarafı kenarı olarak diğer taraflarda, sayısal modeller ve ilgili makaledeki deneysel modeller arasında bir çelişki görülmüştür. Bu nedenle farklı makaleler de incelenmiş ve sayısal modeller ile bu makaleler arasında tutarlı sonuçlar tespit edilmiştir. Yani diğer makaleler de bu tezdeki sayısal modellerin sonuçlarını desteklemiştir. Sonuç olarak, bu sayısal modeller başarılı bir şekilde çalışır ve yüksek doğruluğa sahiptirler. Ayrıca bu tez borunun pürüzlülüğü ile ilgili elde ettiği bulgular açısından özgün bir niteliğe sahiptir.

Özet (Çeviri)

In the oil and gas industry, submarine pipelines have been one of the fundamental infrastructures for many decades. Besides, offshore cables have started to be significant structures for power transmission by the improvement of offshore wind energy technology in the renewable energy industry as well. Particularly, the lengths and numbers of inter-array and grid connection cables are increasing continuously in time. Then, this increment causes the need for new power transmission lines in this industry. The diameters of these cables are around 0.05 to 0.4 m, whereas the submarine pipelines have around 0.2 to 1.5 m diameters. Even though the diameters of cables are relatively smaller than the pipelines, there exist geometric similarities between them. Then they can be assessed in the same design guidelines. Nevertheless, these marine infrastructures such as offshore pipelines or cables may undergo the risk of wave-induced soil liquefaction when they are buried in the seabed. Especially, loose fine-grained seabed soils such as silt or fine sand have a high liquefaction risk since they have low permeability and so on. Hence, buried marine infrastructures as submarine pipelines or cables can be affected by this phenomenon appallingly. In other words, this phenomenon endangers the sustainability and stability of submarine pipelines/cables, also it can lead to dramatic damages to these infrastructures. In geotechnical engineering literature, liquefaction is stated as effective stress of soil between grains of this soil being wiped out by buildup of pore water pressure in those grains under earthquake, blast, shock, or wave action. In that case, sediments of the soil have mixed with water and that mixture is acting as fluid. Then this failure of the soil caused by the cyclic shear stresses and deformations of soil grains is investigated scrutinizingly in this thesis. In this thesis at first, the concept of soil liquefaction is researched in terms of physics, and the reasons & consequences of this phenomenon are investigated. Besides, the conditions (occurrence in which type of loadings, in which type of soils, and so on.) that cause this phenomenon is mentioned. In short, there are two different types of liquefaction failure of soil; residual and momentary liquefaction. Then, both type of liquefaction is mentioned. However, in this thesis, the residual liquefaction of soil is investigated for the design aspects of submarine pipelines and offshore cables. Besides, the effect of this phenomenon on the structures especially buried objects is scrutinized in many ways. Then generally, it is stated that the buried objects heavier than the liquefied soil sink deeper in the soil, while lighter objects float to the surface when the soil is liquefied. These are called sinking and floatation failures too. In addition, numerous articles and researches about this failure are reviewed in the literature. In these researches, the mechanism of the marine soil, the liquefaction/compaction process of the soil (life cycle of the soil), the stress-strain relationship of the soil under loadings, and the relevant conditions (wave or earthquake loading, soil type, so on) are stated in this thesis as theoretical (with analytical & numerical models) and experimental works. Particularly, the disturbance effect on the soil by buried objects such as offshore pipelines/cables is scrutinized comprehensively based on the relevant articles. Then, it is detected that the presence of the pipeline enhances the liquefaction susceptibility of the soil on account of the increment of excess pore pressure buildup. Hence in this thesis, it is stated that this phenomenon is critical for the designers and practitioners to be able to assess liquefaction potential around pipelines or cables with reliable methods. As second, it is mentioned the shear stress-strain relations of the soil under loadings. In other words, these relations of soil governed by the Biot Equations are mentioned in this thesis to identify this phenomenon mathematically and for the calculation. Besides, the Governing Equation with its parameters (source term, displacement, and pressure) are stated based on the Biot Equations to calculate the accumulation of excess pore pressure with time. As third, countless numerical models are developed for simulating the accumulation of excess pore pressure with time in the soil with the relevant Biot Equations as the Governing Equation. In other words, numerous finite element models are set up in the well-established OpenFOAM platform, which can successfully represent the physics of residual liquefaction of seabed in the presence of buried cylindrical structures such as pipelines and cables. Besides in this thesis, these numerical models are developed with the help of the NuLIMAS Project. Then, the models, implemented in the OpenFOAM CFD toolbox, have two components: The first component solves Biot's equations for poroelastic medium, and the second component utilizes a mathematical model for pore-water pressure buildup. In addition, it is worked detailed in the mesh structure that is significantly sensitive to the geometry changes of these models. (particularly in the soil-pipe interaction fields.). Additionally, it is worked extremely hard in the boundary conditions concept for defining pressure/displacements in the edges and intersections of the whole domain. Moreover, different wall boundary conditions of pipelines or cables (i.e. smooth, rough, or partially rough) are modeled in the numerical model, which is a convenient feature of the model for utilization in practical applications. Additionally, all material properties as the soil, wave, and water properties are arranged based on the relevant articles for the validation of unique“biotFoam”solver in OpenFOAM and comparing findings with the experimental results. Here, the permeability of the soil (k), and the relative density of the soil (Dr) are used generally for the tuning parameters of this solver. Finally, the comparison between the relevant articles and the developed models is scrutinized elaborately. It is found that numerical models of this thesis are consistent with the articles generally. In other words, results in these numerical models are matching with results in the articles successfully mainly. Especially, in the undisturbed case (without pipeline case), in the far-field of the pipeline, and at the bottom side of the pipeline and, it is found a high consistency between models and experiments. In other words, the excess pore pressure buildups with time are matching with each other successfully in the boundaries mentioned above. However, the other sides as the top side and offshore side edge of the pipeline, it is obtained a contrast between the numerical models and experimental models. Therefore, the other articles are reviewed differently too and it is detected consistent results between the numerical models and these articles. Then, the other articles support the results of the numerical models in this thesis as well. Consequently, these numerical models work successfully and they have high accuracy. Besides, it is improved the coefficient for the roughness of the pipeline as smooth, rough, and partially rough in this thesis as well.

Benzer Tezler

Tez No
894795
Numerical modeling of wave-induced liquefaction around a gravity-based structure
Bir ağırlık yapısı etrafında dalga kaynaklı sıvılaşmanın sayısal modellemesi
MERT ANGIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Deniz Bilimleri İstanbul Teknik Üniversitesi
Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
Tez No
540266
Geoteknik kıyı mühendisliğinde poroelastik deniz tabanı zemini-yapı sistemlerinin tekrarlı yükler altında sayısal modellenmesi
Numerical modeling of poroelastic seabed soil–structure systems under cyclic loading in geotechnical coastal engineering
ESRA TATLIOĞLU
Doktora
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
DOÇ. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER
Tez No
688053
Numerical analysis of monopile foundations for offshore wind turbines
Açık deniz rüzgar türbinleri için tek kazıklı temellerin sayısal analizi
MARYAM MASSAH FARD
Doktora
İngilizce
2021
İnşaat Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYFER ERKEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT ERKMEN
Tez No
559275
Numerical modelling of earthquake-induced seabed liquefaction
Deniz tabanında deprem kaynaklı sıvılaşmanın sayısal olarak modellenmesi
GİRAY ÇIVAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
İnşaat Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
Tez No
557594
Dolgu zeminlere oturan kıyı yapısı temellerinin tasarımında yeni yöntemlerin incelenmesi
Investigation of new methods in the foundation design of coastal structures placed on embankments
RIZA EVREN KILCI
Doktora
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA

Geri Dön