Effect of ground fault hazards on continuous pipelines: an approximate design framework

ABSTRACT: Permanent ground displacements induced by seismic faulting can damage buried pipelines due to the complex combinations of bending moment and axial compression or tension that develop. In this paper, a pipeline interacting with a normal fault having a dip angle of 90° has been investigated using 3D finite element modeling. The pipe is characterized using hexahedron continuum elements surrounded by soil modeled as a standard Mohr-Coulomb material. The soil-pipeline interface is represented using the contact surface approach, which allows finite sliding and separation between the two surfaces. After evaluating the performance of the analysis against the centrifuge tests conducted by Saiyar (2011), a parametric analysis is carried out to extend the database for a range of relative pipe-soil stiffnesses. In beam-on-spring analysis, it is difficult to choose spring stiffness and correctly impose ground motion for this kind of analysis. Other existing analytical methods require iterative procedures to calculate the pipe strains, approaches that are difficult to use in practice. An approximate design framework is therefore proposed based on both the centrifuge and numerical results to evaluate the peak pipe curvature. This can be used as a first approximation for design, which eliminates the errors associated with the selection of soil springs during design, and the complexity of other analytical approaches.

RÉSUMÉ: Les déplacements permanents de sol induits par des failles sismiques peuvent endommager les canalisations enterrées en raison des combinaisons complexes de moment de flexion et à la compression axiale ou de tension qui se développent. Dans cet article, un pipeline qui interagie avec une faille normale ayant un angle d'inclinaison de 90 ° a été étudiée en utilisant la modélisation 3D par éléments finis. Le tuyau est caractérisé en utilisant des éléments du continuum d’hexaèdre environnant par le sol modélisé comme un matériau de Mohr-Coulomb standard. L'interface entre le sol et pipeline est représenté en utilisant l'approche de la surface de contact, ce qui permet de glissement finie, et la séparation entre les deux surfaces. Après l'évaluation de la performance d'analyse par rapport aux essais de centrifugation conduits par Saiyar (2011), une analyse paramétrique a été réalisée pour étendre la base de données pour une série de rigidités relatives au pipe-sol. Dans l'analyse de faisceau en ressort, il est difficile de choisir la raideur du ressort et correctement imposer le mouvement du sol pour ce type d'analyse. D'autres méthodes d'analyse existantes nécessitent des procédures itératives pour calculer la fatigue dans les pipe, les approches qui sont difficiles à utiliser en pratique. Un cadre de conception approximative est donc proposé sur la base à la fois sur la centrifugeuse et des résultats numériques pour évaluer la courbure de la conduite de pointe. Ceci peut être utilisé comme une première approximation pour la conception, ce qui élimine les erreurs associées à la sélection des ressorts de sol lors de la conception et de la complexité d'autres approches analytiques.