Schade aan buisleiding door aardbeving

Schade aan buisleiding door
aardbeving
fase 1 inventarisatie
dr. H.M.G. Kruse
dr. ir. P. Hölscher
1001649-000
© Deltares, 2010
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Inhoud
Lijst van Tabellen
i
Lijst van Figuren
ii
1 Inleiding
1.1 Algemeen
1.2 Opzet van de studie
1.2.1 Algemeen
1.2.2 Grootte van de Aardbeving belasting
1.2.3 Overzicht leidingtypen
1.2.4 Overzicht schademechanismen
1.2.5 Vaststellen en beoordelen risico’s
3
3
3
3
3
4
4
4
2 Ervaringsdata schade aan buisleidingen in de literatuur
2.1 Inleiding
2.2 Bevindingen in relatie tot geïnduceerde aardbevingen
2.2.1 Internationale literatuur
2.2.2 Tectonische aardbevingen in Nederland
2.3 Conclusies
5
5
5
5
8
8
3 Aardbevingsbelastingen
3.1 Algemeen
3.2 Tijdelijke grondbeweging
3.2.1 Optredende belasting
3.2.2 Parameters voor berekeningen buisleidingen
3.2.3 Bodemprofielen
3.2.4 Tijdsignalen
3.3 Permanente grondbeweging
11
11
12
12
15
15
15
16
4 Leidingen
4.1 Veel toegepaste leidingtypen
4.2 Toestand van de leiding
4.3 Parameterkeuze voor deze studie
19
19
19
20
5 Schademechanismen
5.1 Algemeen
5.2 Beschouwing Eurocode 8-4
5.3 Primaire schademechanismen
5.3.1 Voorbijgaande grondbewegingen en continue leidingen
5.3.2 Voorbijgaande grondbewegingen en gelede leidingen
5.3.3 Permanente grondbewegingen en continue leidingen
5.3.4 Permanente grondbewegingen en gelede leidingen
5.4 Secundaire schademechanismen
5.4.1 Bochten en T-stukken
5.4.2 Aansluitingen op constructies
21
21
21
22
22
22
23
24
24
24
25
6 Globale beoordeling mechanismen kortdurende bewegingen
29
Schade aan buisleiding door aardbeving
i
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
Algemeen
Elastische analyse
Pipeline Seismic Response Diagram voor continue leidingen
6.3.1 Compressie golven
6.3.2 Schuifgolven
6.3.3 Uitwerking voor langsgolven op continue leidingen
6.3.4 Uitwerking voor schuifgolven op continue leidingen
6.3.5 Nadere beschouwing van de methode O’Rourke voor stalen leiding
Nadere analyse gesegmenteerde leidingen
Bochten en aansluitingen
6.5.1 Bochten en aansluitingen
6.5.2 Aansluiting aan een constructie
Conclusie
6.6.1 Rechte leiding
6.6.2 Bijzondere situaties
6.6.3 Quasi-statische beschouwing
29
29
29
30
32
33
33
34
36
36
36
36
38
38
38
38
7 Globale beoordeling mechanismen permanente verplaatsingen
7.1 Inleiding
7.2 Liquefactie
7.3 Afschuiving van taluds
7.4 Verplaatsingen langs breuken.
7.5 Conclusies
7.6 Kans van optreden
39
39
39
42
44
46
46
8 Conclusies en aanbevelingen
8.1 Conclusies
8.2 Gevolgen van schade
47
47
47
9 Literatuur
49
Bijlage(n)
A Geologische provincies
A-1
B Schade waarnemingen Dash en Jain (2007)
B-1
C Algemene achtergrond informatie aardbevingsgolven
C.1 Algemeen
C.2 Golfsnelheden
C.3 Amplitude afname met de afstand
C.4 Belasting
C.5 Rek in de grond
C-1
C-2
C-2
C-3
C-3
C-4
D Bodemprofielen
D-1
E Aardbevingssignaal Roswinkel, 19 feb 1997
E-1
Schade aan buisleiding door aardbeving
ii
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Lijst van Tabellen
Tabel 3.1
Tabel 4.1
Tabel 4.2
Tabel 6.1
Tabel 6.2
Tabel 6.3
Voorlopig gekozen waarden voor analyse van buisleidingen
Parameters voor continue leidingen
Parameters voor gelede leidingen
Resultaten elastische analyse
Parameters voor rekenvoorbeeld
Bodemstijfheid voor verschillende leidingen in verschillende bodemsoorten
Tabel D.1
Tabel D.2
Tabel D.3
Tabel D.4
Tabel D.5
Golfsnelheden uit sondering nabij Odoorn
Golfsnelheden uit sondering Groningen [CUR 166]
Golfsnelheden Golfsnelheden uit sondering Groningen [CUR 166]
Golfsnelheden uit sondering S07E00145 nabij Loppersum Groningen
Golfsnelheden uit sondering S07E00145 nabij Loppersum Groningen
Schade aan buisleiding door aardbeving
15
20
20
29
33
37
D-2
D-3
D-3
D-4
D-5
i
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Lijst van Figuren
Figuur 2.1
Figuur 3.1
Figuur 3.2
Figuur 3.3
Figuur 3.4
Figuur 3.5
Figuur 3.6
Figuur 5.1
Figuur 5.2
Figuur 5.3
Figuur 6.1
Figuur 6.2
Figuur 6.3
Figuur 6.4
Figuur 7.1
Figuur 7.2
Figuur 7.3
Figuur D.1
Figuur D.2
Figuur D.3
Figuur D.4
Figuur D.5
Figuur E.1
Figuur E.2
Figuur E.3
Schade frequentie bij natuurlijke aardbevingen [O’Rourke, Liu, 1999]
6
Het optreden van geïnduceerde aardbevingen door verschuiving langs
breuken in en boven reservoir gesteente ( bron de Mulder 2003, overgenomen uit Wassing 2008)
11
De maximale grond snelheid [S-golven] voor een herhalingsperiode van 100
jaar [Wassing 2008]
12
Ruimtelijke spreiding van de maximale snelheid (S-golven) bij een
herhalingsperiode van 100 jaar. (Wassing 2008)
13
Site response in de bovenste grondlagen (Wassing 2008)
14
Maximale snelheden in ongunstige situaties voor S-golven, herhalingsperiode = 10 jaar (Wassing 2008)
14
Permanente grondbewegingen [ O’Rourke et al 2001]
17
Bezweken leiding door trekbelasting (Dash and Jain 2007)
22
Lekkende gelede waterleiding door overmatige hoekverdraaiing (aardbeving
Sumatra 2004, Dash and Jain 2007)
23
Bewegingsmogelijkheden bij aansluitingen
27
Pipeline Seismic Response Diagram [O’Rourke, 1998]
30
Principe voor ontwerpgrafiek beoordeling leiding
31
Ontwerpaardbevingen met maximale vs / Ts verhouding
33
Beschouwing volgens [O’Rourke 1998] voor stalen leiding in veengrond
35
Indicatieve uitwerking volgens Youd et al (2001) voor een zandgrond met
een hoge grondwaterstand (0,5m –mv) voor de bepaling van de kritische
conusweerstand waarbij verweking optreedt ( M= 4 en a= 4,2 (m/s2)
41
Stabiliteit van een aardebaan zonder aardbeving, veiligheidsfactor =1,31 =
stabiel
43
2
Stabiliteit van een aardebaan bij aardbeving met a =6,3 m/s , veiligheidsfactor
=0,67 = instabiel
43
Snelheidsprofiel nabij Odoorn
Snelheidsprofiel Groningen op basis [CUR 166]
Golfsnelheden uit sondering nabij Oostwold Scheemda
Golfsnelheden nabij Loppersum Groningen
Golfsnelheden voor profiel in Alkmaar Noord
Versnelling, snelheid en verplaatsing in oostwest richting
Versnelling, snelheid en verplaatsing in verticale richting
Versnelling, snelheid en verplaatsing in noordzuid richting
Schade aan buisleiding door aardbeving
D-2
D-3
D-4
D-5
D-6
E-2
E-3
E-4
ii
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
1 Inleiding
1.1
Algemeen
De aardgaswinning in Noord Nederland leidt tot spanningsveranderingen in de bodem.
Hierdoor ontstaan in sommige velden regelmatig bodemtrillingen. Dit verschijnsel heet
geïnduceerde seismiciteit. Het is van belang voor de Nederlandse operators dat de
aardgaswinning geen schade aan andermans eigendommen toebrengt. In dit kader wordt
nagegaan hoe sterk de bodemtrillingen zijn en in hoeverre deze bodemtrillingen bedreigend
zijn voor de integriteit van bestaande constructies, waaronder buisleidingen.
De Nederlandse operators hebben behoefte aan een aanpak om deze risico’s voor
buisleidingen te beoordelen. Deltares verricht daarom deze studie met de doelstelling de
risico’s van door aardebevingen geïnduceerde bodemtrillingen op buisleidingen inzichtelijk te
maken. De studie wordt in 2 fasen uitgevoerd. In fase 1 worden de risico’s algemeen
geïnventariseerd en globaal beoordeeld. Eventuele risico’s die nadere studie behoeven
worden geïnventariseerd. Deze worden in de tweede fase nader bekeken. Dit kan gebeuren
als een risico nog niet goed beoordeeld kan worden of het risico te groot blijkt te zijn. De twee
fasen moeten gezamenlijk opleveren:
Een breed overzicht van de risico’s voor buisleidingen.
Een globale inhoudelijke beoordeling van deze risico’s.
Een beoordelingsmethode voor de risico’s die groot geacht worden (fase 2).
1.2
1.2.1
Opzet van de studie
Algemeen
Inventarisatie en globale beoordeling van de risico’s worden uitgevoerd in fase 1. Bij de
inventarisatie zijn de volgende parameters van belang:
Grootte van de aardbevingsbelasting.
Overzicht van de verschillende leiding typen.
Overzicht van de verschillende schademechanismen voor de verschillende leidingen.
Na afronden van de inventarisatie worden de risico’s vastgesteld en globaal beoordeeld.
Voorafgaand aan de beschouwing wordt eerst een overzicht gegeven van de literatuur over
schade aan leidingen door aardbevingen. Hierbij worden de bevindingen ook vergeleken met
de waarnemingen tot nu toe.
1.2.2
Grootte van de Aardbeving belasting
Bepaling van de maatgevende bodemtrillingen die door aardgaswinning veroorzaakt worden.
Het betreft hier de schatting van de dynamische bodembewegingen in de ondiepe
ondergrond (van maaiveld tot -30 m). De grootte van de verplaatsing, de versnelling, de
frequentie inhoud en duur van de trillingen zijn nodig. Tevens wordt aangegeven welke
golflengtes optreden, aangezien het niet zozeer de verplaatsingen als wel de
verschilverplaatsingen zijn die de krachten in de leidingen veroorzaken.
Schade aan buisleiding door aardbeving
3 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Het betreft hier geïnduceerde aardbevingen. Er moet rekening gehouden worden met een
mogelijk andere golfkarakteristiek. De standaard procedure van de Eurocodes is niet
toepasbaar voor het bepalen van de aardbevingssterkte.
1.2.3
Overzicht leidingtypen
Aangezien verschillende leidingtypen verschillend op aardbevingsbelastingen reageren wordt
een overzicht van de in deze studie beschouwde leiding typen gegeven.
1.2.4
Overzicht schademechanismen
Op basis van de beschikbare literatuur wordt nagegaan welke mechanismen voor het
optreden van schade door aardbevingen in het algemeen beschouwd worden en welke
modellen beschikbaar zijn. Op basis van dit literatuur onderzoek wordt een eerste globale
schatting van de risico’s gemaakt en aangegeven welke rekenmodellen toepasbaar zijn voor
de onderhavige problematiek.
1.2.5
Vaststellen en beoordelen risico’s
Op basis van engineering judgement, onderbouwd door enkele berekeningen en literatuur
onderzoek, worden de risico’s voor schade aan leidingen vastgesteld en beoordeeld.
Ten slotte wordt een uitspraak gedaan over de beoordeelde risico’s. Aangegeven wordt
welke risico’s in algemene zin verwaarloosd kunnen worden en welke nader beschouwd
moeten worden. Dit laatste kan betekenen dat in fase 2 of een nauwkeurigere beschouwing
wenselijk is of een rekenregel of procedure opgesteld moet worden om een ontworpen leiding
te beoordelen.
Schade aan buisleiding door aardbeving
4 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
2 Ervaringsdata schade aan buisleidingen in de literatuur
2.1
Inleiding
In de literatuur zijn enkele studies beschikbaar waarin aan de hand van de geconstateerde
schade gevallen empirische relaties voor verwachte schade gegeven worden. Tevens tracht
men op basis van post-analyse lessen te trekken voor beter ontwerp van een leiding of een
heel netwerk. De schades aan leidingen worden vaak uitgedrukt in het aantal schades per
km.
Op dit moment zijn geen studies naar de schade aan leidingen door geïnduceerde
aardbevingen bekend. Internationaal wordt na optreden van natuurlijke aardbevingen (met
name in de VS) vaak een schade analyse uitgevoerd. Dash en Jain [2007] hebben
waarnemingen van verschillende onderzoekers gebundeld en in een tabel weergegeven.
Deze tabel is weergegeven in Bijlage B.
Uit de tabel met gegevens van ernstige aardbevingen volgen verschillende vormen van
schade. Schade door de passerende aardbevingsgolven en schade door blijvende
grondverplaatsingen worden gerapporteerd (afschuivende grondmassa’s, verweking van de
grond). Daarnaast wordt vaak ernstige vervolgschade gerapporteerd, waaronder branden bij
gebroken gasleidingen en het niet meer functioneren van het hele transportnetwerk.
De problematiek is dus niet a priori verwaarloosbaar. Er moet rekening gehouden worden
met zowel de invloed van de tijdelijke grondbelasting als de invloed van de permanente
grondbelasting.
De literatuur is gezocht in de geotechnische bibliotheek van Deltares. Daarnaast is het
digitaal beschikbare archief van het tijdschrift ‘Soil Dynamics and Earthquake Engineering’
geraadpleegd. Dit gaat terug tot 1986.
2.2
2.2.1
Bevindingen in relatie tot geïnduceerde aardbevingen
In deze paragraaf wordt de beschikbare literatuur met ervaringsdata bekeken, waarbij
getracht wordt conclusies te trekken voor de sterkte van de geïnduceerde aardbevingen
zoals die in Nederland momenteel verwacht worden.
Internationale literatuur
De volgende ervaringsdata zijn beschikbaar (de figuur nummers verwijzen naar de originele
referenties):
O’Rourke 1998
Uit Figuur 16c: kan worden afgelezen dat bij een grond pieksnelheid van 200 mm/s 0.02
reparaties per km worden verwacht, dus er treedt gemiddeld op een leiding van 50 km één
beschadiging op.
O’Rourke et al, 2001
Figuur 13 geeft echter andere getallen aan. Bij een piek grondsnelheid van 200 mm/s varieert
het aantal schades van 0.06 voor asbest cement tot 0.6 voor stalen leidingen. Dat wil zeggen
dat er per 16 km asbest cement leiding een beschadiging verwacht wordt, terwijl dit voor
stalen leiding per 1.6 km het geval is.`
Schade aan buisleiding door aardbeving
5 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
O’Rourke en Liu, 1999
In Alaska, 1964, waren de meeste van de 300 schades aan leidingen veroorzaakt door
afschuivingen en grondbreuk (scheurvorming, hoogteverschil)
Kortdurende tijdelijke grond beweging (de trilling)
Figuur 1.1 geeft een gemiddelde schade van 0.025 / km bij een grond piek versnelling van
1 m/s2 gebaseerd op empirie.
Figuur 1.2 (in dit rapport geschetst in Figuur 2.1) geeft voor de gemodificeerde Mercalli
schaal (6 op de gemodificeerde Mercalli schaal komt overeen met 5 op de schaal van Richter
en 7 op de gemodificeerde Mercalli schaal komt overeen met 6 op de schaal van Richter, zie
bijvoorbeeld USGS, 2010) bij magnitude 6 schade getallen van 3*10-5 tot 10-2 afhankelijk van
het soort leiding. Opvallend hierbij is de constatering dat bij gelaste buizen de soort las
maatgevend is voor de schade kans. (O’Rourke en Liu maken bij “welded steel” onderscheid
tussen caulked joints, gas-welded, arc-welded grade A, grade B and grade X. De caulked
welds ontbreken in de figuur.)
Figuur 1.3 geeft het aantal geconstateerde schade gevallen als functie van de horizontale
trillingssterkte (die bij passage van een oppervlaktegolf groter is dan de verticale). Bij
trillingssnelheid 100 mm/s wordt 0.01 schade per km gegeven, dat wil zeggen: één
schadegeval per 100 km leiding.
10
Schades per kilometer
1
0.1
0.01
0.001
gelast staal gas vlam
asbest cement, beton
PVC
gietijzer, gelast staal geteerde las
gelast staal, vlamboog las
gietijzer lage kwaliteit
gelast staal met vlamboog hoge kwaliteit
0.0001
0.00001
6
7
8
9
10
Gemodificeerde Mercally intensiteit
Figuur 2.1
Schade frequentie bij natuurlijke aardbevingen [O’Rourke, Liu, 1999]
Permanente grond verplaatsing
Figuur 1.4 en 1.5 geven tot een permanente (verplaatsing van orde 100 mm = 0.1 m) een
lineaire toename van het aantal breuken per km als functie van de grondverplaatsing. Bij
Schade aan buisleiding door aardbeving
6 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
0.1 m grondverplaatsing treden 10 breuken per km op. Bij grotere grondverplaatsingen is het
aantal breuken nauwelijks nog hoger, vermoedelijk omdat dan de meeste leidingen al
bezweken zijn.
Figuur 1.6 geeft aan dat het type leiding hierbij weer een rol speelt, de spreiding is weer een
factor 20 (de sterkste leiding geeft 20 keer minder schade dan de zwakste leiding).
Ten slotte geeft Figuur 1.7 aan dat de ervaring leert dat zelfs bij een laag aantal breuken (1
per 100 km) 1 op de 10 netwerken niet meer functioneert. Bij 0.3 breuken per km is nog 1
van elke 10 netwerken bruikbaar.
Pradipta Banerji, 1992,
Figuur 2 geeft voor relatief zware aardbevingen (kracht 6 op de modified Mercalli schaal)
0.04 tot 0.06 reparatie per kilometer (één reparatie per 25 tot 16 km), een en ander
afhankelijk van het type leiding.
Wang, O’Rourke, 1998
Het aantal schades is gerelateerd aan de grondsoort: hoe slapper de grond, des te meer
schades worden er waargenomen.
Japanse resultaten geven aan dat bij Magnitude 7 het aantal schades door grondtrilling
dramatisch toeneemt. Maar, het hangt ook af van de bodem situatie, als er veel blijvende
deformaties optreden, is het beeld veel minder duidelijk.
Er lijkt geen verband te bestaan tussen het aantal schades en de leiding diameter, zowel een
toenemende als een afnemende schade kans met toenemende diameter worden
gerapporteerd. Er bestaat ook geen verband tussen het doel en het belang van de leiding.
Wel neemt het aantal schades toe als de leiding in verschillende grondsoorten loopt (en dus
grond overgangen kruist). Ook is een leiding die evenwijdig loopt aan de richting van de
aardbevingsgolven 2.5 keer zo gevoelig voor schade als in de richting er loodrecht op.
Uit Japans onderzoek is gebleken dat ver weg van de bron (lage frequenties overheersen) de
leiding vrijwel volledig met de grond meebeweegt. Nabij de bron (hoge frequenties
overheersen) ontstaan relatief meer verschillen, maar deze blijven klein.
De leiding heeft weinig invloed op de grondverplaatsing, de massa van de leiding speelt
nauwelijks een rol in de responsie.
Zowel buig als normaalspanningen treden op, maar de normaalspanningen overheersen het
gedrag. De overheersende frequentie heeft meer invloed op de spanningen dan de sterkte
van de trillingen.
Compressie golven die zich evenwijdig aan de leiding voortplanten, leiden tot axiale
spanningen, terwijl schuifgolven die zich onder een hoek van 45 graden op de leiding
voortplanten, ook leiden tot axiale spanningen.
Wang en O’Rourke geven een aantal adviesregels voor het ontwerp aan. Hoewel buiten het
directe bestek van dit onderzoek, worden deze hier toch weergegeven, aangezien deze vice
versa aangeven waar de grootste risico’s te verwachten zijn:
Blijf weg van potentiële scheuren en leg de leiding loodrecht op de scheur, nooit
evenwijdig.
Leg geen leidingen op (of nabij) steile hellingen.
Zorg voor redundantie in het netwerk.
Plaats kleppen die het systeem beveiligen tijdens aardbevingen.
Schade aan buisleiding door aardbeving
7 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Gebruik taai materiaal, zodat relatief grote vervormingen zonder breuk mogelijk zijn.
Zorg voor grote rotatie capaciteit in gelede leidingen.
Besteed extra zorg aan leidingen in leidingen tunnels, dit is vaak een goede
beschermingsmaatregel.
Plaats op breuklijnen extra expansie elementen.
Davis Bardet 2000
Davis en Bardet analyseren de schade bij een waterleidingennetwerk (bestaande uit
corrugated metal pipes = geribde metalen leidingen, die dus relatief flexibel zijn) ten gevolge
van de 1994 Northridge aardbeving. De maximale trillingssnelheid van de bodem varieerde
van 500-1600 mm/s. Van de kleine diameter leidingen is er slechts één beschadigd, terwijl de
grote diameter leidingen (D > 1 m) veel meer schade hebben. Opvallend is dat de
verbindingen en dergelijke hier niet afzonderlijk genoemd worden als bijzondere risico factor.
Loeches 1995
Geeft aan dat uitsluitend het optreden van permanente verplaatsingen een probleem is, niet
de aardbevingsgolven zelf. Dit is niet in lijn met de voorgaande bevindingen.
2.2.2
Tectonische aardbevingen in Nederland
Nederland kent ook natuurlijke, zogenaamde tectonische aardbevingen. De sterktse (en
bekendste) aardbeving is geweest in Roermond in 1992. Voor zover bekend is hierbij geen
schade opgetreden aan leidingen. Er zijn wel duidelijk blijvende gronddeformaties geweest.
Op internet bestaat een lijst met tectonische aardbevingen in Nederland (KNMI 2010b).
De aardbevingen in Voerendaal van 7 maart 2001 en 23 juni 2001 zijn met betrekking tot de
magnitude en diepte redelijk vergelijkbaar met de geïnduceerde aardbevingen (magnitude
3.1 op diepte 5.0 km respectievelijk magnitude 3.9 op diepte 3.7 km. Het KNMI meldt dat
deze aardbevingen dieper plaatsvinden dan de kolenwinning, en dus hoofst waarschijnlijk
een tectonische oorsprong hebben: de Kunrade breuk. De site meldt over de schade:
“Na de bevingen op 7 maart was er geen schade aan gebouwen gerapporteerd, na de
bevingen op 23 juni waren er meldingen van losgeraakte dakpannen, schade aan
schoorstenen, losrakend pleisterwerk en tenslotte een scheur in het wegdek.”
Significante schade aan leidingen wordt niet gemeld, en zal derhalve klein geweest zijn.
Op 7 december 1985 is bij Kunrade een hoofdschok geweest met magnitude 3.0 en diepte
5.0 km.
Een andere aardbeving met vergelijkbare magnitude en diepte is in 1980 bij Heythuysen
geweest. Hierover is geen informatie over de schade gevonden.
Geconcludeerd kan worden dat er in Nederland geen meldingen van schade aan leidingen
door natuurlijke aardbevingen bekend zijn.
2.3
Conclusies
Op basis van extrapolatie van de bestaande kennis voor zware natuurlijke aardbevingen naar
het verwachte magnitude nivo van 3 à 4 kan verwacht worden dat bij het zwaarst verwachte
type aardbeving het schade getal ongeveer 0.001 /km zal zijn, met andere woorden per
1000 km leiding zal één schade geval optreden. Er moet wel rekening gehouden worden met
de situatie dat hierdoor wel onverwacht de capaciteit van het gehele netwerk kan worden
aangetast. Hierbij wordt uitgegaan dat de signaal karakteristiek weinig invloed heeft.
Schade aan buisleiding door aardbeving
8 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Verder bestaat de indruk dat de grote diameter leidingen kwetsbaarder zijn dan de kleine
diameter leidingen. Het type leiding is relevant. De meeste schade wordt veroorzaakt door de
permanente verplaatsingen als gevolg van de aardbevingen.
Schade aan buisleiding door aardbeving
9 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Schade aan buisleiding door aardbeving
10 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
3 Aardbevingsbelastingen
3.1
Algemeen
Een aardbeving kan door de mens worden veroorzaakt of op natuurlijke wijze optreden. In
beide gevallen vindt er een beweging in de aardkorst plaats. Door spanningsverandering in
de aardkorst bewegen delen van de aardkorst ten opzichte van elkaar. De beweging gebeurt
schoksgewijs; dit leidt tot golfbewegingen in de aardkorst. Deze natuurlijke bewegingen
concentreren zich in zogenaamde breuken.
Bij natuurlijke aardbevingen vindt de beweging van de delen van de aardkorst meestal plaats
op grote diepte en worden aan het aardoppervlak vaak alleen de golfbewegingen
waargenomen. De golven veroorzaken een tijdelijke grondbeweging. In enkele gevallen,
langs grote breuklijnen, wordt er aan het maaiveld een verschil verplaatsing van twee
aardkorstdelen gesignaleerd. Soms geeft de golfbeweging aanleiding tot een blijvende
vervorming, bijvoorbeeld een talud afschuiving. Dit zijn voorbeelden van permanente
grondbewegingen.
Figuur 3.1
Het optreden van geïnduceerde aardbevingen door verschuiving langs breuken in en boven
reservoir gesteente ( bron de Mulder 2003, overgenomen uit Wassing 2008)
De beschouwingen in de internationale literatuur zijn primair voortgekomen uit de situatie bij
zware aardbevingen. Het doel van deze studie is na te gaan welke mechanismen relevant
zijn voor de situatie bij de aardgaswinning. De aardbevingen door aardgaswinning zijn lichter
dan de aardbevingen die wereldwijd optreden. In het algemeen is de bron minder diep dan bij
en natuurlijke aardbevingen, namelijk het reservoirniveau. Als een mechanisme in dit rapport
opgenomen wordt, betekent dit niet dat het betreffende mechanisme naar verwachting zal
optreden, maar dat nagegaan wordt of het mechanisme verwacht mag worden en zo ja, het
risico toelaatbaar is.
Schade aan buisleiding door aardbeving
11 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
De karakteristieken van geïnduceerde aardbevingen en natuurlijke aardbevingen verschilt.
Natuurlijke aardbevingen zijn veelal sterker, maar het hypocentrum (de plaats in de aardkorst
waar de initiërende grondbeweging optreedt) ligt veel dieper, wereldwijd tot boven de
100 km, in Nederland is de diepste aardbeving geregistreerd op 28 km diepte bij oa.
Nijmegen en Roermond. Omdat de afgelegde weg van de trillingen veel langer is, treedt er
meer spreiding van de golfenergie op. Daardoor duren natuurlijke aardbevingen langer en
zijn zij minder schokvormig dan de geïnduceerde aardbevingen, die op ongeveer 3 km diepte
ontstaan. Bij vertaling van de bevindingen van natuurlijke aardbevingen naar geïnduceerde
aardbevingen moet dit aspect beschouwd worden.
3.2
Tijdelijke grondbeweging
De tijdelijke grondbeweging ontstaat doordat een spanningsgolf passeert. Deze
spanningsgolf ontstaat door het plotseling vrijwel instantaan ontlasten van de spanningen die
ergens in de bodem opgebouwd zijn. Deze golven planten zich in alle richtingen voort, en
komen dus ook aan het oppervlak. Daar zijn zij merkbaar door kortdurende, mogelijk
intensieve bodembewegingen. De weg naar het aardoppervlak is in het geval van de
geïnduceerde aardbevingen zo’n 3 km lang. Over deze afstand treedt ruimtelijke spreiding,
materiaal demping en reflectie van de golven op. Aan het maaiveld kunnen grondlagen bij
ongunstige omstandigheden versterking van de trilling geven. In Bijlage C staat een
algemeen overzicht van aardbevingsgolven.
In deze paragraaf wordt de grootte van de belasting beschreven. De beschrijving is
gebaseerd op eerdere studies van TNO-NITG [Wassing et al 2004]. Deze zijn gebaseerd op
een combinatie van geologische kennis en empirische gegevens van opgetreden
aardbevingen.
3.2.1
Optredende belasting
Uit het meten van de versnelling die optreedt bij een aardbeving kan de snelheid worden
afgeleid. Uit analyse van de gemeten waarden kan statisch de maximale snelheid voor een
bepaald herhalingsinterval worden berekend. In de onderstaande Figuur is voor een aantal
geïnduceerde aardbevingen de maximale snelheid, voor een herhalingsperiode van 100 jaar,
weergegeven voor
S-golven.
Figuur 3.2
De maximale grond snelheid [S-golven] voor een herhalingsperiode van 100 jaar [Wassing 2008]
In de Figuur 3.2 is te zien dat door demping de snelheid afneemt op grotere afstanden van de
bron van de aardbeving. Door TNO zijn kaarten gemaakt waarop het ruimtelijke effect van de
Schade aan buisleiding door aardbeving
12 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
snelheidafname bij de verschillende bronnen ( bij aardgasvelden) is te zien. Een kaart voor
een herhalingsperiode van 100 jaar is weergegeven in Figuur 3.3.
Figuur 3.3
Ruimtelijke spreiding van de maximale snelheid (S-golven) bij een herhalingsperiode van 100 jaar.
(Wassing 2008)
De voorgaande figuren zijn gebaseerd op meetresultaten die zich op een bepaalde locatie
bevinden. Deze locaties worden gekenmerkt door een bepaalde grondslag die van belang is
Schade aan buisleiding door aardbeving
13 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
voor de zogenaamde site respons van de aardbevingsgolven (Figuur 3.4). Door de
eigenschappen van de bovenste grondlagen kan de aardbevingsgolf veranderen.
Figuur 3.4
Site response in de bovenste grondlagen (Wassing 2008)
Indien de grondopbouw afwijkt van de grondopbouw ter plaatse van de meetlocatie kunnen
afwijkende maximale snelheden optreden bij eenzelfde bronsignaal van de
aardbevingsgolven.
Figuur 3.5
Maximale snelheden in ongunstige situaties voor S-golven, herhalingsperiode = 10 jaar
(Wassing 2008)
In Nederland worden de seismische hazard studies altijd uitgevoerd voor de S-golven, deze
zijn verantwoordelijk voor de grootste versnellingen en snelheden. De P-golven worden
doorgaans niet uitgebreid geanalyseerd.
Bij de opgetreden geïnduceerde aardbevingen zijn tot op heden geen Rayleigh golven
waargenomen (zie bijlage C voor een korte introductie in golven in de bodem). De Rayleigh
golven ontstaan vaak op grotere afstanden van een aardbeving en worden sterk bepaald
door de lokale geologische omstandigheden. Volgens het KNMI, die de Nederlandse
geïnduceerde aardbevingen heeft geanalyseerd, zijn de Nederlandse geologische
omstandigheden dusdanig, dat er geen ontwikkeling van significante Rayleigh golven te
verwachten zijn bij een geïnduceerde aardbeving.
Schade aan buisleiding door aardbeving
14 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
3.2.2
Parameters voor berekeningen buisleidingen
Uit de voorgaande paragraaf volgen de van belang zijnde parameters voor het toetsen van
effecten op buisleidingen. In de onderstaande tabel zijn aan de hand van metingen en
analyses van reeds opgetreden geïnduceerde aardbevingen parameterwaarden afgeleid. De
parameters worden weergegeven voor een 3 tal bodemprofielen met een stijve toplaag,
profielen met een slappe toplaag, en speciale bodemprofielen met een tussen gelegen
slappe grondlaag die tot opslingering leidt. Uit de rapportage van Wassing et al (2004) volgt
dat de vermenigvuldigingsfactoren respectievelijk 1, 1,5 en 2 bedragen.
Uit de metingen volgt dat de R-golven niet voorkomen bij geïnduceerde aardbevingen in
Nederland.
Maximale versnelling (m/s2)
Maximale snelheid (mm/s)
Karakteristieke periode (s)
Tabel 3.1
Bodemprofiel
Stijf
Slap
special
Stijf
Slap
special
P-golven
Onbekend
Onbekend
Onbekend
Onbekend
Onbekend
Onbekend
Onbekend
S-golven
4,2
6,3
8,4
60
90
120
0,1
Voorlopig gekozen waarden voor analyse van buisleidingen
Tot op heden zijn er geen gegevens van de P-golven bekend. Wel is bekend dat de
maximale versnelling en de maximale snelheid veel lager zijn dan die van de S-golven.
Aangezien de periode waarschijnlijk wel significant kleiner is, is het niet bij voorbaat aan te
geven dat de S-golven maatgevend zijn en de P-golven kunnen worden genegeerd.
3.2.3
Bodemprofielen
Om de toepasbaarheid van de aangegeven grondprofielen te illustreren is nader onderzoek
verricht. Op basis van algemene geologische kennis is in de gebieden met geïnduceerde
aardbevingen een beschouwing van de grondopbouw gemaakt. Hiervoor is de geologische
provincie kaart van TNO NITG ( Bijlage A) gebruikt. Aan de hand van deze kaart zijn locaties
met een specifieke grondopbouw gezocht. Per locatie is in het archief TNO Dinoloket een
voor deze locatie karakteristieke sondering geselecteerd. Op basis van vuistregels is
vervolgens het schuifgolf snelheidsprofiel afgeleid.
Bijlage D geeft de berekend snelheidsprofielen voor de vijf gekozen sonderingen. Hieruit kan
worden geconcludeerd dat de profielen zoals die door Wassink 2008 gepresenteerd zijn,
bruikbaar zijn voor deze studie.
Voor meer gedetailleerde studies moet echter wel rekening gehouden worden met lagere
snelheden in de ondiepe grondlagen. Hiervoor zal gecorrigeerd moeten worden. Veld
onderzoek zal de ondergrens van de slappe lagen moeten bepalen, die in
aardbevingsanalyses gebruikt kunnen worden. Standaard veldonderzoek (sonderingen en
boringen) geven hiervoor een goede basis. In kritische situaties kan overwogen worden om
een seismische sondering, die direct de golfsnelheid meet, uit te voeren.
3.2.4
Tijdsignalen
Bijlage E geeft de geregistreerde versnellingen tijdens een geïnduceerde aardbeving weer
[KNMI, 2010]. Het betreft een beving op 19 februari 1997, met magnitude 3.4 bij Roswinkel
(Drenthe). Zowel de noordzuid beweging, de oostwest beweging en de verticale beweging
Schade aan buisleiding door aardbeving
15 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
zijn getoond. De versnellingen zijn numeriek geïntegreerd naar snelheid [mm/s] en
verplaatsing [mm]. In noordzuid richting treedt een maximale vervorming van 2 mm op, in de
oostwest richting ongeveer 1 mm. De verticale beweging is erg klein, waardoor de getoonde
verplaatsingen niet realistisch zijn.
De maximaal verwachte trillingssnelheid is 120 mm/s (Figuur 3.5). Dit is tweemaal zo groot
als in het getoonde signaal. Als wordt verondersteld dat de tijdskarakteristiek van de
aardbeving niet verandert bij een sterkere aardbeving, dan kan aangenomen worden dat de
maximale verplaatsing ook tweemaal zo groot is.
Daarnaast moet rekening gehouden worden met de invloed van de frequentie. De maximale
verplaatsing (geschat uit Figuur 3.5) wordt bereikt bij een langere periode, namelijk 0.3 à
0.4 s, of meer. De verplaatsingsamplitude is dan orde 1.8-2.0 hoger dan bij periode 0.1 s. Op
basis van deze beschouwing moet rekening gehouden worden met maximale verplaatsingen
in de orde van 7 mm voor de slappe bodemprofielen en 4 mm voor de stijvere profielen.
3.3
Permanente grondbeweging
De volgende permanente grondbewegingen als gevolg van een aardbeving kunnen worden
onderscheiden (O’Rourke, 1998):
Liquefactie, verweking van losgepakte granulaire gronden.
Verdichting van granulaire gronden.
Afschuiven van grondlichamen door de zwaartekracht.
Tektonische grondbeweging langs breuken.
Verweking is een van de grootste risico’s bij natuurlijke aardbevingen met een grotere
magnitude. Door de aardbevingsgolven geïnduceerde rek in de grond resulteert in
verschuiving van de granulaire gronddeeltjes, zodat onder de grondwaterspiegel verweking
optreedt. Indien het verweekte grond volume niet kan bewegen (geen
stromingsmogelijkheden), zijn de gevolgen relatief gering ( kleine grondverplaatsingen), maar
indien er wel beweging mogelijk is zijn de grondverplaatsingen aanzienlijk. Het wel of niet
optreden van verweking is te berekenen.
Bij zeer goed doorlatende granulaire gronden of granulaire gronden zonder grondwater is het
mogelijk dat alleen verdichting optreedt en het volume van de grondmassa afneemt. In de
geïnduceerde aardbevingsgebieden in Nederland, zal dit verschijnsel naar verwachting
tijdens aardbevingen niet significant voorkomen
Het afschuiven van grondmassa’s kan alleen gebeuren indien er sprake is van reliëf. Bij
aarde banen van wegen en spoorwegen, bij dijken of geluidwallen is derhalve kans op
afschuiving aanwezig. Door variatie in grondeigenschappen zullen bij een aardbeving van
voldoende sterkte vaak slechts delen van een aardebaan of dijk afschuiven en zal afschuiven
niet over de volledige lengte optreden .
In de onderstaande Figuur 3.6 is een overzicht van verschillende permanente bewegingen en
het effect daarvan op leidingen te zien.
Schade aan buisleiding door aardbeving
16 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Figuur 3.6
Permanente grondbewegingen [ O’Rourke et al 2001]
Schade aan buisleiding door aardbeving
17 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Schade aan buisleiding door aardbeving
18 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
4 Leidingen
4.1
Veel toegepaste leidingtypen
Er zijn verschillende soorten leidingmaterialen. Het materiaaltype wordt gekozen op basis
van het door de leiding te transporteren vloeistof of gas, materiaal eigenschappen, aanleg
aspecten e.d. De volgende typen leidingen worden in Nederland veelvuldig gebruikt [NEN
3650].
Gietijzer.
Staal.
Beton [gewapend, ongewapend en met of zonder plaatstalen kern].
Polyethyleen [PE].
Glasvezel versterkte kunststofleidingen [GVK].
PVC.
Stalen en PE leidingen worden vaak gelast aangelegd. De lassen zijn geen locaties van
zwakte, indien ze goed worden uigevoerd. Deze leidingen kunnen als continue leidingen
worden beschouwd.
Betonnen en gietijzeren leidingen worden vaak in elementen aangelegd. De elementen zijn
dan vaak verbonden door middel van een mof spie koppeling die een zekere hoekverdraaiing
kan ondergaan.
Bij GVK kunnen vaste verbindingen in het werk worden gemaakt, maar ook verbindingen die
een hoekverdraaiing kunnen ondergaan komen voor.
PVC leidingen worden meestal met koppelstukken gelijmd. Deze koppelingen zijn wat stijver
dan de leiding, maar mogelijk ook wat sterker. Vooralsnog worden deze leidingen onder de
continue leidingen geplaatst.
4.2
Toestand van de leiding
Bij installatie van de leiding zijn alle materialen nieuw en op ontwerpsterkte. Door invloeden
van buitenaf of van binnenuit kunnen de eigenschapen van de leiding in de loop der tijd
veranderen.
Zo wordt al reeds bij het ontwerp van PE leidingen rekening gehouden met veroudering van
het materiaal door kruip. Ook bij stalen leidingen worden effecten van te verwachten corrosie
vaak bij het ontwerp al meegenomen.
De verouderingseffecten van koppelingen worden bij het ontwerp van leidingen in het
algemeen niet meegenomen.
Door ongelijkmatige zettingen kunnen er al initiële spanningen in continue leidingen of initiële
hoekverdraaiingen in gesegmenteerde leidingen bestaan. Aangenomen wordt dat deze
invloed in de toelaatbare waarden verdisconteerd zijn.
Schade aan buisleiding door aardbeving
19 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
4.3
Parameterkeuze voor deze studie
Voor deze studie zijn de volgende parameters gekozen:
Type
Staal
PE 900
PVC
Tabel 4.1
Type
Gietijzer
Beton
GVK
Tabel 4.2
Diameter
[m]
1.22
0.90
0.50
Wanddikte
[mm]
19
34.7
19.1
Stijfheid
[MPa]
210 000
200
1500
Sterkte
[MPa]
240
6.3
25
Parameters voor continue leidingen
Diameter
[m]
1.8
2.0
2.0
Element lengte
[m]
8
2.4
3.0
Toelaatbare hoekverdraaiing
[graden]*
0.3
0.5
0.5
Parameters voor gelede leidingen
*afhankelijk van de diameter
De sterkte betreft de toelaatbare trekspanning, waarbij bij pvc leidingen de sterkte van de
lassen maatgevend is.
Voor de berekeningen is een indicatie van de bodemstijfheid rondom de leiding nodig. Deze
wordt uitgedrukt in de beddingsconstante tegen axiale en transversale beweging. Deze
kunnen volgens de NEN 3650 geschat worden. De werkelijke waarde is van veel parameters
afhankelijk: de werkelijke grondsoort en specifieke grondeigenschappen (dichtheid, sterkte),
diameter leiding, de aanleg diepte en de aanleg wijze. Daarom wordt in dit rapport een range
aangegeven, waarvoor de beschouwingen uitgevoerd worden.
Schade aan buisleiding door aardbeving
20 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
5 Schademechanismen
5.1
Algemeen
Bij de schademechanismen wordt onderscheid gemaakt tussen primaire
schademechanismen en secundaire schademechanismen (Dash and Jain 2007).
Primaire schademechanismen treden op bij doorgaande leidingsystemen bij
voorbijgaande grondbewegingen of permanente grondbewegingen.
Secundaire schademechanismen treden op bij interactie tussen leidingen en andere
constructies of niet-doorgaande leidingen zoals T-stukken en 90 graden bochten.
De beschouwingen in de internationale literatuur zijn primair voortgekomen uit de situatie bij
zware aardbevingen. Het doel van deze studie is na te gaan welke mechanismen relevant
zijn voor de situatie bij de aardgaswinning. De aardbevingen door aardgaswinning zijn lichter
dan de natuurlijke aardbevingen die in andere delen van de wereld optreden. Als een
mechanisme in dit rapport opgenomen wordt, betekent dit niet dat het betreffende
mechanisme naar verwachting zal optreden, maar dat in deze studie nagegaan wordt of het
mechanisme verwacht mag worden en zo ja, of het risico toelaatbaar is.
5.2
Beschouwing Eurocode 8-4
In de Eurocode 8, Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige constructies wordt in
deel 4 in detail ingegaan op silo’s, tanks en leidingen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen
bovengronds gelegen leidingen en ondergronds gelegen leidingen.
Voor leidingen beschrijft Eurocode 8 twee grenstoestanden:
Uiterste grenstoestand, waarbij totaal bezwijken van de leiding optreedt en er allerlei
risico’s ontstaan zoals explosies e.d.
Bruikbaarheid grenstoestand, waarbij de leiding nog dienst kan doen na een aardbeving
en nog steeds transportcapaciteit heeft.
In de Eurocode wordt verder onderscheid gemaakt tussen voorbijgaande grondbeweging en
permanente grondverplaatsing. Indien er geen risico aanwezig is op het optreden van
permanente grondverplaatsing (dit volgt uit een studie naar de grond waarin de leiding is
aangelegd) kan de leiding worden beoordeeld door middel van een studie naar de
voorbijgaande grondverplaatsingen.
Bij deze studie dient aandacht te worden besteed aan:
Optredende rek.
Optredende buiging.
Optredende hoekverdraaiing (bij koppelingen van gelede leidingen).
Ten aanzien van de optredende rek worden er maximale waarden genoemd voor een situatie
met trek en een situatie met compressie voor stalen gelaste leidingen.
Voor deze verkennende studie zijn de aangenomen mechanismen voldoende om een beeld
van de risico’s door geïnduceerde seismiciteit te vormen. Bij een leidingenproject in het
algemeen moet rekening gehouden worden met bijzondere risico’s, bijvoorbeeld ovalisering
Schade aan buisleiding door aardbeving
21 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
van de leiding door hoge maaiveldbelastingen, beschadiging door graafwerkzaamheden of
ontgronding door hevige regenval. Hoewel niet uitgesloten kan worden dat er nog bijzondere
situatie kunnen optreden, wordt daar verder geen aandacht aan besteed, aangezien dit
buiten het kader van deze studie valt.
5.3
5.3.1
Primaire schademechanismen
Voorbijgaande grondbewegingen en continue leidingen
De onderstaande schademechanismen voor voorbijgaande grondbewegingen zijn ontleend
aan Dash and Jain [2007].
Bezwijken door trekspanning
Door axiale rek in de leiding kan de elastische bezwijkrek van de leiding worden
overschreden. Bij leidingen in slechte staat is dit een mogelijk schade mechanisme.
Figuur 5.1
Bezweken leiding door trekbelasting (Dash and Jain 2007)
Compressief bezwijken
Dezelfde rek die tot bezwijken kan leiden door het ontstaan van grote trekspanningen kan
ook compressief bezwijken tot gevolg hebben.
Lokaal knikken
Bij lokale onregelmatigheden in de wand van de leiding kunnen alle spanningen door
axiale rek zich concentreren op 1 locatie, zodat lokaal uitknikken kan optreden.
Opwaartse knikken
Het opwaarts knikken van leidingen komt voor als de leidingen met een geringe
gronddekking zijn aangelegd. In feite treedt opwaarts knikken op als de bedding van de
leiding aan de bovenzijde niet genoeg neerwaartse belasting kan mobiliseren.
5.3.2
Voorbijgaande grondbewegingen en gelede leidingen
De onderstaande schademechanismen voor voorbijgaande grondbewegingen zijn ontleend
aan Dash and Jain [2007].
Trek bezwijken van de koppeling
De rek die optreedt door de aardbeving kan ertoe leiden dat de koppeling van de leiding
elementen op trek wordt belast en daardoor bezwijkt. Een studie omtrent optredende
rekken en daarbij optredende schade aan koppelingen is uitgevoerd door Elhmadi en
Schade aan buisleiding door aardbeving
22 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
O’Rourke [1990]. De koppeling kan op trek bezwijken doordat de treksterkte (van een
trekstijve verbinding) overschreden wordt, of als de relatieve verplaatsing in de verbinding
te groot wordt.
Compressief bezwijken van de koppeling
Op dezelfde wijze als bij een belasting op trek kan de koppeling ook door compressierek
bezwijken. Trekstijve koppelingen zijn meestal uitsluitend ontworpen op het opvangen van
trekkrachten. De toelaatbare drukkracht is dan niet of slechts globaal bekend. Een
gelijmde trekvaste koppeling bezwijkt onder druk als er lijmnaad bezwijkt. Een flexibele
koppeling zal eerst enige vervorming geven, waarna stuik optreedt. Als de vervormingen
dan nog groter worden nemen de stuikkrachten toe en kan schade aan de doorsneden
optreden (vergelijkbaar met de schades die bij microtunneling met betonnen segmenten
geconstateerd worden).
Overschrijding van de maximale hoekverdraaiing
De gelede leidingen hebben vaak koppelingen die enigszins kunnen bewegen. De
beweging c.q. hoekverdraaiing maakt het mogelijk enige grondbeweging op te vangen.
Echter bij overschrijding van de maximale hoekverdraaiing treedt al snel schade op. Deze
schade kan variëren van lekkage (zie onderstaande Figuur) door kapotte afsluitingen tot
schade van de leiding zelf.
Figuur 5.2
Lekkende gelede waterleiding door overmatige hoekverdraaiing (aardbeving Sumatra 2004, Dash
and Jain 2007)
5.3.3
Permanente grondbewegingen en continue leidingen
Bij permanente grondbewegingen zijn de verschilverplaatsingen langs een leiding over korte
afstand aanzienlijk. O’Rourke [1998] geeft een overzicht van de verschillende
grondverplaatsingen. De grondverplaatsingen die in Figuur 3.6 zijn weergegeven hebben de
volgende effecten op de leidingen.
a) Strike slip beweging leidt tot trekspanningen in de leiding.
Schade aan buisleiding door aardbeving
23 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
b) Transversale grondbeweging leidt tot buiging van de leiding.
c) Een scheve kruising van de leiding met bewegende grond leidt tot trek, druk en
buigspanningen in de leiding.
d) Een parallelle kruising van de leiding met bewegende grond leidt tot trek, druk en
buigspanningen in de leiding.
5.3.4
5.4
5.4.1
Permanente grondbewegingen en gelede leidingen
De permanente grondbewegingen hebben nagenoeg dezelfde effecten op de gelede
leidingen als de voorbijgaande grondbewegingen. Aangezien de permanente
grondbewegingen veel groter zijn, dan de voorbijgaande bewegingen is de kans op het in
werking treden van de schademechanismen vele malen groter. Bij grote elementlengten in
verhouding tot de bewegende grondmassa is het mogelijk dat naast belasting van de
koppelingen ook belasting van de leidingelementen zelf optreedt (zoals in de voorgaande
paragraaf is beschreven).
Secundaire schademechanismen
De secundaire schademechanismen hebben betrekking op bochten in leidingen (T-stukken)
en aansluitingen tussen de leiding en een andere constructies.
Bochten en T-stukken
Bij beschouwing van het schade mechanisme van de leidingen in bochten of bij T-stukken is
de slip c.q. wrijvingsverplaatsing die optreedt tussen de grond en leidingen van belang. De
schade die door slip op kan treden manifesteert zich dan in de bocht of in het T-stuk.
[Mashaly en Datta, 1989b] bekijken de numerieke oplossing van een knooppunt van 2 tot 4
loodrecht op elkaar staande leidingen. Deze referentie is wel wat oud, sindsdien is er
vermoedelijk nog wel wat verbeterd.
Opvallend is de ruime aandacht die zij besteden aan de aardbevingsbelasting. Locaal
transformeren zij naar ‘hoofdrichtingen’: horizontaal en verticaal in de richting vanaf het
epicentrum, en horizontaal daar loodrecht op. De belasting wordt gedefinieerd via
responsespectra en correlatie om de voortplantingsrichting in rekening te brengen. In de
praktijk zijn dit natuurlijk allemaal stochasten. De overheersende belastingsfrequentie varieert
van 0.5 Hz (very soft soil, 30 m/s) tot 5 Hz (extremely firm, 550 m/s).
De leidingen en de grond worden elastische verondersteld. De leidingen kunnen buigen en
axiaal vervormen. De grond wordt met lineaire veren gemodelleerd. De elementlengte neemt
toe met de afstand tot de knoop.
Er worden twee oplossingen beschouwd: 1 waarbij de kruistermen in de stijfheid- en
dempingmatrices wel beschouwd worden en 2 waarbij de kruistermen verwaarloosd worden.
De verschillen kunnen oplopen tot 50%, maar hangen sterk af van wat er bekeken wordt. De
kruistermen moeten dus wel meegenomen worden. Het wordt niet duidelijk welke kruisterm
zij precies bedoelen.
Zij beschouwen een stalen leiding met diameter 1.35 m die 20 m onder maaiveld ligt. Deze
diepte komt in uitdrukking in de gebruikte veerstijfheden en de aardbevingsbelasting. Om de
randeffecten van de einden van de leiding te verwijderen moeten deze meer dan 105 keer de
straal van de leiding van het verbindingspunt liggen. In het voorbeeld geval dus 72 m. De
aardbeving loopt evenwijdig aan een buis, die vervolgens of een bocht van 90 graden maakt,
of in een T stuk splitst of doorloopt met twee zijtakken ( L, T, + genoemd).
Schade aan buisleiding door aardbeving
24 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Opvallend resultaat is dat de spanningen ten gevolge van de normaalkracht bij de L en T
verbindingen sterk afnemen, terwijl deze bij de + verbinding wel toenemen. De
buigspanningen nemen een factor tot 4.5 toe, waarbij vooral de T verbinding hoge
buigspanningen geeft.
In het vervolg van het artikel beschouwen zij nog verschillende situaties:
Een bocht met een hoek van meer dan 90o (180o komt overeen met een rechte leiding):
spanningstoename is orde 40% ten opzichte van de situatie bij 90o, dit treedt op bij een
bocht van 135o. Dit effect wordt vooral veroorzaakt door de buigspanningen.
Een scheve T kruising: de spanningstoename ten opzichte van de situatie bij 90o is
ongeveer 10%.
Stijfheid grond: vooral bij slappe grond treden grote spanningen op omdat de
verplaatsingen groot en de golflengtes kort zijn.
Leidingdiameter: als twee leidingen een verschillende diameter hebben, dan heeft het
aanzienlijke invloed op de spanningen.
Hoek van inval van de aardbevingsgolven: Inval onder een hoek van 45o met de
richtingen van de leidingen heeft een verhoging of verlaging van de normaalspanningen
in de orde 50 % tot gevolg.
Verder concluderen zij dat de correcte keuze van de aardbevingsbelasting passend bij de
bodemgesteldheid essentieel is om een betrouwbare schatting te maken.
In een recenter state-of-the-art review (Datta, 1999) verwijst Datta naar een aantal andere
referenties, waarin ook aangegeven wordt dat er een (aanzienlijke) verhoging van de spanningen bij verbindingen verwacht wordt. Uit Japans onderzoek citeert hij een factor 1 à 3.
5.4.2
Aansluitingen op constructies
Bij de aansluiting van leidingen op grotere constructies zijn de verschil verplaatsingen van
belang. Een leiding zal met een golffront meebewegen en zal op basis van de optredende rek
met of zonder slip een verplaatsing ondergaan in fase met de aardbeving. De constructie
ondergaat mogelijk een andere verplaatsing.
Over het aspect ‘aansluitingen’ is geen literatuur gevonden.
Het gedrag van een constructie vormt een belangrijk onderdeel van de analyse van de
aansluiting van leidingen op constructies. De constructie heeft een eigen responsie op de
aardbeving. Hierbij moet rekening gehouden worden met oscillaties in de eigenfrequentie van
de constructie en/of het optreden van een beweging in tegenfase van een constructie met
een lage eigenfrequentie. In dat geval is de frequentie van de beweging wel boven de
eigenfrequentie van de constructie, zodat de amplitude niet meer maximaal is. Gezien de
hoge frequentie van de aardbevingsgolven en de korte duur van de aardbevingen (dicht bij de
bron), zal naar verwachting dit laatste scenario het meeste voorkomen.
Wordt aangenomen dat in het ongunstigste geval de beweging van de constructie tweemaal
de beweging van de bodem is en zowel in tegen als in-fase (ten opzichte van de aardbeving)
kan optreden, dan moet bij aansluitingen rekening gehouden worden met een verdubbeling
van de aardbevingsamplitude. Mocht de constructie in tegenfase gaan trillen, dan wordt een
relatieve verplaatsing tussen de twee en driemaal de oorspronkelijke aardbevingsbelasting
verwacht.
Schade aan buisleiding door aardbeving
25 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Een complicerende factor hierbij is de mogelijke rotatie van de constructie: torsion (rotatie om
een verticale as) en rocking (rotatie om een horizontale as).
De volgende verschilverplaatsingen kunnen optreden:
Trek.
Compressie.
Schuifrek.
Gemakshalve worden drie situaties voor de voortplantingsrichting beschouwd:
Evenwijdig aan de leiding naar de constructie toe.
Onder een hoek van 45o aan de leiding naar de constructie toe.
Loodrecht op de leiding naar de constructie toe.
Bij inval van een schuifgolf evenwijdig aan de as van de leiding, zal het pand in ieder geval
horizontaal gaan trillen in de richting loodrecht op de as van de leiding. Daarnaast is torsie of
rocking mogelijk als het gebouw de lengte van ongeveer een halve golflengte heeft. Bij een
horizontale amplitude van de schuifgolf (horizontaal gepolariseerd) treedt torsie op, bij een
verticale amplitude (verticaal gepolariseerd) treedt rocking op. Deze bewegingen kunnen de
relatieve beweging wat vergroten.
Als een horizontaal gepolariseerde schuifgolf loodrecht op de richting van de as van de
leiding invalt, ondergaat de leiding zonder constructie alleen een horizontale verplaatsing
evenwijdig aan de as van de leiding. Deze leidt niet tot normaalspanningen of buigspanningen in de leiding. Bij de constructie treden naar verwachting wel spanningen op. Als echter
het gebouw bijvoorbeeld heel traag is en vrijwel niet beweegt, dan treden er geforceerde trek
en drukspanningen op in de leiding. De opgelegde vervorming is gelijk aan de amplitude van
de schuifgolf. Als het pand wel gaat bewegen ontstaat met name een horizontale translatie
(die extra trek en druk krachten kan genereren) en mogelijk een rotatie (rocking) om een
horizontale as loodrecht op de as van de leiding. Hierdoor wordt de verbinding van de leiding
aan het pand verticaal bewogen en wordt de leiding additioneel op buiging in het verticale
vlak belast.
Bij inval onder een hoek van 45o met de as van de buisleiding treden combinaties van de
genoemde mechanismen op.
Schade aan buisleiding door aardbeving
26 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Bewegingen bij aansluitingen
Legenda:
looprichtinggolf
verplaatsing
rotatie
rotatie-as
Figuur 5.3
Bewegingsmogelijkheden bij aansluitingen
Schade aan buisleiding door aardbeving
27 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Schade aan buisleiding door aardbeving
28 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
6 Globale beoordeling mechanismen kortdurende
bewegingen
6.1
Algemeen
In de voorgaande hoofdstukken zijn de belastingen, de leidingtypen en de mogelijke
schademechanismen voor de verschillende leidingtypen weergegeven. In dit hoofdstuk
worden deze aspecten gecombineerd. Aan de hand van een aantal vereenvoudigde
berekeningen wordt voor de verschillende mechanismen beoordeeld of het mechanisme voor
de geïnduceerde aardbevingen beschouwd moet worden, nadere inspectie behoeft of
definitief verwaarloosd mag worden.
Dit hoofdstuk beperkt zich tot de kortdurende bewegingen. De analyse van de permanente
bewegingen wordt gegeven in het volgende hoofdstuk.
6.2
Elastische analyse
In eerste instantie wordt verondersteld dat de leiding de grond verplaatsing volledig kan
volgen. De beschouwing is elastisch. De meest kritische situatie treedt op als een slappe
grondlaag ligt op een stijf bodemprofiel. Dit is in termen van Hoofdstuk 3 de situatie
“veen 5 Hz”.
periode
s
0.07
0.10
0.20
Tabel 6.1
leiding
amplitude amplitude golflengte golflengte segmenten
snelheid verplaatsing
45grd inval hoek verdraaiing
mm/s
mm
m
mrad
grd
120
1.3
2.8
4.0
1.35
0.077
107
1.7
4
5.7
1.20
0.069
80
2.5
8
11.3
0.90
0.052
leiding
staal
sig_max
N/m2
8.62E+08
5.38E+08
2.01E+08
Mpa
862
538
201
leiding
kunststof
sig_max
N/m2
6.06E+05
3.78E+05
1.41E+05
Mpa
0.6
0.4
0.1
Resultaten elastische analyse
Voor drie periodes is de amplitude van de schuifgolf passage bepaald en terug gerekend
naar een verplaatsing. Uitgaande van een redelijke ondergrens van de schuifgolfsnelheid in
het veen van 40 m/s kan de golflengte bepaald worden. Voor een gelede leiding kan de
optredende hoekverdraaiing bepaald worden. Ook hier is uitgegaan van het ongunstigste
geval, waarbij de elementlengte gelijk is aan de halve golflengte. De hoekverdraaiingen
blijven onder de 0.5o zodat geen schade verwacht wordt.
Voor de continue leidingen is een ander beeld zichtbaar. Bij de stalen leiding treden bij deze
situatie ontoelaatbare spanningen op. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat de grond de buis
dwingt zeer sterk te buigen. Door de grote stijfheid van de leiding leidt deze opgelegde
verplaatsing tot grote krachten in de leiding. De omliggende relatief slappe grond kan
natuurlijk niet de weerstand voor deze kracht kan leveren.
6.3
Pipeline Seismic Response Diagram voor continue leidingen
[O’Rourke, 1998] schetst een procedure die meer recht doet aan de grond-leiding interactie.
Hij gaat uit van twee extreme situaties: of de leiding volgt de grond volledig, of de grond is
volledig bezweken. O’Rourke werkt de beschouwing beperkt uit voor compressiegolven die
voortplanten in de richting van de leiding. Deze uitwerking wordt hier in aangepaste vorm
gepresenteerd, aangezien de grafische presentatie van O’Rourke niet volledig is. Vervolgens
wordt aangegeven welke modificatie nodig is om de situatie van schuifgolven uit te werken.
Schade aan buisleiding door aardbeving
29 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Deze methode geeft een ontwerptool, die bruikbaar is voor toepassing bij geïnduceerde
aardbevingen. De beschouwing geldt voor continue leidingen.
6.3.1
Compressie golven
De elastische beschouwing voor normaalgolven geeft voor de snelheid v p van de
bodembeweging bij de overheersende frequentie gevonden dat schade optreedt als:
vp
Fl c
EA
(6.1)
Met:
Fl
c
E
A
de maximale kracht in de leiding (druk of trek) [N]
de golfsnelheid in de bodem [m/s]
de stijfheidmodulus van de leiding [Pa]
de doorsnede van de leiding [m 2]
Voor de volledig plastische beschouwing wordt voor de periode Tp gevonden, dat er schade
optreedt als:
4 Fl
max D c
Tp
(6.2)
Met:
max
D
de maximale schuifspanning in langsrichting [Pa]
de diameter van de leiding [m]
Beide formules bevatten in het rechterlid alleen eigenschappen van de leiding, de
golfsnelheid van de bodem en de schuifsterkte van de bodem langs de leiding. O’Rourke
veronderstelt de schuifsterkte constant.
Volgens O’Rourke kunnen deze twee formules in één diagram uitgezet worden, zie Figuur
6.1.
Figuur 6.1
Pipeline Seismic Response Diagram [O’Rourke, 1998]
In deze Figuur 6.1 staat de deeltjessnelheid op de rechter as en de periode op de linker as.
Horizontaal staat de golfsnelheid (c) uit. De twee verticale assen zijn wel gekoppeld.
Schade aan buisleiding door aardbeving
30 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
De verticale assen moeten zodanig gekozen worden dat de verwachte overheersende
periode en verwachte pieksnelheid het tekenen van een “range of seismic parameters”
mogelijk is. De figuren die O’Rourke tekent, gaan dus uit van een uniek verband tussen
amplitude vp en periode Tp. Dat lijkt niet logisch. Mogelijk normeert O’Rourke de assen
zodanig dat voor het gegeven interval van amplitude vp en periode Tp de assen correct zijn.
Dit heeft tot gevolg dat de figuur niet altijd gebruikt kan worden voor een andere aardbeving
(bijvoorbeeld een andere herhalingsperiode)
Een alternatieve uitwerking ontstaat door beide formules te herschrijven in de volgende vorm:
Fl
EA
vp
c
(6.3)
Fl
1
4
(6.4)
m
DcTp
De eerste formule geeft dat er schade optreedt als de elastische kracht (in het rechter lid)
groter is dan de kracht (Fl) die de leiding kan hebben. De tweede formule geeft aan dat er
schade optreedt als de maximale plastische kracht (in het rechter lid) groter is dan de kracht
(Fl) die de leiding kan hebben. Aan beide eisen moet voldaan zijn wil er schade optreden.
Fe
schade
4c
¼ Dc
D
m
m
Tp
Figuur 6.2
EA
c
p
Principe voor ontwerpgrafiek beoordeling leiding
In beide formules staat in het rechterlid een lineaire functie van de eigenschappen van de
aardbeving (Tp en vp). De evenredigheidsconstante hangt uitsluitend af van de bodem en
leidingeigenschappen. De beide functies kunnen in één figuur geschetst worden, waarbij op
de horizontale as naar rechts de deeltjessnelheid vp en naar links de periode Tp uitgezet
wordt. Op de verticale as staat de kracht in de leiding. Door van de eigenschappen van de
Schade aan buisleiding door aardbeving
31 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
aardbeving naar boven te gaan en dan naar de verticale as te gaan, wordt de minimaal
benodigde kracht gevonden op basis van zowel de elastische als de plastische beschouwing.
Uit de Figuur blijkt dat (bij gegeven doorsnede, stijfheid en diameter) een sterkere buis
minder kans op schade heeft. Een grotere buis diameter (van verder hetzelfde materiaal)
heeft op de elastische zijde weinig invloed (de kracht Fl = A max) neemt even snel toe als het
oppervlak A, terwijl de grotere diamater D de plastische kracht goter maakt.
6.3.2
Schuifgolven
Voor een schuifgolf die evenwijdig langs de buisleiding voortplant, kan de redenering ook
uitgewerkt worden.
Dit leidt tot twee vergelijkingen:
Ml
Ml
2 vs
Ts cs2
(6.5)
qmax D Ts2cs2
(6.6)
EI
1
128
Met:
Ml
qmax
cs
EI
het maatgevende moment [Nm]
de maximale sterkte van de grond in dwarsrichting [Pa]
de schuifgolfsnelheid van de grond [m/s]
de buigstijfheid van de leiding [Nm 2]
Aan beide vergelijkingen moet voldaan zijn wil schade optreden. Dit zijn qua structuur
identieke vergelijkingen als voor de compressiegolf gevonden is, zie vergelijkingen 6.3 en 6.4.
Deze kunnen niet op dezelfde manier behandeld worden als bovenstaande vergelijkingen
voor extensie, aangezien de variabele Ts in beide vergelijkingen voorkomt.
Om tot een praktische uitwerking te komen wordt eerst de elastische vergelijking 6.5
beschouwd. Het elastische buigendmoment is evenredig met vs/Ts en dat is juist de raaklijn
door de oorsprong met het begin van het responsie diagram (zie Figuur 6.3, deze is identiek
aan Figuur 3.5, maar nu op lineaire schaal voor de periode). Daarmee kan het maatgevende
elastische moment bepaald worden. Als dat kleiner is dan het toegelaten moment wordt er
geen schade verwacht. Indien het elastische moment groter is dan het toegelaten moment
moet het plastisch moment beoordeeld worden volgens vergelijking 6.6. Dit moment neemt
toe met het kwadraat van de periode, dit is voor natuurlijke aardbevingen ongunstig, maar
voor de korte geïnduceerde aardbevingen juist gunstig.
Schade aan buisleiding door aardbeving
32 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
snelheden voor ontwerpaardbevingen
140.0
120.0
Roswinkel
veen 5-Hz
veen 10 Hz
snelheid [mm/s]
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
periode [s]
Figuur 6.3
Ontwerpaardbevingen met maximale vs / Ts verhouding
6.3.3
Uitwerking voor langsgolven op continue leidingen
De uitgewerkte rekenmethode voor axiale belasting is toegepast op een de drie continue
leidingen in kleigrond en zandgrond. De grootste verplaatsing van de schuifgolf is hierbij als
uitgangspunt genomen. Deze belasting kan volledig elastisch opgevangen worden en is geen
probleem. Bij de stijve stalen leiding is de marge niet zo groot, maar de plastische analyse
geeft aan dat de maximale schuifkrachten langs de buis zo klein zijn dat deze een
verwaarloosbare trekkracht in de leiding geven.
6.3.4
Uitwerking voor schuifgolven op continue leidingen
De uitgewerkte rekenmethode is toegepast op de drie continue leidingen in kleigrond en
zandgrond. Tabel 6.2 bevat de parameters voor het rekenvoorbeeld. De parameters voor de
leidingen staan in Tabel 4.2. De aardbevingssterkte bepaald is uit Figuur 2.5 in paragraaf 3.2.
Voor zandgrond is de aardbeving “Roswinkel” als uitgangspunt gekozen, voor kleigrond de
aardbeving veen 5 Hz.
Parameter
Dekking
Ongedraineerde sterkte
Hoek inwendige wrijving
Tabel 6.2
Waarde in klei
2*diameter
150
Waarde in zand
2*diameter
45
Eenheid
m
kPa
graden
Parameters voor rekenvoorbeeld
In het uitgewerkte voorbeeld is eenvoudigheidshalve verondersteld dat de vloeigrens van het
materiaal maatgevend is. Deze berekening is niet conform de geldende richtlijnen en normen,
waarbij met verschillende coëfficiënten voor de reële spanningssituatie rekening gehouden
moet worden. Dergelijke uitbreidingen kunnen in beginsel in de toelaatbare spanning
ingevoerd worden. Bij toepassing van een partiële veiligheidscoëfficiënt van bijvoorbeeld 0.7
op de sterkte komt het toelaatbare moment 0.7 keer lager te liggen.
Schade aan buisleiding door aardbeving
33 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
De theorie is voor verschillende continue leidingen uitgewerkt. Daaruit blijkt dat de elastische
vervormingen voor alle leidingen zo klein zijn dat de induceerde bevingen geen probleem
vormen, het optredende moment is een factor 10 of meer kleiner dan het toelaatbare
moment. Een uitzondering vormen de stijve leidingen in slappe grond (Stalen leiding in
Tabel 4.1). Door de slappe grond is de golflengte klein en de bewegingsamplitude groot,
waardoor er grote momenten in de leiding ontstaan. Deze observatie stemt overeen met de
bevindingen in paragraaf 6.2. Dit betekent dat de bodem grote krachten moet genereren en
dat kan de slappe grond vermoedelijk niet opbrengen. Met andere woorden: het plastisch
vervormen van de grond moet in rekening gebracht worden. Echter, de plastische controle
geeft voor dit probleem geen oplossing: volgens de aangepaste O’Rourke theorie zou de
stalen leiding de ontwerpaardbeving niet kunnen weerstaan.
6.3.5
Nadere beschouwing van de methode O’Rourke voor stalen leiding
In eerste instantie wordt het extreme geval van een slappe veengrond met schuifsnelheid c s =
40 m/s en periode Ts = 0.06 s beschouwd. Bij deze periode is de maximaal verwachte
uitwijking 2.3 mm bij veengrond met frequentie 5 Hz. De stalen leiding moet dan over een
afstand van cs*Ts = 2.4 m de voorziene 2.3 mm uitbuigen. Dit leidt een moment van 11 MN,
wat 5 keer zo groot is als toelaatbaar.
Wordt vervolgens aangenomen dat de deze leiding totaal niet vervormt, dan moet de grond
2.3 mm ingedrukt worden. Dit is nog een elastische indrukking, aangezien in NEN 3650
aangenomen wordt dat voor deze slappe grond de indrukking bij bezwijken ongeveer 8 mm
is. Op basis van de geschatte stijfheid van de bodem 165*106 N/m 2, is de belasting op de
leiding door de beving 165*106 * 2.3*10-3 = 380*103 N/m. Bij de lage golflengte geeft dit een
elastisch moment van 0.068 MNm. Dit is 3% van het toelaatbare moment.
Op basis van de berekende verplaatsing is voor alle periodes van 0.01 tot 0.6 s het moment
bij twee situaties uitgerekend: de leiding volgt de grond volledig (“elastisch moment”) en de
grond belast de leiding met een kracht die gelijk is aan het product van de stijfheid en de
opgelegde verplaatsing (“plastisch moment”). Hierbij is uitgegaan van de bodemstijfheid
165*103 N/m 2, en de schuifgolfsnelheid 40 m/s.
Schade aan buisleiding door aardbeving
34 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
4.0E+07
8.0
3.5E+07
7.0
3.0E+07
6.0
2.5E+07
5.0
2.0E+07
4.0
1.5E+07
3.0
1.0E+07
2.0
5.0E+06
1.0
0.0E+00
Verplaatsing [mm]
Moment [Nm]
Analyse stalen leiding in veengrond
elastisch moment
plastisch moment
verplaatsing
0.0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Periode [s]
Figuur 6.4
Beschouwing volgens [O’Rourke 1998] voor stalen leiding in veengrond
Figuur 6.4 geeft het resultaat als functie van de periode. Ook de opgelegde verplaatsing is
(op de rechter as) weergegeven. De figuur geeft aan dat het elastisch moment afneemt met
toenemende periode, terwijl het plastisch moment toeneemt met de periode. Dit is verklaarbaar door de toenemende golflengte. Het toelaatbaar moment (2.7 MNm) is ook ingetekend
met een getrokken lijn. Het snijpunt blijkt juist boven de toelaatbare waarde te liggen. De
stalen leiding zou daarmee niet veilig zijn.
Het is wonderbaarlijk, dat juist de sterkste (maar ook de stijfste) leiding in de slapste grond
niet voldoet. Nadere analyse heeft aangetoond dat dit wordt veroorzaakt door het feit dat de
theorie van O’Rourke niet bruikbaar is voor deze leidingen bij geïnduceerde aardbevingen.
Om dit aan te tonen beschouwen we de leiding in de grond als elastisch ondersteunde ligger.
Deze ligger heeft een buigstijfheid EI = 1.42*109 Nm2, de bodem stijfheid is 165*103 N/m.
Deze leiding wordt belast door een bodembeweging van 6*10-3 m en een lengte van 6 m. Op
basis van [Bouma, 1981], wordt voor de slingerlengte van de verend ondersteunde ligger
85 m, zodat de belasting werkt over een lengte (6 m) die heel kort is ten opzichte van de
spreidingslengte (=1/4 van de slingerlengte) van de ligger. De belasting mag als eerste
benadering als puntbelasting beschouwd worden. Met moment dat optreedt bij een puntlast
op de ligger die de opgelegde verplaatsing (6 mm) levert is 93 kNm (bij een puntlast van
27 kN). Dit is ongeveer 4 % van het toelaatbare moment. Dit voldoet dus ruimschoots.
De essentiële fout in het model van O’Rourke is het feit dat het uitgaat van volledige
plasticiteit in de grond. Dat geeft een bovengrenswaarde. Bij een zeer krachtige aardbeving
met een wat langer signaal (verschillende nul doorgangen van de verplaatsing en een
langere periode), levert dat misschien een redelijke waarde op, bij de geïnduceerde
aardbevingen is deze bovengrens vele malen hoger dan wat verwacht wordt op basis van het
liggermodel op verende ondersteuning.
Schade aan buisleiding door aardbeving
35 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Op basis van de bovenstaande analyse kan geconcludeerd worden:
De continue leidingen kunnen de ontwerpaardbeving naar verwachting zonder plastische
vervorming van de grond volgen.
De modellering op basis van de theorie van [O’Rourke, 1998] is niet bruikbaar voor deze
situatie.
De leidingen kunnen wel goed beoordeeld worden als ligger op verende ondersteuning.
6.4
Nadere analyse gesegmenteerde leidingen
Bij gesegmenteerde leidingen treedt de extreme hoekverdraaiing op als de segmentlengte
gelijk is aan de halve golflengte. De maximale bewegingsamplitude van de grond is dan
maatgevend. Zowel de bewegingsamplitude als de golflengte hangen af van de periode, die
niet a priori bekend is.
De meest kritische situatie treedt daarbij dus op bij een slappe bodem: daar is de beweging
maximaal en de golflengte in de orde van de segment lengte. Globale analyse geeft aan dat
de maximale hoekverdraaiing optreedt bij de aardbevingen met periode van ongeveer 0.06 s
tot 1.5 s. Bij de lage golfsnelheid is de kritische segmentlengte ongeveer 1.5 m to 3 m. Voor
een rechte leiding is de marge tussen de optredende en maximale hoekverdraaiing (0.5
graad) minimaal een factor 4.
De conclusie is dat de korte gesegmenteerde leidingen met relatief korte elementen het
meeste risico lopen. De veiligheid is met een factor 4 echter ruim voldoende
6.5
6.5.1
Bochten en aansluitingen
Bochten en aansluitingen
Voor de situatie in bochten en aansluitingen in continue leidingen is één theoretische
referentie aanwezig [Mashaly en Datta, 1989b]. Daar worden spanningstoenamen in de orde
van factoren 4 à 5 genoemd. Hierbij moet wel aangetekend worden dat de beschouwing van
Mashaly en Datta een elastische beschouwing is. Dit geeft aan dat de krachten in de grond
onbeperkt kunnen oplopen, wat in de praktijk niet kan.
Projecteren we de resultaten van [Mashaly en Datta, [1989b] op de resultaten van de
voorgaande paragrafen (6.2 en 6.3), dan blijkt de grote marge die voor een rechte continue
leiding beschikbaar is voldoende ruimte laat om de invloed van bochten en aansluitingen op
te vangen.
6.5.2
Aansluiting aan een constructie
Het is slecht mogelijk hier met eenvoudige modellen een generieke uitspraak over te doen.
Mogelijk is het zinvol één of twee cases te definiëren en daarvoor een eerste analyse te
doen.
Omdat de marge tussen de optredende aardbevingen en toelaatbare aardbevingen groot is,
kan er vermoedelijk wel een uitspraak over de risico’s bij geïnduceerde aardbevingen gedaan
worden. Als de situatie onder een aantal pessimistische vereenvoudigende aannames
voldoet, mag verwacht worden dat het risico in de praktijk toelaatbaar is.
Er worden twee situaties beschouwd: het begin van de aardbeving en de periode van gebouw
responsie na passage van de golf. In het begin van de aardbeving zal de leiding de grond
volgen, terwijl het gebouw door zijn traagheid volledig stilstaat. De leiding, die in beginsel de
Schade aan buisleiding door aardbeving
36 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
grond volgt, zal het stilstaande gebouw als een plotselinge, kortdurende opgelegde beweging
ervaren. Na de passage van de aardbevingsgolf staat de bodem met de leiding erin stil en
kan het gebouw nog gaan bewegen. Bij deze beweging spelen twee aspecten een rol: een
mogelijke overshoot van het gebouw en eventuele rotatie van het gebouw omdat de
aardbevingsbelasting van het gebouw niet in het zwaartepunt van het gebouw aangrijpt en de
leiding mogelijk op een hoek het gebouw verlaat. Door de kortdurende aard van de
aardbeving zal de extra beweging van het gebouw beperkt blijven. Een factor 2 lijkt een
redelijke bovengrens. Daarnaast kan het gebouw nog roteren, wat verdisconteerd kan
worden door ook een factor 2 als bovengrens aan te nemen. Ten gevolge van de mogelijke
extra beweging van het pand is dit tweede geval de maatgevende situatie.
Op basis van NEN 3650 is de statische stijfheid voor vier leidingdiameters (diameter 1.2, 0.9
0.5 en 2.0 m, zie paragraaf 4.3) geschat in zowel axiale als transversale richting. Deze is
afhankelijk van de bodem eigenschappen, waarbij uitgegaan is voor de bodemprofielen
gekozen in paragraaf 3.2.3. De ingravingsdiepte is standaard op tweemaal de diameter
gesteld. Tabel 6.3 geeft de resultaten.
Transversale stijfheid [MN/m2] Axiale stijfheid
[MN/m2]
Leiding Diameter [m] Gemiddeld Minimum Maximum Gemiddeld Minimum Maximum
staal
PE
PVC
beton
Tabel 6.3
1.2
0.9
0.5
2.0
51
33
10
58
13
9
5
25
74
42
17
101
12.7
8.8
3.9
31.5
7.4
4.7
0.8
12.8
30.2
22.6
12.6
75.4
Bodemstijfheid voor verschillende leidingen in verschillende bodemsoorten
Op basis van de gevonden bodemstijfheden en de eigenschapen van de continue leiding kan
bepaald worden dat de leidingen altijd laagfrequent belast worden. Een quasi-statische
beschouwing is daarom toegestaan. Deze conclusie komt overeen met de situatie van een
leiding in de bodem.
Deze theorie is in Hoofdstuk 7 uitgewerkt. De maximale verplaatsing ten gevolge van een
geïnduceerde aardbeving (zie paragraaf 3.2.4) is ongeveer 4 mm voor de stijve bodem en
7 mm voor de slappe bodem. Uitgaande van een pessimistische versterkingsfactor 4, wordt
een maximale relatieve verplaatsing van 16 mm gevonden. Dit levert een interne spanning op
die ruim binnen de toegelaten waarden blijft. De tijdelijke bewegingen zijn daarmee geen
risico waarmee problemen verwacht worden.
Voor een gesegmenteerde leiding moet deze vervorming in beginsel over één element
opgevangen worden. Het kortste element is dus maatgevend. De hoekverdraaiing is dan bij
grond verplaatsing 4 mm: 16 mm / 2400 mm = 6.6 mrad = 0.4o . Dit is voor deze buis nog juist
toelaatbaar. Voor grondverplaatsing 7 mm volgt 28 mm / 2400 mm = 11.7 mrad = 0.7o. Dit is
hoger dan de algemeen toelaatbaar geachte hoekverdraaiing. Gezien het feit dat het een
bovengrens waarde is en dat de gevolgen van overschrijding meestal beperkt zullen zijn (op
basis van het type leiding) lijkt het een acceptabele overschrijding.
De conclusie is dat de korte gesegmenteerde leidingen relatief kwetsbaar zijn voor de
aardbevingsbelastingen. De gekozen bovengrens benadering leidt tot een opgelegde
hoekverdraaiing die in de orde liggen van de algemeen toelaatbare hoekverdraaiing.
Schade aan buisleiding door aardbeving
37 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
6.6
6.6.1
Conclusie
Rechte leiding
Er is een model voor de beoordeling van rechte continue leidingen onder
aardbevingsbelasting aanwezig. De eerste resultaten geven aan dat er voldoende marge is
tussen de toelaatbare aardbevingsbelasting en de verwachte aardbevingsbelasting met een
terugkeerperiode van 10 jaar. Hiermee lijken de geïnduceerde aardbevingen geen probleem
op te leveren voor de rechte continue leidingen.
De gelede leidingen zijn slapper. Zij kunnen naar verwachting de geïnduceerde
bodembeweging volgen, zonder ernstige schade op te lopen.
De conclusie is dat de geïnduceerde aardbevingsbelasting voor de leidingen in rechtstand
geen wezenlijk probleem is.
6.6.2
Bijzondere situaties
Voor bochten en T-splitsingen en kruisingen is een eerste modellering beschikbaar.
Combinatie van de theoretische resultaten met de benaderingen voor de rechte leiding geeft
aan dat de situatie vermoedelijk nog niet kritisch wordt. Om dit meer definitief te beoordelen is
een analyse van enkele kritisch geachte cases wenselijk.
6.6.3
Quasi-statische beschouwing
Uit de literatuur volgt wel steeds dat quasi-statische beschouwingen als eerste benadering
mogelijk zijn: de traagheid van de leiding mag worden verwaarloosd, de leiding volgt in eerste
aanleg de grond. Voor de situatie voor bochten en kruisingen kan hiervan mogelijk gebruik
gemaakt worden door een aantal verplaatsingsvelden te definiëren en in eerste instantie de
statische krachtsverdeling te berekenen. Voor de verbindingen met gebouwen moet de
responsie van het gebouw wel met een dynamisch systeem doorgerekend worden, maar in
eerste benadering is een analytisch systeem met twee of drie vrijheidsgraden voldoende.
Daarna kan mogelijk weer de responsie van de leiding quasi-statisch beschouwd worden.
Schade aan buisleiding door aardbeving
38 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
7 Globale beoordeling mechanismen permanente
verplaatsingen
7.1
Inleiding
In dit hoofdstuk wordt nagegaan of voor het mechansime permanente verplaatsingen
voldoende instrumenten beschikbaar zijn en of op basis van deze instrumenten een uitspraak
gedaan kan worden over de vraag of de risico’s bij geïnduceerde aardbevingen wel of niet
beschouwd moeten worden.
Er worden drie mechanismen beschouwd:
Liquefactie.
Afschuiving taluds.
Verplaatsing langs breuken.
Ten slotte wordt aan het einde van dit hoofdstuk nog aangegeven hoe in een ontwerpsituatie
met dit aspect omgegaan kan worden.
7.2
Liquefactie
Het toetsen op het optreden van liquefactie tijdens een aardbeving wordt beschreven in het
veel toegepaste state of the art publicatie van Youd et al [2001]. De veiligheidsfactor voor het
optreden van verweking of liquefactie van grondlagen waarin leidingen zijn aangelegd of
grondlagen onder leidingen kan worden beoordeeld met de volgende vergelijking:
(CRR7,5 )
FS
CSR
MSF K
(7.1)
Met:
CSR-= cyclische spanningsratio (-):
CSR
0.65
amax
g
vo
'vo
rd
Waarin:
rd
rd
1.0 0.00765 z voor z<9.15 m
1.174 0.0267 z voor z>9.15 m
gravitatie constante (m/s2)
vo= totale verticale spanning ( kPa)
’vo= effectieve verticale spanning ( kPa)
g=
Schade aan buisleiding door aardbeving
39 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
En:
CRR7.5 = cyclische weerstands ratio voor een magnitude 7.5 (-)
CRR7.5
0.833
93
CRR7.5
qc ,nor
1000
qc ,nor
1000
0.05 voor qc,nor< 50
3
0.08 voor qc,nor> 50
Met:
qc ,nor
qc
CQ
100
Waarbij:
CQ
100
'v 0
0.67
qc = conusweerstand (kPa)
En:
MSF= magnitude schaalfactor
MSF
102.24
M w 2.56
En:
K = isotrope spanning correctie factor (-)
K
'v 0
100
0,3
In de onderstaande Figuur 7.1 is de kritische conus weerstand voor een doorsnee zandgrond
met een grondwaterstand een halve meter onder maaiveld weergegeven. Indien de
conusweerstand hoger is dan de in de figuur aangegeven conusweerstand is er geen gevaar
voor verweking c.q. liquefactie. Indien een lagere waarde wordt aangetroffen bij een
sondering is een meer gedetailleerde analyse met de hierboven beschreven vergelijkingen
noodzakelijk. Vanzelfsprekend dienen alleen zand en siltgronden op het optreden van
Schade aan buisleiding door aardbeving
40 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
liquefactie te worden beoordeeld. Indien er significant cohesieve gronddeeltjes in de silt of
zand gronden aanwezig zijn is er geen risico op liquefactie.
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-1
-2
-3
diepte (m)
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
qc krit (MPa)
Figuur 7.1
Indicatieve uitwerking volgens Youd et al (2001) voor een zandgrond met een hoge grondwaterstand
(0,5m –mv) voor de bepaling van de kritische conusweerstand waarbij verweking optreedt ( M= 4 en
a= 4,2 (m/s2)
De bovenstaande grafiek kan worden gefit met de volgende vergelijking:
qc
0,174 z 2 0.157 z 0, 4863
Schade aan buisleiding door aardbeving
(7.2)
41 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
7.3
Afschuiving van taluds
De stabiliteit van taluds kan worden beoordeeld aan de hand van een pseudo-statische
analyse. Deze analyse wordt in de Eurocode 8-5 vermeld. In vergelijking 4.1 van de
Eurocode wordt aangegeven hoe de horizontal kracht die op de grondmassa aangrijpt bij een
aardbeving kan worden bepaald:
Fh
0,5
amax
S W
g
(7.3)
Met:
Fh
amax
g
W
S
= horizontale kracht op de grondmassa (KN)
= ontwerp versnelling (m/s2)
= gravitatie versnelling (m/s2)
= gewicht van de grondmassa (KN)
= opslinger factor volgens Eurocode 8 (-).
De factor S, die in de eurocode gebruikt wordt om opslingering van de golf te berekenen, is in
dit geval niet relevant omdat in Tabel 3.1 reeds waarden zijn vermeld waarin de opslingering
c.q. site respons al is meegenomen.
Hierbij wordt opgemerkt dat dit geldig is als de golflengte van de aardbevingsgolf groter is
dan de lengte van het talud. Bij relatief korte golven is deze beschouwing pessimistisch,
omdat in dat geval het hele talud niet meer in-fase zal bewegen.
Als de afstand tussen het talud en de locatie van de leiding groot genoeg is, is een toetsing
op afschuiven door middel van het uitvoeren van een stabiliteitsberekening niet meer
relevant. Deze afstand dient nader te worden bepaald aan de hand van een aantal
stabiliteitsberekeningen van in de aardbevingsgebieden voorkomende taluds ( parameters
hoogteverschil en steilheid).
In de onderstaande Figuur 7.2 is een voorbeeld van een stabiliteitsberekening te zien van
een hypothetische aardebaan van een spoorweg op een slappe ondergrond, zoals die
volgens de geologische provincie indeling van het voormalige TNO NITG (Bijlage A)
voorkomt in Drenthe en Oost Groningen. Zonder aardbeving is de aardebaan stabiel.
Schade aan buisleiding door aardbeving
42 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Figuur 7.2
Stabiliteit van een aardebaan zonder aardbeving, veiligheidsfactor =1,31 = stabiel
Figuur 7.3
Stabiliteit van een aardebaan bij aardbeving met a =6,3 m/s 2, veiligheidsfactor =0,67 = instabiel
In Figuur 7.3 blijkt dat de dezelfde aardebaan met de gevolgde methode instabiel is bij een
horizontale versnelling van 6.3 m/s2 en leidingen in de afschuif zone worden belast.
Het is dan een optie om met bijvoorbeeld de Newmark incrementele verplaatsingen methode
te kijken hoe groot de optredende vervormingen zijn, en of de sterkte van de leidingen
voldoende is om deze vervormingen op te kunnen vangen. Deze methode gaat uit van
incrementele verplaatsingen bij het optreden van versnellingen in het maatgevende
accelerogram die hoger zijn dan de waarde waarbij bezwijken van de grondconstructie
optreedt. De maaiveld verplaatsingen zijn maximaal 4 mm, zie paragraaf 3.2.4. Dit is een
bovengrens, want er is in paragraaf 3.2.4 verondersteld dat de constructie bij elke versnelling
ongelijk aan nul bezwijkt.
Schade aan buisleiding door aardbeving
43 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
7.4
Verplaatsingen langs breuken.
Tot op heden zijn er geen metingen beschikbaar van aan het oppervlak waarneembare
breukbewegingen. Er wordt vanuit gegaan dat de verschilverplaatsingen aan het oppervlak
nihil zijn.
In het geval er reeds een leiding aanwezig is of er ruimtelijke problemen zijn en een leiding
toch in of vlak naast het talud moet worden aangelegd, dan kan er een meer gedetailleerde
werkwijze worden gevolgd volgens de Newmark methode. Deze methode gaat uit van
incrementele verplaatsingen bij het optreden van versnellingen in het maatgevende
accelerogram.
Een bovengrens van de verplaatsing kan worden verkregen door de verwachte snelheid te
integreren naar de tijd. De waargenomen aardbevingen bestaan uit één korte trilling. Uit
Figuur 3.5 kan de piekwaarde voor verschillende periodes afgelezen worden. De grootste
verplaatsing treedt op bij periode 0.2 s bij de maximale snelheid van 100 mm/s. Integratie van
de halve sinus geeft voor de verplaatsing ongeveer 6.4 mm. Deze verplaatsing treedt op als
de afschuiving direct kan beginnen (er is dan geen reserve tegen afschuiven) en ook direct
stopt als de aardbeving voorbij is. Deze waarde wordt als eerste maat genomen voor de
horizontale en verticale verplaatsing in een scheur, die door de leiding overbrugd moet
worden.
Als een scheur optreedt wordt de leiding op trek en buiging belast. De scheurwijdte in as
richting van de leiding (axiale verplaatsing) leidt tot extensie van de leiding, de component
loodrecht op de as richting van de leiding (transversale verplaatsing) leidt tot buiging.
Bij het bepalen van de scheurwijdte die de leiding ervaart, moet rekening gehouden worden
met de hoek tussen de scheur en de leiding. Het gunstigste geval treedt op bij de loodrechte
situatie. Bij schuine kruising wordt de ervaren scheurwijdte groter en treedt er koppeling
tussen de beide belastingen op. In de volgende beschouwing wordt verondersteld dat de
leiding door de scheur een axiale extensie van 2*uo en loodrechte afschuiving van 2*w o
ondergaat door het ontstaan van een scheur.
Op basis van de verwachtte scheur afmetingen wordt verwacht dat een elastische
beschouwing voldoende is. Voor een continue leiding met buigstijfheid EI en extensie stijfheid
EA opgelegd op grond met een stijfheid kw tegen transversale verplaatsing en ka tegen axiale
vervorming, wordt voor de gegeven scheurwijdte voor het maximale moment gevonden
w( x )
M ( x)
4
F
2 F
e
kw
F
e
x
x
sin( x
2
)
sin( x)
kw
4 EI
kw
wo
4
Schade aan buisleiding door aardbeving
44 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Met:
w de verplaatsing (loodrecht op de leiding as)
M het buigende moment
x de afstandscoördinaat tot de scheur
kw de bodem stijfheid transversale verplaatsing van de leiding
EI de buigstijfheid van de leiding,
en voor de maximale normaalkracht:
u ( x ) uo e
N ( x)
x
EA uo e
x
EAk a uoe
x
ka
EA
Met:
u de verplaatsing (in as richting)
N de normaalkracht
ka de bodemstijfheid bij axiale verplaatsing van de leiding
EA de extensie stijfheid van de leiding.
Er zijn twee plaatsen waar de spanningen gecontroleerd moeten worden: bij x = 0 waar de
normaalkracht maximaal en bij x = /4 , waar het moment maximaal is.
De elastische theorie is uitgewerkt voor de continue leidingen uit Tabel 4.1. Bij de grond
weerstand van ka = 4 - 13 MN/m 2 en kw = 10 – 50 MN/m2, levert dit bij scheurwijdte 10 mm
spanningen op die orde 10% van de toelaatbare waarde zijn. Dat duidt op een
verwaarloosbaar risico.
Bij een gelede leiding ontstaat de grootste vervorming als slechts één element de volledige
vervorming moet opvangen. De hoekverdraaiing volgt uit de transversale verplaatsing
gedeeld door de lengte van het element. Het kortste element is maatgevend. Bij een
transversale scheur van 10 mm en de element lengte van 2.4 m is de hoekverdraaiing
10 mm / 2.4 m = 4.17 mrad = 0.24 graad. Dat voldoet. De maximale verlenging in een
verbinding is de axiale scheurwijdte (10 mm) vermeerderd met de invloed van de
hoekverdraaiing, zijnde de hoekverdraaiing maal de straal (4.17 mrad * 1 m ) = 4 mm. Dit is
voor de meeste leidingen ook toelaatbaar.
Geconcludeerd kan worden dat kleine scheurvorming niet tot grote schade zal leiden.
Continue leidingen komen in de problemen bij scheurwijdtes in de orde van 100 mm,
gesegmenteerde komen in de problemen bij scheurwijdtes in de orde van 30 mm. Hierbij
Schade aan buisleiding door aardbeving
45 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
moet rekening gehouden worden met de aanname van lineair grondgedrag. Bij plastisch
grondgedrag is een extra reserve aanwezig. Dergelijke scheurwijdtes kunnen bij
geïnduceerde aardbevingen alleen voorkomen bij zogenaamde ‘progressive failure’. Dit
speelt alleen een rol bij taluds, waarbij de aardbeving de trigger kan zijn van een talud
afschuiving.
7.5
Conclusies
Voor de permanente verplaatsingen door aardbevingen zijn de aspecten verweking en
afschuiving relevant. Breukvorming aan het maaiveld is tot nu toe niet geconstateerd. Dit
speelt op basis van geologische beschouwingen vermoedelijk ook geen rol bij geïnduceerde
aardbevingen. Voor de beide mechanismes zijn berekeningsmethodes beschikbaar om te
beoordelen of het mechanisme kan optreden. De gevolgen voor de leidingen zijn nu nog niet
beschouwd.
7.6
Kans van optreden
Het optreden van liquefactie en talud afschuiving is een algemeen aspect dat de integriteit
van een leiding kan bedreigen. Het strekt tot aanbeveling bij het ontwerpen van een leiding in
het algemeen met dit aspect rekening te houden. Deze paragraaf beschrijft kort hoe dit in het
ontwerpproces ingepast kan worden.
Met betrekking tot de permanente grondverplaatsing dient een geotechnische studie te
worden uitgevoerd. Aan de hand van een geotechnische studie kunnen worden aangegeven:
Gebieden waar verdichting op kan treden.
Gebieden die gevoelig zijn voor liquefactie.
Kritische waarden voor taludhelling in combinatie met de ondergrond voor maximale
waarde van de te verwachten grondversnelling.
De eerste twee studies zullen de geologie van de gebieden waar mogelijk geïnduceerde
aardbevingen kunnen voorkomen, moeten beschouwen. In deze studies zal tevens aandacht
moeten worden besteed aan mogelijk voorkomende ondergronden waar van nature
taludhellingen op aanwezig kunnen zijn. In de derde studie kunnen deze ondergronden
worden beschouwd aan de hand van stabiliteitsberekeningen.
Met betrekking tot de voorbijgaande grondverplaatsing is analyse conform de Eurocode 8
noodzakelijk om voor de genoemde schademechanismen de toelaatbare rekken en
spanningen te berekenen voor een aantal karakteristieke gevallen (leidingdiameter en
bodem).
Schade aan buisleiding door aardbeving
46 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
8 Conclusies en aanbevelingen
8.1
Conclusies
Op basis van de literatuur blijkt dat het aantal verwachte schades door geïnduceerde
aardbevingen klein zal zijn. Op basis van extrapolatie van bestaande sterke aardbevingen
naar de hier verwachte (lagere) niveaus, leidt tot verwachtingen die aanzienlijk lager dan 1
schade per 1000 km buisleiding. Dit sluit aan bij de waarnemingen bij natuurlijke en
geïnduceerde aardbevingen in Nederland. De schade kans bij gegeven aardbeving verschilt
duidelijk per type leiding.
Er is voldoende inzicht in de sterkte en aard van de aardbevingen om leidingen te
beoordelen. Beschikking over de grondprofielen waarop de aardbevingen gebaseerd zijn is
wenselijk om nadere analyses te faciliteren.
Er moet onderscheid gemaakt worden tussen de kortdurende en permanente grondbewegingen. Er moet onderscheid gemaakt worden tussen primaire schade (dan betreft het
doorgaande leidingen) en secundaire schade (dan betreft het interactie tussen delen van
leidingen en of constructies).
In het algemeen kan gesteld worden dat bij de voorziene aardbevingen (return periode 1/10
jaar) geen problemen te verwachten zijn met rechte leidingen onder de tijdelijke bewegingen
(primaire schade). Wel moet rekening gehouden worden met plastische deformatie van de
grond rondom de leidingen. De techniek met Pipeline Seismic Response Diagrams is ook
toepasbaar voor schuifgolven. Het blijkt echter geen geschikte tool voor globale beoordeling
van een leiding. Er is een aangepaste rekeningwijze afgeleid.
Voor de situatie bij bochten en aansluitingen (secundaire schade) is dit minder triviaal. De
marges voor rechte continue leidingen zijn zo groot, dat ook hier slechts sporadisch
problemen te verwachten zijn.
De permanente grondbewegingen moeten ook in een beoordeling betrokken worden. Het
ontstaan van scheuren in de grond is tijdens geïnduceerde aardbevingen nog niet
geconstateerd. De verplaatsingen op basis van de Newmark methode zijn zodanig, dat de
berekende scheurvorming niet tot schade zal leiden. Afschuiving van (steile) en verweking
van (verwerkingsgevoelige) zanden is bij de verwachte sterkte niet uit te sluiten. Het is aan te
bevelen met name de risico zone bij afschuiving van taluds verder te onderzoeken. De
methode beschreven in Hoofdstuk 7 is hiervoor geschikt. Het betreft dan de steile taluds die
tijdens een aardbeving instabiel worden en vervolgens niet of slechts langzaam weer tot rust
komen.
Deze conclusies passen in het beeld dat op basis van de literatuur verkregen was.
8.2
Gevolgen van schade
Hoewel de schade kansen relatief klein zijn moeten deze wel serieus beoordeeld worden.
Bij de grote aardbevingen is bekend dat de gevolgschade aanzienlijk kan zijn. Er moet
rekening gehouden worden met mogelijke aantasting van de capaciteit van het hele netwerk
en het feit dat (ook geïnduceerde aardbevingen) minder locaal zijn dan de meeste andere
risico’s.. De aard van de leiding en de redundantie in het netwerk speelt hierbij een rol.
Schade aan buisleiding door aardbeving
47 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Leidingen voor gevaarlijke of giftige stoffen moeten apart beoordeeld worden. Er moet
rekening worden gehouden met het effect op de omgeving. Het risico is derhalve locatie
afhankelijk, zodat een locatie afhankelijke ontwerp c.q. toets methodiek zou moeten worden
gevolgd.
Schade aan buisleiding door aardbeving
48 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
9 Literatuur
Normbladen
NEN EN 1998-1 Eurocode 8-1, Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige
constructies, deel 1 algemene regels seismische belastingen en regels voor gebouwen.
NEN EN 1998-1 Eurocode 8-4, Ontwerp en berekening van aardbevingsbestendige
constructies, deel 4 Silo’s opslagtanks en pijpleidingen.
Overige referenties
Bouma. (1981)
Mechanica van constructies, Bouma, A.L., TU-Delft, afdeling der Civiele Techniek,
collegedictaat b13, januari 1981
Dash en Jain (2007)
An overview of seismic considerations of buried Pipelines, Dash en Jain (2007), Journal of
Structural engineering vol 34 No 5
Davis and Bardet (2000)
Response of buried corrugated metal pipes to earthquakes, Davis and Bardet (2000), journal
of geotechnical and geoenvironmental engineering vol 28
Datta, (2000)
Seismic response of brurried pipelines: a state-of-the-art review, Datta, T.K., (2000) Nuclear
Engineering and design, Vol. 192, pp. 271-284
Elhmadi and ORourke (1990)
Seismic damage to segmented buried pipelines, Elhmadi and ORourke (1990), Earthquake
engineering and structural dynamics vol 19
Grieser, Wieland en Walder (2004)
Earthquake detection and safety system for oil pipelines, Grieser, Wieland en Walder (2004),
Pipeline and Gas journal
KNMI [2010]
Data beschikbaar gesteld door het KNMI
KNMI [2010b]
zie website www.knmi.nl, meer specifiek:
http://www.knmi.nl/seismologie/tectonische-bevingen-nl.pdf
http://www.knmi.nl/cms/content/32658/aardbevingen_bij_voerendaal_en_kunrade_2001
Loeches (1995)
Seismic effects on buried pipelines, Loeches (1995), Pipeline technology Vol 1
Mashaly and Datta (1989a)
Schade aan buisleiding door aardbeving
49 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Seismic behaviour of buried pipelines, state of the art review, Journal of pipelines Vol 7, pp
215-234
Mashaly and Datta (1989b),
Seismic stresses at the intersectionsof buried pipelines, Journal of pipelines Vol 7, pp 281299
O’Rourke (1998)
An overview of geotechnical and lifeline earthquake engineering O’Rourke (1998),
Geotechnical engineering and soil dynamics III
O’Rourke , Stewart and Jeon (2001)
Geotechnical aspects of lifeline engineering, O’Rourke, Stewart and Jeon (2001), proc of the
institution of civil eng, geotechnical engineering 149
O’Leary and Datta (1985),
Dynamics of buried pipelines , O’leary and Datta (1985), Soil dynamics and earthquake
engineering Vol 4
USGS (2010)
http://earthquake.usgs.gov/learn/topics/mag_vs_int.php
Wassing, van Eck en van Eijs (2004)
Seismische hazard van geïnduceerde aardbevingen, Wassing, van Eck en van Eijs (2004),
TNO rappart 04-244-B
Wassing (2008)
Seismische hazard van geïnduceerde aardbevingen, Wassing (2008) presentatie workshop
geïnduceerde aardbevingen.
Schade aan buisleiding door aardbeving
50 van 69
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
A Geologische provincies
Schade aan buisleiding door aardbeving
A-1
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Schade aan buisleiding door aardbeving
A-2
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
B Schade waarnemingen Dash en Jain (2007)
Schade aan buisleiding door aardbeving
B-1
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Schade aan buisleiding door aardbeving
B-2
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
C Algemene achtergrond informatie aardbevingsgolven
Schade aan buisleiding door aardbeving
C-1
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
C.1
Algemeen
De tijdelijke voorbijgaande grondbeweging wordt veroorzaakt door het passeren van golven
door de aarde c.q. grond. Er worden in de bodem twee soorten volumegolven onderscheiden:
Compressiegolven : P-golven
Schuifgolven
: S-golven
Compressiegolven hebben een overheersende deeltjesbeweging in de richting waarin de golf
zich voortplant (longitudinale golf). Schuifgolven hebben een overheersende deeltjesbeweging in de richting loodrecht op de richting de golf zich voortplant (transversale golf).
Deze golven planten zich voort door de aarde. P-golven zijn aanzienlijk sneller dan S-golven.
Als de S-golven de oppervlakte bereiken kunnen oppervlaktegolven ontstaan. Oppervlakte
golven planten zich langs het oppervlak voort. De sterkte (amplitude) van de golven neemt af
met de afstand tot het oppervlak.
De volgende oppervlakte golven worden onderscheiden:
Ellipsvormige golven
Horizontale schuifgolven
: Rayleigh golven
: Love golven
Rayleigh golven lopen langs het aardoppervlak. Bij diepe bronnen ontstaan zij pas op enige
afstand vanaf het epicentrum.
De Love golven worden in studies naar effecten van aardbevingen op pijpleidingen niet
beschreven. Door verschillende onderzoekers wordt het apart beschouwen van deze golven
(naast S-golven) niet zinvol geacht. In deze rapportage zullen deze golven dus ook niet
verder aan bod komen.
C.2
Golfsnelheden
De hierboven beschreven grondbewegingen treden natuurlijk alleen op als de golf of de
golven passeren. Wanneer een golf een volume grond ergens in de aardkorst passeert wordt
bepaald door de voortplantingsnelheid van de golf. De voortplantingsnelheid is afhankelijk
van het materiaal van de aardkorst c.q. grondmateriaal.
Voor de P-golven geldt:
CP
Met:
Cp =
M =
=
M
voortplanting snelheid P golf (m/s)
Oedometermodulus = K+4/3 G (kN/m 2)
volumieke massa (kg/m3)
Voor de S-golven geldt:
CS
G
Schade aan buisleiding door aardbeving
C-2
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Met:
Cs =
G =
=
voortplanting snelheid S golf (m/s)
schuifmodulus (kN/m 2)
volumieke massa (kg/m3)
Voor de Rayleigh golven geldt:
CR
CS
Met:
= 0.95 tot 0.98 (dimensieloos, afhankelijk van de dwarscontractiecoëfficiënt)
C.3
Amplitude afname met de afstand
De golven planten zicht voort in de bodem, waarmee de energie zich spreidt over een steeds
groter gebied. Dit leidt tot een afname van de amplitude met afstand (geometrische demping).
Daarnaast wordt er mechanische energie omgezet in wrijvingswarmte waardoor ook de
amplitude van de golf afneemt (materiaal demping). De geometrische demping overheerst
nabij de bron, de materiaal demping wordt belangrijker op grotere afstand tot de bron.
De geometrische demping van de volume golven is omgekeerd evenredig met de afstand,
terwijl de geometrische demping van de oppervlakte golven is omgekeerd evenredig met de
wortel uit de afstand. Daardoor zijn Rayleighgolven bij zware tectonische op grotere afstand
vaak belangrijker. De Rayleighgolven die door de geïnduceerde aardbevingen gegenereerd
worden zijn in het algemeen zo zwak dat deze vanuit het oogpunt van schade niet
beschouwd worden.
C.4
Belasting
De aardbevingsterkte van een opgetreden aardbeving wordt magnitude genoemd en vaak
uitgedrukt aan de hand van de Schaal van Richter.
Voor ontwerp doeleinden van gebouwen en andere constructies zoals leidingen is het van
belang te weten wat de magnitude is van een te verwachten aardbeving. Aangezien de
magnitude volgens de schaal van Richter niet geschikt is voor ontwerp doeleinden ( Geen SI
eenheden) wordt de sterkte uitgedrukt in een te verwachten maximale versnelling van de
grond. Opgemerkt wordt dat deze formules formeel alleen gelden voor één frequentie, maar
in het algemeen vaak wel een goede benadering van de situatie geven.
a
2
A
Met:
a= maximale versnelling van de grond (m/s2)
A= amplitude van de golf (m)
En:
2
T
Waarin:
= hoeksnelheid (rad/s)
T = periode van de golf (s)
Schade aan buisleiding door aardbeving
C-3
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Uit de maximale versnelling kan de snelheid van de golf worden afgeleid. De maximale
snelheid bedraagt:
v
C.5
A
Rek in de grond
Aan de hand van de maximale snelheid van de grond en de voortplantingssnelheid van de
golven kan de maximale compressie of extensie rek worden berekend die in de grond
optreedt.
Voor de P-golven is dat:
p ,max
VP
CP
Voor de S golven is dat
s ,max
VS
2 CS
Voor de longitudinale component van de Rayleigh golven is dat
R ,longitudinal ,max
VR
CR
Naast berekening van de optredende rek kan ook de buiging worden bepaald. De buiging
veroorzaakt door P-golven, S-golven of Rayleigh golven wordt berekend aan de hand van de
maximaal optredende grond versnelling.
amax
C2
Met:
C=
=
amax =
voortplanting snelheid P-S-R golf (m/s)
Buiging (m-1)
maximale grondversnelling (m/s2)
Schade aan buisleiding door aardbeving
C-4
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
D Bodemprofielen
Schade aan buisleiding door aardbeving
D-1
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Drenthe
Gekozen is een sondering nabij Odoorn
Materiaal
Zand
Zand
Zand
Zand
Tabel D.1
Dikte [m]
2
2.5
5
20
Gemiddeld
Snelheid [m/s]
174
123
295
288
249
Golfsnelheden uit sondering nabij Odoorn
Drente
golfsnelheid [m/s]
0
50
100
150
200
250
300
350
0
5
diepte [m]
10
15
20
25
30
35
Figuur D.1
Snelheidsprofiel nabij Odoorn
Dit is typisch een profiel dat past op schuifgolfsnelheid groter dan 200 m/s. Er moet wel
rekening gehouden worden met enige opslingering in de bovenste laag, voor de leidingberekeningen kan uitgegaan worden van 150 m/s.
Groningen
Voor Groningen zijn drie sonderingen uitgewerkt.
De eerste sondering is ontleent aan het CUR handboek damwanden, waar het profiel
Groningen genoemd wordt.
Schade aan buisleiding door aardbeving
D-2
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Materiaal
Zand
Klei
Zand
Tabel D.2
Dikte [m]
3
6
6
Gemiddeld
Snelheid [m/s]
177
294
294
260
Golfsnelheden uit sondering Groningen [CUR 166]
Groningen op basis CUR 166 profiel
golfsnelheid [m/s]
0
50
100
150
200
250
300
350
0
2
4
diepte [m]
6
8
10
12
14
16
Figuur D.2
Snelheidsprofiel Groningen op basis [CUR 166]
Dit profiel geeft ook een gemiddelde snelheid van meer dan 200 m/s, maar voor de ondiepe
moet rekening gehouden worden met een iets lagere golfsnelheid.
De tweede sondering is gekozen bij Oostwold Scheemda (S08C00065).
Materiaal
Klei
Klei
Klei
Zand
Klei
Zand
Klei
Tabel D.3
Golfsnelheden
Dikte [m]
3.5
7
9
2.5
1.5
3
4
Gemiddeld
Snelheid [m/s]
162
259
324
268
350
298
435
249
Golfsnelheden uit sondering Groningen [CUR 166]
Schade aan buisleiding door aardbeving
D-3
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Oostwold Scheemda
golfsnelheid [m/s]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0
5
diepte [m]
10
15
20
25
30
35
Figuur D.3
Golfsnelheden uit sondering nabij Oostwold Scheemda
Dit profiel behoort ook tot de groep schuifgolfsnelheid boven de 200 m/s, maar ook hier is de
golfsnelheid in de bovenlaag waar de meeste leidingen in liggen lager dan, orde 160 m/s.
De derde sondering is gekozen iets ten Noorden van Loppersum.
Materiaal
Klei
Klei
Zand
Zand
Zand
Tabel D.4
Dikte [m]
3.5
5
5.5
8
8
Gemiddeld
Snelheid [m/s]
96
96
163
273
277
169
Golfsnelheden uit sondering S07E00145 nabij Loppersum Groningen
Schade aan buisleiding door aardbeving
D-4
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Loppersum Groningen
golfsnelheid [m/s]
0
50
100
150
200
250
300
0
5
diepte [m]
10
15
20
25
30
35
Figuur D.4
Golfsnelheden nabij Loppersum Groningen
Dit is een profiel met een gemiddelde golfsnelheid over de bovenste 30 m van 169 m/s, wat
lager is dan 200. De toplaag waarin veelal de leiding aangelegd wordt heeft een golfsnelheid
van 86 m/s.
Alkmaar Noord
Als laatste profiel is een sondering (1989-336705-0002) in Alkmaar Noord uitgewerkt.
Materiaal
Zand
Klei
Zand
Klei
Zand
Klei
Zand
Klei
Zand
Tabel D.5
Dikte [m]
2.5
1.5
6
4.5
1.5
7
1
1
6
Gemiddeld
Snelheid [m/s]
142
83
153
262
184
254
216
259
271
195
Golfsnelheden uit sondering S07E00145 nabij Loppersum Groningen
Schade aan buisleiding door aardbeving
D-5
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Alkmaar Noord
golfsnelheid [m/s]
0
50
100
150
200
250
300
0
5
diepte [m]
10
15
20
25
30
35
Figuur D.5
Golfsnelheden voor profiel in Alkmaar Noord
Dit is een profiel met golfsnelheid onder de 200 m/s. In de top laag komen echter lagere
snelheden voor.
Schade aan buisleiding door aardbeving
D-6
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
E Aardbevingssignaal Roswinkel, 19 feb 1997
Schade aan buisleiding door aardbeving
E-1
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Figuur E.1
Versnelling, snelheid en verplaatsing in oostwest richting
Schade aan buisleiding door aardbeving
E-2
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Figuur E.2
Versnelling, snelheid en verplaatsing in verticale richting
Schade aan buisleiding door aardbeving
E-3
1001649-000-GEO-0011, Versie 06, 14 december 2010, definitief
Figuur E.3
Versnelling, snelheid en verplaatsing in noordzuid richting
Schade aan buisleiding door aardbeving
E-4