Schade aan buisleiding door aardbeving

Transcriptie

1 Schade aan buisleiding door aardbeving fase 1 inventarisatie dr. H.M.G. Kruse dr. ir. P. Hölscher Deltares, 2010

2

3 Inhoud Lijst van Tabellen Lijst van Figuren i ii 1 Inleiding Algemeen Opzet van de studie Algemeen Grootte van de Aardbeving belasting Overzicht leidingtypen Overzicht schademechanismen Vaststellen en beoordelen risico s 4 2 Ervaringsdata schade aan buisleidingen in de literatuur Inleiding Bevindingen in relatie tot geïnduceerde aardbevingen Internationale literatuur Tectonische aardbevingen in Nederland Conclusies 8 3 Aardbevingsbelastingen Algemeen Tijdelijke grondbeweging Optredende belasting Parameters voor berekeningen buisleidingen Bodemprofielen Tijdsignalen Permanente grondbeweging 16 4 Leidingen Veel toegepaste leidingtypen Toestand van de leiding Parameterkeuze voor deze studie 20 5 Schademechanismen Algemeen Beschouwing Eurocode Primaire schademechanismen Voorbijgaande grondbewegingen en continue leidingen Voorbijgaande grondbewegingen en gelede leidingen Permanente grondbewegingen en continue leidingen Permanente grondbewegingen en gelede leidingen Secundaire schademechanismen Bochten en T-stukken Aansluitingen op constructies 25 6 Globale beoordeling mechanismen kortdurende bewegingen 29 Schade aan buisleiding door aardbeving i

4 6.1 Algemeen Elastische analyse Pipeline Seismic Response Diagram voor continue leidingen Compressie golven Schuifgolven Uitwerking voor langsgolven op continue leidingen Uitwerking voor schuifgolven op continue leidingen Nadere beschouwing van de methode O Rourke voor stalen leiding Nadere analyse gesegmenteerde leidingen Bochten en aansluitingen Bochten en aansluitingen Aansluiting aan een constructie Conclusie Rechte leiding Bijzondere situaties Quasi-statische beschouwing 38 7 Globale beoordeling mechanismen permanente verplaatsingen Inleiding Liquefactie Afschuiving van taluds Verplaatsingen langs breuken Conclusies Kans van optreden 46 8 Conclusies en aanbevelingen Conclusies Gevolgen van schade 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 C.1 Algemeen C-2 C.2 Golfsnelheden C-2 C.3 Amplitude afname met de afstand C-3 C.4 Belasting C-3 C.5 Rek in de grond C-4 D Bodemprofielen D-1 E Aardbevingssignaal Roswinkel, 19 feb 1997 E-1 Schade aan buisleiding door aardbeving ii

5 Lijst van Tabellen Tabel 3.1 Voorlopig gekozen waarden voor analyse van buisleidingen 15 Tabel 4.1 Parameters voor continue leidingen 20 Tabel 4.2 Parameters voor gelede leidingen 20 Tabel 6.1 Resultaten elastische analyse 29 Tabel 6.2 Parameters voor rekenvoorbeeld 33 Tabel 6.3 Bodemstijfheid voor verschillende leidingen in verschillende bodemsoorten 37 Tabel D.1 Golfsnelheden uit sondering nabij Odoorn D-2 Tabel D.2 Golfsnelheden uit sondering Groningen [CUR 166] D-3 Tabel D.3 Golfsnelheden Golfsnelheden uit sondering Groningen [CUR 166] D-3 Tabel D.4 Golfsnelheden uit sondering S07E00145 nabij Loppersum Groningen D-4 Tabel D.5 Golfsnelheden uit sondering S07E00145 nabij Loppersum Groningen D-5 Schade aan buisleiding door aardbeving i

6 Lijst van Figuren Figuur 2.1 Schade frequentie bij natuurlijke aardbevingen [O Rourke, Liu, 1999] 6 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) 11 Figuur 3.2 De maximale grond snelheid [S-golven] voor een herhalingsperiode van 100 jaar [Wassing 2008] 12 Figuur 3.3 Ruimtelijke spreiding van de maximale snelheid (S-golven) bij een herhalingsperiode van 100 jaar. (Wassing 2008) 13 Figuur 3.4 Site response in de bovenste grondlagen (Wassing 2008) 14 Figuur 3.5 Maximale snelheden in ongunstige situaties voor S-golven, herhalingsperiode = 10 jaar (Wassing 2008) 14 Figuur 3.6 Permanente grondbewegingen [ O Rourke et al 2001] 17 Figuur 5.1 Bezweken leiding door trekbelasting (Dash and Jain 2007) 22 Figuur 5.2 Lekkende gelede waterleiding door overmatige hoekverdraaiing (aardbeving Sumatra 2004, Dash and Jain 2007) 23 Figuur 5.3 Bewegingsmogelijkheden bij aansluitingen 27 Figuur 6.1 Pipeline Seismic Response Diagram [O Rourke, 1998] 30 Figuur 6.2 Principe voor ontwerpgrafiek beoordeling leiding 31 Figuur 6.3 Ontwerpaardbevingen met maximale v s / T s verhouding 33 Figuur 6.4 Beschouwing volgens [O Rourke 1998] voor stalen leiding in veengrond 35 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/s 2 ) 41 Figuur 7.2 Stabiliteit van een aardebaan zonder aardbeving, veiligheidsfactor =1,31 = stabiel 43 Figuur 7.3 Stabiliteit van een aardebaan bij aardbeving met a =6,3 m/s 2, veiligheidsfactor =0,67 = instabiel 43 Figuur D.1 Snelheidsprofiel nabij Odoorn D-2 Figuur D.2 Snelheidsprofiel Groningen op basis [CUR 166] D-3 Figuur D.3 Golfsnelheden uit sondering nabij Oostwold Scheemda D-4 Figuur D.4 Golfsnelheden nabij Loppersum Groningen D-5 Figuur D.5 Golfsnelheden voor profiel in Alkmaar Noord D-6 Figuur E.1 Versnelling, snelheid en verplaatsing in oostwest richting E-2 Figuur E.2 Versnelling, snelheid en verplaatsing in verticale richting E-3 Figuur E.3 Versnelling, snelheid en verplaatsing in noordzuid richting E-4 Schade aan buisleiding door aardbeving ii

7 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 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 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

8 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 Overzicht leidingtypen Aangezien verschillende leidingtypen verschillend op aardbevingsbelastingen reageren wordt een overzicht van de in deze studie beschouwde leiding typen gegeven 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 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

9 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 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

10 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 / km bij een grond piek versnelling van 1 m/s 2 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 Schades per kilometer Gemodificeerde Mercally intensiteit 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 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

11 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

12 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 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 Tectonische aardbevingen in Nederland Nederland kent ook natuurlijke, zogenaamde tectonische aardbevingen. De sterktse (en bekendste) aardbeving is geweest in Roermond in 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 /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

13 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

14 Schade aan buisleiding door aardbeving 10 van 69

15 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

16 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 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

17 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

18 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

19 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. Bodemprofiel P-golven S-golven Maximale versnelling (m/s 2 ) Stijf Onbekend 4,2 Slap Onbekend 6,3 special Onbekend 8,4 Maximale snelheid (mm/s) Stijf Onbekend 60 Slap Onbekend 90 special Onbekend 120 Karakteristieke periode (s) Onbekend 0,1 Tabel 3.1 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 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 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

20 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 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

21 Figuur 3.6 Permanente grondbewegingen [ O Rourke et al 2001] Schade aan buisleiding door aardbeving 17 van 69

22 Schade aan buisleiding door aardbeving 18 van 69

23 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

24 4.3 Parameterkeuze voor deze studie Voor deze studie zijn de volgende parameters gekozen: Type Diameter [m] Wanddikte [mm] Stijfheid [MPa] Staal PE PVC Tabel 4.1 Parameters voor continue leidingen Sterkte [MPa] Type Diameter [m] Element lengte [m] Toelaatbare hoekverdraaiing [graden]* Gietijzer Beton GVK Tabel 4.2 *afhankelijk van de diameter Parameters voor gelede leidingen 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

25 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

26 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 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 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

27 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) 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

28 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 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). 5.4 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

29 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 90 o (180 o komt overeen met een rechte leiding): spanningstoename is orde 40% ten opzichte van de situatie bij 90 o, dit treedt op bij een bocht van 135 o. Dit effect wordt vooral veroorzaakt door de buigspanningen. Een scheve T kruising: de spanningstoename ten opzichte van de situatie bij 90 o 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 45 o 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 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

30 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 45 o 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 45 o met de as van de buisleiding treden combinaties van de genoemde mechanismen op. Schade aan buisleiding door aardbeving 26 van 69