In seismisch gefährdeten Gebieten ist die Widerstandsfähigkeit von Versorgungsleitungen - so genannten Lifelines - gegen Erdbeben von zentraler Bedeutung für die Zivilisation. Das seismisch bedingte Versagen von Lifelines und dessen desaströse Folgen offenbaren die Notwendigkeit von verlässlichen Modellen, die das dynamische Antwortverhalten dieser unterirdischen Strukturen unter Erdbebeneinwirkung realistisch abbilden können. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode entwickelt, durch welche das Schadensrisiko von unterirdischen Versorgungsleitungen infolge von seismischen Wellenausbreitungseffekten analysiert werden kann. Diese Risikoanalyse umfasst die Wahrscheinlichkeiten des Auftretens der Gefährdung, der Aussetzung sowie der Verwundbarkeit. Zur Durchführung der Analyse wird ein dreidimensionales numerisches Modell entwickelt, welches das dynamische Verhalten von erdverlegten Rohrleitungen beschreibt. Bei der Entwicklung wurden drei Schwerpunkte gesetzt: die detaillierte Modellierung der dynamischen Boden-Bauwerk-Wechselwirkung unter Berücksichtigung der Wellenabstrahlung ins Unendliche, die realistische Modellierung der seismischen Anregung sowie die globale Berücksichtigung von Unsicherheiten. Zur Untersuchung der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung wird eine hybride Finite Element-Scaled Boundary Finite Element Methode verwendet, wobei die Finite Element Methode eine genaue Abbildung des Nahfeldes (Boden und Rohrleitung) ermöglicht und die Scaled Boundary Finite Element Methode die Wellenabstrahlung ins Unendliche. In letztgenannter Methode können Effizienzsteigerungen ohne Genauigkeitsverluste durch die Reduzierung der Nichtlokalitäten in Raum und Zeit als auch durch den Einsatz von Substrukturmethoden erreicht werden. Zur Modellierung der seismischen Wellenausbreitung im Nahfeld wird eine neuartige Prozedur basierend auf der Domain Reduction Method vorgestellt, welche zwei Schritte beinhaltet. Im ersten Schritt wird eine großmaßstäbliche Simulation des Erdbebens mit Hilfe von numerischen Green'schen Funktionen durchführt, bei welcher die Erdbebenquelle als komplexe, endliche Verwerfung modelliert wird. Aus diesem ersten Schritt werden Kräfte äquivalent zur Erdbebenquelle ermittelt und im zweiten Schritt auf das oben beschriebene hybride Modell aufgebracht. Diese Methode ermöglicht die Modellierung einer realistischen seismischen Wellenausbreitung innerhalb des Nahfeldes. Darauf aufbauend wird eine ganzheitliche probabilistische Analyse durchgeführt, welche Parameter des kompletten Ausbreitungspfades der seismischen Wellen - angefangen bei der Erdbebenquelle, durch die Erdkruste, bis hin zur unterirdischen Versorgungsleitung - einbindet. Für dieses Verfahren wird ein Punktschätzverfahren eingesetzt, welches einerseits eine effiziente und verlässliche Bestimmung der Versagenswahrscheinlichkeit einer Rohrleitung ermöglicht und andererseits kompatibel zu deterministischen Finite Element Methoden ist. Die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode wird anhand der Simulation eines realen Erdbebens und der Analyse von Teilen eines Lifeline-Netzwerks in einer Gemeinde in der Emilia-Romagna, Italien, demonstriert. Darüber hinaus wird eine umfassende Parameterstudie durchgeführt, um die Einflüsse von numerischen Aspekten als auch von seismischen Parametern und von Konstruktionsdetails aufzuzeigen. Die vorliegende Arbeit stellt damit ein Werkzeug zur ganzheitlichen Analyse des seismischen Schadensrisikos von unterirdischen Versorgungsleitungen zur Verfügung. Der Einsatz der vorgestellten Methode ist nicht nur auf unterirdische Versorgungsleitungen beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf jede andere Struktur oder Region, welche einer seismischen Wellenbelastung ausgesetzt ist.

    In seismic-prone areas, the earthquake resistance of lifelines plays a role of particular importance for, civilisation. Seismically caused failure of lifelines can result in disastrous events. Due to the grave consequences of those failures in past earthquakes, the need for reliable models examining the dynamic response of lifelines under earthquake excitation grows. In this thesis, a methodology is developed to analyse the damage risk of buried lifelines exposed to seismic wave propagation. This risk analysis covers the probabilities of hazard occurrence, exposure and vulnerability. In order to reach this aim, a three-dimensional numerical model is developed to analyse the dynamic response of pipelines embedded in soil. Thereby, the emphasis is placed on three topics: the incorporation of dynamic soil-structure interaction enabling wave radiation to infinity, the advanced modelling of seismic excitation, and the over-all consideration of uncertainties. A hybrid finite element-scaled boundary finite element method is presented to examine soil-structure interaction. Whereas the finite element method enables a detailed modelling of the near-field, i.e., the domain containing pipe and soil, the scaled boundary finite element method fulfils the wave radiation condition at infinity. In the latter method, increase of efficiency is achieved by reducing the non-locality in space and time along with employing substructuring techniques without losses of accuracy. For modelling seismic wave propagation in the near-field, a novel procedure based on the domain reduction method is introduced which includes two steps. In the first step, a large scale simulation of the earthquake is performed by means of numerical Green's functions. The earthquake source is modelled as finite fault with a complex slip distribution. From this first step, forces equivalent to the seismic source are determined and applied to the hybrid model, described above. Thus, realistic seismic wave propagation inside the near-field can be modelled. Thereupon, an integrated probabilistic analysis is performed, which includes parameters of the entire seismic wave propagation path, starting from the earthquake source, through the earth crust and the soil and ending up at the buried lifeline. For this process a point estimate method is employed which enables an efficient and reliable determination of the failure probability of the pipeline. Another advantage is the compatibility to deterministic finite element methods. The applicability of the present methodology is demonstrated by a simulation of areal earthquake and the application to parts of a lifeline network of a municipality in Emilia-Romagna, Italy. Furthermore, an extended parameter study is performed to exhibit the effects of computational aspects as well as of seismic parameters, of pipe design and of construction details. The present work introduces a sophisticated tool for an integrated analysis of the damage seismic risk of underground lifelines. Nevertheless, the present methodology is not only applicable to buried lifelines hut to any other structure or region of interest under seismic wave excitation.


    Zugriff

    Zugriff über TIB

    Verfügbarkeit in meiner Bibliothek prüfen

    Bestellung bei Subito €


    Exportieren, teilen und zitieren



    Titel :

    Seismic risk analysis of buried lifelines


    Beteiligte:

    Erschienen in:

    Erscheinungsdatum :

    2008


    Format / Umfang :

    185 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch




    Dynamic seismic analysis of long segmented lifelines

    Nelson, J. / Weidlinger, P. | Tema Archiv | 1978


    Seismic assessment of structures and lifelines

    Fragiadakis, M | Online Contents | 2015


    AASHTO quarterly : transportation, America's lifelines

    American Association of State Highway and Transportation Officials | TIBKAT | 55.1976,2 - 79.2001,1; damit Ersch. eingest.


    Satellite lifelines for North Sea oilmen

    Oliver, M. / Buskie, B. | Tema Archiv | 1988


    Seismic analysis of buried pipelines

    Owens, F.C. | Tema Archiv | 1999