There are numerous factors that affect stress distribution in a buried pipe, such as the shape, size, and stiffness of the pipe, its burial depth, and the stiffness of the surrounding soil. In addition, the pipe can benefit from the soil arching effect to some extent, through which the overburden and surcharge pressure at the crown can be carried by the adjacent soil. As a result, the buried pipe needs to support only a portion of the load that is not transferred to the adjacent soil. This paper presents numerical efforts to investigate the stress distribution in the buried concrete pipe under various environmental conditions. To that end, a nonlinear elasto-plastic model for backfill materials was implemented into finite element software by a user-defined subroutine (user material, or UMAT) to more precisely analyze the soil behavior surrounding a buried concrete pipe subjected to surface loading. In addition, three different backfill materials with a native soil were selected to examine the material-specific stress distribution in pipe. The environmental conditions considering in this study the loading effect and void effects were investigated using finite element method. The simulation results provide information on how the pressures are redistributed, and how the buried concrete pipe behaves under various environmental conditions.
Liu, Yanbing;Khadimallah, Mohamed Amine;Behshad, Amir
Earthquakes and Structures
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제22권4호
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pp.431-437
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2022
One of the best choice for transportation of oil and gas at the end of rivers or seas is concrete pipelines. In this article, a concrete pipe at the end of river is assumed under the earthquake load. The Classic shell theory is applied for the modelling and the corresponding motion equations are derived by energy method. An external force induced by fluid around the pipe is asssumed in the final motion equations. For the solution of motion equations, the differential quadrature method (DQM) and Newmark method are applied for deriving the dynamic deflection of the pipe. The effects of various parameters including boundary conditions, fluid and length to thickness ratio are presented on the seismic response of the concrete pipe. The outcomes show that the clamped pipe has lower dynamic deflection with respect to simply pipe. In addition, with the effect of fluid, the dynamic defelction is increased significantly.
Liu, Yanbing;Khadimallah, Mohamed Amine;Behshad, Amir
Earthquakes and Structures
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제22권5호
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pp.439-445
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2022
One of the best choice for transportation of oil and gas at the end of rivers or seas is concrete pipelines. In this article, a concrete pipe at the end of river is assumed under the earthquake load. The Classic shell theory is applied for the modelling and the corresponding motion equations are derived by energy method. An external force induced by fluid around the pipe is asssumed in the final motion equations. For the solution of motion equations, the differential quadrature method (DQM) and Newmark method are applied for deriving the dynamic deflection of the pipe. The effects of various parameters including boundary conditions, fluid and length to thickness ratio are presented on the seismic response of the concrete pipe. The outcomes show that the clamped pipe has lower dynamic deflection with respect to simply pipe. In addition, with the effect of fluid, the dynamic defelction is increased significantly.
The current study focuses on the effect of the end shape of steel pipe piles on installation effort and bearing resistance using the pressing method of installation under dense ground conditions. The effect of pile rotation on the installation effort and bearing resistance is also investigated. The model steel piles with a flat end, cone end and cutting-edge end were used in this study. The test results indicated that cone end pile with the pressing method of installation required the least installation effort (load) and showed higher ultimate resistance than flat and cutting-edge end piles. However, pressing and rotation during cutting-edge end pile installation considerably reduces the installation effort (load and torque) if pile penetration in one rotation equal to the cutting-edge depth. Inclusion of rotation during pile installation reduces the ultimate bearing resistance. However, if penetration of the cutting-edge end pile equal to the cutting-edge depth in one rotation, the reduction in ultimate resistance can be minimized. In comparing the cone and cutting-edge end piles installed with pressing and rotation, the least installation effort is observed in the cutting-edge end pile installed with penetration rate equal to the cutting-edge depth per rotation.
본 연구는 소형 파이프하우스 설계시 구조계산에 필요한 지점조건을 구명하기 위하여 실물크기의 파이프 하우스에 환산된 적설하중 및 풍하중을 재하하여 온실의 붕괴양상과 변위 및 변형도를 측정하였으며, 측정값을 여러 가지 지점조건에 대해 구조해석한 값과 비교 분석하였다. 온실에 작용하는 적설 및 풍하중의 등분포 하중을 집중하중으로 환산할 때 환산된 집중하중의 개수별로 하중효과를 비교 분석한 결과, 적설하중의 경우 최소 2개 이상의 집중하중으로 환산하는 것이, 풍 하중의 경우 각각의 등분포된 수압면의 하중을 1개씩의 집중하중으로 환산하는 것이 등분포하중과 유사한 하중효과가 나타나는 것으로 분석되었다. 변형도의 변화를 분석한 결과 적설하중 작용시에는 예측된 바와 같이 처마부위에서 붕괴된 것으로 나타났으며, 풍하중 작용시에는 풍상측의 처마와 지점부위의 변형이 가장 크게 발생하였고 다음으로 풍하측의 처마와 곡부의 변형이 크게 발생하였으며, 가장 큰 변형을 나타낸 처마가 위험부위로 판단되었다. 응력과 변위에 따른 지점조건을 분석한 결과 지점조건에 따른 변위의 크기는 변위방향과 모델종류에 관계없이 모두 지면고정 <지하고정<지면힌지<지하힌지 순으로 나타났으며, 별도의 기초 없이 서까래를 땅속에 바로 매입하여 설치하는 소형 파이프 하우스의 구조설계시 지점조건을 매입깊이에서의 지하고정으로 하는 것이 바람직할 것으로 판단 되었다.
본 연구는 파이프하우스의 구조적 안전성을 검토하는데 필요한 기초자료를 구축하기 위하여 실시하였다. 지반에 매입된 파이프의 지점상태를 검토하여 적합한 구조해석 모델을 찾고, 파이프를 말뚝기초로 가정했을 때의 파이프의 지지력 및 인발 저항력을 구하기 위하여 모형 실험을 실시하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 파이프하우스의 지점상태를 검토해본 결과 단동 하우스에서는 수평 및 연직하중 모두 고정으로, 연동하우스에서는 수평하중 재하시 힌지, 연직 하중 재하시 고정으로 해석하는 것이 실험치에 더 가까운 것으로 나타났다. 2. 지반에 매입된 파이프의 인발저항력은 파이프 직경 및 매입깊이에 따라 논의 연한지반에서는 35-54kg, 밭의 보통지반에서는 61-98kg, 단단한 지반에서는 108-120kg이상으로 나타났으며, 파이프와 흙사이의 주변마찰력은 1.51-4.76t/$m^2$정도의 범위를 보였다. 3. 파이프 직경 및 매입깊이에 따른 기초 지지력은 연한지반의 경우 35-76kg, 보통지반은 88-158kg, 단단한 지반은 131-305kg의 범위를 보였으며, 파이프의 선단지지력은 연한지반 0-22kg, 단단한 지반 22-140kg으로 나타났다. 4. 국내에서 많이 보급되어 있는 대표적인 파이프하우스의 경우, 적설심 30cm 까지는 파이프의 매입깊이가 30cm이면 지지력이 충분하지만 그 이상의 적설심에서는 지반의 종류에 따라 매입깊이를 증가시켜야 하고, 인발저항의 경우도 풍속 30㎧까지는 매입깊이 30cm이면 충분하지만 그 이상의 풍속에 대하여는 매입깊이를 증가시키거나 보강이 필요한 것으로 나타났다.
This paper dealt with numerical estimation of the pressure pulsation of the refrigerant in a suction pipe of the compressor. The behavior of the pressure pulsation was assumed to satisfy the wave equation. The boundary conditions and properties of refrigerant are necessary as input data of the simulation. The pulsating pressures at 15 points in a pipe were measured simultaneously from the pressure transducers. From the experimental data, the complex phase speed and impedance at the end of the pipe of the refrigerant were estimated using the signal processing and used as the input conditions of the numerical analysis. A commercial acoustic software was used to solve the behavior of pressure pulsation. The numerical results for the pressure pulsation in a pipe with and without expansion chamber were carried out and compared with those by experiments. Finally, numerical procedure to estimate the pressure pulsation in a pipe was established and verified.
Dynamic response of buried pipelines both in the axial and the transverse directions on concrete pipe and steel pipe, FRP pipe were investigated through a forced vibration analysis. The dynamic behavior of the buried pipelines for the forced vibration is found to exhibit two different forms, a transient response and a steady state response, depending on the time before and after the transfer of a seismic wave on the end of the buried pipeline. The former is identified by a slight change in its behavior before the sinusoidal-shaped seismic wave travels along the whole length of the pipeline whereas the latter by the complete form of a sinusoidal wave when the wave travels throughout the pipeline. The transient response becomes insignificant as the wave speed increases. From the results of the dynamic responses at the many points of the pipeline, we have found that the responses appeared to be dependent critically on the boundary end conditions. Such effects are found to be most prominent especially for the maximum values of the displacement and the strain and its position.
Dynamic response of buried pipelines both in the axial and the transverse directions on concrete pipe and steel pipe, FRP pipe were investigated through a free vibration analysis. End boundary conditions considered herein consist of free ends, fixed ends, and fixed-free ends in the axial and the transverse direction. Guided ends, simply supported ends, and supported-guided ends were added to the transverse direction. The buried pipeline was regarded as a beam on an elastic foundation and the ground displacement of sinusoidal wave was applied to it. Natural frequencies and mode shapes were determined according to end boundary conditions. In addition, the effects of parameters on the natural frequency were evaluated. The natural frequency is affected most significantly by the soil stiffness and the length of the buried pipelines. The natural frequency increases as the soil stiffness increases while it decreases as the length of the buried pipeline increases. Such behavior appears to be dominant in the axial direction rather than in the transverse direction of the buried pipelines.
Recently, many techniques have been developed for the inspection of pipelines using guided waves. However, few researches have been made on the application of those techniques for buried underground pipes. Guided wave motions in the buried pipes are somewhat different from those of on-ground pipes which have traction-free (air) boundary condition on outer pipe walls and thus are strongly affected by the mechanical property of the surrounding soils. Therefore, it should be investigated the effect of soil properties on the guided wave behavior in buried pipe. On the other hand, the mechanical property of soil is largely depending on its moisture conditions nevertheless of other influential factors such as void ratio. In this study, the effect of moisture conditions in soils on mode attenuation of guided waves in the buried pipe is investigated. To this end, numerical study is performed to characterize mode attenuation behavior in buried pipes and the effective mode which is suitable for long range inspection is identified.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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