Failure analysis of buried cast iron water main using fracture mechanics
Suborno Debnath, Ashutosh Sutra Dhar
In the proceedings of: GeoEdmonton 2018: 71st Canadian Geotechnical Conference; 13th joint with IAH-CNCSession: Geosynthetics II (Walls and Barrier Systems)
ABSTRACT: Water main failure, particularly for cast iron pipes, has been identified as a major concern for municipalities, as a number of water main breaks occur every year. Despite numerous past studies, pipe failure mechanisms observed in the field are not well understood. Conventional analyses using continuum based and Winkler spring based finite element methods calculate higher circumferential stress on the pipe wall which might lead to longitudinal wall cracking. However, circumferential cracking is the most commonly observed failure mode in water mains. In this paper, fracture mechanics is applied to study the stress concentrations in the buried pipe and offer new insights into the failure mechanisms of buried pipelines. Stress intensity factors for cast iron water mains with different shapes of corrosion defects are investigated using finite element analysis for crack assessment of the pipelines. The stress intensity factors are compared with the fracture toughness determined from laboratory tests. Keywords: Water main, Cast iron pipe, Stresses intensity factor, Failure mechanisms, Fracture mechanics, Finite-element analysis
RÉSUMÉ: La principale défaillance des conduites d'eau, en particulier pour les tuyaux en fonte, a été identifiée comme une préoccupation majeure pour les municipalités, étant donné qu'un certain nombre de bris de conduites d'eau se produisent chaque année. Malgré de nombreuses études antérieures, les mécanismes de rupture des conduites observés sur le terrain ne sont pas bien compris. Les analyses conventionnelles utilisant des méthodes d'éléments finis à base de continuum et de ressorts de Winkler calculent une contrainte circonférentielle plus élevée sur la paroi de la conduite, ce qui peut conduire à une fissuration de la paroi longitudinale. Cependant, la fissuration circonférentielle est le mode de rupture le plus couramment observé dans les conduites d'eau. Dans cet article, la mécanique de la rupture est appliquée pour étudier les concentrations de contraintes dans le tuyau enterré et offrir de nouvelles perspectives sur les mécanismes de défaillance des pipelines enfouis. Les facteurs d'intensité des contraintes pour les canalisations d'eau en fonte présentant différentes formes de défauts de corrosion sont étudiés à l'aide d'une analyse par éléments finis pour l'évaluation des fissures des canalisations. Les facteurs d'intensité de contrainte sont comparés à la ténacité à la rupture déterminée à partir d'essais en laboratoire. Mots clés: Conduite d'eau, Conduite en fonte, Facteur d'intensité des contraintes, Mécanismes de rupture, Mécanique de la rupture, Analyse par éléments finis
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Cite this article:
Suborno Debnath; Ashutosh Sutra Dhar (2018) Failure analysis of buried cast iron water main using fracture mechanics in GEO2018. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.
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