Effects of lateral ground movements on MDPE gas distribution pipes and branches

ABSTRACT: Buried medium-density polyethylene (MDPE) pipes are extensively used for gas distribution systems. These pipes are sometimes exposed to geotechnical hazards such as ground movement, which may cause significant damage to the pipes. Understanding the behavior of the pipes subjected to the ground movement is critical for transporting natural gas safely and economically using these pipings. This paper presents an investigation of MDPE gas distribution pipes subjected to lateral ground movements near a connection. Gas distribution systems include a number of connections and lateral branches to supply the gas to the communities. When a pipe is subjected to the load from the lateral ground movement, the branch pipe experiences an axial force, and the pipe itself experiences bending deformation. As a result, excessive strains can develop on the pipes, leading to leakage or breakage. In this study, the bending strain on the pipes and the axial force on branch pipes were investigated using full-scale testing. Tests were conducted using 42.2 mm and 60 mm diameter MDPE pipes buried in the ground at a full-scale test facility. Each type of pipe was tested at two different burial depths in dense sand. Test results showed that the axial force on the lateral branch depends on the burial depth and the pipe diameter. The pipe under the lateral ground movement experienced significant bending strain near the connection. The experimental results were evaluated using the solution of beam-on-elastic foundation. The closed-form solution of Hetenyi (1946) and finite element analysis were employed. The solution of the beam-on-elastic foundation was found to reasonably estimate the pipe behavior within the linear range. However, a nonlinear analysis would be required to capture the nonlinear behaviour of the soil-pipe system.

RÉSUMÉ: Les tuyaux enterrés en polyéthylène moyenne densité (MDPE) sont largement utilisés pour les systèmes de distribution de gaz. Ces canalisations sont parfois exposées à des risques géotechniques tels que le mouvement du sol, qui peuvent causer des dommages importants aux canalisations. La compréhension du comportement des canalisations soumises au mouvement du sol est essentielle pour transporter du gaz naturel de manière sûre et économique à l'aide de ces canalisations. Cet article présente une étude des conduites de distribution de gaz MDPE soumises à des mouvements latéraux du sol à proximité d'une connexion. Les systèmes de distribution de gaz comprennent un certain nombre de connexions et de branches latérales pour fournir le gaz aux communautés. Lorsqu'un tuyau est soumis à la charge du mouvement latéral du sol, le tuyau de dérivation subit une force axiale et le tuyau lui-même subit une déformation en flexion. En conséquence, des contraintes excessives peuvent se développer sur les tuyaux, entraînant des fuites ou des ruptures. Dans cette étude, la contrainte de flexion sur les tuyaux et la force axiale sur les tuyaux de dérivation sont étudiées à l'aide d'essais à grande échelle. Des essais ont été menés à l'aide de tuyaux en MDPE de 42,2 mm et 60 mm de diamètre enfouis dans le sol dans une installation d'essai à grande échelle. Chaque type de tuyau a été testé à deux profondeurs d'enfouissement différentes dans un sable dense. Les résultats des tests ont montré que la force axiale sur la branche latérale dépend de la profondeur d'enfouissement et du diamètre du tuyau. Le tuyau sous le mouvement latéral du sol subit une contrainte de flexion importante près de la connexion. Les résultats expérimentaux ont été évalués à l'aide de la solution de fondation poutre sur élastique. La solution de forme fermée de Hetényi (1946) et l'analyse par éléments finis ont été utilisées. On a constaté que la solution de fondation poutre sur élastique estimait raisonnablement le comportement des tuyaux dans la plage linéaire. Cependant, une analyse non linéaire serait nécessaire pour capturer le comportement non linéaire du système sol-canalisation.