Optimum design of safe large-scale energy and telecommunication lifelines subjected to earthquake-related geohazards

Abstract

The increasing energy and telecommunication demands are expected to lead to the further development of large-scale lifelines, mainly high-pressure gas, and -in the future- hydrogen pipelines, as well as telecommunication and power transmission cables. These lifelines usually cross extensive onshore and/or offshore areas (e.g., SE Europe and Mediterranean) that are characterized by earthquake-related geohazards (active faults, slope instabilities and soil/seabed liquefaction). In the past, lifelines routing was based on engineering experience and judgement. Recently, although modern computational tools are applied, the optimal route selection of lifelines crossing seismic-prone areas is based on the qualitative assessment of geohazards, without assessing the lifeline distress. Consequently, geohazardous areas are either completely avoided -leading thus to infeasible lifeline routes-, or intersected -requiring either mitigation measures or having a high probability of failure. Hence, considering also the international guidelines and norms, the objective of this PhD Thesis is the optimum design of safe and functional large-scale lifelines subjected to earthquake-related geohazards. Accordingly, the current PhD Thesis aims to improve the seismic design of lifelines and the whole decision-making process of lifelines optimal routing in seismic-prone areas. These goals are achieved via the development of a holistic, GIS-based “smart” tool, capable of selecting the optimal route of both onshore and offshore lifelines, taking into account the quantitative assessment of (single or combined) earthquake-related geohazards, as well as the resulting lifeline distress. The aforementioned process requires the development of analytical and numerical methodologies, which are connected with the smart tool utilizing user-developed software and the application of Artificial Neural Networks, while route optimization is conducted using optimization algorithms.

Οι αυξανόμενες ανάγκες σε ενέργεια και τηλεπικοινωνίες αναμένεται να οδηγήσουν στην περαιτέρω ανάπτυξη Δικτύων Κοινής Ωφέλειας (ΔΚΩ), κυρίως αγωγών φυσικού αερίου, και -μελλοντικά- υδρογόνου, καθώς και τηλεπικοινωνιακών και ενεργειακών καλωδίων. Τα ΔΚΩ συνήθως διασχίζουν χερσαίες ή/και υποθαλάσσιες περιοχές (π.χ., ΝΑ Ευρώπη και Μεσόγειος) σεισμικών γεωκινδύνων (ενεργά σεισμικά ρήγματα, αστάθεια πρανών και ρευστοποίηση εδάφους/πυθμένα). Μέχρι πρότινος, η χάραξη ΔΚΩ βασιζόταν στην εμπειρία και στην κρίση των μελετητών. Ωστόσο, αν και πλέον εφαρμόζονται σύγχρονα υπολογιστικά εργαλεία, η επιλογή της βέλτιστης χάραξης ΔΚΩ σε σεισμογενείς περιοχές συχνά βασίζεται στην ποιοτική εκτίμηση των σεισμικών γεωκινδύνων, χωρίς να αποτιμάται η καταπόνηση των ΔΚΩ. Οπότε, προκύπτουν, είτε τεχνο-οικονομικά ασύμφορες χαράξεις πλήρους αποφυγής των επικίνδυνων περιοχών, είτε χαράξεις που τις διασχίζουν προϋποθέτοντας μέτρα μετριασμού ή διακινδυνεύοντας την εκδήλωση αστοχιών στα ΔΚΩ. Συνεπώς, λαμβάνοντας υπόψη τα διεθνή πρότυπα και τους κανονισμούς, ο βέλτιστος σχεδιασμός ασφαλών και λειτουργικών ΔΚΩ έναντι σεισμικών γεωκινδύνων αποτελεί θέμα ύψιστης σημασίας. Σε αυτό το πλαίσιο, βασικοί στόχοι της Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) είναι η βελτίωση του αντισεισμικού σχεδιασμού και της διαδικασίας λήψης αποφάσεων για την επιλογή της χάραξης ΔΚΩ, ειδικά σε περιοχές σεισμικών γεωκινδύνων. Η βελτίωση επιτυγχάνεται με τη δημιουργία ενός ολιστικού «έξυπνου» εργαλείου σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών ικανού να επιλέξει τη βέλτιστη χάραξη ΔΚΩ σε χερσαίο ή/και υποθαλάσσιο περιβάλλον, λαμβάνοντας υπόψη ποσοτικά τους σεισμικούς γεωκινδύνους (μεμονωμένα ή συνδυαστικά), καθώς και την επίδρασή τους στα ΔΚΩ. Η ποσοτικοποίηση πραγματοποιείται μέσω ανάπτυξης αναλυτικών και αριθμητικών μεθοδολογιών, οι οποίες συνδέονται αυτοματοποιημένα με το εργαλείο μέσω κατάλληλων κωδίκων και Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων, ενώ η βέλτιστη χάραξη των ΔΚΩ επιτυγχάνεται μέσω αλγορίθμων βελτιστοποίησης.