Nghiên cứu ứng dụng phần mềm crystal ball để tính độ tin cậy của kết cấu công trình,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ II BỘ MƠN CƠNG TRÌNH  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CRYSTAL BALL ĐỂ TÍNH ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH Đã chỉnh sửa nội dung báo cáo NCKH theo yêu cầu Hội đồng nghiệm thu Giảng viên hướng dẫn: Th.S Ngô Châu Phƣơng G.v Diệp Thành Hƣng Sinh viên thực : Lê Quốc Tiến Trần Công vũ Lớp : Cầu Đƣờng Tăng cƣờng tiếng Anh K49 Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 LỜI CẢM ƠN Lời cho phép nhóm nghiên cứu gửi lời cảm ơn tới mơn Cầu Hầm cho nhóm nghiên cứu có hội thực hiên đề tài Nhóm nghiên cứu xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hƣớng dẫn, Thạc sĩ Ngô Châu Phƣơng G.v Diệp Thành Hƣng Trong suốt q trình làm đề tài, thầy tận tình hƣớng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ nhóm nghiên cứu hoàn thành đề tài Do thời gian nghiên cứu có hạn trình độ cịn hạn chế nên đề tài nghiên cứu khơng tránh khỏi thiếu sót, nhóm nghiên cứu mong nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp thầy bạn đọc ! PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài: 1.2 Mục đích đề tài: PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH 1.1.Khái niệm độ tin cậy (ĐTC): 1.2 Tại phải nghiên cứu độ tin cậy : 1.3 Tình hình nghiên cứu tính tốn độ tin cậy: 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu: 1.5 Ý nghĩa đề tài: CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH VÀ TRÌNH TƢ TÍNH TOÁN 2.1 Độ tin cậy: 2.2 Chỉ số độ tin cậy: 10 2.3 Cơ sở lý thuyết việc tính tốn độ tin cậy: 11 2.3.1 Lý thuyết tổng quát tính độ tin cậy theo xác suất - thống kê 11 2.3.2 Ứng dụng tính tốn độ tin cậy: 16 2.4 Các phƣơng pháp tính tốn độ tin cậy: 22 2.4.1.Tính tốn độ tin cậy theo cơng thức Hasofer-Lind (1974): 23 2.4.2 Tính tốn độ tin cậy theo phƣơng pháp momen bậc hai: 24 2.4.3 Tính tốn độ tin cậy theo phƣơng pháp FORM: 27 2.4.4Tính tốn độ tin cậy phƣơng pháp Monte-Carlo: 29 2.5 Tính tốn độ tin cậy phần mềm Crystall Ball: 31 2.5.1 Crystall Ball gì? 31 2.5.2.Đối tƣợng nghiên cứu Crystall Ball 32 2.5.3 Hƣớng dẫn cài đặt Crystal Ball 11: 32 2.5.4 Khởi động Crystal Ball 35 2.5.5 Làm việc với Crystal Ball Add-Ins Excel: 36 2.5.6 phƣơng pháp lấy mẩu phổ biến crystal ball: 39 2.5.7 Các bƣớc xây dựng mơ hình mơ crystal ball: 41 2.5.7.1 Xác định mơ hình giả thuyết: 42 2.5.7.2 Định nghĩa thành phần khác: 43 2.5.8 Chạy mô phỏng: 44 2.5.8.1 Thiết lập thông số mô phỏng: 44 2.5.8.2 Các thao tác chạy mô phỏng: 45 2.5.9 Lƣu kết mô mở kết mơ có: 46 CHƢƠNG III: VÍ DỤ TÍNH TỐN 53 3.1 Tƣờng chắn: 53 3.2Móng nơng: 56 PHẦN IV: KẾT LUẬN 59 4.1.Kết luận 59 4.2.Hạn chế hƣớng phát triển đề tài 59 PHẦN V: TÀI LIỆU THAM KHẢO: 60 PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài: - Cùng với tiến khoa học kỹ thuật, đất nƣớc trình hội nhập, kéo theo xu khơng ngừng phát triển kinh tế khoa học kĩ thuật Trong lời dạy Hồ Chí Minh có câu “ Giao thông mạch máu tổ chức, giao thông tốt việc dễ dàng, giao thơng xấu việc đình truệ ” Đảng nhà nƣớc quan tâm đầu tƣ đến lĩnh vực giao thông mà cụ thể xây dựng sở hạ tầng cơng trình giao thơng nói chung - Hiện tƣơng lai nƣớc ta xây dựng nhiều cơng trình xây dựng lớn mang tầm vóc quốc tế ( Cầu Mỹ thuận, cầu Bãi Cháy, Cầu Thủ Thiêm, tòa nhà SaigonPearl, cụm tòa nhà Sunrigth city ….) Để phục vụ cho trình tính tốn phân tích nội lực kết cấu cơng trình xây dựng đƣợc dễ dàng việc ứng dụng phần mềm tính tốn phân tích kết cấu cho phù hợp độ tin cậy cao vấn đề cần phải cân nhắc - Việc phân tích độ tin cậy đánh giá mức độ an toàn hay khả làm việc đối tƣợng, việc bảo toàn chất lƣợng cơng trình xây dựng thời hạn phục vụ, tính an tồn (khơng cố), tính bền lâu (có tuổi thọ cao), tính dễ sửa chữa, dễ bảo quản tổ hợp thuộc tính - Ngày nay, với trợ giúp máy tính, mà đặc biệt việc ứng dụng sản phẩm phần mềm chun dụng cơng việc mơ hình hóa phân tích kết cấu trở nên nhanh chóng tƣơng đối xác - Hiện có số phƣơng pháp, phần mềm phân tích độ tin cậy kết cấu cơng trình nhƣ cơng thức Hasofer-Lind (1974), phƣơng pháp momen bậc hai, phƣơng pháp FORM, phƣơng pháp Monte-Carlo, phần mềm Crystall Ball 1.2 Mục đích đề tài: Đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng tính tốn độ tin cậy kết cấu cơng trình Từ ứng dụng phần mềm Crystal Ball để phân tích dự báo độ tin cậy kết cấu cơng trình PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH 1.1.Khái niệm độ tin cậy (ĐTC): Độ tin cậy KCCT (hệ thống kỹ thuật) khái niệm đƣợc định lƣợng hoá (đo theo xác suất) phản ánh khả làm việc an toàn hệ thống dựa kết xử lý phản ứng hệ thống dƣới tác động tập nguyên nhân mang chất NN gây Biểu diễn đánh giá ĐTC theo mơ hình lý thuyết điều khiển: 1.2 Tại phải nghiên cứu độ tin cậy : Nhƣ biết, cơng trình khối đất phía dƣới móng, bị biến dạng dƣới tác dụng tải trọng móng cơng trình truyền xuống Khi đó, khối đất xảy tƣợng xếp lại pha hình thành đất, từ dẫn đến ổn định biến dạng lớn Cho đến nay, phƣơng pháp tính tốn thiết kế cơng trình kết cấu xây dựng nói chung Tiêu chuẩn hành chất theo quan điểm tiền định, mà điển hình phương pháp trạng thái giới hạn hay phƣơng pháp tƣơng tự dƣới tên gọi “phƣơng pháp bán xác suất” Các phƣơng pháp kể có nhƣợc điểm sử dụng tham số tính tốn có chất ngẫu nhiên thuật tốn với quan hệ hàm số có tính đơn trị tiền định, nhƣ không xét yếu tố thời gian Để khắc phục nhƣợc điểm ấy, ngày ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp xác suất độ tin cậy tính tốn cơng trình kết cấu xây dựng 1.3 Tình hình nghiên cứu tính tốn độ tin cậy: Từ 1962-1970: song song với lý thuyết tính tốn theo trạng thái giới hạn, phƣơng pháp “bán xác kinh tế thơng thƣờng) Các nhóm hệ số nói chung đƣợc gọi hệ số độ tin cậy Giai đoạn bắt đầu hình thành lý thuyết ĐTC dự báo tuổi thọ để tính tốn cơng trình.suất” với nhóm hệ số đƣợc đƣa vào tính tốn Trong nhóm hệ số có nhóm kể đến tính chất trọng yếu cơng trình ( ngồi phạm vi kỹ thuật dự báo tuổi thọ để tính tốn cơng trình) - Từ 1966-1975: Hình thành phát triển lý thuyết độ tin cậy - Từ 1976-1990: Bƣớc đầu áp dụng LTĐTC tính toán KCCT nghiên cứu đƣa vào áp qui phạm - Từ 1991-nay: Đã tiến hành đƣa vào số qui phạm cho KCCT chịu tải động chủ yếu mang tính chất ngẫu nhiên rõ rệt thời gian khai thác khơng q dài, nhằm giảm chi phí lớn cho cơng trình chất lƣợng đắt tiền Ở Việt Nam: 1986-1990 có hội thảo XDCT chịu tác động gió bão, động đất 1990-1995: Hình thành nhóm nghiên cứu qui phạm tải trọng động gió theo quan điểm ngẫu nhiên Cục đăng kiểm VN đƣợc nhà nƣớc giao nhiệm vụ chủ trì làm qui phạm cho KC dàn khoan ngồi biển 1994: Viện khoa học cơng nghệ xây dựng chủ trì đề tài biên soạn tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình vùng có động đất 2003: Viện khoa học công nghệ xây dựng chủ trì biên dịch tài liệu hƣớng dẫn tính tốn thiết kế cơng trình xây dựng theo tiêu chuẩn độ tin cậy 2005: Viện khoa học cơng nghệ xây dựng hồn thành việc biên dịch tài liệu ISO2394- Nguyên tắc chung độ tin cậy kết cấu xây dựng 2006: Ban hành tiêu chuẩn TCXDVN 373:2006 Giám định kết cấu nhà 2007: Hình thành nhóm nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ đánh giá kết cấu Lý thuyết độ tin cậy(LTĐTC) đƣợc xây dựng phát triển sở mơn lý thuyết xác suất (LTXS), thống kê tốn học (TKTH) lý thuyết trình ngẫu nhiên (QTNN) từ năm 1930 Lý thuyết ĐTC xuất phát từ nhu cầu đánh giá, kiểm tra chất lƣợng sản phẩm khí, thiết bị máy, hàng hố, đặc biệt mặt hàng chất lƣợng cao sản xuất hàng loạt nhƣ hàng điện tử, khí xác…Tuy cơng trình xây dựng( CTXD) độ tin cậy chƣa đƣợc quan tâm mức sản phẩm khơng có tính chất hàng loạt; cơng trình lớn đƣợc xem vĩnh cửu Tuy nhiên thực tế có nhiều CTXD bị phá hoại trƣớc thời gian dự tính, ví dụ nhƣ cơng trình nhà máy điện nguyên tử Trecnôbin, cầu Rào (HP), rạp hát Nguyễn Trãi (Hà Đông), siêu thị Sơun, dàn khoan biển Bắc, 11 nhà máy điện hạt nhân Nhật Bản phải đóng cửa (2004) để kiểm tra rị rỉ nƣớc; sập mái chợ Maxcơva (2/2006) tuyết rơi dày, nhiều cơng trình nhỏ bị cố… Năm 2007 cố sập hai nhịp cầu dẫn cầu Cần Thơ; sập cầu sông Mississippi, từ cố ngƣời ta tiến hành kiểm tra phát 12% tổng số cầu Liên bang có vấn đề kết cấu Mặt khác CTXD ngày có qui mơ lớn, phức tạp mặt kết cấu vật liệu mới, đa dạng tác động địi hỏi chun gia phải nghiên cứu ĐTC, dự báo tuổi thọ KCCT nghiên cứu việc mơ hình hố hệ thống KCCT theo LTĐTC 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu: -Tìm hiểu nghiên cứu sở lý thuyết, tính tốn, hƣớng dẫn sử dụng chƣơng trình thơng qua ví dụ cách dịch phần Help chƣơng trình Crystall Ball, tham khảo tài liệu tiếng anh PRACTICAL FIRST-ORDER RELIABILITY COMPUTATIONS USING SPREADSHEET, tham khảo: Nguyễn Vi (2009) Độ tin cậy cơng trình bến cảng NXB Giao thơng vận tải, Hà Nội, 2009; Lý thuyết độ tin cậy thiết kế cơng trình-Pgs,Ts Lê Kiều trường Đại học Kiến trúc Hà Nội: Lý thuyết độ tin cậy và(LTĐTC) dự báo tuổi thọ kết cấu công trinh xây dựng- Gs,Ts Lê Xuân Huỳnh -Lựa chọn, đúc kết, tổng hợp rút gọn kiến thức tìm hiểu để hoàn thành đề tài tài liệu hƣớng dẫn phần mềm Crystall Ball thật đơn giản dễ hiểu cho sinh viên kỹ sƣ 1.5 Ý nghĩa đề tài: - Khắc phục đƣợc nhƣợc điểm trình tính tốn với giải pháp tính tốn trƣớc - Đồng thời thông qua đề tài mong quan, cấp,các ngành trƣờng học sớm đƣa vào sử dụng giảng dạy - Rút phƣơng pháp tƣ nghiên cứu cho thân CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH VÀ TRÌNH TƢ TÍNH TOÁN 2.1 Độ tin cậy: Khái niệm độ tin cậy đƣợc dùng để đánh giá mức độ an toàn hay khả làm việc đối tƣợng, việc bảo tồn chất lƣợng cơng trình xây dựng thời hạn phục vụ có ý nghĩa lớn Đối với tất cơng trình cầu nói chung bắt buộc phải đảm bảo khả làm việc (thời hạn sử dụng) theo qui định tiêu chuẩn thiết kế Thời hạn sử dụng cơng trình cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: chất lƣợng khảo sát thu thập liệu, chất lƣợng thiết kế, tài liệu tiêu chuẩn; chất lƣợng thi công, tổ chức khai thác công trình; tác động thực tế hoạt tải qua cầu (tần suất cƣờng độ), tác động thực tế mơi trƣờng vấn đề an tồn khai thác v.v Trong thực tế, công trình xây dựng dù hay nhiều, ln có khác biệt so với sản phẩm lý tƣởng nhƣ nội dung thiết kế, suy giảm chất lƣợng thời hạn khai thác Chất lƣợng cơng trình xây dựng bị tổn thất khơng thời gian thực chức (thời hạn khai thác) mà cịn tổn thất từ giai đoạn ban đầu từ khâu thiết kế thi công Sự tổn thất chất lƣợng công trình khơng xảy riêng phận riêng lẻ, mà cịn xảy tồn chẳng hạn làm khả chịu tải v.v Khái niệm tổn thất chất lƣợng hàm chƣa nhóm rộng rãi tƣợng, từ việc có sai lệch mức độ vừa phải thơng số so với giá trị tính tốn chúng tình trạng xuất trạng thái giới hạn cƣờng độ bị phá huỷ tồn cơng trình Quá trình dẫn giải cách tự nhiên đƣa đến khái niệm độ tin cậy (ĐTC) Tính chất cơng trình bao hàm khả thực số chức định, điều kiện khai thác định, đƣợc gọi ĐTC Nói cách khác ĐTC tính ổn định chất lƣợng cơng trình xây dựng trƣớc tồn tác động gặp thiết kế, thi cơng khai thác v.v Tuỳ thuộc vào ý nghĩa cơng trình điều kiện khai thác nó, ĐTC biểu thị qua tính chất nhƣ: tính an tồn (khơng cố), tính bền lâu (có tuổi thọ cao) tính dễ sửa chữa, dễ bảo quản tổ hợp thuộc tính Hoặc hiểu theo cách khác: Xét hệ thống kỹ thuật chịu tác động mơi trƣờng mà trạng thái đƣợc biểu diễn phƣơng trình: Trong đó: Lu = q (1) Gv = u (2) u = {ui} véc tơ trạng thái hệ thống KT q = {qi} véc tơ tác động qui tải trọng v = {vi} véc tơ chất lƣợng hệ KT L: toán tử vi phân đại số, phép ánh xạ từ véc tơ tác động sang véc tơ trạng thái G: Toán tử biến đổi, phép ánh xạ từ véc tơ trạng thái sang véc tơ chất lƣợng Các véc tơ u, q, v q trình ngẫu nhiên, chứa biến khơng gian x thời gian t Gọi 0 không gian tiêu chất lƣợng, chứa phần tử tiêu chất lƣợng qui định trƣớc, biểu diễn miền an toàn hệ thống (cƣờng độ phá hoại, tần số dao động, gia tốc dao động, biến dạng, độ võng…) W không gian chứa hệ thống KT (không gian hệ thống chiếm chỗ phạm vi cho phép) Độ tin cậy hệ thống KT xác suất: P(t) = Prob[v(x,)0; xW, 0t] (3) Điều kiện bảo đảm độ tin cậy (gọi tắt điều kiện tin cậy) P(t) P0 t  [0,T] (4) với P0 xác suất tin cậy tiêu chuẩn theo qui phạm, T tuổi thọ HTKT Có thể minh hoạ quan hệ (3) sơ đồ hình vẽ khơng gian chiều q u L q3 u3 L q(t) v3 v(t) G u(t) q1 q2 v G u1 u2 v1 v2 Lệnh Start: Bắt đầu chạy mô phỏng, cửa sổ đồ thị dự báo xuất hình (nếu khơng có thiết lập ẩn đi) Trong trƣờng hợp mơ hình Vision Research xuất đồ thị dự báo Lệnh Stop: Tạm dừng q trình mơ đƣợc nhấn, muốn chạy tiếp nhấn lại lệnh Start Lệnh Reset: xố bỏ kết mơ dang dở hồn thành để bắt đầu chạy lại từ đầu Lệnh Step: chạy mơ phịng bƣớc để xem kết dự báo bƣớc 2.5.9 Lƣu kết mô mở kết mô có: Sau chạy mơ cho mơ hình đó, lƣu lại để sử dụng sau Để lƣu kết mô vào Crystal Ball | nhóm Run | chọn Save or Restore | chọn Save Results… | hộp thoại Save As xuất | chọn nơi lƣu đặt tên tập tin | nhấn nút Save hoàn tất Để mở kết mơ có vào Crystal Ball | nhóm Run | chọn Save or Restore | chọn Restore Results… | hộp thoại Open xuất | chọn nơi lƣu chọn tên tập tin cần mở | nhấn nút Open để mở 46 Các tùy chọn mở rộng hộp thoại Define Forecast: Chúng ta tùy chọn thêm hộp thoại Define Forecast cách nhấp chuột vào nút More nằm sau hộp Name Phần mở rộng có ngăn cung cấp thêm nhiều tùy chọn hữu ích: Nhấp nút Defaults để trả thiết lập mặc định Crystal  Ball  Nhấp nút Apply To… để mở hộp thoại Apply To chọn thiết lập vừa thực áp dụng cho: This Tab (ngăn này), o All Tab (tất ngăn), o This sheet (chỉ sheet chứa mơ hình hành), o This workbook (cả workbook hành) 47 o All open and new workbook (tất workbook mở workbook tạo sau này) Ngăn Forecast 48 Ngăn Precision Thiết lập điều kiện dừng mơ đạt đƣợc độ xác mong muốn 49 Vào hộp thoại Run Preferences: chọn ngăn Crystal Ball | nhóm Run | chọn Run Preferences 50 Ngăn Filter Thiết lập lọc cho dự báo cách hiển thị giá trị dự báo nằm nằm vùng qui định 51 Ngăn Auto Extract Xác định thông số thống kê đƣợc trích xuất bảng tính sau mơ hồn tất 52 CHƢƠNG III: VÍ DỤ TÍNH TỐN 3.1 Tƣờng chắn: Kết mô Monte Carlo : 53 54 55 3.2Móng nơng: 56 Kết mơ Monte Carlo : 57 58 PHẦN IV: KẾT LUẬN 4.1.Kết luận Đề tài đƣợc xây dựng nhằm mục đích ứng dụng phát triển việc tính tốn độ tin cậy theo phần mềm Crystall Ball Từ đó, ta có sở tính tốn để so sánh với tính tốn độ tin cậy theo phƣơng pháp khác Thơng qua việc tính tốn, kĩ sƣ tìm đƣợc phƣơng pháp tính tốn tối ƣu, đáng tin cậy để áp dụng vào thực tế Nhóm nghiên cứu hy vọng đề tài mang ý nghĩa thiết thực bạn sinh viên Giao thông nhƣ độc giả có quan tâm đến tính tốn độ tin cậy phần mềm Crystall Ball 4.2.Hạn chế hƣớng phát triển đề tài  Hạn chế: Do thời gian nghiên cứu có hạn kiến thức cịn hạn hẹp, nhóm nghiên cứu nhận thấy đề tài cịn số thiếu sót:Chƣa tính tốn đƣợc hết hàm phân phối xác suất loại cơng trình  Hƣớng phát triển đề tài: có thời gian, nhóm nghiên cứu phát triển đề tài theo hƣớng nghiên cứu sâu tất loại công trình cầu  Trong tƣơng lai, cần nghiên cứu thêm trƣờng hợp độ lệch giá trị lớn xử lý cách tính lại giá trị ban đầu thơng số thơng qua giải tốn tối ƣu Solver với hàm mục tiêu điều kiện ràng buộc tƣơng ứng 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Nguyễn Vi (2009) Độ tin cậy cơng trình bến cảng NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 2009 [2] Lý thuyết độ tin cậy thiết kế công trình-Pgs,Ts Lê Kiều trƣờng Đại học Kiến trúc Hà Nội [3] Lý thuyết độ tin cậy và(LTĐTC) dự báo tuổi thọ kết cấu công trinh xây dựngGs,Ts Lê Xuân Huỳnh [4] PRACTICAL FIRST-ORDER RELIABILITY COMPUTATIONS USING SPREADSHEET …… 60