Phân tích độ tin cậy trong kỹ thuật công trình biển - Đại học Thuỷ lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢl MAI VĂN CÔNG (Chủ biên) LÊ HẢI TRUNG PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY TRONG KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH BIEN NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI Lời nói đầu Với sự tập trung của hơn một nửa dân sổ, vùng[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢl MAI VĂN CÔNG (Chủ biên) LÊ HẢI TRUNG PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY TRONG KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH BIEN NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI Lời nói đầu Với tập trung nửa dân sổ, vùng ven biển Việt Nam phát triển ngày mạnh mẽ đóng góp tới 20% GDP nước Để tạo an toàn cho hoạt động khai thác quản lí bền vững vùng ven biển, hệ thống cơng trình bảo vệ cửa sông, bờ biển ngày trọng cần phải thiết kế thi công theo phương pháp phù hợp đáng tin cậy Để đạt điều này, q trình vật lí, tượng tự nhiên tác động tới cơng trình chế hư hỏng cố cơng trình cần hiểu rõ đánh giá cách xác Hiện nay, đê, kè biển Việt Nam thiết kế dựa khái niệm 'mực nước ứng với tần suất thiết kế' Theo đó, tần suất xuất mực nước thiết kế (MNTK) hiểu sử dụng tiêu chuẩn an tồn cho thân cơng trình vùng đất bảo vệ phía sau Đáng ý, khái niệm trường hợp lí thuyết mực nước lũ vượt MNTK gây cố cho đê, kè biển Tuy nhiên, thực tế cho thấy cổ cơng trình xảy MNTK chưa xuất Thực tiễn nghiên cứu nhiều nước giới Việt Nam không nên đồng hai khái niệm xác suất xảy MNTK xác suất xảy cố hệ thống đê Nếu tất nguyên nhân gây hư hỏng xác suất xảy hư hỏng tương ứng xác định xác suất xảy cố cơng trình tính tốn Với cách tiếp cận tổng hợp này, thiết kế công trình theo độ tin cậy trở nên phổ biến hệ thống phịng chống lũ nói riêng kĩ thuật xây dựng dân dụng nói chung Giáo trình 'PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY TRONG KĨ THUẬT CƠNG TRÌNH BIỂN' nhằm cung cấp khái niệm phương pháp tính tốn thiết kế dựa lí thuyết độ tin cậy Trong q trình giảng dạy mơn 'Thiết kế theo lí thuyết độ tin cậy phân tích rủi ro', Bộ mơn Kĩ thuật cơng trình biển liên tục tích lũy cập nhật kiến thức lí thuyết thực tiễn, đồng thời tiếp thu ý kiến đóng góp bạn đọc nhà khoa học Đây sở để biên soạn giáo trình lí thuyết bản, giáo trình xây dựng dựa Probability in Civil Engineering [Vrijling, J.K et al., 2002], dùng giảng dạy cho sinh viên ngành xây dựng dân dụng, trường Đại học Công nghệ Delft, Vương quốc Hà Lan; Báo cáo kĩ thuật sổ 190 lí thuyết thiết kế [CƯR, 1997] Không giới hạn ngành kĩ thuật biển, nội dung thiết kế nhằm hướng tới đối iii tượng sử dụng tham khảo rộng cơng trình thủy lợi, tài ngun nước, quản lí thiên tai Bên cạnh đó, giáo trình thảo luận sổ vấn đề không liên quan tới kĩ thuật xây dựng phân tích rủi ro hỗ trợ cho việc định, Chương Giáo trình 'PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY TRONG KĨ THUẬT CƠNG TRÌNH BIỂN' sử dụng thức giảng dạy sinh viên ngành Kĩ thuật cơng trình biển dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành cơng trình thủy lợi học viên cao học chuyên ngành thuộc khối kỹ thuật xây dựng Giáo trình PGS TS Mai Văn Công làm chủ biên đồng biên soạn với tham gia PGS TS Lê Hải Trung Chúng tơi hoan nghênh ý kiến đóng góp nhà chuyên môn người quan tâm để giáo trình hồn thiện lần tái Mai Văn Công Lê Hải Trung IV Muc luc Giời thiệu chung 1 Phân tích rủi ro 1.1 1.2 Giói thiệu chung Các bưởc toán phân tích rủi ro 1.2.1 Mơ tả qui trình hay đối tượng hệ thống 1.2.2 Liệt kê khả xảy cố ý muốn, ảnh hưỏng hậu 1.2.3 Xác suất rủi ro thành phần 10 1.2.4 Xác định đánh giá rủi ro 10 1.2.5 Ra định dựa kết phân tích rủi ro 11 Ra định kể đến tính khơng chắn 2.1 2.2 2.3 Giới thiệu Lý thuyết định 2.2.1 Phân tích tất định 2.2.2 Phân tích kể đến tính khơng chắn 2.2.3 Lựa chọn định từ tập hợp nhiều khả Khung quy chuẩn an toàn 2.3.1 Xác dịnh vấn đề 2.3.2 Các dạng điều kiện biên 2.3.3 Tiêu chuẩn an toàn áp dụng chung Độ tin cậy thành phần hệ thống 3.1 3.2 3.3 Giới thiệu 3.1.1 Trạng thái giởi hạn, độ bền tải trọng 3.1.2 Phương pháp tính tốn 3.1.3 Dộ tin cậy phụ thuộc thịi gian Tính tốn theo cấp độ lĩĩ 3.2.1 Thiết kế theo độ tin cậy 3.2.2 Giải pháp 3.2.3 Xác định điểm thiết kế Tính tốn theo cấp độ lĩ 3.3.1 Giởi thiệuỊ 3.3.2 Các hàm tin cậy phi tuyến V 13 13 14 14 18 22 23 23 24 25 31 31 31 34 34 35 35 37 38 38 38 41 3.3.3 Các biến sỏ không tuân theo luật phân bố chuẩn 3.3.4 Biến ngẫu nhiên sỏ phụ thuộc 3.4 Tính tốn theo cấp độ ĩ 3.4.1 Phương pháp thiết kế tất định 3.4.2 Ngun lý tính tốn cấp độ I 3.4.3 Tính tốn xác suất xảy cố 3.4.4 Chuẩn hóa giá trị a 3.4.5 Tố hợp tải trọng tính tốn độ bền Độ tin cậy hệ thống Mỏ dau] Xác suất cố hệ thống đơn giản 4.2.1 Hệ thống nối tiếp 4.2.2 Hẹ thống song song 4.3 Phân tích hệ thống 4.3.1 Giói thiệu 4.3.2 Phân tích dạng cố ảnh hưỏng - FMEA 4.3.3 Phân tích dạng cố, ảnh hưỏng trạng thái giói hạn - FMECA 4.3.4 Cây kiện 4.3.5 Cây cố 4.3.6 Sơ dỗ nguyên nhân - hậu ■ 4.4 Chỉ định xác suất cố xem xét hệ thống 4.4.1 Chỉ định xác suất cố 4.4.2 Xem xét hệ thống 4.1 4.2 Sự cố hệ thống phòng chống lũ 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Phân tích rủi ro cho hệ thống phịng chống lũ Sóng trànỊ • • • Cơ chế chảy tràn Mất ỗn định trượt mái - ốn định tống thể Cơ chế xói ngầm/đẩỵ trồi Mất on định cấu kiện bảo vệ mái A Dạng phân phối biến ngẫu nhiên A.l Phân phối theo khơng gian thịi gian A.2 Điều kiện biên địa kĩ thuật A.3 Đặc tính ngẫu nhiên cơng trình bảo vệ bò ■ ■ A.3.1 Các biến ngẫu nhiên - Diều kiện biên A.3.2 Các biến ngẫn nhiên liên quan tói kích thưởc hình học A.4 Tóm tắt trình tự phân tích an tồn cơng trình bảo vệ bị B Cơng cụ tính tốn _ B.l Một số đặc trưng thống kê B.2 Phân tích thống kẽ giải hàm trạng thái giói hạn B.3 Hệ số ảnh hưỏng theo phương thức cấp độ III vi 46 48 49 49 50 50 53 54 57 57 58 58 66 68 68 69 70 71 71 79 80 80 83 85 85 86 87 88 89 91 95 95 96 97 97 98 98 99 99 100 101 B.4 Giá trị hàm phân phối chuẩn 101 B.5 Xác định điểm thiết kế theo cấp độ II 104 Tài liệu tham khảo 107 vii Giới thiệu chung Mở đầu Trong vài thập kỉ gần đây, công tác thiết kế đê, kè, đập công trình phịng chống lũ khác có phát triển mạnh mẽ Trước đây, đê thường thiết kế theo kinh nghiệm Theo đó, cao trình đỉnh đê xác định vào mực nước lũ lịch sử lớn ghi chép Tại nhiều nơi giới, việc thiết kế đê, kè biển đê sông dựa khái niệm ‘mực nước ứng với tần suất thiết kế’ Đối với đê biển, mực nước xác định từ số liệu thống kê thường gọi mực nước thiết kế (MNTK), xác định tần suất thiết kế hay tần suất xuất (khả xảy ra) Tần suất xuất MNTK thiết lập để áp dụng rộng rãi tiêu chuẩn an tồn cho vùng cơng trình bảo vệ Tần suất xây dựng vào xác suất xảy ngập lụt Tuy nhiên, điều cố đê xảy nguyên nhân mực nước lũ vượt MNTK Đây có the coi trường hợp lí thuyết, khơng thích hợp cố khác xảy ứng với trường hợp mà mực nước lũ nhỏ MNTK Hà Lan mọt nước đầu phòng chống lũ bảo vệ bờ biển Hội đồng Đồng bằngẸ rõ không nên đồng xác suất xuất MNTK với xác suất xảy cố hệ thống cơng trình bảo vệ bờ Theo quan điểm này, đê Hà Lan thiết kế với độ dư an toàn MNTK xuất Do vậy, mực nước gây thảm họa chắn cao MNTK Bỏi tồn nhiều yếu tố liên quan ảnh hưỏng phụ thuộc, xác suất ngập lụt không xác định dựa tần suất vượt MNTK Trong thực tế, có trường hợp đê trì chức ổn định mực nước tương đối lớn với khoảng dư an toàn Tuy nhiên, cần nhấn mạnh trường hợp khác với mực nước thấp hơn, điều chưa Trong trường hợp tất nguyên nhân gây hư hỏng đê liệt kê xác suất xảy hư hỏng xác định chắn mặt ngun tắc có the tính xác suất xảy ngập lụt Kĩ thuật chưa cho phép thực tính tốn cách dễ dàng để ứng dụng thiết kế Vì vậy, thiết kế đê thường xác định tần suất thiết kế - tần suất vượt thông số tải trọng - dựa theo tần suất chấp nhận xảy ngập lụt Xác suất xảy thơng số tải trọng xây dựng tiêu chuẩn thiết kế tiêu chuẩn đánh giá an tồn phịng chống lũ lụt Tùy thuộc vào mức độ quan trọng vùng bảo vệ, Việt Nam áp dụng tần suất MNTK vào khoảng 1/20 tới 1/100; tần suất thiết kế lưu lượng cho đê sông từ 1/50 tới 1/1000 Những giá Delta Commission - Hội đồng khoa học Vương quốc Hà Lan an toàn vùng đồng trị cung cấp tiêu chuẩn áp dụng rộng rãi Thực tiễn cho thấy phương pháp thiết kế mang tính bị động dần dẫn tới nhu cầu tiếp cận việc thiết kế công trình phịng lũ góc nhìn khác, chí theo phương pháp khác Cụ thể việc xây dựng tiêu chuan an tồn phịng chống lũ dựa phân tích rủi ro xét tới tất yếu tố liên quan Các phương pháp thiết kế cơng trình Phương pháp thiết kế truyền thống thường gọi phương pháp tất định (Deterministic Design) Theo phương pháp giá trị thiết kế tải trọng tham số độ bền xem xác định, tương ứng với trường hợp tổ hợp thiết kế Ví dụ thiết kế cơng trình bảo vệ bờ biển, tương ứng với giá trị tần suất thiết kế, mực nước chiều cao sóng xác định coi tải trọng thiết kế Dựa vào tiêu chuấn quy định thiết kế, hình dạng kích thước cơng trình xác định Các tiêu chuẩn quy định xây dựng dựa trạng thái giới hạn chế phá hỏng, kể đến số dư an tồn thơng qua hệ số an tồn Thiết kế ứng với tần suất có nghĩa xét tới yếu tố ngẫu nhiên khơng hồn tồn tất định Tuy nhiên, phương pháp truyền thống chưa xem xét tất cấc xấc suất phá hỏng phần tồn hệ thống cơng trình Theo phương pháp thiết kế tất định, cơng trình coi an toàn khoảng cách tải sức chịu tải đủ lớn để thỏa mãn trạng thái giới hạn tất thành phần cơng trình Phương pháp thiết kế tất định nhìn nhận tồn số nhược điểm Thực tế cho thấy phương pháp chưa xác định xác suất phá hỏng thành phần toàn hệ thống Do vậy, tính tong hệ thống hồn chỉnh chưa cân nhắc Bên cạnh đó, ảnh hưỏng quy mô hệ thống chiều dài tuyến đê chưa xét tới Đối với cơng trình phịng chống lũ bảo vệ bờ đê sông đê biển, phương pháp thường tính tốn chi tiết cho vài mặt cắt tiêu biểu kết áp dụng cho toàn chiều dài tuyến cơng trình Tuy nhiên, ta chưa xác định xác suất xảy lũ (hay xác suất cố công trình) thay đổi chiều dài tuyến cơng trình tăng lên Đáng ý, phương pháp truyền thống chưa quan tâm chưa có khả ước lượng xác suất thiệt hại mức độ thiệt hại vùng bảo vệ Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy phát triến nhằm hạn chế tối đa tồn nêu Hai phương pháp dựa hai sỏ khác Phương pháp dựa xác suất tần suất chấp nhận thiệt hại vùng bị ảnh hưởng - vùng bảo vệ phía sau tuyến cơng trình Tính tốn đưa kết xác suất hií hỏng thành phần đơn lẻ tồn hệ thống, ví xác suất cố đoạn đê tồn tuyến Vì vậy, có the nói phương pháp thiết kế tổng hợp cho toàn thể hệ thống Kêt câu giáo trình Giáo trình giới thiệu khái niệm phân tích rủi ro phân tích độ tin cậy ứng dụng kĩ thuật xây dựng nói chung, bản, nội dung lí thuyết xây dựng dựa giáo trình Probabilistic Design in Civil Engineering Vrijling, J.K et al., 2002 , trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan Bên cạnh đó, giáo trình kế thừa kết nghiên cứu Hội đồng Tư vấn Khoa học Hà Lan Phòng chống Lũ 2Ị Trung tâm Nghiên cứu Tiêu chuẩn Kĩ thuật Xây dựng, Nhóm Phương pháp Xác suấ^l Giáo trình bao gồm chương phụ lục Phần giới thiệu phương pháp tiếp cận, lịch sử phát triển ứng dụng môn học kỹ thuật xây dựng nói chung kỹthuật thủy lợi nói riêng Chương [1 đề cập đến khái niệm liên quan đến lý thuyết phân tích rủi ro bao gồm định nghĩa rủi ro, dạng rủi ro; rủi ro, thiệt hại phương thức đánh giá rủi ro; tính tốn thiệt hại dựa vào cố ngồi ý muốn; mức độ chấp nhận rủi ro Chương ỊU miêu tả khái quát khái niệm quan trọng lí thuyết định khung qui chuấn liên quan tới an toàn điều kiện biên việc định Chương [3 cung cấp kiến thức phân tích độ tin cậy thành phần hệ thống, trình đơn lẻ hay hệ thống đơn giản Theo đó, hàm tin cậy thành phần cơng trình xây dựng trước hết dựa trạng thái giới hạn cơng trình Các phương pháp tiếp cận giải hàm độ tin cậy trình bày từ tổng quan đến chi tiết Các dạng hàm tin cậy khác thường gặp thực tế nêu minh họa ví dụ cụ thể Phương pháp cách tiếp cận phân tích độ tin cậy chia thành ba cấp độ tính tốn khác (theo mức độ phức tạp giảm dần) III, ỉ ỉ I Chương [4] hướng vào phân tích độ tin cậy hệ thống hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần hệ thống cách xác định mức độ tin cậy toàn hệ thống Trong chương này, việc phân tích hàm tin cậy thành phần toàn hệ thống đề cập đến tốn ổn định, hàm tin cậy khơng chứa yếu tố thời gian Tuy nhiên nhiều trường hợp hàm tin cậy có the phụ thuộc theo thời gian, tùy thuộc vào hệ thống Chương giới thiệu quy tắc phân tích hai hệ thống bao gồm hệ thống nối tiếp hệ thống song song Chương p| mô tả chế phá hỏng liên quan đến hệ thống công trình phịng chống thiên tai cơng trình bảo vệ bờ Tương ứng với cách xây dựng hàm tin cậy cho chế xảy cố Phụ lục |Ã] trình bày cách xác định biến ngẫu nhiên liên quan hàm tin cậy Đặc điểm biến ngẫu nhiên loại phân phối thơng số thống kê thiết kế cơng trình biển giới thiệu Mỗi biến ngẫu nhiên riêng biệt mô tả sử dụng hàm mật độ phân phối xác suất gần Phụ lục [b] đề cập số công cụ hỗ trợ chương trình máy tính ứng dụng thiết kế 2the Dutch Technical Advisory Committee on Water Defenses - TAW 3The Center for Civil Engineering Research Codes - CUR, Working Group "Probabilistic Methods Phụ lục A Dạng phân phối biến ngẫu nhiên Chương [5] đề cập tới phương pháp xác (linh ché phá hịng xây dối với đẽ biển nói riêng cõng trình bảo vệ bờ biến nói chung Một số dang chủ yếu bao gồm: • sóng tràn; • chày tràn; • trượt mái; • dầy t rỏi/xới ngàm; • xói thân hư hóng kết cấu bào vệ mái dẽ; • hư hịng thiết hi dóng - mờ cửa van hay sai sót ván hãnh; • xói mịn đụn cát Hàm tin tương ứng cứa mối chế kể trẽn dền dược xây dưng Tiếp dó, việc (plan lã xác định hàm phân phối xác suất phũ hợp cho biến ngẫu nhiên liên quan Phụ lục trình bày dạc diem biến ngầu nhiên dạng phân bố dăc trưng thống kô hãm tin Mồi biến ngẫu nhiên cụ the dược mõ tả gần đứng thõng qua hàm mật dọ phân phối xác suốt Dặc trưng thống kê thường sử dung bao gồm kỳ vong toán hoc - tri số trung bình // mức dộ dao dóng quanh giá tri trung bình - độ lệch chuẳn (T hay hệ sồ biến doi V’ = ơ/p A.l Phân phối theo không gian thời gian Dác trưng thống kfi biến không han dã dươc mô tà chinh xác thông qua dang phan bố thông số tương ứng Đặc tính phân bố theo khơng gian thòi gian cần dươc xem xét Giã tri biến ngẫu nhiên tai vi trí X vã thời diêm t lã khơng giống vời 95 Hình A.l: Mõ hình Ferry Borges - Castanheta cho dao động theo thời gian giá tri tai vị trí thời điểm khác Nếu khoáng cách hay thời gian hai diễm biển ngẫu nhiên dũ lân thi mối quan hệ chúng có thê giảm Mói quan hệ 04 0.4 lự< dWt 0.2 0.4 mat đát Ị 10 ỉ V 14 Ạ '? ự ỉ i 'ĩ H = 024 éj 20 ÌẬ ị Ị 10 í» Á' 0' >1 = 026 20 it *5 » tư nhién Ạ Ị 10 •ĩ U = 0.26 &ỉ 20 «i s s trục a* Hình A.2: Biến đổi theo khơng gian lực «lính đơn vị lớp (lất trị xác (lịnh theo chiều sâu tăng dần từ xuống dưđi c(xi.z), c(x2,z) c(x;j,z) Tại vi trí r,i lực dính theo chiêu sâu dao dộng quanh giá tri trung bình thống kê fi tương ứng Tổng bình phương giá trị dao dộng dược the bời sai số quàn phương rTy Tri số trung binh thống kẽ theo chiều sâu mơi vi trí X, dao dỏng quanh giá tri trung bình theo chiêu dãi đê, Sai số quân phương tham số nỉ Khi tỏng sai số qn phương lực dính theo cà chiều sâu chiều dài là: (A.3) Ti số dao dộng 'lược (lịnh nghía li* tt = ớịỊóị Nếu chọn =1 áị = Trướng hợp inở hình mọt chiều, thường sử dung hướng dẫn hãnh Trong mô hĩnh giá tri trung binh cùa cà khu vực chi dựa vào trung binh thống kê theo phương thang đứng Thực tế dà phàn ánh han chế xác cùa mõ hình Hẻ số (I thường nằm khoảng từ 0,5 tới A.3 Đặc tính ngẫu nhiên cơng trình bảo vệ bờ A.3.1 Các biến ngẫu nhiên bàn - Điều kiện biên Các biến ngẫu nhiên bán cùa cồng trinh bảo vê bờ cơng trình phịng lũ liệt kfi Bang |a 1| Mỗi biến ngần nhiên miêu tà hàm phân phối dặc trưng dươc cho lã phù help moi trưởng hợp Tuy nhiên việc lựa chon hàm phân phối 97 càn phái dựa vào liêu thống kê hay đạc biến cu thể Báng A Biến ngan nhiên bân cứa điều kiện biên cơng trình bào vệ bờ cõng trình phịng hì Biến MWL DWL H, d Mõ tà Mực nưđc trung bình Mực nước thiết kẻ Chiều cao sóng thiết kỗ Chiều sâu nước Đơn vị Luật phân phối 111 in III m ('■umbel (Norm) (ỉumbel (Norm) Weibull Normal Thông số thống kẽ Dộ lán Dộ lệch nom' nom nom nom 0.1 0.1 0.1 0.3 ' nominal value A.3.2 Các biến ngân nhiên liên quan tới kích thước hình học Trong việc xác đinh mát cát hĩnh hoc đê, cao trinh đình lã biến ngẫu nhiên quan nhắt Trong thực tế, số liệu thực tế thơng sỏ hình học thường khơng dầy đủ Báng |A.2| thể két phân tích tham số hĩnh học mặt cắt đẽ từ số hên vài ước lương dưa kinh nghiệm Bàng A.2: Biến ngan nhiên cua mát cất ngang dẻ B1Í-II /1, tan rt « d Mơ tả Cao trình (lình Cao trinh dinh