Độ tin cậy kết cấu công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Nguyễn Thanh Hưng DO TIN CAY KET CAU CONG TRINH Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số: 62.58.0908 CHUYEN DE TIEN SY SO Số tín chỉ:3 thứ CAN BO HUONG DAN A w oA PGS TS Tran Van Liên K=— GS TS Nguyễn Văn Phó Z2 — Hà nội - Năm 2012 Ï— Chuyên đê 2: Độ tin cậy kết cấu cơng trình 2.3.5 Ưng dụng 2.4 Thuật tốn chương trình 2.4.1 Xác định tơ hợp tất định đầu vào mờ 2.4.2 Phân tích hồi quy 2.4.3 Đâu 2.4.4 Giải mờ Ư 2.5 Ví dụ 2.6 Kết luận Chương Tính độ tin cậy kết cầu có tham gia đơng thời đại lượng tất 3.1 Mở đầu 3.2 Những ảnh hưởng biến đối khí hậu đến tính tốn cơng trình 3.2.1 Bài tốn thiết kê cơng trình 3.2.2 Bài tốn chuẩn đốn kỹ thuật 3.3 Thơng tin học cơng trình 3.3.1 Tải trọng 3.3.2 Vật liệu 3.3.3 Hình học 3.4 Phương pháp phân tích kết cấu với tải trọng mờ 3.4.1 Xác định tải trọng (mờ hóa tải trọng) 3.4.2 Phân tích kết cầu 3.5 Thí dụ tính tốn Tài liệu tham khảo WN WW WW O~ YN _—" = — Se BN DĐ) tO2t2 —=CCCC`'CC`‹CC(đGỀ6Ô6C Mé dau Chương Tong quan số phương pháp tính độ tin cậy kết câu cơng 1.1 Mở đầu 1.2 Lý thuyết độ tin cậy ứng dụng 1.3 Độ tin cậy kết câu xây dựng 1.4 Một số phương pháp phân tích độ tin cậy 1.4.1 Dinh nghia độ tin cậy cơng trình trường trường hợp tơng qt 1.4.2 Mở đầu phân tích độ tin cậy 1.4.3 Các phương pháp phân tính độ tin cậy bậc (FORM) 1.4.4 Phương pháp phương pháp Hasofed- Lind 1.4.5 Phương pháp AFOSM biến không chuẩn Chương Phương pháp phân tích mờ kết cầu 2.1 Mở đầu 2.2 Sơ đồ phân tích mờ kết Mơ hình hóa kết câu 2.3.1 Đầu vào c 2.3.2 Phan tich mo ket cau 2.3.3 Dau 2.3.4 Giải mờ 22 B2) 2t “SIWNNINOK Mục lục — MỤC LỤC 28 28 28 28 28 29 29 29 30 31 31 35 39 47 Chuyên đề 2: Độ tin cậy kết cấu cơng trình MO DAU Do tính phức tạp ngày tăng hệ thơng kỹ thuật, độ tin cậy trở thành yếu tô vô quan trọng thiết kế chế tạo, phải đảm bảo tất yêu cầu tính kỹ thuật kinh tế, đặc biệt đảm báo tính an tồn điều kiện cho trước Trong thiết kế cơng trình, tiêu chuẩn thiết kế người ta đưa vào hệ số an toàn tải trọng, vật liệu, điêu kiện làm việc cố xảy Điều cho thây phương pháp thiết kế thơng thường dựa vào hệ số an toàn chưa đủ, mà phải tính theo độ tin cậy Một số nước tính tốn cơng trình theo độ tin cậy qui định Tiêu chuẩn thiết kế Với biến đối khí hậu nay, ảnh hưởng đến việc tính tốn kết cầu cơng trình, tham số đại lượng mờ (không xác định, mơ hồ, thiếu thơng tin) Do đó, phân tích kết cầu phải có thay đổi phù hợp Trong chuyên đề tác giả xin trình bày số vấn đề sau: - Tổng quan độ tin cậy kết cầu cơng trình; - Một số phương pháp tính độ tin cay; - Phương pháp xác định độ tin cậy mờ kết câu; - Tính độ tin cậy kết cầu cơng trình có tham gia đồng thời đại lượng tât định, ngẫu nhiênvà mờ; Chuyên đề 2: Độ tin cậy kết cấu cơng trình CHƯƠNG TỎNG QUAN VÀ MỘT SĨ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐỘ TIN CAY KET CÁU CƠNG TRÌNH 1.1 Mé đầu Do tính phức tạp ngày tăng hệ thống kỹ thuật, độ tin cậy trở thành yếu tố vô quan trọng thiết kế chế tạo, phải dam bảo tất yêu cầu tính kỹ thuật kinh tế, đặc biệt đảm bảo tính an tồn điều kiện cho trước Trong thiết kế cơng trình, thường người ta đưa vào hệ số an toàn tải trọng, vật liệu, điều kiện làm việc cỗ xảy Điều cho thấy phương pháp thiết kế thông thường dựa vào hệ số an tồn chưa đủ, mà phải tính theo độ tin cậy Một số nước tính tốn cơng trình theo độ tin cậy qui định Tiêu chuẩn thiết kế [10, 28, ] Nhưng với biến đổi khí hậu nay, ảnh hưởng đến việc tính tốn cơng trình, tham số đại lượng mờ (không xác định, mơ hồ, thiểu thông tin) Do đó, phân tích kết câu phải có thay đôi phù hợp 1.2 Lý thuyết độ tin cậy ứng dụng Xã hội ngày phát triển, đòi hỏi người ta phải thiết kế chế tạo vận hành hệ thống phức tạp, có tầm quan trọng đặc biệt, yêu cầu an toàn cao kết câu bay, cơng trình vùng có gió bão động đất Các cơng trình với kinh nghiệm khơng đủ, mà người ta phải dùng cơng cụ tốn: lý thuyết xác suất, thơng kê tốn học lý thuyết q trình ngẫu nhiên để giải tốn Từ đời lĩnh vực nghiên cứu: dao động ngẫu nhiên, động lực học ngẫu nhiên, lý thuyết độ tin cậy ti thọ cơng trình, v.v Nhưng khó khăn việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào tính tốn là: - Đồi hỏi lượng thơng tin lớn, khó thu thập, phải thỏa mãn tiêu chuẩn xử lý thống kê Chăng hạn số liệu để xác định mật độ xác suất đồng thời, tính dừng V.V - Khối lượng tính tốn lớn, máy tính thơng thường khó vượt qua Chuyên đề 2: Độ tin cáy kết cấu công trình Nhưng với phát triển cơng nghệ máy tính, phương pháp xử lý thu thập thơng tin hồn thiện, khó khăn khắc phục Lý thuyết độ tin cậy ứng dụng sớm ngành kỹ thuật điện tử, khí chế tạo Để tính tốn độ tin cậy hệ kết cầu người ta đơn giản hóa sơ đồ tính tốn thành hệ điện (nối tiếp, song song, hỗn hợp) Do nhiều cơng trình nghiên cứu dành cho việc sơ đồ hóa hệ thơng phức tạp Đối với cơng trình xây dựng, khó sơ đồ hóa thành hệ điện, mối liên hệ yếu tố phương trình vi phân hay dạng gần hệ phương trình đại số Chính lý thuyết độ tin cậy cơng trình xây dựng phát triển chậm theo hướng khác Nhiều cơng trình nghiên cứu sở sơ đồ đơn giản, khơng địi hỏi tính tốn q phức tạp đánh giá, nghiên cứu ảnh hưởng thay đối tải trọng độ bên vật liệu đến độ tin cậy cơng trình [11, 17, ] Bài tốn tối ưu theo độ tin cậy đặt xét cho số trường hợp đơn giản dang [2, 7, ]: - Trong điều kiện kinh phí, vật liệu cho trước tìm kết câu có độ tin cậy cao - Cho trước độ tin cậy, tìm hình dạng, kích thước kết cầu có trọng lượng bé Ngày kết nghiên cứu lĩnh vực phát triển đến mức người ta quy định tiêu chuẩn, phải thiết kế theo số độ tin cậy Ở Việt Nam lý thuyết độ tin cậy quan tâm, nghiên cứu từ năm 1980 Một số nhà khoa hoc đào tạo từ nước trở về, Hội thảo khoa học tô chức Viện nghiên cứu, trường Đại học số cơng trình khoa học công bố: - Các tác giả Nguyễn Văn Phó, Lê Ngọc Thạch, năm 1993 cơng bỗ cơng trình nghiên cứu phương pháp tuyến tính hóa toán độ tin cậy Chuyên đề 2: Độ tin cậy kết cấu cơng trình - Tác giả Lê Xuân Huỳnh, năm 2000 công bố kết nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định độ tin cậy kết câu dàn dầm siêu tĩnh - Tác giả Phan Văn Khôi viết số sách độ tin cậy cơng trình [L1] - Một số Luận án tiến sĩ, luận văn thạc sỹ nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy kết cầu cơng trình [Š, 29, 30, 32, | Tại trường Đại học Xây dựng, số nhà khoa học coi hướng nghiên cứu, tình trạng biến đổi khí hậu đạt số kết 1.3 Độ tin cậy kết cầu xây dựng Vấn đề cân giải thiết kế kết cầu xây dựng lựa chọn hợp lý mức độ an tồn (tin cậy) kinh tế Tìm giải pháp kinh tế để kết cầu tạo đáp ứng yêu cầu công định trước với mức độ tin cậy định Trong kết câu xây dựng điều kiện cơng điều kiện an tồn Điều kiện an toàn tiêu chuẩn {[10, 28] phân sau: - Tính an tồn chịu lực kết câu xây dựng q trình thi cơng sử dụng bình thường phải chịu loại tác động xuất hiện, đồng thời sau xảy kiện ngẫu nhiên trì duoc tinh 6n dinh tong thé can thiết - Tính thích dụng q trình dụng bình thường, kết cầu xây dựng đáp ứng yêu câu sử dụng quy định - Tính bên lâu: điều kiện bảo quản bình thường, tính vật liệu biến đổi theo thời gian, kết cầu xây dựng phải đáp ứng yêu câu công quy định - Các điều kiện an toàn đánh giá bất đăng thức, nghĩa phải thỏa mãn hệ bắt đăng thức, bất đăng thức ngẫu nhiên Hiển nhiên phải thỏa mãn phương trình trạng thái mà phương trình trạng thái thiết lập Cơ học kết cấu, Kết câu thép, Kết cầu bê tông cốt thép v.v Do xác suất tin cậy Chuyên đê 2: Độ tin cậy kết cấu cơng trình trường hợp tông quát xác suất đông thời thỏa mãn hệ phương trình hệ bất đăng thức 1.4 Một số phương pháp phân tích độ tin cậy Trong hệ kỹ thuật phức tạp nay, hư hỏng phân tử dẫn đến hậu khơn lường Vì nhiệm vụ kỹ sư chọn tham số kết cầu hợp lý nhất, có kế tới độ tin cậy yếu tố khác giá thành, khối lượng, thể tích, cơng nghệ Đề đạt mục đích cần phải đánh giá độ tin cậy giai đoạn thiết kế vận hành Phương pháp thiết kế theo hệ số an toàn, hệ số thành phần coi đắn trường hợp có sở kinh nghiệm đủ trình thiết kế khai thác 1.4.1 Định nghĩa độ tin cậy công trình trường hợp tổng quát Năm 1974, Bolotin [29] đưa định nghĩa tổng quát, theo độ tin cậy kết cầu cơng trình (hệ thống nói chung) xác suất an toàn: Lut,X) = t,x) P.(t) = Proby f[ W(t, x)] €Q, V+e€ N Mu(t, x) = v(t, x) (1.1) |0 tị 'VxeV Trong đó: x= [X),.- x, | - biến không gian (các điểm công trình); U - 1a bién trạng thái: chuyển vị, ứng suất, vết nứt, phụ thuộc vào thời gian t biến không gian; Ÿ - biến chất lượng, trùng khác biến trạng thái ủ; Lu(t,x) = q(t, X) - 1a phuong trinh trang thai; Mu(t, x) = V{t,x) - phép biến đổi từ biến trạng thái qua biến chất lượng (ví dụ từ chuyển vị qua biến dạng, nội lực qua ứng suất); f [ v(t, x)] EQ), - thé hién diéu kién an toan, Q), la bién an toan; Chuyên dé 2: Dé tin cdy cua két cdu cơng trình V - miền cơng trình chiếm khơng gian; VTE [0, t| - thời điểm từ (khi dua cơng trình vào sử dụng) đến thời điểm kiểm tra chất lượng cơng trình (0); Định nghĩa tổng qt đơn giản hóa để áp dụng vào cơng trình, người ta đưa số phương pháp gần đơn giản để quy định tiêu chuẩn thiết kế, cho kỹ sư sử dụng Sau xin dẫn hai phương pháp: - Xác định số độ tin cậy theo công thức jđ = Eu M > 1a diéu Om kiện an toàn tụ Gy 1a ky vong va độ lệch chuẩn M Người ta thường gọi § số độ tin cậy mơmen bậc hai bậc (First Order Second Moment Reliability Index) [1]: - Chỉ số độ tin cậy Hasofer — Lind dùng (Định nghĩa) số độ tin cậy B khoảng cách ngăn từ gốc tọa độ khơng gian chuẩn (Chuẩn hóa) đến mặt giới hạn 1.4.2 Mở đầu phân tích độ tin cậy Hiện nay, khái niệm lý thuyết cỗ điển tính tốn dựa sở độ tin cậy rủi ro kết cấu ngày quan tâm R rõ nét CA h ti ê tính có t 7 tốn A hệ sơ tai tải t e trọng sức bên đôi với thiệt kê cho, giả thiết mức độ rủi ro chấp nhận Bước đâu tiên ` ` eS ® việc tính tốn độ tin cay hay xac suat pha hong cua Phuong trinh trang thdi gidi han 2(R,S)=0 2(R,S)>0 Miền an tồn eve Tư Miễn khơng an tồn Ching ta co thé thay ring khơng khó dé ø(R,S) 0,8165