bài giảng phân tích độ tin cậy trong kỹ thuật công trình

1 Tổng quan PT rủi ro và LT Độ tin cậy• Rủi ro do sự cố công trình, thiên tai, lũ lụt gia tăng trên phạm vi toàn cầu• Việt Nam: sự cố công trình xây dựng, giao thông, hồ đập vv…• Các hệ

August 15, 2017

1

Phân tích Độ tin cậy trong Kỹ thuật Công trình

PGS.TS Mai Văn Công

Bộ môn Công Trình Cảng – Đường thủy Khoa Công Trình

WRU

Water Resources University

Tổng quan về bài giảng

1 Giới thiệu chung

2 Thiết kế truyền thống & TK theo LTĐTC

3 Phân tích rủi ro

4 Phân tích độ tin cậy thành phần

5 Phân tích độ tin cậy hệ thống

6 Xây dựng hàm tin cậy cho các cơ chế sự cố

7 Mô hình & Công cụ phần mềm

1 Tổng quan PT rủi ro và LT Độ tin cậy

• Rủi ro do sự cố công trình, thiên tai, lũ lụt gia tăng

trên phạm vi toàn cầu

• Việt Nam: sự cố công trình xây dựng, giao thông, hồ

đập vv…

• Các hệ thống kỹ thuật, quá trình KT đều gắn với rủi ro

• Câu hỏi thực tiễn: làm sao để giảm được rủi ro khi sự

cố xảy ra;

1953 flood, Holland

Flooding due to huricance Katrina 2005

Flooding in Vietnam 2005 - 2016

August 15, 2017 7

Giảm thiểu rủi ro ?

tạo ra}

thiệt hại): cứu hộ, cứu nạn, di tán, chấp nhận thiệt hại cơ

Giảm thiểu xác suất sự cố: vd xây dựng, nâng cấp công trình

đủ độ bền, đủ độ tin cậy, siêu bền ect

August 15, 2017 9

Theo Nhóm giải pháp 2: thách thức với các nhà kỹ thuật

• Dự báo tin cậy điều kiện biên cực trị thiết kế: 1/100,

1/250, 1/500, 1/1.000, 1/10.000 (1/ năm);

• Xác định giá trị rủi ro chấp nhận được; => tiêu chuẩn

an toàn (giá trị an toàn yêu cầu)

• Thiết kế đủ tin cậy với giá trị an toàn yêu cầu (TCAT)

Giảm thiểu rủi ro ?

• Hình thành mặt cắt thiết kế đại diện

• Đánh giá/ Kiểm tra an toàn phương án thiết kế, hệ

số an toàn đặc trưng > 1.0

•Không kể đến tính ngẫu nhiên của các biến liên quan

•Chưa xét đến tính tổng thể của hệ thống, không kể

đến ảnh hưởng quy mô của hệ thống (ảnh hưởng

August 15, 2017 13

An toàn hệ thống/công trình đánh giá thông qua hệ số

an toàn – an toàn cho phép

Các nguyên tắc thiết kế truyền thống (cũ)

Các nguyên tắc thiết kế (mới)

• Mô tả độ bền và tải trọng là các đại lượng ngẫu

nhiên

• Liệt kê/ xác định các sự cố không mong muốn

• Xây dựng sơ đồ cây sự cố để phân tích

• Xác định xác suất xảy ra sự cố của từng cơ chế phá

hoại thành phần

• Xác đinh khả năng xảy ra các sự cố hệ thống;

• Đánh giá rủi ro khi sự cố xảy ra

dune shoals

- An toàn hiện tại? (Q1)

- An toàn mức độ nào là đủ (Rủi ro chấp nhận)? (Q2)

- Giải pháp thiết kế tin cậy với điều kiện an toàn yêu cầu? (Q3)

Các vấn đề cần quan tâm

high ground

city low lying

dune shoals

August 15, 2017 17

Mô tả hệ thống

damage of dike crest erosion of inner slopes

Overtoping

OR

Failure of dike section # i

dike's slope instability of

instability of instability of

inner slopes outer slopes

instablity of toe structure

scour instability of protected ele.

too much OR

armour layer instability of

August 15, 2017 19

Q1-Phân tích an toàn hệ thống

Thành

phần

Sóng tràn Xói ngầm Mất ÔĐ etc Tổng

Đê 1… p1.1 (overtopp.) p1.1 (piping) p1.1(etc.) p1.1(all)

Đập … p1.2 (overtopp.) p1.2(piping) p1.2(etc.) p1.2(all)

Đụn cát pdune(overtop.) pdune(piping) pdune(etc.) pdune(all)

Cống psluice(overtop.) psluice(piping) psluice(etc.) psluice(all)

Tổng pall(overtop.) pall(piping) pall(etc.) pall(all)

Q2) Tối ưu hệ thống theo LT rủi ro: tìm tiêu

chuẩn an toàn tối ưu

…so sánh và cân bằng giá trị đầu tư xây dựng nâng cấp hệ

thống với rủi ro (thiệt hại) tiềm tàng của hệ thống khi có

sự cố xảy ra trong điều kiện hiện tại và tương lai

Trường hợp đơn giản nhất: Tối

ưu dựa theo rủi ro kinh tế

 Generation of geometry alternative

Calculation of failure probability

P <P f max(opt.)

Estimation of R =f(P )T f Estimation of I

true failse

Total costs

Search for the lowest cost solution

- đưa ra một loạt giải pháp thiết

kế đảm bảo điều kiện an toàn

(a);

- Phân tích lựa chọn phương an

cho chi phí thấp nhất(b)

(a) (b)

August 15, 2017 23

Optimal CFDS

Reliability based design model:

optimal geometry given [Pf]

{from component to system level}

Risk-based design model:

optimal level of protection [Pf]

{system level}

Output

Input model

PDF & CDF of sea loads

alternative geometries

Damages/

consequences:

inventory/model

Component/system reliability analysis;

Safety assessment (Pf; Pfsys )

Failure modes

Limit State Eq.

RSAM

Tài liệu tham khảo

final draft verion.

Proceedings International Conference on Coastal Engineering 1980.

Structural Mechanics, pp 453-472.

Kortenhaus, A., Voortman, H.G., 2001 Probabilistic design tools for vertical

breakwaters Balkema, Rotterdam, 2001.

Probabilistisch ontwerpen) Delft University of Technology, Faculty of Civil

Engineering, Delft, September 1987.

Engineering Lecture notes CT5310 Delft University of Technology.

thesis Sieca Repro, the Netherlands (2010) ISBN: 978-90-9025648-1, 249p

• Hệ thống giao thông, công trình xây dựng, cơ sở hạ tầng…

• Hệ thống phòng chống lũ và giảm nhẹ thiên tai

1 Rủi ro là xác suất xảy ra một sự cố ngoài ý muốn

trong một quy trình/quá trình hay của một đối

tượng

2 Rủi ro là hậu quả của một sự cố ngoài ý muốn

3 Rủi ro là tích số của xác suất xảy ra sự cố và hậu

quả quả do sự cố:

4 Rủi ro là một hàm của xác suất xảy ra thiệt hại và

hậu quả thiệt hại

2.1 Định nghĩa rủi ro:

8/15/2017 27

=> Rủi ro = (Xác suất xảy ra thiệt hại) * (Hậu quả thiệt hại)

Xác suất

xảy ra

Hậu quả

xảy ra

rủi ro chấp nhận được

1- Chấp nhận đợc theo quan điểm cộng đồng

2- Chấp nhận được bởi từng cá nhân

2.1 Định nghĩa rủi ro (tiếp)

2.2 Sơ đồ quỏ trỡnh phõn tớch rủi ro

8/15/2017 29

1- Kiểm tra an toàn hệ thống-Quản lý hệ thống:

Rủi ro tính toán ≤ [Rủi ro chấp nhận] => Kết luận: Hệ thống an toàn

=> Hệ thống đợc giữ nguyênRủi ro tính toán > [Rủi ro chấp nhận] => Kết luận: Không an toàn

=> Hệ thống cần đợc nâng cấp

=> Chỉ rõ thành phần nào thuộc hệ thống cần nâng cấp !!!

2- Thiết kế-lập quy hoạch:

Rủi ro tính toán của hệ thống giả định ≤ [Rủi ro chấp nhận]

Các phơng án, các kịch bản

Tìm ra giá trị phơng án tối u

2.3 Cỏc bài toỏn ứng dụng phõn tớch rủi ro

1 Phõn tớch định tớnh: phõn tớch đỏnh giỏ cỏc chức

năng và cỏc thành phần của hệ thống, liệt kờ cỏc

hiểm hoạ, cỏc dạng sự cố, hậu quả và xỏc định cỏc

mối quan hệ nội tại

2 Phõn tớch định lượng: Xỏc định xỏc suất xảy ra sự

cố, định lượng hậu quả xảy ra, tớnh toỏn rủi ro và

đỏnh giỏ kết quả bằng cỏch thử nghiệm trờn cỏc hệ

thống chuẩn

3 Ra quyết định và kiểm định rủi ro

2.4 Cỏc nội dung trong phõn tớch rủi ro

8/15/2017 32

Mô phỏng các cơ chế h- hỏng Liệt kê các kiểu thảm họa

Xác định XS xảy ra sự cố

đánh giá thiết hại

Xác định rủi ro=XS.*Thiệt hại

2.5 Cỏc bước của một phõn tớch rủi ro(2)

Xói trớc chân đê

-Thiệt hại trực tiếp của các ngành kinh tế

-Mất mát về con ngời !?

Định tính:

- Các thiệt hại mang tính xã hội

- Hư hỏng các di sản văn hoá…

- Thiệt hại gián tiếp đến các ngành kinh tế

- Mất mát về con người !!!

B4

8/15/2017 40

So s¸nh víi tiªu chuÈn hiÖn hµnh:

- Chưa cã tiªu chuÈn vÒ rñi ro

- TÊn suÊt thiÕt kÕ : 1%, 2%, 5% (vÒ t¶i träng), hÖ

8/15/2017 42

Cấp độ rủi ro chấp nhận theo điều kiện kinh tế

• Xác định chi phí đầu tư ban đầu (I)

• Xác định chi phí vận hành, duy tu, giá thành

thiệt hại do xảy ra hư hỏng/sự cố (S*PV)

• Tổng hợp các thành phần

• Tìm điểm có chi phí thấp nhất

• Chi phí đầu tư trực tiếp vào công trình

• Thiệt hại trực tiếp

• Thiệt hại gián tiếp

Cấp độ rủi ro châp nhân dựa theo điều kiện kinh tế

Rủi ro theo quan điểm xã hội

• Quyết định ảnh hưởng bởi yếu tố chính trị:

• VD: - Giao thông: 30 người/ngày => hơn 12000 n/năm

• Tính chất sự kiện <=> mức độ chấp nhận của cộng

đồng

Rủi ro theo quan điểm kinh tế

• I: đầu tư để hệ thống an toàn hơn (hoặc vốn đàu tư

Mô phỏng đơn giản: đê nâng cấp cao bao

nhiêu là đủ?

P f e

h A B

4.5 5 5.5 6 6.5 7 0

2 4 6 8

August 15, 2017

Ví dụ: Đê biển Nam ĐỊnh

Climate & Meteorology

Coastal defences: 2000 km sea dikes

Cons of the Typhoon Damrey:

-25 km of sea dikes broken

- inundation of large area

- Total direct loss: $US 500 Mil

Kết quả phân tích rủi ro kinh tế

Risk-based optimal protection level

Economic risk analysis

8/15/2017 70

Kết quả phân tích rủi ro

• Đưa ra mức rủi ro/an toàn theo các quan điểm: cá

nhân, cộng đồng; theo quan điểm kinh tế

• Làm căn cứ cho bài toán thiết kế (ghi trong tiêu chuẩn

thiết kế, VD 1/10 1/20, 1/100 …1/10000)

Quản lý rui ro: Giảm thiểu rủi ro ?

sự kiện đó gây ra}

thiệt hại): cứu hộ, cứu nạn, di tán, chấp nhận thiệt hại cơ

Giảm thiểu xác suất sự cố: vd xây dựng, nâng cấp hệ thống

phòng chống lũ đủ độ tin cậy, siêu bền ect

August 15, 2017 72

- An toàn hiện tại? (Q1)

- An toàn mức độ nào là đủ (Rủi ro chấp nhận)? (Q2)

- Giải pháp thiết kế tin cậy với điều kiện an toàn yêu cầu? (Q3)

Các vấn đề cần quan tâm

high ground

city low lying

dune shoals

Q1 &3- phân tích độ tin cậy

Giải hàm tin cậy Z

Z = Độ bền R – Tải trọng S + Model Error

Sự cố xảy ra nếu Z<0!

Từ đó, xác suất xảy ra sự cố: