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

Phân tích Độ tin cậy trong Kỹ thuật Công trình

PGS.TS Mai Văn Công

Bộ môn Công Trình Cảng – Đường thủyKhoa Công Trình

Water Resources University

Tổng quan về bài giảng

1 Giới thiệu chung

2 Thiết kế truyền thống & TK theo LTĐTC3 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 cố7 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, 20177

Giảm thiểu rủi ro ?

tạo ra}

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

Giảm thiểu rủi ro ?

• 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

Sử dụng giá trị đặc trưng

• Không so sánh được độ bền của các mặt cắt khácnhau

•Không đưa ra được xác suất gây thiệt hại và mức độthiệt hại

• không trả lời được câu hỏi: Hệ thống an toàn ở mức độ nào

August 15, 201713

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

August 15, 201715

Nguyên lý: Sự cố 1 thành phần bất kỳ thuộc hệ thống dẫn đến ngập lụt vùng được bảo vệ

[after Vrijling et al 2001]

Hệ thống phòng chống lũ

high ground

citylow lying

river dike

estuarine dikesea dike

- 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

citylow lying

river dikesluice

estuarine dikesea dike

Waves

August 15, 201717

Mô tả hệ thống

damage of dike cresterosion of inner slopes

Failure of dike section # i

dike's slopeinstability of

instability of instability of

inner slopesouter slopes

instablity of toe structure

scourinstability of protected ele.too much

damage of

armour layerinstability of

Q1- đánh giá an toàn- Hàm tin cậy Z

Z = Độ bền R – Tải trọng S Sự cố xảy ra nếu Z<0!

Từ đó, xác suất xảy ra sự cố:

August 15, 201719

Q1-Phân tích an toàn hệ thống

Thành phần

Sóng trànXói ngầmMất ÔĐ etc TổngĐê 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 cátpdune(overtop.)pdune(piping)pdune(etc.)pdune(all)Cốngpsluice(overtop.)psluice(piping)psluice(etc.)psluice(all)Tổngpall(overtop.)pall(piping)pall(etc.)pall(all)

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

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)

Mô hình tổng quát

Giải pháp thiết kế cuối cùng

Thiết kế tin cậy theo tiêu chuản an toànTối ưu tiêu chuẩn an toàn

Đánh giá các trạng thái GH và cơ chế sự cốMô phỏng điều kiện biên

August 15, 201723

Optimal CFDSReliability based design model:

optimal geometry given [Pf]{from component to system level}

Risk-based design model: optimal level of protection [Pf]

{system level}

OutputInput model

PDF & CDF of sea loads

alternative geometries

Damages/consequences:inventory/modelComponent/system reliability analysis;

Safety assessment (Pf; Pfsys)Failure modes

Limit State Eq.

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

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

=> 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 đồng2- Chấp nhận được bởi từng cá nhân

2.1 Định nghĩa rủi ro (tiếp)

2.2 Sơ đồ quỏ trỡnh phõn tớch rủi ro

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

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

8/15/201732Mô 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)

8/15/2017 35

Sơ đồ sự cố h hỏng hệ thống đê

H hỏng (sự cố) hệ thống đê

Sóng tràn đỉnh đê, chảy tràn

Sói ngầm, đẩy trồi

H hỏng đoạn đê i

H hỏng đoạn đê n

Trợt mái đê phía biển, phía đồng

Xói trớc chân đê

Hậu quả của các sự cố

Định lượng:

-Hư hỏng cơ sở hạ tầng, công trình công cộng, hệ thống đê, mất đất

-Thiệt hại trực tiếp của các ngành kinh tế-Mất mát về con ngời !?

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 sè an toµn cho phÐp K=1.15-1.25

- Rủi ro cá nhân- Rủi ro cộng đồng

2 Phân tích rủi ro (tiếp)

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 ban đầu)

• Tổng chí phí= I+ thiệt hại tiềm tàng khi sự cố xảy ra (rủi ro)

Q: total cost

-ln(P )Opt point

Mô phỏng đơn giản: đê nâng cấp cao bao nhiêu là đủ?

Pfeh A

1 E N( saved lifes_ )(Pf,0Pf opt, )N

PfPf optN PV

Mô hình

Giải pháp

August 15, 2017

Ví dụ: Đê biển Nam ĐỊnh

Climate & Meteorology

Tropical climate:- 4 seasons

- 4 to 6 typhoons annually

Sea boundary

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

August 15, 2017

(b) Design Frequency [1/year]

(a) Design Frequency [1/year]

Kết quả phân tích rủi ro kinh tế

Invest nothing

August 15, 2017

(b) Design Frequency [1/year]

(a) Design Frequency [1/year]

Risk-based optimal protection level

Economic risk analysis

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

August 15, 201772

- 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

citylow lying

river dikesluice

estuarine dikesea dike