Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy - Chương 1 pps

THI T K CƠNG TRÌNH THEO LÝ THUY T NG U NHIÊN VÀ PHÂN TÍCH ð TIN C Y Mai Văn Công Trư ng ð i h c Th y l i Delft 2004 Hà N i 2006 TRƯ NG ð I H C TH Y L I B MÔN K THU T CƠNG TRÌNH BI N THI T K CƠNG TRÌNH THEO LÝ THUY T NG U NHIÊN VÀ PHÂN TÍCH ð TIN C Y Mai Văn Cơng Trư ng ð i h c Th y l i (in l n th nh t) Mã hi u giáo trình: HWRU/CE-D02-04 L I C M ƠN Giáo trình “Thi t k cơng trình theo lý thuy t ng u nhiên phân tích đ tin c y” đư c th c hi n khuôn kh d án h p tác HWRU-CE, “Nâng cao l c ñào t o ngành k thu t b bi n trư ng ð i h c Th y L i” D án ñư c th c hi n dư i s tài tr c a ð i S Quán Vương qu c Hà Lan t i Vi t Nam v i s tham gia c ng tác c a ñ i tác phía Delft, Hà Lan bao g m: Trư ng ð i h c Công ngh Delft (TUDellft), Vi n Th y l c Delft (Delft Hydraulics), Vi n ñào t o Qu c t v n ñ v nư c (UNESCO-IHE Delft) B Giao thơng Cơng Cơng trình cơng c ng Hà Lan (RIKZ) N i dung ph n lý thuy t c a giáo trình s ti p thu có ch n l c t hai ngu n tài li u tham kh o chính: (i) Probabilistic design, Bài gi ng cho sinh viên ñ i h c cao h c trư ng ð i h c Công ngh Delft, Hà Lan Gs Han Vrijling Dr Pieter van Gelder biên so n năm 2000; (ii) CUR 190, Probabilistic design in Civil Engineering RIKZ/CUR xu t b n năm 1997 Giáo trình đư c chu n b th c hi n theo hai giai ño n: Giai ño n I, biên so n b n Ti ng Anh, t i Trư ng ð i h c Công ngh Delft (2004); Giai ño n 2, biên d ch b n Ti ng Vi t, t i Trư ng ð i h c Th y L i, Hà N i (2005) Trong q trình th c hi n giai đo n I tác gi nh n ñư c s ng h , giúp đ nhi t tình c a t ch c, cá nhân phía đ i tác Delft, Hà Lan Tác gi xin chân thành c m ơn Ir Wilfred Molenaar, Dr Pieter van Gelder Gs Han Vrijling, khoa Xây d ng, TU-Delft v s c ng tác góp ý nhi t tình v n đ chun mơn Tác gi xin c m ơn Ir Michel Tonneijck, c v n trư ng d án HWRU-CE, ban lãnh đ o nhân viên Phịng h p tác quan h Qu c t CICAT, TU-Delft ñã t o ñi u ki n thu n l i th i gian th c hi n biên so n giáo trình b n Ti ng Anh t i Hà Lan Trong trình th c hi n biên d ch b n Ti ng Vi t, tác gi xin ñ c bi t c m ơn PGS.TS Vũ Minh Cát, Gs Nguy n Văn M o v nh ng góp ý chun mơn g i ý s d ng ngôn t chuyên ngành Tác gi xin chân thành c m ơn ThS Lê H i Trung, CN Lê Th Kim Thoa v nh ng đóng góp c th q trình biên so n, hi u ch nh hồn thi n giáo trình Giáo trình đư c in l n th nh t làm tài li u h c t p tham kh o th c cho sinh viên trư ng ð i h c Th y l i, ch c ch n không tránh kh i nh ng sai sót Tác gi xin chân thành đón nh n nh ng ý ki n góp ý c a đ c gi đ ng nghi p đ giáo trình ñ ơc hoàn thi n l n in sau Mai Văn Công i M CL C CHƯƠNG - T NG QUAN V MÔN H C 1.1 Gi i thi u chung 1.2 Nh ng t n t i c a phương pháp thi t k truy n th ng - S c n thi t ng d ng thi t k cơng trình theo lý thuy t ñ tin c y 1.3 K t c u gi ng CHƯƠNG - PHÂN TÍCH R I RO 2.1 Gi i thi u chung 2.2 C p ñ r i ro ch p nh n đư c cơng tác phịng ch ng lũ 10 2.3 Các bư c phân tích r i ro 11 2.4 Ch n l c nhanh cho phương án quy ho ch t ng bư c 11 2.4.1 Mơ t quy trình/q trình hay đ i tư ng m t cách h th ng 11 2.4.2 Li t kê kh x y s c ý mu n, nh hư ng h u qu 12 2.4.3 Xác su t r i ro thành ph n: 12 2.4.4 ðánh giá xác ñ nh r i ro 13 2.4.5 Ra quy t ñ nh d a vào k t qu trình phân tích r i ro 13 2.4.6 R i ro ch p nh n ñư c th c t 14 2.5 Phân tích r i ro sơ đ s c c a h th ng cơng trình phịng ch ng lũ 15 2.6 Các c p đ ti p c n ng d ng phương pháp 18 2.7 Phương pháp t t ñ nh 19 2.8 Phương pháp ng u nhiên 20 CHƯƠNG - PHÂN TÍCH ð TIN C Y C A THÀNH PH N H TH NG 23 3.1 T ng quan 23 3.2 Tr ng thái gi i h n cơng trình, ñ b n t i tr ng 23 3.3 Các phương pháp tính tốn 26 3.4 Khái ni m v ñ tin c y ph thu c th i gian 26 CHƯƠNG - C S TOÁN H C C A PHƯƠNG PHÁP NG U NHIÊN 28 4.1 Tính tốn c p đ III 28 4.1.1 Gi i pháp b n 28 4.1.2 Xác ñ nh ñi m thi t k theo phương pháp c p ñ III 29 4.2 Tính tốn c p đ II 4.2.1 Gi i thi u v phương pháp tính tốn 30 c p ñ II 30 4.2.2 Các hàm tin c y phi n 33 4.2.3 Các bi n s không tuân theo lu t phân ph i chu n 38 4.2.4 Các bi n ng u nhiên s ph thu c 41 4.3 Tính tốn c p đ I 41 4.3.1 Ngun lý tính tốn c p đ I 41 4.3.2 Liên k t phương th c c p đ I tính tốn xác su t x y s c 42 4.3.3 Chu n hóa giá tr α 44 4.3.4 T h p t i tr ng tính tốn đ b n theo c p ñ I 45 CHƯƠNG - PHÂN TÍCH TÍNH TIN C Y C A H TH NG 48 5.1 Gi i thi u v phương pháp phân tích đ tin c y c a h th ng 48 5.2 Tính tốn xác su t s c cho h th ng ñơn gi n 49 5.2.1 Xác su t s c c a h th ng n i ti p 49 5.2.2 Xác su t s c c a h th ng song song 55 5.3 Phân tích h th ng 57 5.3.1 Gi i thi u phương pháp phân tích h th ng 57 5.3.2 Phương pháp FMEA (Phân tích ki u s c nh ng nh hư ng) 58 5.3.3 Phương pháp FMECA (Các ki u s c , phân tích nh hư ng tr ng thái gi i h n - Failure modes, Effects and Criticality Analyses) 60 5.3.4 Cây s ki n 60 5.3.5 Cây s c 62 5.3.6 Sơ ñ nguyên nhân-h u qu 66 5.4 Ch ñ nh xác su t x y s c xem xét h th ng 67 5.4.1 Ch ñ nh xác su t x y s c 67 5.4.2 Xem xét h th ng 69 CHƯƠNG – MÔ T CƠ CH X Y RA S C ð I V I H TH NG CƠNG TRÌNH PHỊNG CH NG LŨ VÀ H TH NG CƠNG TRÌNH B O V B BI N 70 6.1 Sóng tràn 70 6.1.1 Cơ ch sóng tràn 70 6.1.2 Hàm tin c y c a ch sóng tràn 70 6.2 Cơ ch ch y tràn 71 6.3 Cơ ch m t n ñ nh trư t mái-m t n ñ nh t ng th 72 6.4 Cơ ch xói ng m/đ y tr i 73 6.4.1 Cơ ch xói ng m 73 6.4.2 Hàm tin c y c a ñi u ki n (1) 74 6.4.3 Hàm tin c y c a ñi u ki n (2) 74 6.4.3.1 Tiêu chu n Blight 74 6.4.3.2 Mơ hình Sellmeijer 74 6.5 M t n ñ nh c u ki n b o v mái 75 CHƯƠNG – PHÂN PH I C A CÁC BI N NG U NHIÊN NH HƯ NG ð N XÁC SU T X Y RA S C 82 HWRU/CE Project - TU Delft ii 7.1 S phân b theo không gian th i gian 82 7.2 Các thông s c a biên ñ a k thu t 84 7.3 Các đ c tính ng u nhiên c a cơng trình b o v b cơng trình phịng ch ng lũ 85 7.3.1 Các bi n ng u nhiên b n c a cơng trình b o v vùng b cơng trình phịng ch ng lũ 85 7.3.2 Các bi n liên quan ñ n xác đ nh kích thư c hình h c m t c t ñê 86 7.4 T ng k t chung 86 CHƯƠNG - NG D NG PPTKNN ðÁNH GIÁ AN TOÀN H TH NG CƠNG TRÌNH B O V B 87 8.1 Gi i thi u chung vùng d án 87 8.2 Các v n ñ t n t i 88 8.4 Tóm t t lý thuy t 91 8.5 ð t v n ñ - Xây d ng tốn m u 94 8.6 Xác đ nh xác su t x y s c , ñánh giá an tồn đê kè bi n Nam ð nh 95 8.6.1 Sóng tràn ch y tràn đ nh ñê 95 8.6.2 M t n ñ nh k t c u b o v mái 98 8.6.3 Hi n tư ng xói ng m n n đê đ y tr i phía chân h lưu đê (Piping) 100 8.6.4 M t n ñ nh trư t mái ñê 102 8.6.5 Xói trư c chân đê chân kè (Sumer and Fredsoe,2001) 104 8.6.6 T ng h p xác su t phá h ng ñê bi n Nam ð nh 105 8.7 K t lu n CHƯƠNG – MƠ HÌNH TR 106 GIÚP TRONG TÍNH TỐN THI T K 108 9.1 BESTFIT - Ư c lư ng h p lý t i ña hàm th ng kê cho bi n ng u nhiên t s li u quan tr c-ño ñ c (ư c lư ng sát nh t) 108 9.2 Mơ hình VaP HWRU/CE Project - TU Delft 109 iii CHƯƠNG - T NG QUAN V MÔN H C 1.1 Gi i thi u chung Trong vài th p k g n đây, cơng tác thi t k đê, kè, đ p cơng trình phịng ch ng lũ khác có nh ng phát tri n ñ t bi n Trư c ñây, thư ng l , ñê ñã ñư c thi t k ch y u d a theo kinh nghi m Theo đó, cao trình đ nh đê đư c xác ñ nh c vào m c nư c lũ l n nh t c a s ki n lũ l ch s có th ghi chép đư c T i nhi u nơi th gi i vi c thi t k ñê kè bi n đê sơng đư c d a khái ni m “m c nư c ng v i t n su t thi t k ” ð i v i ñê bi n m c nư c xác ñ nh d a s li u th ng kê ñư c g i M c nư c thi t k , xác ñ nh d a m t t n su t thi t k hay t n su t xu t hi n T n su t xu t hi n c a m c nư c thi t k ñư c thành l p ñ dùng áp d ng r ng rãi m t tiêu chu n an toàn cho vùng ñư c b o v b i ñê, ñư c xây d ng c vào xác su t x y ng p l t Tuy nhiên, ñi u ch ñúng cho nh ng trư ng h p lý thuy t mà s c ñê x y nguyên nhân lũ vư t m c nư c thi t k , khơng thích h p s c khác x y ng v i trư ng h p m c nư c lũ nh m c nư c thi t k T i Hà Lan, m t ñ t nư c đ u cơng tác phịng ch ng lũ b o v b bi n, H i ñ ng khoa h c ð ng B ng (The Delta Commision)1 ch rõ r ng khơng nên đ ng nh t xác su t xu t hi n m c nư c thi t k v i xác su t x y s c c a h th ng đê Theo quan m đó, đê c a Hà Lan ñư c thi t k v i m t đ dư an tồn m c nư c thi t k xu t hi n H qu m c nư c có th gây th m h a ch c ch n s ph i cao m c nư c thi t k H i ð ng ðê Sông nh n r ng có r t nhi u y u t liên quan nh hư ng ph thu c v y xác su t x y ng p l t khơng ch xác đ nh d a t n su t vư t m c nư c thi t k Trong th c t , v i nh ng trư ng h p c th ñê có th trì làm vi c t t ñ ng v ng trư c m c nư c tương ñ i l n v i m t kho ng dư an toàn, nhiên trư ng h p khác v i m c nư c th p hơn, chưa ch c ñi u ñã ñúng Trong trư ng h p t t c ngun nhân x y hư h ng đê có th li t kê xác su t x y t ng hư h ng có th ch c ch n đư c xác đ nh v ngun t c có th xác đ nh đư c xác su t x y ng p l t Do hi n t i tính tốn chưa th th c hi n ng d ng d dàng thi t k , v y thi t k ñê hi n t i v n xác ñ nh t n su t thi t k (t n su t vư t c a thông s t i tr ng chính) d a theo t n su t ch p nh n x y ng p l t Căn c vào v n ñ nêu trên, xác su t xu t hi n thơng s t i tr ng đư c xây d ng tiêu chu n thi t k ñư c ch n làm tiêu chu n ñánh giá an tồn phịng ch ng lũ l t T i Vi t Nam, t n su t m c nư c thi t k vào kho ng 1/20 ñ n 1/100, t n su t thi t k lưu lư ng (đ i v i đê sơng) kho ng t 1/50 ñ n 1/1000, giá tr ph thu c m c ñ quan tr ng c a khu v c ñư c b o v ði u ñư c ghi nh n thành tiêu chu n áp d ng r ng rãi, nhiên phương pháp ti p c n m t công c tính tốn đư c áp d ng cho tình hu ng b ñ ng, " mong mu n ñi u s t t hơn" Theo ý tư ng c a phương pháp lu n nêu trên, ngư i ta hồn tồn có th đưa m t phương pháp ti p c n m i thi t k cơng trình v i ý tư ng “C n xem xét v m c đ có th xây d ng tiêu chu n an tồn phịng ch ng lũ c vào phân tich r i ro c a t t c Delta Commission- H i ñ ng khoa h c Hà Lan v an tồn vùng đ ng b ng y u t liên quan” ðây lí b n cho s phát tri n "Thi t k cơng trình theo lý thuy t ng u nhiên phân tích đ tin c y" 1.2 Nh ng t n t i c a phương pháp thi t k truy n th ng - S c n thi t ng d ng thi t k cơng trình theo lý thuy t đ tin c y Phương pháp thi t k truy n th ng thơng thư ng đư c g i phương pháp t t ñ nh (Deterministic Design) Theo phương pháp giá tr thi t k c a t i tr ng tham s ñ b n ñư c xem xác ñ nh, tương ng v i trư ng h p t h p thi t k [6] Ví d thi t k cơng trình b o v b bi n, tương ng v i m i giá tr t n su t thi t k , m c nu c chi u cao sóng đư c xác đ nh đư c coi t i tr ng thi t k D a vào tiêu chu n quy ñ nh thi t k , hình d ng kích thư c c a cơng trình đư c xác đ nh Các tiêu chu n quy ñ nh ñư c xây d ng d a tr ng thái gi i h n c a ch phá h ng, có k đ n s dư an tồn thơng qua h s an tồn [Thi t k ng v i t n su t nghĩa ñã quan tâm t i y u t ng u nhiên r i, ch không h n t t ñ nh Tuy nhiên, phương pháp truy n th ng chưa xem xét h t xác su t phá h ng c a t ng thành ph n tồn h th ng mà thơi] Theo phuơng pháp thi t k t t đ nh, cơng trình đư c coi an toàn kho ng cách gi a t i s c ch u t i ñ l n ñ ñ m b o tho mãn t ng tr ng thái gi i h n c a t t c thành ph n cơng trình M t s h n ch c a phương pháp thi t k t t ñ nh theo [8] sau: - Trên th c t , chưa xác ñ nh ñư c xác su t phá h ng c a t ng thành ph n c a toàn h th ng - Chưa xét đ n tính t ng th c a m t h th ng hoàn ch nh - Trong thi t k , chưa k ñ n nh hư ng quy mô h th ng (chi u dài n ñê ) c a h th ng ð i v i cơng trình phịng ch ng lũ b o v b , thi t k hi n t i thư ng ch tính tốn chi ti t t i m t m t c t tiêu bi u áp d ng tương t cho tồn b chi u dài n cơng trình (thi t k đê sơng, đê kè bi n ) Tuy v y, v i nhìn tr c quan có th nh n th y rõ r ng xác su t x y lũ s tăng chi u dài h th ng phòng ch ng lũ tăng - Khơng so sánh đư c đ b n c a m t c t khác v hình d ng v trí - Khơng đưa ñư c xác su t gây thi t h i m c ñ thi t h i c a vùng ñư c b o v ( Xác su t x y s c cơng trình, xác su t x y ng p l t ) Phương pháp thi t k cơng trình theo lý thuy t ñ tin c y ñư c ñưa nh m th a mãn yêu c u c a th c ti n địi h i h n ch t i ña nh ng t n t i nêu S khác b n gi a thi t k truy n th ng thi t k ng u nhiên ch , phương pháp thi t k ng u nhiên d a xác su t ho c t n su t ch p nh n thi t h i c a vùng nh hư ng K t qu ñư c ñưa xác su t hư h ng c a t ng thành ph n công trình tồn b h th ng Vì v y có th nói thi t k ng u nhiên phương pháp thi t k t ng h p cho toàn th h th ng 1.3 K t c u gi ng Giáo trình gi i thi u khái quát m t s khái ni m thi t k ng u nhiên phân tích r i ro ng d ng c a thi t k cơng trình th y l i Tài li u ch y u d a HWRU/CE Project - TU Delft k t qu nghiên c u c a H i ñ ng tư v n khoa h c Hà Lan phòng ch ng lũ (the Dutch Technical Advisory Committee on Water Defenses-TAW) [1.1] Trung tâm nghiên c u tiêu chu n k thu t xây d ng Hà Lan, nhóm nghiên c u ng d ng phương pháp ng u nhiên thi t k (the Center for Civil Engineering Research Codes-CUR-Working Group “Probabilistic Methods”) Ngoài ra, gi ng "Thi t k ng u nhiên k thu t xây d ng" GS Vrijling & Dr Pieter van Gelder, trư ng ð i h c Công ngh Delft, Hà Lan ("Probabilistic Design in civil engineering") biên so n tài li u tham kh o trình xây d ng giáo trình Giáo trình có tên đ y đ là: "Thi t k cơng trình theo phương pháp ng u nhiên phân tích đ tin c y" Tên g i ñã bao g m n i dung t ng quát c a môn h c ð ti n l n ñ c p sau, có th g i t t mơn h c v i tiêu ñ ng n g n hơn: " Thi t k ng u nhiên" ho c "Thi t k b t đ nh" Giáo trình bao g m chương Chương gi i thi u t ng quan v phương pháp ti p c n, l ch s phát tri n ng d ng c a môn h c k thu t xây d ng nói chung k thu t th y l i nói riêng Chương c a gi ng ñ c p ñ n khái ni n b n liên quan ñ n lý thuy t phân tích r i ro bao g m: - ð nh nghĩa r i ro, d ng r i ro - R i ro, thi t h i phương th c ñánh giá r i ro - Tính tốn thi t h i d a vào s c ý mu n - Các m c ñ ch p nh n r i ro Chương cung c p ki n th c b n phân tích tin c y c a m t thành ph n h th ng, m t trình ñơn l hay m t h th ng ñơn gi n Theo đó, hàm tin c y c a m t thành ph n cơng trình đư c xây d ng trư c h t d a tr ng thái gi i h n cơng trình Các phương pháp ti p c n gi i quy t hàm đ tin c y đư c trình bày t t ng quan ñ n chi ti t Các d ng hàm tin c y khác thư ng g p th c t ñư c nêu minh h a b ng ví d c th Phương pháp cách ti p c n phân tích tin c y đư c chia theo ba c p đ tính tốn khác nhau, liên ti p: phương pháp c p ñ III, II I Chương trình bày s tốn h c tính tốn thi t k ng u nhiên phân tích tin c y c a m t thành ph n m t h th ng theo t ng c p đ tính tốn khác Chương hư ng vào phân tích đ tin c y c a h th ng hoàn ch nh bao g m nhi u thành ph n h th ng cách xác ñ nh m c ñ tin c y c a toàn h th ng Trong chương này, vi c phân tích hàm tin c y c a thành ph n tồn h th ng ch đ c p đ n tốn n đ nh, hàm tin c y không ch a y u t th i gian Tuy nhiên nhi u trư ng h p hàm tin c y có th ph thu c theo th i gian, tùy thu c vào t ng h th ng Chương gi i thi u quy t c phân tích đ i v i hai h th ng b n: h th ng n i ti p h th ng song song Chương mô t ch phá h ng b n liên quan ñ n h th ng cơng trình phịng ch ng thiên tai cơng trình b o v b Cách xây d ng hàm tin c y cho ch x y s c đư c trình bày chương Trư ng h p c a Hà Lan, ñư c xem ñi m kh i ñ u tiên phong xây d ng quan ñi m thi t k ng d ng lĩnh v c phòng ch ng thiên tai b o v b , đư c đưa đ phân tích Có th xem xét m t trư ng h p nghiên c u chung có th tri n khai áp d ng ñư c cho trư ng h p khác ñi u ki n Vi t Nam Sau có hàm đ tin c y, cơng vi c quan tr ng ti p theo tìm hàm phân ph i xác xu t phù h p v i bi n ng u nhiên liên quan HWRU/CE Project - TU Delft Chương trình bày cách xác ñ nh bi n ng u nhiên liên quan hàm tin c y ð c ñi m c a bi n ng u nhiên (lo i phân ph i thông s th ng kê) tốn cơng trình bi n ph bi n ñư c nêu M i bi n ng u nhiên riêng bi t s đư c mơ t s d ng b ng m t hàm m t ñ phân ph i xác su t g n Chương gi i thi u tóm t t ng d ng phương pháp ng u nhiên đánh giá an tồn h th ng cơng trình phịng ch ng lũ b o v b bi n Vi t Nam Trư ng h p nghiên c u c th áp d ng cho v n ñ th c t t i vùng b bi n Nam ð nh đư c đưa làm ví d phân tích M t s cơng c h tr mơ hình tính tốn l p s n ph c v ng d ng phương pháp th c t thi t k ñư c gi i thi u Chương HWRU/CE Project - TU Delft ... CƠNG TRÌNH BI N THI T K CƠNG TRÌNH THEO LÝ THUY T NG U NHIÊN VÀ PHÂN TÍCH ð TIN C Y Mai Văn Công Trư ng ð i h c Th y l i (in l n th nh t) Mã hi u giáo trình: HWRU/CE-D0 2-0 4 L I C M ƠN Giáo trình. .. cơng trình theo lý thuy t ñ tin c y 1. 3 K t c u gi ng CHƯƠNG - PHÂN TÍCH R I RO 2 .1 Gi i thi u chung 2.2 C p ñ r i ro ch p nh n đư c cơng tác phịng ch ng lũ 10 2.3 Các bư c phân tích. .. "Thi t k cơng trình theo lý thuy t ng u nhiên phân tích đ tin c y" 1. 2 Nh ng t n t i c a phương pháp thi t k truy n th ng - S c n thi t ng d ng thi t k cơng trình theo lý thuy t đ tin c y Phương