Quan hệ giữa sự cố công trình với tiêu chuẩn, tại hoạ, độ tin cậy và tuổi thọ công trình

Quan hệ giữa sự cố công trình với tiêu chuẩn, tại hoạ, độ tin cậy và tuổi thọ công trình Tóm tắt: Bài này tác giả trình bày các mối quan hệ giữa sự cố công trình với tiêu chuẩn, tai họa, độ tin cậy và tuổi thọ công trình. Mục đích bài viết là làm rõ sự cố xẩy ra trong trường hợp nào, đâu là trách nhiệm của người quản lý, đâu là trách nhiệm người xây dựng. Ngoài ra, báo cáo còn nêu một số kết luận và kiến nghị về các biện pháp làm giảm sự cố công trình ở nước ta. 1. Mở đầu Chất lượng công trình phụ thuộc nhiều yếu tố, nếu công trình không bảo đảm chất lượng thì sẽ dẫn đến sự cố. Trong bài này, tác giả không bàn đến mọi khía cạnh của vấn đề sự cố, mà chỉ xét quan hệ giữa sự cố với tiêu chuẩn, tại hoạ, độ tin cậy và tuổi thọ công trình. Mục đích của bài viết này là muốn bàn về sự cố xẩy ra trong trường hợp nào, đâu là trách nhiệm của người quản lý, đâu là trách nhiệm của người xây dựng và nêu một số suy nghĩ về biện pháp nhằm giảm sự cố công trình ở nước ta hiện nay. 2. Các mối quan hệ 2.1. Quan hệ giữa sự cố và tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Sự cố Độ tin cậy và tuổi thọ công trình Tai hoạ ở nước ta hiện nay các tiêu chuẩn (Thiết kế, thi công, chế tạo, nghiệm thu v.v ) đều do Nhà nước ban hành. ở một số nước tiêu chuẩn không nhất thiết do nhà nước quy định, có thể do các hiệp hội Khoa học chuyên ngành phối hợp với các Viện nghiên cứu và trường Đại học làm ra, dưới sự bảo trợ của các tập đoàn sản xuất, kinh doanh. Do đó, khi xây dựng có thể lựa chọn tiêu chuẩn thích hợp, được hai bên thoả thuận. Song khi đã chọn thì trở thành pháp lý. Tiêu chuẩn là quy định nhằm bảo đảm chất lượng. Từ "bảo đảm" ở đây không có nghĩa là "an toàn tuyệt đối". Ngày nay người ta còn dùng cụm từ "bảo đảm công năng". Về mặt toán học thì "bảo đảm công năng" là thoả mãn một hệ bất đẳng thức. G X j n j ( ) ( , , , )  ≥ =0 1 2 (1) Trong đó G X j ( )  là các hàm hay phiếm hàm của các biến cơ bản { }  X X i T = . Các bất đẳng thức (1) thường là điều kiện bảo đảm về : độ bền, ổn định, dao động của công trình. Cụ thể, trong thiết kế thì đó là các yêu cầu của tiêu chuẩn, các điều kiện của trạng thái giới hạn (trạng thái khả năng chịu lực, trạng thái làm việc bình thường v.v ). Nếu X i là các biến tiền định (giá trị xác định, bỏ qua các biến động, sai lệch), nghĩa là lấy theo giá trị trung bình (kỳ vọng toán). Trong thực tế các biến X i (vật liệu, hình học, tải trọng v.v ) luôn luôn có những sai lệch ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình. Do đó, theo kết quả quan sát, đo đạc thì (1) có trường hợp thoả mãn cũng có trường hợp không thoả mãn, không thể thoả mãn mọi trường hợp có thể xẩy ra. Để nâng cao mức độ thoả mãn người ta đưa vào trong tiêu chuẩn một loạt hệ số. Các hệ số này được điều chỉnh định kỳ theo kết quả quan sát thực tế (chủ yếu là số liệu theo dõi sự cố) để bảo đảm an toàn ở mức mong muốn. Vì vậy, các tiêu chuẩn thiết kế được soát xét theo định kỳ (trung bình 5 năm một lần). Với cách làm đó, cho đến nay nhiều quốc gia đã có các bộ tiêu chuẩn tốt. Nhưng cách làm trên lại gặp các khó khăn. - Thay đổi hệ số như thế nào, đến mức nào thì bảo đảm các mức an toàn mong muốn. - Các kết cấu có chứa các vật liệu mới, chưa đủ số liệu và kinh nghiệm đã trải qua để khẳng định. - Xuất hiện các dạng kết cấu mới như : Kết cấu bay, các công trình đặc biệt quan trọng (chẳng hạn, lò phản ứng nguyên tử) có hình dạng và cấu tạo mới. Đã đến lúc người ta thấy rằng nhiều vấn đề về thành lập và đổi mới tiêu chuẩn mà chỉ dựa vào kinh nghiệm sẽ không giải quyết được. Từ những năm ba mươi của thế kỳ 20 đã ra đời lý thuyết độ tin cậy và tuổi thọ công trình [1,2,3,4,5], đặc biệt phát triển vào những thập niên cuối thế kỳ 20. Một số tổ chức và quốc gia đã quy định thiết kế theo độ tin cậy [6, 7]. Người ta dự đoán rằng những thập niên đầu của thế kỳ 21 việc thiết kế theo độ tin cậy trở thành phổ biến [8]. Trong đó, để đánh giá chất lượng đạt đến mức nào người ta thay (1) bởi : P P G X j n s rob j = ≥ =.[ ( ) , , ]  0 1 2 (2) ở đây P S là xác suất an toàn. Trường hợp n ≥ 2 đã được trình bày trong [9], để đơn giản ta xét trường hợp một bất đẳng thức. Trong các tiêu chuẩn hiện hành ISO và Trung Quốc [3;7] người ta thay P s bởi chỉ số độ tin cậy β. β µ σ = G G (3) Trong đó µ G là kỳ vọng của G, σ G là độ lệch chuẩn của G, các đại lượng này được xác định qua số liệu thống kê thực tế. Trường hợp thiếu thì người ta mô phỏng bằng các phương pháp ngẫu nhiên. Giữa β và P S có các mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Chẳng hạn, theo tiêu chuẩn Trung Quốc [7] thì β được xác định như sau : Cấp an toàn Loại hình phá hoại Cấp 1 (Rất nghiệm trọng) Cấp 2 (Nghiêm trọng) Cấp 3 (Không nghiêm trọng) β P S β P S β P S Phá hoại có biến hình rõ ràng, báo trước (dẻo) 3,7 0,9998922 3,2 0,9993189 2,7 0,996533 Phá hoại không có dấu hiệu báo trước (dòn) 4,2 0,99998665 3,7 0,9998922 3,2 0,9993189 Theo [10], từ số liệu theo dõi sự cố trong những năm qua, cuối năm nay Trung Quốc sẽ ban hành tiêu chuẩn sửa đổi. Toàn bộ các tiêu chuẩn đều dựa trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy và giá trị β được tăng lên (tăng mức an toàn) từ mức β = 3,6 lên β = 4,2. Các mức khác cũng tương tự. Rõ ràng rằng các quy định trong thiết kế, người ta đã thừa nhận không có an toàn tuyệt đối, mà chỉ có an toàn đến mức nào đó mà thôi. Xin dẫn ra đây một thí dụ khác cho một dạng công trình thuộc lớp "đặc biệt quan trọng", đó là việc tính lốc xoáy cho các lò phản ứng nguyên tử của Mỹ [11]. Xét một vùng A o nào đó (Có thể lấy là một hình vuông gồm giữa một kinh độ và một ví độ). Giả sử tần xuất lốc đã xẩy ra trên A o (Số cơn lốc xẩy ra trung bình trong 1 năm) được ký hiệu là n , gọi a là diện tích xây dựng công trình, thì xác suất (tần suất) lốc xẩy ra trong 1 năm đối với công trình là : P(S) chưa phản ảnh được cấp độ mạnh của lốc, vì lốc có sáu cấp [12]. Do đó, người ta thay P(S) bởi: P(S,V o ) = P(V o ) . P(S) Trong đó P(V o ) là xác suất mà tốc độ cực đại của gió trong lốc vượt quá V o . ở Mỹ khi thiết kế nhà máy điện hạt nhân người ta chọn : P(S,V o ) = P(V o ) . P(S) = 10 -7 Suy ra P(V o ) = 10 -7 /P(S) 0 )( A a nSP = P(S) được xác định theo số liệu xuất hiện lốc tại địa điểm xây dựng, nên dễ dàng ta suy ra P(V o ), từ P(V o ) ta suy ra V o là tốc độ thiết kế. Như vậy V o là một giá trị xác định hữu hạn và cũng không khẳng định là trong thời gian tồn tại công trình không có lốc với tốc độ vượt quá V o . Nói cách khác, ngay khi thiết kế lò phản ứng nguyên tử thì người ta cũng đành phải dừng ở mức an toàn nhất định (có thể là ở mức an toàn rất cao) song không phải là an toàn tuyệt đối. Thông thường công trình xây dựng phải được thiết kế ở mức an toàn cao, nghĩa là sự cố công trình là biến cố hiếm. Chẳng hạn, Liên Xô quy định độ tin cậy thiết kế của nhà lắp ghép tấm lớn là P S = 0,9999. Nói một cách nôn na là khi ta xây dựng đúng tiêu chuẩn, đúng quy trình thì vẫn cho phép hư hỏng (sự cố) với xác suất. 1 0 9999 1 10 000 − =, . - Về tải trọng quy định trong tiêu chuẩn: Như ta đã biết, người ta căn cứ vào số liêụ thống kê của thời gian qua để xác định tải trọng (gió, động đất, đỉnh lũ thiết kế v.v ). Từ tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số vượt tải để có tải trọng tính toán. Do đó, có thể xẩy ra trường hợp tải trọng thực cao hơn tải trọng tính toán (ít khi song vẫn có thể xẩy ra). Khi đó sự cố xẩy ra là việc bình thường, người xây dựng không có tội (với điều kiện họ làm đúng theo các tiêu chuẩn đã quy định). Trong trường hợp này, nếu muốn quy trách nhiệm thì nên quy cho cơ quan thành lập và ban hành tiêu chuẩn, thông thường họ mắc hai khuyết điểm : Tiêu chuẩn không phù hợp (sai) và thiếu tiêu chuẩn (sót). Song cũng cần thấy rằng khi ra một quyết định nào đó trong lĩnh vực này người ta phải xem xét cả 2 mặt : an toàn và kinh tế. Do đó, không thể đưa an toàn lên quá cao để kinh tế không cho phép, mà đành chấp nhận sự cố ở mức nào đó. 2.2. Quan hệ giữa sự cố và tai hoạ * Tai hoạ (disaster) ở đây được hiểu gồm 2 loại : Thiên tai (Natural disaster) và nhân tai (man-made disaster). Ngày nay thiên tai và nhân tai hoặc kết hợp giữa chúng là mối đe doạ lớn của loài người. Theo [13] thì thiên tai gồm các dạng : động đất, núi lửa phun, sụt lở đất, bão, lũ lụt, sóng biển dâng, cháy lớn, hạn lán, côn trùng phá hoại ở quy mô lớn, tai nạn công nghiệp (được hiểu theo nghĩa rộng - hậu quả của nó đi kèm với thiên tai, thí dụ : động đất làm vỡ ống chất độc v.v ) Gần hầu hết các thiên tai liên quan đến công trình . Nhân tai là những tai họa do con người gây ra cho công trình như : Va đập, cháy nổ, chiến tranh, khủng bố, phóng xạ, ô nhiễm môi trường, dịch bệnh v.v * Công trình sau khi xây dựng xong thì nó là một đối tượng bị động (nếu không gia cố sửa chữa), sức chịu đựng có hạn. Khi công trình chịu các tai hoạ của thiên nhiên và con người, tuỳ theo mức độ nặng nhẹ của tai hoạ mà xẩy ra sự cố hay không. Đối với người làm công tác nhân đạo thì tất cả các dạng thiên tai và nhân tai kể trên đều là tai họa (như các tài liệu của Liên hiệp quốc đã quy định). Còn đối với người xây dựng và người theo dõi và đánh giá sự cố công trình thì nên hiểu là khi thiên tai và nhân tai đến mức nào đó mới gọi là tai hoạ. Cho nên có thể nói cụ thể là : "Tai hoạ đối với người xây dựng là tất cả các thiên tai và nhân tai vượt quá quy định của tiêu chuẩn" (Vì nằm trong tiêu chuẩn thì công trình không bị sự cố). Nếu tai hoạ nằm trong phạm vi tiêu chuẩn quy định mà xẩy ra sự cố thì phải tìm nguyên nhân từ người xây dựng hoặc từ tiêu chuẩn. Song do tầm quan trọng của công trình, mà người ta tiến hành phân loại công trình để quy định trong thiết kế. Do đó, lại phải nói rõ hơn tai hoạ với loại công trình nào. Như đã nói ở trên, dù cố gắng bao nhiêu đi nữa thì về mặt nguyên tắc là không có an toàn tuyệt đối. Song do tầm quan trọng đặc biệt của công trình, mà có nhiều công trình hay cụm công trình đòi hỏi phải bảo đảm an toàn tuyệt đối. Vậy trong trường hợp đó người ta xử lý ra sao ? * Đối với loài người thì tai hoạ (về cơ bản) là tồn tại khách quan và chưa có khả năng loại trừ nó. Vì vậy chiến lược tối ưu đối với con người là chung sống với tai hoạ, trong quá trình chung sống đótìm những biện pháp hợp lý nhất để giảm nhẹ thiệt hại do tai hoạ gây ra, để tồn tại và phát triển. Đối với công trình, vì phải chấp nhận rủi ro, nên người ta chia ra hai loại rủi ro "Chấp nhận được" và "Không chấp nhận được" sự cố "Chấp nhận được" là sự cố sau khi xẩy ra tuy có hại có thể lớn song khắc phục được, còn sự cố "Không chấp nhận được" thì ngược lại. Thí dụ đối với thủ đô Hà Nội có thể chấp nhận sự phân lũ để ngập một số vùng đã dự kiến, chứ không chấp nhận ngập thủ đô. Sự cố mà phân lũ không có tác dụng thì hiển nhiên không chấp nhận được. Vì vậy, việc chọn địa điểm xây dựng, chọn phương án thiết kế trở nên vô cùng quan trọng, vì nó liên quan đến sự cố. Để làm việc đó người ta thường tiến hành dự báo sự cố có thể xẩy ra (dù xác suất xuất hiện rất thấp) để chọn phương án xây dựng. Xác định sự cố "Chấp nhận được" hay "Không chấp nhận được" không phải do các nhà kỹ thuật quyết định, mà họ chỉ là người tư vấn, quyết định là do các nhà quản lý (lãnh đạo). Xuất phát từ quan điểm đó mà các nước đều chọn địa điểm xây dựng các lò phản ứng hạt nhân ở xa thủ đô, xa khu đông dân cư. Các hồ chứa nước lớn, không xây ở thượng nguồn của thủ đô, của các khu kinh tế quan trọng, nếu có xây dựng thì chỉ xây dựng ở mức khi sự cố xẩy ra thì có thể chấp nhận được. * Một danh từ được dùng rộng rãi ở nước ta là "sự cố bất khả kháng". Sự cố bất khả kháng dùng để chỉ trường hợp ngoài khả năng con người. Nói như vậy thì dễ thông cảm, song không chính xác. Vì rằng ai "Bất khả kháng" ? đây là nói cho công trình, cho nên chính xác hơn là công trình "Bất khả kháng", nghĩa là ngoài khả năng của công trình. Song công trình lại do con người xây dựng nên theo tiêu chuẩn. Vậy có thể nói "Sự cố công trình bất khả kháng" là sự cố do tai hoạ vượt ra ngoài tiêu chuẩn. Trong [14] chúng tôi xếp trường hợp này là sự cố "phi tiêu chuẩn", đó cũng chỉ là cách gọi mà thôi. 2.3. Quan hệ giữa sự cố với độ tin cậy và tuổi thọ công trình Độ tin cậy là số đo của độ an toàn, cho nên theo giá trị độ tin cậy ta có thể biết được khả năng xẩy ra sự cố. Thông thường độ tin cậy giảm theo thời gian (hình 1). Quét vào, sửa lại (NA) Hình 1. Mối quan hệ giữa độ tin cậy và thời gian Khi độ tin cậy giảm đến mức nào đó (chẳng hạn giá trị P * ) thì coi là hết tuổi thọ. Có một biểu thức toán học rất chặt chẽ cho tuổi thọ (xem [15]) không trình bày ở đây. Gọi T là tuổi thọ công trình thì : P(T) = P * Khi P(t) < P * thì coi công trình hết tuổi thọ, nghĩa là không dùng nữa, chứ không phải chắc chắn sự cố xẩy ra. Cho nên công trình sụp đổ khi t > T thì không coi là sự cố. Như ta đã biết tuổi thọ công trình T được quy định trong thiết kế, ở nước ta thường qua kiểm tra chất lượng để tu sửa hoặc đình chỉ sử dụng, khi thời gian sử dụng bé hơn T. Trong trường hợp đó có thể coi là sự cố. 3. Kết luận và kiến nghị 3.1. Hệ thống kiểm soát chất lượng quốc gia Để giảm bớt sự cố thì phải có một hệ thống kiểm soát chất lượng quốc gia gồm các khâu: Tiêu chuẩn, kiểm tra thực hiện tiêu chuẩn, đánh giá chất lượng công trình (khi xây dựng và khi sử dụng). 3.2.Vấn đề cung cấp số liệu để chọn phương án xây dựng Số liệu đóng vai trò quan trọng trong việc chọn phương án và trong thiết kế, vì vậy nó liên quan chặt chẽ đến sự cố. Do đó, tài liệu điều tra cơ bản phải được chuẩn hoá (được một hội đồng chuyên môn có thẩm quyền xác nhận), được coi là tài sản quốc gia. Trong trường hợp có các ý kiến khác nhau thì không để cho kẻ đề xuất phương án cũng là người cung cấp số liệu, nếu "vừa đá bóng vừa thổi còi" thì dễ dẫn đến quyết định sai lầm. 3.3. Nước ta hiện nay chỉ có tiêu chuẩn thiết kế (tiêu chuẩn để sinh ra công trình), chứ hầu như chưa có tiêu chuẩn đánh giá chất lượng các công trình hiện hữu. Đem tiêu chuẩn thiết kế để đánh giá chất lượng công trình hiện hữu thì chẳng khác gì lấy khối lượng công việc thanh niên áp cho các cụ già. 3.4. Để giảm bớt sự cố thì một trong các công việc quan trọng là thành lập đủ và đổi mới tiêu chuẩn theo định kỳ. Đó là công việc liên tục, lâu dài kế tiếp nhau, để họ có đủ thời gian thu thập số liệu và kinh nghiệm soát xét lại tiêu chuẩn. ở nước ta không có một cơ quan chuyên trách như vậy, cho nên số liệu về sự cố không được thu thập và đánh giá đầy đủ. 3.4. Ngày nay thiên nhiên và con người thay đổi nhiều, thời tiết bất thường, rừng bị thu hẹp, hạn hán, gió bão, lũ lụt xẩy ra khác trước. Thậm chí các tham số cơ bản của P(t)0 P(t)0 P(t)0 P(t)0 P * P * ≈ 1 ≈ 1 0 0 T T t t hệ thống đã thay đổi, trong khi đó quyết định các vấn đề lại căn cứ theo số liệu cũ. Nếu như vậy thì việc dẫn đến sự cố là không tránh khỏi. Xin nêu một thí dụ : Đập suối Hành (Miền Trung) vỡ năm 1987. Trong biên bản giám định ghi là "Thiết kế theo số liệu mưa lấy tại trạm Nha Trang từ năm 1941. Bộ Thuỷ Lợi quy định là đập loại 3 nên chỉ thiết kế với lượng mưa 259 mm, ngay sau khi hoàn thành có mưa 500 ly nên đã vỡ đập ". Rõ ràng tiêu chuẩn không thay đổi kịp với thiên nhiên mà chỉ theo số liệu cũ (rừng 1987 chỉ còn 10% so với năm 1941). Nghĩ rằng người thiết kế không có lỗi (mặc dầu vậy, theo biên bản giám định sau sự cố thì người thi công cũng có khuyết điểm). Công trình này được sự hỗ trợ của chương trình nghiên cứu cơ bản trong các lĩnh vực khoa học tự nhiên. Tài liệu tham khảo 1. V. V. Bolotin. Statistical methods in strutural Engineering. Moscow, 1956 (Tiếng Nga). 2. Augusti, A. Baratta, F. Casciati. Probabilistic Methods in structural Engineering. Chapman and Hall – 1984. 3. Palle Thoft - Christensen, Yoshisada Murotsu. Application of Structural Systems Reliability Theory. Springer – Verlag, 1986. 4. V.D. Raizer. Analysis of structural Safety and Design code Making Procedures. Moscow - 1995 (Tiếng Nga). 5. O. Ditlevsen, H.O. Madsen. Structural Reliability Methods,Wiley 1996. 6. Intenational Standard ISO 2394. General Principles on Reliability for Structures. 7. Tiêu chuẩn thống nhất để thiết kế kết cấu công trình theo độ tin cậy JB 50153 - 92. Tiêu chuẩn Nhà nước Cộng hoà nhân dân Trung Hoa (Tiếng Trung). 8. Lý Quốc Cường, Hoàng Hùng Vỹ, Trịnh Bộ Toàn. Nguyên lý thiết kế độ tin cậy - tải trọng kết cấu công trình. Nhà xuất bản Công nghiệp Xây dựng Trung Quốc 1999 (Tiếng Trung). 9. Nguyễn Văn Phó. Reliability Index of distributed Parameter system. Vietnam Journal of Mechanics N o 4 - 2000. 10.Jin Xin Yang, Chung Zhi-jun. Revision of China National Standards for design of Building Strutures. Apec workshop on International Allgnment of Codes and Standards in the Building Construction Hanoi - 2001. 11.E. Simiu, H. Scanlan. Wind effects on structures. Second Edition, 1986. 12.Nguyễn Văn Phó, Lê Đình Quang, Phạm Văn Tư. Gió lốc ở Việt Nam và cách tính tác dụng lốc lên công trình XD. Tuyển tập Hội nghị CHVRBD Toàn quốc 11/1999. 13.W. Nick Carter. Disaster Management (A disaster manager's Handbook). ADB, 1992. 14. Nguyễn Văn Phó. Phân loại sự cố công trình theo nguyên nhân và một số ý kiến về sự cố phi tiêu chuẩn của các công trình quan trọng. Thông báo KHKTXD. Số đặc biệt "Hư hỏng và sửa chữa công trình". Viện Khoa học kỹ thuật xây dựng - Hà Nội 1988. 15.B. Gnedenko, I.U.K Belaep, A.D. Colobiep. Matematical Methods of Reliability Theory. Moscow 1965 (Tiếng Nga). . Quan hệ giữa sự cố công trình với tiêu chuẩn, tại hoạ, độ tin cậy và tuổi thọ công trình Tóm tắt: Bài này tác giả trình bày các mối quan hệ giữa sự cố công trình với tiêu chuẩn, tai họa, độ. Quan hệ giữa sự cố với độ tin cậy và tuổi thọ công trình Độ tin cậy là số đo của độ an toàn, cho nên theo giá trị độ tin cậy ta có thể biết được khả năng xẩy ra sự cố. Thông thường độ tin cậy. và nêu một số suy nghĩ về biện pháp nhằm giảm sự cố công trình ở nước ta hiện nay. 2. Các mối quan hệ 2.1. Quan hệ giữa sự cố và tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Sự cố Độ tin cậy và tuổi thọ công trình Tai hoạ ở