Luận văn lý thuyết độ tin cậy

Luận văn thạc sĩ -i- LỜI CẢM ƠN Sau quá trình học tập được sự giúp đỡ vô cùng quý báu, tận tâm của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thuỷ Lợi, các cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền Trung, bạn bè đồng nghiệp cùng với sự nỗ lực cố gắng học tập, tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào kiểm định chất lượng các kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né, Bình Thuận”. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ sự cảm ơn trân trọng tới lãnh đạo trường Đại học Thủy Lợi, Viện Đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền Trung, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, khoa Công trình và các thầy cô tham gia giảng dạy khóa học đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khóa học và luận văn của mình. Đặc biệt tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Quang Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tôi cũng vô cùng biết ơn thầy giáo GS.TS. Nguyễn Văn Mạo đã cung cấp các thông tin khoa học và có những góp ý quý báu giúp tôi thực hiện tốt hơn nội dung luận văn của mình. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã khích lệ, động viên và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua. Do hạn chế về thời gian, kinh nghiệm thực tế còn ít và những kiến thức về một lĩnh vực khoa học mới còn chưa sâu nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp cũng như chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Ninh Thuận, tháng 11 năm 2014 Tác giả luận văn HOÀNG MINH KHANH Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - ii - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN CAM KẾT Tôi là: Học viên lớp: Hoàng Minh Khanh 20C-ĐH2 Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài: “Áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào kiểm định chất lượng các kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né, Bình Thuận” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các thông tin, tài liệu, bảng biểu, hình vẽ… lấy từ nguồn khác đều được trích dẫn nguồn đầy đủ theo quy định. Nếu có gì sai trái tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định của nhà trường. Ninh Thuận, tháng 11 năm 2014 Tác giả luận văn HOÀNG MINH KHANH Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - iii - MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ...........................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................ix PHẦN MỞ ĐẦU......................................................................................................1 CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ ................................................................................................................................... 3 1.2.1. Đặc điểm chung.......................................................................................................4 1.2.2. Đặc điểm địa hình, địa chất.....................................................................................5 1.2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn.....................................................................................6 1.2.4. Đặc điểm thủy, hải văn............................................................................................6 1.3.1. Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né...............................................................................................................................6 1.3.2. Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát............................................................10 1.3.3. Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam......11 1.4.1. Khảo sát hiện trạng ...............................................................................................12 1.4.2. Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án..................................16 1.4.3. Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án.......................................................17 1.4.4. Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu..............17 CHƯƠNG 2............................................................................................................ 20 PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN........................................................................................................................ 20 2.1.1. Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]..........................20 2.1.2. Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1]....................20 2.1.3. Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam ....................................................................................................21 2.1.4. Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]........................................21 2.1.5. Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên .........................................................................................................................................22 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - iv - 2.1.6. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ..........................................................................23 2.1.6.1. Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên [4]..........................................23 2.1.6.2. Cơ sở lý thuyết của thiết kế ngẫu nhiên [5]...................................................30 2.2.1. Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2]....................31 2.2.2. Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5].................................................................33 2.2.2.1. Các giả thiết:..................................................................................................33 2.2.2.2. Các bước thực hiện bài toán..........................................................................33 2.2.3. Tính độ tin cậy của hệ thống [2]............................................................................35 2.3.1. Đặt vấn đề..............................................................................................................35 2.3.2. Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3]............................36 2.3.3. Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3]. ............38 CHƯƠNG 3............................................................................................................ 44 TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN..........................................................................................44 CHƯƠNG 4............................................................................................................ 50 TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN....50 4.5.1. Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2......................................................................51 4.5.1.1. Thứ tự thực hiện bài toán tính xác suất theo cấp độ 2...................................51 4.5.1.2. Phần mềm tính toán.......................................................................................52 4.5.2. Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2))..........................................................................................................53 4.5.2.1. Hàm tin cậy....................................................................................................53 4.5.2.2. Số liệu thống kê của các biến ngẫu nhiên......................................................54 4.5.2.3. Xác định hàm mật độ xác suất của các chuỗi số liệu thống kê bằng phần mềm BESTFIT............................................................................................................56 4.5.2.4. Tính toán xác suất hư hỏng và độ tin cậy của các cấu kiện mái TSC-178 trong thân mảng theo cấp độ II bằng phần mềm VAP...............................................58 4.5.3. Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ.....................................................................................................................................60 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................63 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -v- TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................66 PHẦN PHỤ LỤC...................................................................................................67 Phụ lục 3.1: Số liệu tính toán ổn định chân kè theo mái dốc lấy từ Geoslope...........67 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ...........................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................ix PHẦN MỞ ĐẦU......................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài.........................................................................................................1 3. Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng...............................................................1 4. Kết quả đạt được............................................................................................................2 CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ ................................................................................................................................... 3 1.1. Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận..........................................................3 1.2. Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né................................................................4 1.2.1. Đặc điểm chung.......................................................................................................4 1.2.2. Đặc điểm địa hình, địa chất.....................................................................................5 1.2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn.....................................................................................6 1.2.4. Đặc điểm thủy, hải văn............................................................................................6 1.3. Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né.............................6 1.3.1. Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né...............................................................................................................................6 Hình 1.1: Cấu kiện TSC-178...................................................................................7 Hình 1.2: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL ................................8 Hình 1.3: Kết cấu chân kè ống bê tông cốt thép đổ đầy đá hộc............................8 Hình 1.4: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO.........................9 Hình 1.5: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận......................10 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - vi - 1.3.2. Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát............................................................10 1.3.3. Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam......11 1.4. Hiện trạng các dự án.................................................................................................12 1.4.1. Khảo sát hiện trạng ...............................................................................................12 Hình 1.6: Vị trí công trình trên bản đồ hành chính tỉnh Bình Thuận...............13 Hình 1.7: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL.............................................13 Hình 1.8: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO.....................................14 Hình 1.9: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận....................................14 Hình 1.10: Kiểm tra cường độ bê tông cấu kiện bằng súng bật nẩy..................15 Hình 1.11: Kiểm tra chuyển vị các cấu kiện........................................................16 Hình 1.12: Đo kích thước cấu kiện xác định trọng lượng cấu kiện....................16 1.4.2. Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án..................................16 1.4.3. Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án.......................................................17 1.4.4. Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu..............17 1.5. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn........................................................19 1.6. Kết luận chương 1.....................................................................................................19 CHƯƠNG 2............................................................................................................ 20 PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN........................................................................................................................ 20 2.1. Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu.......................................................20 2.1.1. Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]..........................20 2.1.2. Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1]....................20 2.1.3. Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam ....................................................................................................21 2.1.4. Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]........................................21 2.1.5. Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên .........................................................................................................................................22 2.1.6. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ..........................................................................23 Hình 2.1 Minh họa về trạng thái giới hạn Z = 0..................................................30 2.2. Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy........................................................31 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - vii - 2.2.1. Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2]....................31 Hình 2.2: Phân bố xác suất của hàm Z................................................................31 2.2.2. Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5].................................................................33 2.2.3. Tính độ tin cậy của hệ thống [2]............................................................................35 Hình 2.3: Ba loại mô hình hệ thống......................................................................35 2.3. Bài toán tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ mái dốc............................................................................................................................35 2.3.1. Đặt vấn đề..............................................................................................................35 2.3.2. Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3]............................36 Hình 2.4: Một số bản bê tông đúc sẵn lát độc lập trên kè mái...........................37 Hình 2.5: Một số cấu kiện bê tông đúc sẵn lắp ghép có cơ cấu tự chèn.............37 2.3.3. Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3]. ............38 Hình 2.6: Cấu tạo của một MLGBT ...................................................................38 Hình 2.7: Cây sự cố MLGBT liên kết ma sát......................................................39 Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống MLGBT liên kết ma sát.............................................41 2.4. Kết luận chương 2.....................................................................................................42 CHƯƠNG 3............................................................................................................ 44 TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN..........................................................................................44 3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................................44 3.2. Quan hệ giữa độ tin cậy với hệ số an toàn [3]..........................................................44 3.3. Tính hệ số ổn định của chân kè................................................................................45 Hình 3.1: Mặt cắt ngang chân kè trường hợp bất lợi.........................................46 Hình 3.2: Cung trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất.................................................48 3.4. Xác định xác suất hư hỏng và độ tin cậy của kết cấu chân kè (β1; P(Z1)) thông qua hệ số an toàn K................................................................................................................48 3.4. Kết luận chương 3.....................................................................................................49 CHƯƠNG 4............................................................................................................ 50 TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN....50 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - viii - 4.1. Đặt vấn đề.................................................................................................................50 4.2. Nhận biết hệ thống....................................................................................................50 4.3. Hệ thống kết cấu.......................................................................................................51 4.4. Sơ đồ hóa hệ thống...................................................................................................51 Hình 4.1: Sơ đồ hóa hệ thống ..............................................................................51 4.5. Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống........................................................................51 4.5.1. Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2......................................................................51 Hình 4.2: Sơ đồ thực hiện bài toán theo cấp độ 2................................................52 4.5.2. Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2))..........................................................................................................53 Hình 4.3: Hàm mật độ xác suất của trọng lượng cấu kiện mái kè.....................56 Hình 4.4: Hàm mật độ xác suất của chuỗi số liệu chiều cao sóng......................57 Hình 4.5: Hàm mật độ xác suất của hệ số Kn......................................................57 Hình 4.6: Hàm mật độ xác suất của trọng lượng riêng của bê tông (γbt).........57 Hình 4.7: Hàm mật độ xác suất của tỷ trọng ∆...................................................58 Hình 4.8: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái TSC-178...............................................................60 4.5.3. Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ.....................................................................................................................................60 Hình 4.9: Sơ đồ cây sự cố mảng cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ bờ...............61 Hình 4.10: Xác suất xảy ra sự cố của của mảng cấu kiện bê tông lắp ghép......62 4.6. Kết luận chương 4.....................................................................................................62 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................63 5.1. Những kết quả đạt được............................................................................................63 5.2. Tồn tại.......................................................................................................................64 5.3. Kiến nghị..................................................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................66 PHẦN PHỤ LỤC...................................................................................................67 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - ix - DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ...........................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................ix PHẦN MỞ ĐẦU......................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài.........................................................................................................1 3. Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng...............................................................1 4. Kết quả đạt được............................................................................................................2 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -x- CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ ................................................................................................................................... 3 1.1. Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận..........................................................3 1.2. Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né................................................................4 1.2.1. Đặc điểm chung.......................................................................................................4 1.2.2. Đặc điểm địa hình, địa chất.....................................................................................5 1.2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn.....................................................................................6 1.2.4. Đặc điểm thủy, hải văn............................................................................................6 1.3. Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né.............................6 1.3.1. Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né...............................................................................................................................6 1.3.2. Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát............................................................10 1.3.3. Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam......11 1.4. Hiện trạng các dự án.................................................................................................12 1.4.1. Khảo sát hiện trạng ...............................................................................................12 1.4.2. Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án..................................16 1.4.3. Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án.......................................................17 1.4.4. Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu..............17 1.5. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn........................................................19 1.6. Kết luận chương 1.....................................................................................................19 CHƯƠNG 2............................................................................................................ 20 PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN........................................................................................................................ 20 2.1. Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu.......................................................20 2.1.1. Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]..........................20 2.1.2. Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1]....................20 2.1.3. Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam ....................................................................................................21 2.1.4. Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]........................................21 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - xi - 2.1.5. Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên .........................................................................................................................................22 2.1.6. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ..........................................................................23 2.2. Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy........................................................31 2.2.1. Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2]....................31 2.2.2. Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5].................................................................33 2.2.3. Tính độ tin cậy của hệ thống [2]............................................................................35 2.3. Bài toán tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ mái dốc............................................................................................................................35 2.3.1. Đặt vấn đề..............................................................................................................35 2.3.2. Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3]............................36 2.3.3. Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3]. ............38 2.4. Kết luận chương 2.....................................................................................................42 CHƯƠNG 3............................................................................................................ 44 TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN..........................................................................................44 3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................................44 3.2. Quan hệ giữa độ tin cậy với hệ số an toàn [3]..........................................................44 3.3. Tính hệ số ổn định của chân kè................................................................................45 Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của cát nền...............................................................47 3.4. Xác định xác suất hư hỏng và độ tin cậy của kết cấu chân kè (β1; P(Z1)) thông qua hệ số an toàn K................................................................................................................48 Bảng 3.2: Giá trị sức chịu tải R và tải trọng N với cung trượt có Kmin...........48 Bảng 3.3: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định chân kè......................49 3.4. Kết luận chương 3.....................................................................................................49 CHƯƠNG 4............................................................................................................ 50 TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN....50 4.1. Đặt vấn đề.................................................................................................................50 4.2. Nhận biết hệ thống....................................................................................................50 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - xii - 4.3. Hệ thống kết cấu.......................................................................................................51 4.4. Sơ đồ hóa hệ thống...................................................................................................51 4.5. Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống........................................................................51 4.5.1. Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2......................................................................51 4.5.2. Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2))..........................................................................................................53 Bảng 4.1: Trọng lượng của các cấu kiện bất kỳ trong mảng..............................54 Bảng 4.2: Chuỗi số liệu thống kê chiều cao sóng (Hs) tại chân công trình........54 Bảng 4.3: Quan hệ giữa chiều cao sóng Hs và hệ số Kn của cấu kiện TSC-17855 Bảng 4.4: Chuỗi hệ số Kn ứng với các giá trị chiều cao sóng tính toán Hs.......55 Bảng 4.5: Chuỗi số liệu thống kê trọng lượng riêng của bê tông tỷ trọng ∆.....56 Bảng 4.6: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái kè..........58 Bảng 4.7: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái TSC-178 ................................................................................................................................. 58 Bảng 4.8: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định của cấu kiện TSC-178.........................................................................................................59 4.5.3. Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ.....................................................................................................................................60 Bảng 4.9: Tổng hợp xác suất xảy ra sự cố của mảng cấu kiện bê tông lắp ghép ................................................................................................................................. 61 4.6. Kết luận chương 4.....................................................................................................62 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................63 5.1. Những kết quả đạt được............................................................................................63 5.2. Tồn tại.......................................................................................................................64 5.3. Kiến nghị..................................................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................66 PHẦN PHỤ LỤC...................................................................................................67 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - xiii - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ...........................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................ix PHẦN MỞ ĐẦU......................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài.........................................................................................................1 3. Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng...............................................................1 4. Kết quả đạt được............................................................................................................2 CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ ................................................................................................................................... 3 1.1. Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận..........................................................3 1.2. Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né................................................................4 1.2.1. Đặc điểm chung.......................................................................................................4 1.2.2. Đặc điểm địa hình, địa chất.....................................................................................5 1.2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn.....................................................................................6 1.2.4. Đặc điểm thủy, hải văn............................................................................................6 1.3. Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né.............................6 1.3.1. Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né...............................................................................................................................6 1.3.2. Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát............................................................10 1.3.3. Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam......11 1.4. Hiện trạng các dự án.................................................................................................12 1.4.1. Khảo sát hiện trạng ...............................................................................................12 1.4.2. Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án..................................16 1.4.3. Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án.......................................................17 1.4.4. Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu..............17 1.5. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn........................................................19 1.6. Kết luận chương 1.....................................................................................................19 CHƯƠNG 2............................................................................................................ 20 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - xiv - PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN........................................................................................................................ 20 2.1. Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu.......................................................20 2.1.1. Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]..........................20 2.1.2. Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1]....................20 2.1.3. Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam ....................................................................................................21 2.1.4. Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]........................................21 2.1.5. Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên .........................................................................................................................................22 2.1.6. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên ..........................................................................23 2.2. Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy........................................................31 2.2.1. Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2]....................31 2.2.2. Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5].................................................................33 2.2.3. Tính độ tin cậy của hệ thống [2]............................................................................35 2.3. Bài toán tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ mái dốc............................................................................................................................35 2.3.1. Đặt vấn đề..............................................................................................................35 2.3.2. Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3]............................36 2.3.3. Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3]. ............38 2.4. Kết luận chương 2.....................................................................................................42 CHƯƠNG 3............................................................................................................ 44 TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN..........................................................................................44 3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................................44 3.2. Quan hệ giữa độ tin cậy với hệ số an toàn [3]..........................................................44 3.3. Tính hệ số ổn định của chân kè................................................................................45 3.4. Xác định xác suất hư hỏng và độ tin cậy của kết cấu chân kè (β1; P(Z1)) thông qua hệ số an toàn K................................................................................................................48 3.4. Kết luận chương 3.....................................................................................................49 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - xv - CHƯƠNG 4............................................................................................................ 50 TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN....50 4.1. Đặt vấn đề.................................................................................................................50 4.2. Nhận biết hệ thống....................................................................................................50 4.3. Hệ thống kết cấu.......................................................................................................51 4.4. Sơ đồ hóa hệ thống...................................................................................................51 4.5. Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống........................................................................51 4.5.1. Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2......................................................................51 4.5.2. Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2))..........................................................................................................53 4.5.3. Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ.....................................................................................................................................60 4.6. Kết luận chương 4.....................................................................................................62 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................63 5.1. Những kết quả đạt được............................................................................................63 5.2. Tồn tại.......................................................................................................................64 5.3. Kiến nghị..................................................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................66 PHẦN PHỤ LỤC...................................................................................................67 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -1- PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đoạn bờ biển Hàm Tiến - Mũi Né là một đoạn bờ biển trong vòng cung đường bờ Mũi Né. Dây cung theo hướng Đông - Tây, từ Mũi Né đến mũi Can dài 10 km, R= 8,5 km. Bờ biển Hàm Tiến - Mũi Né có đường bờ loại đụn cát, bãi cát bị xói lở (tốc độ 5÷10 m/năm). Đây là vùng kinh tế tổng hợp Nông – Lâm - Ngư nghiệp, du lịch, trong đó du lịch là trung tâm của Bình Thuận, nổi tiếng của cả nước. Từ năm 1995 đến 2003 nhiều nghiên cứu ứng dụng tiến bộ khoa học, công nghệ và dự án đã được thực hiện nhằm khắc phục tình trạng xói lở đoạn đường bờ này. Trong đó có nhiều dự án thử nghiệm kết cấu mới. Vì vậy hiện nay ở đoạn bờ biển này đã được bảo vệ bằng nhiều loại kết cấu khác nhau. Các tham số tính toán điều kiện biên cũng như tính toán sự làm việc của các kết cấu ở đây là các tham số ngẫu nhiên. Thực tế đòi hỏi cần có sự nghiên cứu tổng kết để phân tích rút ra ưu, nhược điểm và bài học kinh nghiệm của các loại kết cấu bằng kết quả tính toán định lượng, từ đó có sự đánh giá so sánh để có cơ sở khoa học tìm ra kết cấu phù hợp nhất. Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết xác suất thống kê và độ tin cậy đã được áp dụng nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Hà Lan,.. Đây là phương pháp thiết kế tổng hợp cho toàn thể hệ thống, thỏa mãn yêu cầu thực tiễn đòi hỏi hạn chế tối đa những tồn tại của phương pháp thiết kế tất định. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê và độ tin cậy để nâng cao độ chính xác của các nghiên cứu kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né là xu thế phù hợp hiện nay. 2. Mục tiêu của đề tài Sử dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích độ tin cậy an toàn của kết cấu bảo vệ bờ Hàm Tiến – Mũi Né làm cơ sở khoa học cho bài toán kiểm định chất lượng kè mảng lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn (MLGBT). 3. Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng Phương pháp phân tích thống kê. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -2- Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy. 4. Kết quả đạt được Đánh giá được xác suất hư hỏng và độ tin cậy của từng cấu kiện và mảng kết cấu bằng bê tông lắp ghép bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né. -------------------- Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -3CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ 1.1. Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận Từ năm 1997 đến nay một số dự án bảo vệ bờ biển kiên cố bắt đầu được đầu tư xây dựng nhằm ngăn chặn xói lở, Hòa Minh – Phan Rí cửa huyện Tuy Phong, Hàm Tiến – Mũi Né thành phố Phan Thiết và một số khu vực. Về hình thức kết cấu thường có dạng mái nghiêng. Mái kè gồm lớp vải địa kỹ thuật, đá dăm đệm và tấm bê tông liên kết mảng mềm, chân khay là ống buy, bên trong bỏ đá hộc. Bên cạnh đó, cũng có những công trình được xây dựng từ nguồn vốn của các doanh nghiệp tư nhân như kè Sea Horse, kè The Beach, kè Terracotta. Các công trình đê – kè biển thuộc tỉnh Bình Thuận chủ yếu là các công trình trực tiếp biển và công trình ngăn cát giảm sóng tồn tại dưới các dạng sau: (1) Đê kết hợp kè trực tiếp biển: Đây là loại công trình vừa có chức năng chống xói lở bờ vừa có chức năng ngăn mặn, chống triều cường, sóng và nước dâng tương xứng với bão cấp 9 tràn qua đê, bảo vệ an toàn cho khu dân cư, các khu sản xuất, canh tác nông nghiệp. Khi xảy ra bão lớn hơn cấp 9 cho phép sóng tràn qua nhưng không gây hư hỏng kè, thân đê và mái đê phía hạ lưu. Loại công trình này được sử dụng ở những khu vực dân cư có cao độ tự nhiên thấp, chịu tác động trực tiếp của triều cường, nước dâng và sóng trong bão và các khu sản xuất, canh tác nông nghiệp. (2) Kè bảo vệ bờ biển Đây là loại công trình có chức năng ngăn chặn hiện tượng xâm thực bờ biển, chống xói lở bờ, bảo vệ khu dân cư, khu du lịch đồng thời tạo cảnh quan cho các khu đô thị, khu du lịch. Đối với loại công trình này phải đảm bảo ổn định trong điều kiện bão cấp 9 nhưng cho phép sóng tràn qua đỉnh kè. Loại công trình này áp dụng cho những khu dân cư có cao độ tự nhiên cao Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -4- hơn mực nước tổ hợp tính toán tương ứng với cấp công trình (bao gồm triều cường, sóng và nước dân tương ứng bão cấp 9), các khu du lịch biển và các khu sản xuất, canh tác. (3) Đê ngăn cát, giảm sóng, ổn định cửa sông Do đặc thù sông miền Trung nói chung và sông tỉnh Bình Thuận nói riêng có độ dốc lớn, thời gian thoát lũ nhanh, vùng cửa thường có dải cồn cát cao che chắn nên thực tế không cần đê cửa sông. Vì vậy có thể xem các công trình đê ngăn cát, giảm sóng, ổn định cửa sông, bảo vệ khu neo đậu tàu thuyền trú tránh bão là hình thức đê cửa sông. Hiện nay tất cả các cửa sông của tỉnh Bình Thuận đã có công trình loại này. Do vậy chỉ cần theo dõi, đánh giá thường xuyên hiệu quả của công trình để kịp thời có kế hoạch tu bổ. (4) Đê tự nhiên Với chiều dài và quy mô lớn, các dải cồn cát ven biển Bình Thuận thực chất là các tuyến đê tự nhiên và phải đưa chúng vào như một đối tượng cần xem xét trong quy hoạch, dưới đây có nêu một số biện pháp mang tính định hướng đối với dạng công trình này. 1.2. Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 1.2.1. Đặc điểm chung Khu du lịch Hàm Tiến và thành phố Phan Thiết là một trong những khu vực du lịch biển kết hợp nghỉ dưỡng mới hình thành nhưng được rất nhiều du khách trong nước và quốc tế biết đến. Đây là một trong những khu vực “du lịch xanh” khá lý tưởng, với những lợi thế về vị trí địa thế tự nhiên, điều kiện khí hậu, môi trường và cảnh quan của khu vực mà cũng là điểm đến của “du lịch văn hóa – lễ hội”. Bờ biển Hàm tiến – Mũi né (HT-MN) là một phần bờ biển lõm dài 12 Km, chiếm gần 1/5 chiều dài bờ biển Phan thiết. Trên bờ là các diểm dân cư xen kẽ các dịch vụ du lịch trong những vườn dừa trồng trên bãi cát. Men theo dọc bờ là đường giao thông nối liền thành phố Phan thiết với Mũi Né. Có nơi mép đường chỉ cách mép bờ 4- 5 m. Sát bờ phía Tây của Mũi Né là nơi đậu thuyền của ngư dân. Hàng năm ở đây khai thác trung bình khoảng hơn 10.000 tấn hải sản phục vụ cho nhu cầu Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -5- chế biến và xuất khẩu. Nơi này được đánh giá là nơi có cảnh quan và điều kiện phát triển có hạng của ngành du lịch, đồng thời là nơi cung cấp nhiều đặc hải sản của Phan Thiết. Đoạn bờ biển HT-MN thuộc loại bờ đụn cát, bãi cát bị xói lở. Vào những năm 90 của thế kỉ XX, tốc dộ xâm thực khoảng 5-10 m/năm đã ảnh hưởng xấu đến hoạt động kinh tế xã hội trong vùng. Đến nay, tỉnh Bình Thuận đã thực hiện một số biện pháp chống xói để bảo vệ đoạn bờ biển này do đó tình hình xói lở bờ biển đã được cải thiện. 1.2.2. Đặc điểm địa hình, địa chất Chạy sát bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né là những cồn cát cao như những dãy núi. Các cồn cát này chủ yếu do gió thổi cát từ biển vào. Trên các cồn cát cổ có màu đỏ đã có cây cỏ mọc. Những cồn cát trắng và vàng có tuổi thọ trẻ hơn đang trong thời kỳ phát triển và chưa ổn định. Vùng cồn cát, bãi cát ven biển chiếm khoảng 85,6% diện tích tự nhiên, có địa hình tương đối cao, độ dốc 8 0 ÷ 150 đôi chổ dốc tới 250 ÷ 300. Cao độ trên các bãi dừa dọc bờ biển trung bình +3 đến +3,5. Sát bờ là đoạn dốc đứng có chiều cao 1÷3 m, sau đó là bãi cát soải dần ra phía biển với độ dốc trung bình m = 8÷10. Chân dốc cách bờ 30÷40m là sườn dốc tạo thành lạch sâu, ra ngoài xa hơn nữa cách bờ 70÷100 m ít dốc hơn tạo thành dải cát nông chày song song với bờ. Cấu tạo địa chất nền gồm các lớp như sau: - Lớp 1: Phân bố trên bề mặt có bề dày thay đổi từ 3,5÷5m, chủ yếu là cát hạt trung màu xám vàng, xám trắng, trạng thái ẩm nhiều đến bảo hòa nước, thuộc loại kém chặt. Thành phần gồm cát hạt do 41,3%, cát vừa 57,9%, cát nhỏ 0,8%, n = 44,2%, γtn = 1,78 T/m3, γk = 1,48 T/m3, γbh = 1,92 T/m3, γdn = 0,92 T/m3, φk = 280, φbh = 24049’, Cbh = 0,2 T/m2. - Lớp 2: Nằm dưới lớp 1 có bề dày thay đổi từ 1÷4m, chủ yếu là vỏ sò lẫn cát vàng mịn đến trung, γ = 1,41 T/m3, φ = 240, C = 0,1 T/m2. - Lớp 3: Dưới lớp 2 là cát mịn xám đen, γtn = 1,47 T/m3, φ = 250, C = 0,2 T/m2. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -6- 1.2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn Nước dưới đất nằm ở độ sâu so với mặt đất tự nhiên từ 0,5 – 1,0 m. Nước ngầm trong khu vực khảo sát thuộc loại nước không áp, lưu lượng trung bình; nước không có màu có thể sử dụng trong sinh hoạt. Nước ngầm tương đối ổn định do nước từ trên đồi cát bổ sung thường xuyên về phía biển. 1.2.4. Đặc điểm thủy, hải văn Các đặc trưng khí tượng, thủy, hải văn đã được lựa chọn làm chỉ tiêu tính toán thiết kế trong các dự án kè bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né: - Mực nước đỉnh triều cao nhất: Zmax20% = 1,05 m - Mực nước chân triều: Zmin20% = -1,41 m - Mực nước có thời gian duy trì lâu trong 15 – 16 giờ là : ±0,4 m - Độ cao nước dềnh do gió là: 2,2 m - Độ cao nước rút do gió là: 0,7 m - Kích thước sóng tại bờ khi có bão cấp 9 (V=2,5m/s) là : + Chiều cao sóng hs = 2,5m + Bước sóng: λ = 35 m + Chu kỳ sóng là: τ = 5s 1.3. Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 1.3.1. Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né Từ năm 1997 đến nay, đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né đã có nhiều dự án kè bảo vệ bờ đã được xây dựng với nhiều loại kết cấu khác nhau, bao gồm những kết cấu truyền thống như kè đá, các kết cấu mới TSC-178. Trong đó có 03 dự án đã có ứng dụng các tiến bộ khoa học và kết cấu được nghiên cứu cải tiến của Việt Nam: (1) Dự án kè bảo vệ chống xói từ K8 + 735 đến K9 + 405 (Dự án ĐHTL): Dự án này do Trung tâm Khoa học và Triển khai kĩ thuật thủy lợi, trường Đại học Thủy lợi thiết kế, công ty Cổ phần xây dựng phát triển hạ tầng Bình Thuận thi công trong thời kì chống xói khẩn cấp trước 1999. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -7- Kết cấu vỏ kè ở dự án này là mảng lắp ghép bằng những cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát TSC-178 (hình 1.1), chân kè là hai hàng ống bê tông, tiết diện tròn, trong là đá hộc, tường đỉnh kè xây bằng đá cao 0,30 m. Hình 1.1: Cấu kiện TSC-178 Đặc điểm kết cấu mặt cắt kè: Đỉnh kè bằng tường đá xây rộng 1,50 m, cao 60 cm, có bố trí gờ ở cao trình +3,80 m, mái kè được bảo vệ bằng mảng mềm TSC – 178 đặt trên lớp hỗn hợp dăm sạn dày 15 cm, bên dưới là lớp vải lọc POLYFELT TS–55 từ cao trình +3,50 m đến cao trình đỉnh chân kè –0,50 m với mái dốc m = 4. Chân kè được làm bằng hai hai hàng ống buy so le nhau đường kính 1,5 m, chiều cao ống 1,50 m đặc so le trong bỏ đá hộc không phân loại, cao trình đỉnh ống buy trong ở cao trình –0,5 m đáy ống được chôn sâu đến cao trình –2,50 m. 50 50 50 +3.8 m = 1. 5 +3.5 +2.9 50 30 20 Ñaù xaây vöõa M.100 Ñaù ñeäm 2x3x4 daøy 20 cm Vaûi loïc TS-550 m= 4.0 Möïc nöôùc max +1.05 Caáu kieän beâ toâng P.Ñ.TAC-178 D = 25 cm Ñaù daêm 2x3x4 daøy 15 cm ñaàm chaët Vaûi loïc TS-550 Ñaát caùt ñaàm baèng nöôùc 0.0 -1.50 Caáu kieän P.Ñ.TAC-178 D = 25 cm Ñaù daê m daøy 20 cm Beø ñeäm choáng luùn Vaûi loïc TS-550 Caùt haït thoâ Vaûi loïc TS-550 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 -0.5 -1.0 -2.50 Luận văn thạc sĩ -8- Hình 1.2: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL (2) Dự án thử nghiệm ANTIERO Việt – Bỉ (Dự án ANTIERO): Tiểu dự án thử nghiệm này do trung tâm Triển khai kĩ thuật thủy lợi, trường Đại học Thủy lợi thiết kế, công ty Cổ phần xây dựng phát triển hạ tầng Bình Thuận thi công (2001 - 2003) bảo vệ bờ từ K9 + 560 đến K9 + 860. Đỉnh kè được làm bằng tường bê tông trọng lực không cốt thép, có bố trí các bậc lên xuống nhằm đáp ứng yêu cầu tắm biển của du khách Kết cấu vỏ kè cũng là mảng lắp ghép bằng những cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát, các cấu kiện thuộc kiểu TSC–178 nhưng có cải tiến ở bề mặt không bố trí mố nhám trên mảng dày 24 cm để giảm mức độ xâm thực, thân mảng được bố trí dốc hơn m = 2,5 (m cũ = 4). Chân kè là hai hàng ống bê tông có tiết diện lục giác, trong bỏ đá hộc, kiểu KC - HWRU – 2001 (hình 1.3). Đường kính ống buy 1,5 m, chiều cao ống 1,5 m đặc so le trong bỏ đá hộc không phân loại, đỉnh hàng ống thứ nhất tiếp giáp với mái kè ở cao độ -1,0 m, đỉnh hàng ống tiếp theo ở cao độ -1,60 m (thấp hơn hàng ống thứ nhất 0,6 m), đáy ống buy ngoài được chôn sâu đến cao trình –3,10 m. a) b) Hình 1.3: Kết cấu chân kè ống bê tông cốt thép đổ đầy đá hộc a) Hai hàng ống bê tông cốt thép mặt cắt ngang hình tròn b) Hai hàng ống bê tông cốt thép mặt cắt ngang hình lục giác, KCHWRU – 2001 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -9- Hình 1.4: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO (3) Dự án kè bảo vệ bờ K12 + 200 đến K14 + 200 (Dự án Bình Thuận): Dự án này do đơn vị tư vấn Bình Thuận thiết kế và thi công. Đỉnh kè bằng bê tông, cao trình đỉnh kè +2,50 m. Kết cấu vỏ kè ở dự án này là mảng lắp ghép bằng những cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát TSC-178 bằng bêtông M200 có chiều dày D = 25 cm từ cao trình +2,5 đến cao trình -1,0, hệ số mái kè m = 4,0. Chân khay kè áp dụng công nghệ mới là KC-HWRU-2001 bằng hai hàng ống buy có hình lục giác đặt so le nhau, đường kính trong 1,2 m, đường kính ngoài 1,5 m, chiều dày ống buy 12 cm, chiều cao ống buy H=1,5 m, bên trong bỏ đá hộc không phân loại có đường kính D>=30cm, đỉnh hàng ống thứ nhất tiếp giáp với mái kè ở cao độ -1,0 m, đỉnh hàng ống tiếp theo ở cao độ -1,60 m (thấp hơn hàng ống thứ nhất 0,6 m), đáy ống buy ngoài được chôn sâu đến cao trình –3,10m. Từ cao trình +2,5 đỉnh kè lên đến cao trình mặt đất tự nhiên: Phần mái dốc được gia cố bảo vệ bằng đá xây để bảo vệ mái bờ không bị phá hỏng do thoát nước mưa và sạt lở do tải trọng. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 10 - Hình 1.5: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận  Thông số kỹ thuật cấu kiện TSC-178: Cấu kiện bê tông đúc sẵn có ký hiệu TSC-178 được chọn để lát mái sử dụng trong dự án có kích thước: - Chiều dày cấu kiện: D = 25 cm - Mặt bằng lắp ghép hình lục giác có cạnh: a = 26 cm - Diện tích mặt trên: S = 0,0175 m2 - Chiều dày hình lục lăng: tl = 6 cm - Mặt đáy hình sao 3 cánh + Chiều dài liên kết: b = 14 cm + Chiều rộng liên kết: a2 = 18 cm + Chiều dày liên kết: t2 = 9 cm + Góc vát liên kết: tga = 1,43 - Mố nhám tiêu năng hình chóp tam giác cụt cạnh dài 45 cm, cạnh ngắn 25 cm, chiều cao 6 cm - Trọng lượng cấu kiện: G = 105 kg. 1.3.2. Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát Kè bảo vệ mái dốc bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát là một loại kết cấu “linh hoạt” dễ biến dạng theo nền. Mức độ linh hoạt của kết cấu càng cao thì khả năng duy trì ổn định của hệ thống kết cấu càng tốt. Ở Việt Nam, các cấu kiện được dùng trong các kết cấu bảo vệ mái đê, mái Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 11 - đập, bờ biển thường là các khối bê tông lập phương, các tấm bê tông hình chữ nhật hoặc các khối lục lăng… Sự ổn định của kết cấu phụ thuộc vào sự liên kết giữa các cấu kiện. Các cấu kiện liên kết với nhau càng chặt chẽ thì lực ma sát giữa chúng càng lớn, càng có lợi về mặt ổn định cho kết cấu. Kè bảo vệ mái dốc lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn thường được chia ra thành các mảng độc lập. Giới hạn trên của mảng là đỉnh kè, giới hạn dưới là chân kè, giới hạn bên là các mảng tiếp theo hoặc bờ. Về mặt cơ học, các mảng kết cấu này làm việc theo nguyên lý tương tác giữa ba môi trường nước – nền – công trình. 1.3.3. Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam MLGBT liên kết ma sát có thể bị mất ổn định tổng thể như bị lún không đều, bị trượt theo mặt tiếp xúc với mái dốc hoặc bị trượt theo khối trượt của mái dốc do tác động từ các lực phát sinh từ môi trường nước như lực thủy tĩnh, lực sóng…và các lực phát sinh từ điều kiện địa kĩ thuật của môi trường đất như áp lực thấm, áp lực nước đẩy nổi …. Hiện nay các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT được tiến hành qua thí nghiệm và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm MLGBT liên kết ma sát trong máng sóng và mô phỏng sự làm việc của mảng trên mô hình cơ học trong các phòng thí nghiệm của viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và trường Đại học Thủy lợi năm 1995, cũng như theo dõi sự làm việc của mảng ở ngoài hiện trường cho thấy: khi một cấu kiện trong mảng bị tách rời ra khỏi mảng hoặc các kết cấu ở biên bị mất ổn định, nếu không khắc phục kip thời mảng sẽ bị sóng phá hoại hoàn toàn. Vì vậy hiện nay trong các tính toán ổn định MLGBT liên kết ma sát lấy giới hạn liên kết của các cấu kiện trong mảng và giới hạn liên kết các kết cấu ở các biên làm tiêu chuẩn phá hoại của mảng.[3] Phân tich kết cấu MLGBT liên kết ma sát dựa trên cơ sở xem mảng là kết cấu trên nền. Sử dụng sơ đồ dầm trên nền đàn hồi để tính mảng theo các bài toán Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 12 - phẳng. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, trong sơ đồ dầm trên nền đàn hồi thay thế các vị trí tiếp xúc bằng những phần tử ảo, kết quả tính toán gần đúng với quy luật phá hoại mảng trong mô hình thí nghiệm. Phân tích này cũng được xem như là một phân tích gần đúng có thể tham khảo trong các thiết kế. [3] Trong các tính toán thiết kế MLGBT liên kết ma sát hiện nay được dựa trên điều kiện ổn định đẩy nổi của các cấu kiện và ổn định của các kết cấu ở biên để quyết định điều kiện ổn định của mảng. Hay nói một cách khác các tính toán đang được thực hiện theo mô hình thiết kế truyền thống. Do đó để tiếp cận bài toán kiểm định chất lượng công trình mà đáp ứng được trình độ khoa học trong mô hình thiết kế hiện đại thì ở đây sử dụng lý thuyết độ tin cậy. 1.4. Hiện trạng các dự án 1.4.1. Khảo sát hiện trạng Việc đề xuất nhiệm vụ, bài toán cụ thể trong luận văn được thực hiện thông qua quá trình khảo sát, đo đạc hiện trạng, đặc điểm làm việc của các kết cấu của 03 dự án: Dự án ĐHTL, dự án ANTIERO và dự án Bình Thuận. Nội dung khảo sát hiện trạng được nhóm khảo sát thực hiện bao gồm: 1) Quan sát tổng thể đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án thuộc phạm vi nghiên cứu: - Quan sát hiện trạng tổng thể toàn bộ khu vực bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né - Quan sát hiện trạng 03 dự án Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 13 - ĐOẠN HÀM TIẾN - MŨI NÉ Hình 1.6: Vị trí công trình trên bản đồ hành chính tỉnh Bình Thuận Hình 1.7: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 14 - Hình 1.8: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO Hình 1.9: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận 2) Đo đạc các chỉ tiêu phục vụ việc đánh giá, tính toán kiểm định: Các số liệu thống kê đo đạc phục vụ tính toán độ tin cậy và xác suất an toàn của kết cấu mảng mềm là các biến ngẫu nhiên. Do vậy quá trình khảo sát đo đạc được thực hiện trên các cấu kiện bất kỳ thuộc cùng 1 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 15 - mảng kết cấu. - Đo đạc xác định trọng lượng (G) các cấu kiện: Trọng lượng của các cấu kiện được xác định thông qua việc đo kích thước cấu kiện và đánh giá tương đối phần trăm trọng lượng cấu kiện bị giảm so với trọng lượng ban đầu. - Đo cường độ bê tông (Rbt) của các cấu kiện bằng súng bật nảy. - Đo chuyển vị giữa các cấu kiện bê tông. Hình 1.10: Kiểm tra cường độ bê tông cấu kiện bằng súng bật nẩy Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 16 - Hình 1.11: Kiểm tra chuyển vị các cấu kiện Hình 1.12: Đo kích thước cấu kiện xác định trọng lượng cấu kiện 1.4.2. Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án Đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né hiện có nhiều dự án kè bảo vệ bờ đã được xây dựng với nhiều loại kết cấu khác nhau, bao gồm những kết cấu truyền thống Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 17 - cũng như các kết cấu mới TSC-178, KC-HWRU-2001. Ngoài các công trình do nhà nước đầu tư thì còn có các công trình doanh nghiêp tư nhân xây dựng. Tuy nhiên việc đầu tư xây dựng kè bảo vệ bờ biển chưa đảm bảo theo chiều dài tuyến, không liên tục và đồng bộ. Nhìn chung các dự án bảo vệ bờ biển trong đó có ba dự án: dự án ĐHTL, dự án ANTIERO, dự án Bình Thuận đã được xây dựng đều ổn định, các giải pháp kỹ thuật phù hợp với mục tiêu nhiệm vụ (bảo vệ bờ, phục vụ sản xuất thủy sản, du lịch..). phát huy hiệu quả đầu tư, giữ được đất, người dân an tâm sinh sống làm ăn, tạo điều kiện phát triển kinh tế, xã hội của địa phương. Đối với các đoạn bờ thuộc ba dự án nói trên trước đây quá trình xói lở, xâm lấn của biển diễn ra mạnh mẽ, tuy nhiên sau khi được đầu tư xây dựng thì hiện nay hiện tượng xói lở của các đoạn kè đã được kiểm soát ổn định, hiện tượng sạt lở, xâm lấn của biển hằng năm đã không còn. 1.4.3. Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án Quá trình khảo sát, đo đạc xác định các số liệu thống kê để phục vụ cho việc tính toán độ tin cậy và hệ số an toàn của kết cấu mảng mềm bảo vệ mái dốc đối với ba dự án đòi hỏi phải đầy đủ tham số điều kiện biên của đỉnh kè, thân kè và chân kè. Tuy nhiên tại thời điểm khảo sát chỉ thực hiện được công tác đo đạc các số liệu thống kê đối với các cấu kiện thuộc thân kè và đỉnh kè của hai dự án là: dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận. Đối với kết cấu chân kè của hai dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận cùng với toàn bộ kết cấu thân kè và chân kè của dự án ANTIERO không thể tiến hành đo đạc do hầu hết đã bị che khuất dưới cát và nước biển. Trong quá trình khảo sát chỉ quan sát được một vài vị trí chân kè của dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận ở một số thời điểm nhất định khi mực nước xuống thấp. Kết quả quan sát kết hợp với điều tra cho thấy có một vài vị trí chân kè xuất hiện hiện tượng bị xói phần đất phía ngoài ống buy có thể gây mất ổn định cho chân kè. 1.4.4. Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu Các tiêu chí định tính được đánh giá, nhận xét trên cơ sở kết quả quan sát, đo Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 18 - đạc hiện trạng dự án. (1) Tiêu chí về biến dạng theo nền: Nhìn chung kết cấu mảng có sự biến dạng lún đều theo nền, độ võng của các vị trí biến dạng khác nhau rất ít,.. (2) Tiêu chí về liên kết vững chắc của các phần tử (các cấu kiện): Các cấu kiện có sự xê dịch về vị trí nhưng ở mức độ rất nhỏ, chỉ khoảng 0,5 ÷ 1cm và vẫn nằm trong phạm vi cho phép theo chỉ tiêu thiết kế, các cấu kiện đảm bảo sự đan cài vào nhau, không có phần tử nào bị mất liên kết và bung rời khỏi mảng. Do vậy hiện tại kết cấu mảng vẫn đảm bảo được sự liên kết vững chắc. (3) Tiêu chí về bảo toàn tính nguyên vẹn của mảng: Các kết cấu biên trên (đỉnh kè), kết cấu biên ngoài, thân mảng (cấu kiện kiểu TSC-178) và kết cấu chân kè vẫn được duy trình ổn định như thiết kế ban đầu. (4) Tiêu chí về xâm thực vật liệu: Theo quan sát thì các cấu kiện thuộc chân kè, các kết cấu TSC178 đều chịu ảnh hưởng của xâm thực, gồm xâm thực do nước mặn và xâm thực do bào mòn. Bề mặt vật liệu đã có hiện tượng bị tróc lỗ, làm giảm trọng lượng của cấu kiện do tác động của sóng biển, triều cưòng vỗ trực tiếp vào mái kè, và có mang theo một lượng cuội sỏi có thành phần cở hạt lớn gần bờ, tạo ma sát mạnh với bề mặt mái kè làm cho bê tông cấu kiện mãng mềm bị bào mòn nhanh chóng. (5) Tiêu chí về ổn định tổng thể mảng trên mái dốc: Về cơ bản toàn bộ mảng liên kết vẫn giữ được sự ổn định trên mái dốc, tuy nhiên một số vị trí chân kè ở dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận theo quan sát có xuất hiện hiện tượng xói phần đất phía ngoài ống buy chân kè, có thể gây mất ổn định kết cấu. (6) Duy trì liên kết với các kết cấu khác để bảo vệ bờ: Nhìn chung toàn bộ kết cấu mảng mềm bảo vệ mái dốc và các kết cấu khác (kết cấu bảo vệ mái đất tự nhiên trân đỉnh kè,..) vẫn được duy trì thành một khối chỉnh thể. (7) Tiêu chí về độ giảm cường độ bê tông (R bt): Qua số liệu đo đạc cho thấy cường độ bê tông có giảm nhưng không đáng kể. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 19 - 1.5. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn Các nghiên cứu áp dụng phương pháp tính theo hướng tiếp cận với mô hình thiết kế hiện đại trong tính toán công trình bao gồm cả tính toán phục vụ kiểm định chất lượng công trình là các nghiên cứu mang tính mới ở Việt Nam hiện nay. Để đáp ứng cho mục tiêu nghiên cứu “áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào kiểm định chất lượng các kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né, Bình Thuận” luận văn thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau: (1) Tính độ tin cậy an toàn của kết cấu chân kè theo phương pháp chuyển đổi từ hệ số an toàn. (2) Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống kết cấu mảng kè lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn. Các nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi dự án Bình Thuận. 1.6. Kết luận chương 1 Trên cơ sở tổng quan về tình hình xây dựng các dự án ở bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và khảo sát hiện trạng các dự án cho thấy ở đây đã sử dụng nhiều loại kết cấu. Tuy vậy kết cấu cùng loại, đặc biệt là phần vỏ kè có chung loại kết cấu MLGBT liên kết ma sát. Trong các tính toán thiết kế cũng như tính toán của các nghiên cứu MLGBT chủ yếu sử dụng mô hình thiết kế truyền thống. Luận văn áp dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích độ tin cậy an toàn của mảng làm cơ sở khoa học cho các tính toán kiểm định chất lượng kè MLGBT là một bước tiến bộ trong tính toán loại kè này ở Việt Nam. Việc tổ chức tính toán sẽ được thực hiện từ khâu khảo sát hiện trạng, thu thập, thống kê số liệu,…đến việc sử dụng bài toán mẫu ở mức độ xác suất ở cấp độ II. Vì vậy các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ có tính khả thi không chỉ đối với kè Hàm Tiến – Mũi Né mà nó sẽ khả thi với các kè loại này ở Việt Nam. -------------------- Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 20 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN 2.1. Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu 2.1.1. Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] Sự tiến triển logic của các phương pháp thiết kế công trình đã được tổng kết như sau. Ban đầu chúng được tính theo các phương pháp tất định (theo ứng suất cho phép và hệ số an toàn), với tiền đề là tải trọng và độ bền tính toán đã được mặc định trong suốt quá trình làm việc của công trình. Thực tế thì các hàm tải trọng và độ bền chịu tác động của rất nhiều yếu tố khác nhau, và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiên. Vì vậy việc ấn định trước các giá trị tính toán của chúng trong suốt thời gian làm việc của công trình là chưa thoả đáng. Bù lại, để tăng mức độ dự trữ an toàn, người ta phải giảm bớt các trị số ứng suất cho phép, hay tăng hệ số an toàn cho phép lên. Việc tăng hay giảm này không tránh khỏi yếu tố chủ quan. Sự chuyển sang phương pháp trạng thái giới hạn là một bước tiến trên con đường cải tiến các phương pháp thiết kế công trình. Phương pháp trạng thái giới hạn thực chất là phương pháp bán ngẫu nhiên, ở đây các hệ số an toàn cục bộ (nc, Kn, m, KVL) được xác định theo con đường xác suất thống kê. Bước tiến tiếp theo là việc chuyển sang các phương pháp ngẫu nhiên trong khuôn khổ lý thuyết độ tin cậy. Lý thuyết này xét đến bản chất thay đổi thường xuyên của tải trọng và tác động, tính chất vật liệu, bản thân kết cấu và các điều kiện khai thác chúng. 2.1.2. Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1] Những năm thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ XX trên thế giới đã có những công trình công bố về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào lĩnh vực kết cấu xây dựng. Các khái niệm về “Xác suất đảm bảo không bị phá hoại” cũng như tính toán các xác suất này đã trở nên quen thuộc trong lĩnh vực kết cấu xây dựng. Những năm thập kỷ 70÷90 của thế kỷ XX xuất hiện hàng loạt các công trình Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 21 - nghiên cứu độ tin cậy kết cấu xây dựng. Các nghiên cứu tập trung vào xây dựng các phương pháp tính độ tin cậy có thể áp dụng được vào các bài toán kỹ thuật và phát triển các thiết kế tối ưu theo độ tin cậy. Vấn đề này được phát triển cả ở Liên Xô (cũ) và cả ở các nước Âu, Mỹ. Lý thuyết độ tin cậy cũng đã được ứng dụng vào lĩnh vực tính toán công trình thủy từ những năm thập kỷ 90 của thế kỷ XX. Các thiết kế ngẫu nhiên và các thiết kế rủi ro được phát triển khá mạnh mẽ trong lĩnh vực công trình biển và công trình bảo vệ bờ. Ở nước ta, lý thuyết độ tin cậy cũng đã được xâm nhập vào từ những năm 60, từ đó đến nay nó không ngừng được phát triển. Đầu tiên là sự truyền bá lý thuyết bằng những sách dịch, bài giảng, giáo trình giảng dạy trong các trường đại học, tiếp đến là các công trình nghiên cứu trong khuôn khổ các luận văn thạc sĩ, luận án tiến sĩ trong các ngành Giao thông, Kết cấu xây dựng, Công trình thủy, Đê và công trình bảo vệ bờ…Trong lĩnh vực kết cấu xây dựng đã có những quy định ban đầu về tính độ tin cậy kết cấu. So với thế giới ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực công trình xây dựng của Việt nam đang còn là mới mẻ. 2.1.3. Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam Hiện nay trên thế giới việc ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên vào thiết kế công trình xây dựng nói chung và công trình thủy nói riêng trở thành xu thế chung và đang được phổ biến. Ở Việt nam vấn đề này mới chỉ ở những bước đầu, hiện nay đang được phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên đối với tính toán các công trình thủy các kết quả ứng dụng vẫn còn hạn chế. Phần lớn các kết quả công bố dưới dạng luận án tiến sĩ, luận văn thạc sĩ, các bài báo. [5] 2.1.4. Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] Trong trường hợp tất cả các nguyên nhân xảy ra hư hỏng công trình có thể liệt kê và xác suất xảy ra hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì về nguyên tắc có thể xác định được xác suất xảy ra sự cố. Vì vậy, hoàn toàn có thể đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình với ý tưởng “Cần xem xét về Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 22 - mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn công trình căn cứ vào phân tích rủi ro cho tất cả các yếu tố liên quan”. Đây là lý do cơ bản của sự phát triển phương pháp “Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy”. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở toán xác suất thống kê để phân tích tương tác giữa các biến ngẫu nhiên của tải trọng và của sức chịu tải trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình. Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng. Tính toán xác suất phá hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng. 2.1.5. Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Hai phương pháp thiết kế dùng trong tính toán công trình thủy lợi, thủy điện trong đó có hồ đập hiện nay là: phương pháp thiết kế tất định và phương pháp thiết kế ngẫu nhiên. Phương pháp thiết kế tất định và tính hệ số an toàn được dùng trong thiết kế truyền thống. Theo thiết kế này, công trình được định trước để đáp ứng với những tổ hợp tải trọng định trước tương ứng với trạng thái giới hạn cũng như cơ chế phá hoại được dự định của người tính toán. Hạn chế lớn nhất của phương pháp là không kể đến khả năng xuất hiện các tải trọng lớn hơn hoặc nhỏ hơn tải trọng thiết kế. Vì vậy trong thực tế, nhiều công trình thiết kế theo phương pháp này có sự cố hoặc đổ vỡ không có cơ sở tìm ra nguyên nhân. Công cụ dùng trong phương pháp thiết kế là các công cụ dùng trong thiết kế truyền thống như phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn và phương pháp nhiều hệ số an toàn [2]. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên (TKNN) và phân tích rủi ro (PTRR) là một phương pháp thiết kế theo xu hướng hiện đại, đã được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế hệ thống kĩ thuật, nhưng việc áp dụng vào thiết kế các hệ thống phức tạp như hệ thống đê biển vẫn còn nhiều hạn chế. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được phát triển trên cơ sở của phương pháp thiết kế truyền thống (TKTT). So với TKTT, TKNN có những tiến bộ như sau: Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 23 - - Tiến bộ hơn trong việc đánh giá sức chịu tải và tải trọng - Hạn chế những khảo sát không cần thiết, đưa lại tiết kiệm về tài chính. - Cung cấp phương tiện cho duy trì bảo dưỡng và quản lý vận hành Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được chia ra làm bốn cấp độ [4]: • Cấp độ 0: Là phương pháp thiết kế tất định – phương pháp hệ số an toàn. Thiết kế dựa trên cơ sở các trạng thái trung bình, các trị trung bình và kèm theo hệ số an toàn thích hợp tương ứng với mỗi loại công trình; • Cấp độ I: Là phương pháp thiết kế tất định – phương pháp trạng thái giới hạn. Đây còn gọi là phương pháp tiếp cận bán ngẫu nhiên. Trong thiết kế sử dụng các 1 nhóm các hệ số an toàn cục bộ (nc, m, Kn, n, KVL) để tăng giá trị của tải trọng và giảm giá trị của độ bền. • Cấp độ II: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên. Cấp độ này bao gồm một số phương pháp gần đúng để biến đổi hàm phân phối xác suất sang dạng hàm phân phối chuẩn hay phân phối Gaussian. Để xác định gần đúng các giá trị xác suất xảy ra sự cố, quá trình tuyến tính hóa toán học các phương trình liên quan cần được thực hiện. • Cấp độ III: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên. Theo cấp độ tiếp cận này, các hàm phân phối xác suất của các biến ngẫu nhiên được xem xét hoàn toàn đúng với quy luật phân phối thực của chúng. Trường hợp bài toán phi tuyến, vấn đề cũng sẽ được giải quyết theo phi tuyến. Vì tính phức tạp của những công trình xây dựng trong đó có đê biển, nên khả năng giải bài toán TKNN vẫn đang dừng ở mức độ 2. 2.1.6. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 2.1.6.1. Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên [4] a. Tính toán mức độ I Một cách tổng quát, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chuẩn và Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 24 - hướng dẫn thiết kế. Trong đó các thông số độ bền được gia giảm bằng các hệ số đặc trưng, các thông số tải trọng được gia tăng bằng các hệ số tải trọng. Thể hiện theo công thức 2.1 R > γ SS γR Trong đó: (2.1) + R – Độ bền; + S – Tải trọng; + γR – Hệ số an toàn của độ bền; + γS – Hệ số an toàn của tải trọng. Các giá trị đặc trưng của thông số độ bền và tải trọng được tính theo công thức 2.2 R = μR + kRσR S = μ S + k Sσ S (2.2) Một số sách hướng dẫn thiết kế gần đây đã liên kết tính toán theo biểu thức 2.1 với lí thuyết độ tin cậy để tính toán xác suất xảy ra sự cố ở mức độ II. Sự kết hợp này được thể hiện trong định nghĩa điểm thiết kế “Điểm thiết kế là điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất kết hợp của độ bền và tải trọng là lớn nhất”. Vì vậy mà giá trị độ bền và tải trọng tại điểm sự cố gần với giá trị tại điểm thiết kế: R * = μ R + α R βσ R = μ R (1 + α R βVR ) S* = μ S + α Sβσ S = μ S (1 + α SβVS ) (2.3) Thế công thức 2.3 vào 2.2 được hệ phương trình của các hệ số an toàn thành phần 2.4 γR = 1 + k R VR R = * 1 + α R βVR R S* 1 + α SβVS γS = = S 1 + k S VS (2.4) Hệ số an toàn thành phần của độ bền phụ thuộc vào độ lệch chuẩn của cả độ bền và tải trọng: Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 25 σR αR = − (2.5) σ 2R + σ S2 b. Tính toán mức độ II Tính toán mức độ II bao gồm một số phương pháp gần đúng để biến đổi hàm phân phối xác suất sang dạng hàm phân phối chuẩn hay phân phối Gaussian. Để xác định gần đúng các giá trị xác suất xảy ra sự cố, quá trình tuyến tính hóa toán học các phương trình liên quan cần được thực hiện. Tùy thuộc dạng hàm tin cậy và phân bố các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các trường hợp tính toán cấp độ này bao gồm: + Trường hợp (1): Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn; + Trường hợp (2): Hàm tin cậy phi tuyến; + Trường hợp (3): Các biến cơ bản không phân bố chuẩn; + Trường hợp (4): Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc. * Trường hợp (1) - Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn. Trường hợp này việc tính toán xác suất xảy ra sự cố là đơn giản bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của các biến cơ bản. Trị số độ tin cậy được xác định theo biểu thức 2.6 β= μZ σZ (2.6) Trong đó, µ z , σ z được tính theo công thức 3.8. Z = a1X1 + a2X2 + … + anXn + b μ Z = a 1μ X1 + a 2 μ X 21 + ... + a n μ X n1 + b σZ = n (2.7) n ∑∑ a a Cov(X , X ) i =1 j=1 i j i j Các biến ngẫu nhiên cơ bản X 1, X2, …, Xn tuân theo luật phân bố chuẩn thì Z cũng là hàm phân bố chuẩn. Xác suất ZN) hay P (Z>0) Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 (2.30) Luận văn thạc sĩ - 32 - Trong các tính toán an toàn công trình, xác suất an toàn được đối chiếu với xác suất an toàn tiêu chuẩn (Ptc), được xác định theo các tiêu chuẩn thiết kế. Trong các bài toán xác suất không phụ thuộc vào thời gian xảy ra xác suất sự cố (Psc) và xác suất an toàn (Pat) có tổng là 1, xác suất xảy ra sự cố được tính theo công thức 2.31: Psc = 1 – Pat (2.31) Khi các hàm tải trọng và hàm sức chịu tải có phân bố phù hợp với quy luật chuẩn thì hàm mật độ xác suất của N và R được viết theo 2.32 và 2.33.  1  N − N 2    , -∞ < N < ∞ f (N ) = . exp −  σ N . 2π  2  σ N   (2.32)  1  R − R 2    , -∞ < R < ∞ f ( R) = . exp −  σ R . 2π  2  σ R   (2.33) 1 1 Khi đó hàm được thành lập từ kỳ vọng toán học của hàm Z cũng có dạng phân phối chuẩn. (2.34) Z = R−N Độ lệch chuẩn của hàm Z được tính theo công thức 2.35. σ Z2 = σ N2 + σ R2 (2.35) Trong các công thức 2.32, 2.33, 2.34 và 2.35: Z , R, N và σ N , σ R , σ Z lần lượt là các giá trị bình quân số học (kỳ vọng toán học) và độ lệch chuẩn của hàm phân phối tải trọng N, sức chịu tải R và hàm tin cậy Z. Xác suất đảm bảo an toàn cho công trình không bị phá hoại được tính:  1  R − R 2   dZ P = P ( Z > 0) = ∫ . exp −   2 σ σ . 2 π  0  R   R  ∞ 1 (2.36) Xác suất đảm bảo an toàn của công trình là đại lượng tường minh để đánh giá độ tin cậy về an toàn một bộ phận hoặc của công trình. Tránh những vướng mắc về độ chính xác do lấy số thập phân khi tính xác suất, trong tính toán người ta thường sử dụng chỉ số tin cậy (β) thay cho xác suất (P). Chỉ số β được xác định theo công thức 2.37. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ β= - 33 Z R−N = σZ σ R2 + σ N2 (2.37) Ý nghĩa các thành phần trong công thức 2.37 như trong các công thức từ 2.32 đến 2.35. Trường hợp hàm độ tin cậy Z có dạng phân phối chuẩn thì xác suất P và độ tin cậy β của hàm Z quan hệ với nhau theo công thức 2.38. P = P(Z>0) = φ (β) (2.38) Khái niệm độ tin cậy an toàn β không tường minh nhưng trong các tính toán công trình độ tin cậy tiêu chuẩn được dùng một cách phổ biến hơn là xác suất tiêu chuẩn. Quan hệ giữa xác suất P và β được thể hiện trên Hình 2.2 2.2.2. Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5] 2.2.2.1. Các giả thiết: Xét trường hợp Z chỉ có hai biến cơ bản Z = R – S, trong đó R và S đều có phân bố chuẩn. Theo lý thuyết xác suất thống kê Z cũng có phân bố chuẩn. 2.2.2.2. Các bước thực hiện bài toán - Tìm kỳ vọng µ (Z ) µ ( Z ) = µ ( R) − µ ( S ) (2.39) - Tìm phương sai σ của hàm Z σ 2 ( Z ) = σ 2 ( R) − σ 2 ( S ) (2.40) - Tìm xác suất hư hỏng của công trình được tính theo 2.41 0 P{Z < 0} = ∫f Z ( Z )d Z = φ n (− β ) (2.41) −ϖ + Trong đó: f Z - là hàm mật độ xác suất của hàm độ tin cậy Z φ n (− β ) - là hàm phân bố chuẩn β - là chỉ số độ tin cậy - Tìm chỉ số độ tin cậy β= µ (Z ) τ (Z ) Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 (2.42) Luận văn thạc sĩ - 34 - Trường hợp tổng quát Z là hàm ngẫu nhiên của n biến bất định X1, X2, …..Xn, giả thiết các biến độc lập lẫn nhau từng đôi một, giá trị trung bình và phương sai của các biến đã biết. Theo cách giải bài toán ở mức độ 2 là biến của hàm Z về dạng tuyến tính. Phương pháp tuyến tính hóa dựa trên cơ sở mở rộng bằng chuỗi Taylor tại điểm Xi = Xi,0 hàm được tuyến tính hóa có dạng 2.43. n  OZ  Z = Z 0 + ∑ ( X i − X i ,0 )   n =1  OX i  0 (2.43) + Trong đó: Z0 là giá trị của hàm Z tại điểm Xi = Xi,0  OZ    là đạo hàm riêng của Z theo Xi tại điểm Xi = Xi,0  OX i  O - Kì vọng của hàm Z tính theo 2.44: n µ (Z ) = Z 0 + ∑ n =1   OZ   µ ( X i ) − X i , 0      OX i  0  2 (2.44) - Phương sai của hàm Z   OZ   σ ( Z ) = ∑ σ X i    i =1   OX i  O   n 2 2 (2.45) - Xác suất hư hỏng được tính P( Z < 0 ) = 0 ∫ϖ f ( Z ) d Z Z = φn ( − β ) (2.46) − Cách gán X0 cho giá trị trung bình của Xi được gọi là phương pháp gần đúng theo giá trị trung bình. Có thể thực hiện phương pháp gần đúng khác là điểm nằm trên đường giới hạn. Tại đó hàm mật độ xác suất có giá trị lớn nhất và được xác định theo công thức 2.47. + Trong đó: α i = X i ,0 = µ ( X i ) − α i βτ ( X i ) (2.47) τ ( X i ) σZ τ ( Z ) σX i (2.48) Trong thực tế tìm được điểm thiết kế một cách trực tiếp là rất khó khăn (trừ Z là hàm tuyến tính) do đó cần được xác định bằng cách thử dần. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 35 - Trường hợp các biến cơ bản không có dạng phân bố chuẩn có thể biến đổi về phân bố chuẩn tương đương. Khi đó hàm mật độ xác suất fZ (Z) và hàm phân bố xác suất có giá trị như nhau tại điểm X0. 2.2.3. Tính độ tin cậy của hệ thống [2] Trong tính toán xác suất tổng hợp của hệ thống thường gặp những bào toán liên quan tới hàm nhiều biến. Khi tính toán các hệ thống công trình như công trình thủy lợi, người tính toán không chi gặp phải những khó khăn về mặt toán học ở các hàm nhiều biến mà còn gặp phải những khó khăn về số liệu thống kê để tạo lập các biến ngẫu nhiên. Hiện nay sự phát triển của phương pháp số cũng với máy tính điện tử đã và đang giúp cho người tính giảm bớt những khó khăn trong việc giải các bài toán. Nhiều nghiên cứu cũng như một số tính toán theo hướng tiếp cận với phương pháp Monte Carlo cũng mang lại những kết quả mong muốn. Trong tính toán với mức độ xác suất ở cấp độ II có thể tìm xác suất tổng hợp của hệ thống từ các định lý cộng và nhân xác suất. Các hệ thống được mô hình hóa thành ba loại: hệ thống nối tiếp (Hình 2.3a), hệ thống song song (Hình 2.3b) và hệ thống hỗn hợp (Hình 2.3c). Z1 Z2 Z1 Z3 Z2 a) Hệ thống nối tiếp b) Hệ thống song song Z1 Z3 Z2 c) Hệ thống hỗn hợp Hình 2.3: Ba loại mô hình hệ thống 2.3. Bài toán tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ mái dốc 2.3.1. Đặt vấn đề Đã từ lâu, các cấu kiện bê tông đúc sẵn được sử dụng để thay thế vật liệu đá tự nhiên trong các kết cấu kè chống sóng bảo vệ mái dốc đê, đập, bờ sông, bờ Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 36 - biển… Để giảm trọng lượng cấu kiện và giảm thiểu chiều dầy kết cấu, các cấu kiện được liên kết lại với nhau. Hình thức liên kết giữa các cấu kiện với nhau từ đơn giản đến phức tạp. Các hình thức liên kết thường gặp là liên kết tự chèn hay còn gọi là liên kết ma sát, liên kết với nhau bằng các móc hoặc được sâu vào nhau bằng một sợi dây như chuỗi hạt… Kè bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn liên liên kết ma sát là loại kết cấu “linh hoạt” dễ biến dạng theo nền, được dùng phổ biến ở Việt Nam [3]. 2.3.2. Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3] Các cấu kiện được dùng trong các kết cấu chống sóng bảo vệ mái đê, mái đập, bờ sông, bờ biển ở Việt Nam là các khối bê tông lập phương, các tấm bê tông nhỏ hình chữ nhật hoặc các khối lục lăng…Trong kết cấu, các cấu kiện càng liên kết chặt chẽ với nhau thì lực ma sát giữa chúng càng lớn, càng có lợi về mặt ổn định cho kết cấu. Các nghiên cứu cải tiến đã xử lí mặt tiếp xúc giữa các cấu kiện bằng cách vát xiên hoặc tạo gờ có quy luật, khi lắp ghép các cấu kiện tự chèn khít vào nhau, khi đó lực ma sát giữa các cấu kiện được tăng lên rõ rệt. Các cấu kiện lắp ghép với nhau tạo thành một lớp phủ trên bề mặt mái dốc cần bảo vệ. Trong kĩ thuật thủy lợi, lớp này được gọi là lớp vỏ kè, cả kết cấu gọi là kè bảo vệ mái dốc. Kè bảo vệ mái dốc lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn thường được chia ra thành các mảng độc lập. Kích thước của mảng tùy thuộc vào quy mô của kè. Thông thường chiều rộng của mảng lấy theo phương chiều dài của đê đập từ 15- 20 m. Chiều dài của mảng lấy theo phương của mái dốc. Giới hạn trên của mảng là đỉnh kè, giới hạn dưới là chân kè, giới hạn bên là các mảng tiếp theo hoặc bờ. Các cấu kiện trong mảng được đặt trên tầng lọc ngược, các biên trên, biên dưới, hai bên là các kết cấu liên kết chặt xuống mái dốc như hình 2.4 và 2.5. Mỗi mảng lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn (MLGBT) là một hệ kết cấu linh hoạt làm việc tương tác trong ba môi trường Nước – Đất – Công trình. Mức độ linh hoạt của kết cấu càng cao thì khả năng duy trì ổn định của hệ thống kết cấu càng tốt. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 37 - Hình 2.4: Một số bản bê tông đúc sẵn lát độc lập trên kè mái a) Tấm chữ nhật có gờ nhỏ b) Tấm chữ nhật có khuyết lõm c) Tấm chữ T d) Tấm chữ nhật có đục lỗ e) Tấm lục lăng có gờ nhỏ f) Tấm lục lăng có lỗ thoát nước Hình 2.5: Một số cấu kiện bê tông đúc sẵn lắp ghép có cơ cấu tự chèn. a) Chèn lệch mặt phẳng b) Rãnh chèn c) Chèn bậc thang d) Chèn mặt e) Sâu cáp f) Móc mang g) Chèn lục lăng h) Ngàm 3 chiều TSC-178 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 38 - 2.3.3. Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3]. Theo xu thế tiến bộ của thế giới, các tính toán kè bảo vệ mái dốc được thực hiện theo các thiết kế xác suất, trong đó chỉ tiêu đánh giá an toàn là độ tin cậy an toàn. Các phân tích hệ thống kết cấu kè MLGBT được tiến hành theo từng bước Hình 2.6: Cấu tạo của một MLGBT 1. Các cấu kiện trong thân mảng 2. Kết cấu chân kè 3. Kết cấu đỉnh kè 4. Kết cấu nối tiếp với các mảng bên Bước 1: Nhận biết hệ thống kết cấu MLGBT MLGBT có hai phần chính: thân mảng và các biên của mảng. Thân mảng gồm các cấu kiện liên kết với nhau theo kiểu liên kết ma sát. Các cấu kiện được đặt trên tầng lọc ngược gồm hai lớp, dưới là lớp vải lọc, trên là lớp đá dăm. Biên dưới của mảng là chân kè có kết cấu dạng tường chắn đất. Biên trên là đỉnh kè có kết cấu dạng tường chắn sóng. Hai phía còn lại của mảng tiếp xúc với các mảng khác là các hàng cấu kiện tương tự những cấu kiện ở trong thân mảng nhưng có chiều dày lớn hơn. Hình 2.6 MLGBT là một hệ kết cấu trên nền làm việc trong điều kiện tương tác giữa ba môi trường Nước – Đất – MLGBT. Các tải trọng tác dụng vào MLGBT phát sinh từ môi trường nước và môi trường đất. Tải trọng chính tác dụng vào các cấu kiện ở trong thân mảng là các lực do sóng, lực thủy tĩnh, lực thấm đẩy nổi. Chân kè và tường chắn sóng, chịu tác dụng của sóng, áp lực nước tĩnh và áp lực đất. Bước 2: Mô phỏng hệ thống kết cấu mảng Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 39 - (1) Cây sự cố Các cấu kiện trong mảng, các kết cấu ở các biên, là các phần tử thuộc hệ thống kết cấu MLGBT. Các phần tử liên kết với nhau theo hình thức liên kết ma sát. Mảng được gọi là xảy ra sự cố khi một trong các phần tử thuộc mảng xảy ra sự cố. Từ quan điểm này có thể mô phỏng quá trình xảy ra sự cố của hệ thống theo sơ đồ Hình 2.7 Hình 2.7: Cây sự cố MLGBT liên kết ma sát ( 2). Cơ chế phá hoại và hàm tin cậy Các cấu kiện ở giữa mảng bị phá hoại khi không thỏa mãn điều kiện cân bằng đẩy nổi của cấu kiện trên mái dốc. Trong đó tổng của thành phần trọng lượng bản thân (Gcosα), lực ma sát (Fms) ở các mặt tiếp xúc của cấu kiện là các thành phần của hàm sức chịu tải. R= Gcosα +∑Fms (2.49) Lực sóng âm (Ps ) và lực đẩy nổi (Pđn) của nước tác dụng vào cấu kiện là các thành phần của hàm tải trọng. N = Ps + Pđn (2.50) Theo điều kiện cân bằng đẩy nổi lập được hàm tin cậy của các cấu kiện thuộc mảng: Z1 = (Gcosα +∑Fms ) – (Ps + Pđn ) (2.51) Kết cấu tường chắn đất ở chân kè hoặc đỉnh kè có thể bị phá hoại trượt, lật hoặc bị lún nghiêng do ứng suất nền không đảm bảo…Hiện tượng phá hoại không xảy ra khi thỏa mãn biểu thức trạng thái giới hạn công thức 2.52. R.m/ Kn ≥ nc N (2.52) Trong đó R, N là sức chịu tải và tải trọng tính toán, m là hệ số điều kiện, K n Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 40 - là hệ số tin cậy, nc là hệ số lệch tải.. Từ điều kiện an toàn 2.52 tiến hành thiết lập hàm tin cậy theo các cơ chế phá hoại lật ,trượt…cho kết cấu chân kè và tường chắn sóng ở đỉnh kè. Hai bên mảng là các cấu kiện tương tự như các cấu kiện ở trong mảng nhưng có chiều dày hơn, vì vậy các tinh toán và thiết lập hàm tin cậy tương tự như đối với các cấu kiện ở trong mảng. Các đại lượng trong các hàm tải trọng và hàm chịu tải là các đại lượng ngẫu nhiên, được xác định từ các kết quả phân tích xác suất thống kê các số liệu khảo sát đo đạc cụ thể ở từng mảng. Bước 3: Sơ đồ hóa hệ thống Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo, cơ chế phá hoại và sơ đồ cây sự cố xác định được hệ thống kết cấu của MLGBT liên kết ma sát là một hệ thống nối tiếp. Sơ đồ hệ thống của mảng như ở Hình 2.8. Trong đó X1 là các phần tử thuộc thân mảng, X 2 các phần tử biên dưới, X3 các phần tử thuộc biên trên, X 4 các phần tử ở biên phải và trái của mảng Bước 4: Tính độ tin cậy của các bộ phận và của mảng Các hàm tin cậy là hàm của các biến và tham số ngẫu nhiên, các biến và các tham số này được tạo ra từ các kết quả phân tích xác xuất thống kê các số liệu quan sát, quan trắc, khảo sát … ở các mảng tính toán. Mức độ phản ảnh chính xác với các quy luật tự nhiên cũng như tình hình làm việc của mảng phụ thuộc rất nhiều vào khả năng phản ảnh các yếu tố ngẫu nhiên trong quá trình phân tích xác suất thống kê. Các hàm tin cậy là các hàm có quy luật phân bố xác suất bất kì hoặc quy luật phân bố chuẩn. Mức độ phức tạp của việc tìm xác suất hoặc độ tin cậy từ các hàm tin cậy tùy thuộc vào quy luật phân bố xác suất của hàm độ tin cậy. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, bài toán được giải ở những mức độ xác suất khác nhau. Các tính toán có thể thực hiện bằng phương pháp lập bảng trong Exel hoặc sử dụng các phần mềm, tùy thuộc vào mức độ phức tạp cũng như khối lượng cần tính toán của bài toán Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 41 - Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống MLGBT liên kết ma sát Hiện nay trên thế giới phần lớn các thiết kế các công trình thủy lợi, chấp nhận các kết quả tính với mức độ xác suất ở cấp độ hai. Các tính toán được thực hiện một cách gần đúng bằng cách tuyến tính hóa các hàm phi tuyến và đưa về các hàm có dạng phân bố chuẩn. (1) Tính độ tin cậy an toàn của các cấu kiện hoặc kết cấu Xác suất an toàn của cấu kiện hoặc kết cấu là xác suất P( Z > 0). Trong tính toán để tránh phiền phức về số lẻ người ta quen dùng độ tin cậy an toàn để thay thế cho xác suất. Quan hệ giữa xác suất và độ tin cây của các hàm phân bố chuẩn có thể sử dụng các bảng lập sẵn P = Φ (β ). Độ tin cậy an toàn của cấu kiện hoặc kết cấu của các hàm tin cậy có phân bố dạng chuẩn được tính theo công thức 2.37. β= Z R−N = σZ σ R2 + σ N2 (2.37) (2) Tính độ tin cậy của hệ thống kết cấu mảng MLGBT liên kết ma sát Hầu hết các bài toán tìm độ tin cậy tổng hợp của hệ thống trong đó thường gặp phải những vấn đề phức tạp của hàm nhiều biến hiện nay thường phải sử dụng các phương pháp số, áp dụng phương pháp Monte Carlo … Phân tích hệ thống với mức độ xác suất ở cấp độ hai có thể sử dụng các định lí cộng và định lí nhân xác suất để tính độ tin cậy tổng hợp của hệ thống. Các hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma sát được mô tả là một hệ thống nối tiếp, xác suất an toàn của hệ thống có thể tính từ định lí cộng xác suất 2.52. Pht (Z > 0) = P1 (Z > 0) + P2 (Z > 0) + P3 (Z > 0) + P4 (Z > 0) (2.52) Trong đó P1(Z > 0) , P2(Z > 0) , P3(Z > 0) , P4(Z > 0) lần lượt là các xác suất an toàn của các cấu kiện trong thân mảng, của kết cấu biên trên, của biên dưới và của kết cấu liên kết ở hai bên. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 42 - Bước 5 Phân tích kết quả Các kết quả thu được trong tính toán là các xác suất an toàn của các thành phần thuộc hệ thống mảng và xác suất an toàn của hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma sát. Phân tích ảnh hưởng của xác suất thành phần đến xác suất hệ thống làm cơ sở lựa chọn yếu tố tác động mạnh nhất làm thay đổi các phương án thiết kế theo hướng có lợi hoặc đưa ra những những đối tượng hoặc biện pháp sửa chữa phù hợp cho các mảng đang hiện hữu ở các công trình. 2.4. Kết luận chương 2 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên và tính độ tin cậy là phương pháp thiết kế theo xu hướng hiện đại. Theo thiết kế này trạng thái giới hạn cũng như cơ chế phá hoại được mô phỏng bằng các mô hình toán và mô hình tương ứng. Xác suất phá hoại của một bộ phận công trình hoặc toàn bộ công trình được tính từ hàm tin cậy. Hàm này được thành lập trên cơ sở quan hệ giữa tải trọng và sức chịu tải trong một cơ chế phá hoại tương ứng với một trạng thái giới hạn. Trong đó tải trọng và sức chịu tải là những tổ hợp chứa đựng các biến và tham số ngẫu nhiên [2]. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên và tính độ tin cậy tiến bộ hơn phương pháp thiết kế tất định. Phương pháp thiết kế truyền thống dựa trên sự đồng nhất xác suất xuất hiện tải trọng thiết kế với xác suất xảy ra sự cố của công trình còn phương pháp thiết kế ngẫu nhiên dựa trên xác suất hoặc tần suất ảnh hưởng của các biến và tham số ngẫu nhiên trong các tổ hợp tải trọng và sức chịu tải. Kết quả được đưa ra là xác suất hư hỏng của từng thành phần công trình và toàn bộ hệ thống công trình. Tùy theo việc mô phỏng các biến ngẫu nhiên mà phương pháp thiết kế ngẫu nhiên có nhiều cấp độ tiếp cận khác nhau. Cấp độ tiếp cận càng cao thì phân phối của các biến càng phù hợp với thực tế. Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được thực hiện thông qua nhiều công đoạn tính toán với khối lượng lớn. Hiện nay phương pháp này đã được áp dụng trong tính toán công trình thủy lợi, thủy điện. Nội dung Luận văn sẽ ứng dụng của lý thuyết độ tin cậy tiến hành tính toán cho kết cấu kè bảo vệ mái dốc bờ biển Hàm Tiến - Mũi Né hiện tại với bài toán: Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 43 - Đánh giá an toàn hệ thống kết cấu mảng mềm từ các cấu kiện bê tông lắp ghép. Cấp độ tính toán sẽ được thực hiện ở cấp độ II. Quá trình áp dụng sẽ gặp một số khó khăn trong việc khảo sát số liệu đầu vào của các kết cấu, căn cứ xác định các yếu tố điều kiện biên ngẫu nhiên như yếu tố khí tượng, thủy văn, đặc điểm hiện trạng công trình… Tuy nhiên, hướng giải quyết của vấn đề này là kế thừa các kết quả đã nghiên cứu cho vấn đề tương tự. -------------------- Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 44 CHƯƠNG 3 TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 3.1. Đặt vấn đề Các cơ chế xảy ra sự cố mất ổn định chân kè đối với kết cấu kè bảo vệ mái bờ biển phụ thuộc nhiều điều kiện biên đa dạng và phức tạp. Các nguyên nhân dẫn đến sự cố mất ổn định có thể bao gồm: chuyển vị của các ống buy theo các phương khác nhau, đá trong ống buy bị sụt lút, cấu kiện bị xâm thực, bào mòn, chân kè bị xói do ảnh hưởng của sóng và dòng chảy ven,... Sự cố mất ổn định chân kè thường xảy ra theo cơ chế mất ổn định trượt, lật. Quá trình khảo sát, xác định các số liệu thống kê để đánh giá các cơ chế sự cố chân kè đối với dự án đòi hỏi phải có thời gian lâu dài và thời điểm hợp lý. Thực tế hiện nay hầu hết chân kè nằm chôn sâu dưới cát biển, một số thời điểm rất ngắn có thể quan sát được một số vị trí chân kè khi mực nước xuống thấp, tuy nhiên việc tổ chức đo đạc, xác định các tham số thống kê là rất khó khăn và chưa thể thực hiện được. Do vậy, luận văn này tiếp cận theo một hướng khác để tìm độ tin cậy và hệ số an toàn của chân kè thông qua phân tích quan hệ giữa xác suất tiêu chuẩn và hệ số an toàn. 3.2. Quan hệ giữa độ tin cậy với hệ số an toàn [3] Phân tích quan hệ giữa xác suất tiêu chuẩn và hệ số dự trữ là một hướng tiếp cận khác để tìm độ tin cậy được phát triển ở Nga. Khi tính toán công trình theo hệ số an toàn, hệ số dự trữ K được tính: K= R N (3.1) Trong đó: R là sức chịu tỉa của công trình, N là tải trọng tác dụng vào công trình. Khi tính với các giá trị trung bình số học của sức chịu tải (R) và tải trọng (N) thì hệ số dự trữ K được tính theo công thức 3.2. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 45 K= R N (3.2) Thay K vào công thức tính độ tin cậy (β), công thức 2.37, được công thức 3.3: β= Thay N = K −1 σ R2 σ N2 + R2 N 2 R vào công thức 3.3, được công thức 3.4. N β= K −1 σ K . R R 2 Đặt (3.3) 2  σ N    +   N  2 (3.4) σR σ = α R ; N = α N , thay vào công thức 3.4 được công thức 3.5 R N β= K −1 K .α R + α N 2 2 2 (3.5) Giá trị β trong các công thức trên thỏa mãn điều kiện φ(β) thay đổi từ 0 đến ∞ tương ứng xác suất P thay đổi từ P = 0,5 đến P = 1,0. 3.3. Tính hệ số ổn định của chân kè Ổn định tổng thể của kè mái bao gồm ổn định trượt của kè cùng với mái dốc và ổn định trượt theo mặt tiếp xúc giữa kè với bờ. Chân kè có dạng kết cấu tường chắn đất, với các công trình xây dựng trên trên nền cát, chịu tác dụng của tải trọng đứng và ngang thông thường chỉ tính ổn định trượt theo sơ đồ trươth phẳng. Tuy nhiên, đối với chân kè trong trường hợp này do trong quá trình thi công đào móng thả ống buy thì cát ở phần móng có sự trộn lẫn của bùn nên để tăng an toàn vẫn được tính toán theo sơ đồ trượt sâu. Hệ số mất ổn định trượt của chân kè cùng với mái dốc được xác định theo phương pháp cung trụ tròn của Bishop. Theo phương pháp này, cường độ chống cắt trên phạm vi cung trượt của thỏi chỉ phát huy một phần và cân bằng Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 46 - với lực gây trượt. Hệ số ổn định được tính với mặt trượt có khả năng chống trượt nhỏ nhất đồng nghĩa với khả năng chịu tải nhỏ nhất. Dùng modul Slope/W của phần mềm Geostudio 2004, Canada để tìm ra cung trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất cho mặt cắt kè bất lợi nhất. Các thông số đầu vào lấy theo giá trị tất định. Hệ số an toàn ổn định trượt xác định theo Ghecxêvanôp: n K= n ∑ ( Ni − Wi ) tgφi + ∑ Cili i =1 i =1 n ∑T i =1 (3.6) i Trong đó: + Ni = Gi.cosαi ; + Ti = Gi.sinαi ; + Gi = bi Σγihi – Trọng lượng của dải thứ i; + Wi – Áp lực thủy tĩnh dưới đáy dải thứ i; + li – Chiều dài đáy dải thứ i; + Ci , ϕi – Lực dính đơn vị và góc ma sát trong tại đáy dải thứ i. Mặt cắt ngang đoạn kè tính toán kiểm tra với trường hợp bất lợi nhất, đất ở ngoài ống buy bị xói do dòng chảy ven đến cao trình đáy ống buy. Hình 3.1: Mặt cắt ngang chân kè trường hợp bất lợi Các chỉ tiêu cơ lý của lớp cát nền được trình bày trong Bảng 3.1. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 47 - Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của cát nền TT Chỉ tiêu cơ lý Kí hiệu Đơn vị Giá trị 1 Dung trọng tự nhiên γtn T/m3 1,78 2 Dung trọng khô γk T/m3 1,48 3 Hệ số rỗng n % 44,2 4 Góc ma sát trong ϕk độ 280 ϕbh độ 24049’ Cn Kg/m2 5 6 Lực dính 0,02 Mực nước ngầm xác định theo tài liệu địa chất dự án, cách mặt đất tự nhiên từ 0,5 đến 1,0m; thường xuyên chảy từ đồi ra biển. Thông số kỹ thuật của ống buy lục giác: - Đường kính trong ống buy: D = 1,2m - Đường kính ngoài ống buy: D = 1,5m - Khối lượng ống buy chứa đá có xét đến đẩy nổi: G = 3,35 Tấn - Dung trọng của ống buy (vật liệu chân kè): γ buy = 1,9 T/m 3 Kết quả tính toán theo Slope/W với các thông số đầu vào theo giá trị tất định xác định được cung trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất là K min = 1,269; xem Hình 3.2. 4 3 2 1.269 1 Y (m) 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 X (m) Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 22 24 26 28 30 32 34 36 38 Luận văn thạc sĩ - 48 Hình 3.2: Cung trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất 3.4. Xác định xác suất hư hỏng và độ tin cậy của kết cấu chân kè (β1; P(Z1)) thông qua hệ số an toàn K Hàm tin cậy của cơ chế mất ổn trượt theo công thức 3.6 có thể viết dưới dạng 3.7 như sau: n n n i =1 i =1 i =1 Z1 = ∑ ( N i − Wi ) tgϕ i + ∑ C i l i − ∑ Ti (3.7) Trong đó: Sức chịu tải là tổng mô men chống trượt: n n i =1 i =1 R = ∑ ( N i − Wi ) tgφi + ∑ Ci li (3.8) Tải trọng là tổng mô men gây trượt:: n N = ∑ Ti (3.9) i =1 Từ cung trượt có K min ở trên, xác định được các giá trị N i , W i , Ti , l i . Các số liệu này được ghi trong Phụ lục 3.1. Tổng hợp giá trị sức chịu tải R và tải trọng N được thống kê ở Bảng 3.2: Bảng 3.2: Giá trị sức chịu tải R và tải trọng N với cung trượt có Kmin TT Thông số Kí hiệu Đơn vị Kỳ vọng µ Độ lệch σ α= σ µ 1 Sức chịu tải R KNm 96,28 4,81 0,05 2 Tải trọng N KNm 75,86 3,79 0,05 (Ghi chú: µ - lấy theo kết quả tính toán phần mềm Geostudio; σ lấy bằng 5%µ) Từ hệ số an toàn nhỏ nhất Kmin và các giá trị ở Bảng 3.2, thay vào công thức 3.5 xác định được chỉ số tin cậy và xác suất xảy ra sự cố của cơ chế trượt chân kè theo mái dốc. Kết quả thể hiện ở Bảng 3.3: Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 49 - Bảng 3.3: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định chân kè TT Thông số Kí hiệu Giá trị 1 Chỉ số độ tin cậy β 2 Xác suất hư hỏng P (Z10) 0,999565 3,33 * Nhận xét: Cơ chế mất ổn định trượt chân kè theo mái dốc có xác suất xảy ra sự cố rất thấp, P(Z 1 0 ≈ 1); theo cơ chế này thì khả năng xảy ra sự cố của chân kè là gần như không thể. Tuy nhiên quá trình khảo sát, đo đạc hiện trạng và điều kiện biên còn hạn chế và một số điều kiện biên còn sử dụng kết quả giả định nên kết quả có thể chưa phản ánh đúng thực tế quá trình làm việc của kết cấu. Ngoài cơ chế mất ổn định của chân kè thì xác suất an toàn kết cấu mái bảo vệ bờ còn ảnh hưởng của nhiều cơ chế khác. Trong nội dung chương 4 của luận văn sẽ tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái TSC-178 theo điều kiện đẩy nổi đồng thời xác định xác suất an toàn và chỉ số tin cậy của mảng cấu kiện (hệ thống). Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 50 -------------------CHƯƠNG 4 TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 4.1. Đặt vấn đề Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng mô hình thiết kế xác suất để tính toán các công trình bảo vệ bờ. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay các quy chuẩn, quy phạm và công tác thiết kế vẫn đang thực hiện các tính toán này theo mô hình thiết kế truyền thống. Đây là một trong những hạn chế của lĩnh vực công trình bảo vệ bờ ở Việt Nam cần sớm được cải thiện. Trong phạm vi chương này sẽ thực hiện theo hướng nghiên cứu tiếp cận áp dụng mô hình thiết kế theo xác suất vào tính toán độ tin cậy của mảng lắp ghép bằng cấu kiện bê tông. - Để tính toán độ tin cậy của MLGBT thì có nhiều cách xây dựng bài toán nhưng trong luận văn sử dụng bài toán mẫu đối với MLGBT liên kết ma sát - Các số liệu tính toán được thu thập từ khảo sát, đo đạc - Các tính toán được thực hiện trên phần mềm BESTFIT và VAP 4.2. Nhận biết hệ thống Qua nghiên cứu, quan sát thì kết cấu là một hệ thống mảng lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát. Thân mảng là các cấu kiện TSC-178 liên kết với nhau theo kiểu liên kết ma sát. Biên dưới của mảng là chân kè có kết cấu dạng tường chắn đất gồm 2 hàng ống buy lục giác đặt so le nhau. Biên trên là đỉnh kè có kết cấu tường bê tông. Các cấu kiện tiếp xúc với các mảng khác là các hàng cấu kiện TSC-178 tương tự những cấu kiện ở trong thân mảng. Quá trình khảo sát đối với mảng chọn tính toán cho thấy biên dưới của mảng có khả năng mất ổn định kết cấu do phần đất phía ngoài ống buy có hiện tượng bị xói, tuy vậy số liệu thu thập để đánh giá chân kè không đầy đủ. Bên cạnh đó các cấu Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 51 - kiện TSC-178 ở giữa mảng có hiện tượng suy giảm trọng lượng do bào mòn và xâm thực. Các cấu kiện ở các biên khác chưa thấy hiện tượng có thể dẫn tới mất ổn định 4.3. Hệ thống kết cấu Các phần tử thuộc hệ thống kết cấu MLGBT liên kết với nhau theo hình thức liên kết ma sát. Mảng được gọi là xảy ra sự cố khi một trong các phần tử thuộc mảng xảy ra sự cố. Quá trình xảy ra sự cố của hệ thống mô phỏng theo sơ đồ cây sự cố kết cấu MLGBT Hình 2.8 Theo nhận biết hệ thống ở mục 4.2 thì đối với mảng lựa chọn tính toán sự cố của mảng chỉ tính toán kiểm tra với 2 nhánh sự cố thành phần là sự cố cấu kiện (1) và sự cố chân kè (2) 4.4. Sơ đồ hóa hệ thống Các cấu kiện thuộc MLGBT làm việc theo sơ đồ nối tiếp, hệ thống sẽ xảy ra sự cố khi có ít nhất một trong hai cơ chế thành phần xảy ra sự cố: Hình 4.1: Sơ đồ hóa hệ thống 4.5. Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống 4.5.1. Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2 4.5.1.1. Thứ tự thực hiện bài toán tính xác suất theo cấp độ 2 Quá trình tính toán xác xuất và độ tin cậy xác suất theo cấp độ 2 được thực hiện qua các bước theo sơ đồ Hình 4.2. Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 52 - (1) Mô tả tải trọng, sức chịu tải, số liệu đầu vào: chỉ tiêu cơ lý của đất, đá, bê tông,.. (2) Thiết lập hàm tải trọng (Ni) và hàm sức chịu tải (Ri) (3) Lập hàm tin cậy: Z(i) = R(i) – N(i) (4) Biến đổi luật PPXS của các biến ngẫu nhiên trong hàm R(i), N(i) về luật phân phối chuẩn (5) Tuyến tính hóa hàm tin cậy Z(i) (6) Tính các tham số thống kê của hàm Z(i): μz, σz (7) Tính độ tin cậy β Hình 4.2: Sơ đồ thực hiện bài toán theo cấp độ 2 4.5.1.2. Phần mềm tính toán Hiện nay có nhiều phần mềm để giải các bài toán xác suất thống kê, trong luận văn này sử dụng phần mềm BESTFIT và VAP làm công cụ tính toán. Phần mềm BESTFIT: ước lượng hợp lý tối đa hàm xác suất thống kê cho biến ngẫu nhiên từ số liệu quan trắc đo đạc và tính toán các đặc trưng thống kê của các biến ngẫu nhiên đó Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 53 - Phần mềm VAP: xử lý biến ngẫu nhiên và giải hàm xác suất thống kê tìm độ tin cậy và các đặc trưng thống kê. 4.5.2. Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2)) 4.5.2.1. Hàm tin cậy Công thức tính toán trọng lượng cấu kiện theo cơ chế đẩy nổi trên mái dốc dùng cho cấu kiện TSC-178 đã được sử dụng trong tính toán thiết kế, công thức 4.1: hs3 G = K n .γ bt ∆3 .m (4.1) Trong đó: +G – Trọng lượng của cấu kiện (tấn); + Kn – Hệ số ổn định phụ thuộc hình dạng cấu kiện và chiều cao sóng; + HS – Chiều cao sóng (m); +∆ – Tỷ trọng tương đối của vật liệu bê tông và nước; + γbt – Trọng lượng riêng của vật liệu bê tông của cấu kiện (T/m3); + γn – Trọng lượng riêng của nước biển (T/m3); +m – Hệ số mái dốc; m = cotgα; +α – Góc nghiêng của mái kè so với mặt phẳng nằm ngang (độ); Theo cơ chế cân bằng đẩy nổi trong công thức 4.1, các thành phần của hàm sức chịu tải (R) bao gồm: thành phần trọng lượng bản thân G, tỷ trọng ∆, hệ số K n và trọng lượng riêng γbt. Các thành phần của hàm tải trọng (N) gồm: chiều cao sóng Hs , hệ số mái m Khi đó, hàm sức chịu tải và hàm tải trọng được viết như sau: Hàm sức chịu tải: R = G.∆3 K n .γ bt (4.2) Hàm tải trọng: N = hs3 m (4.3) Theo đó, hàm tin cậy của các cấu kiện TSC-178 thuộc mảng theo điều kiện cân bằng đẩy nổi được viết theo 4.4: Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 54  G.∆3 h3  − s Z1 = R – N =  K . γ  n bt m  (4.4) 4.5.2.2. Số liệu thống kê của các biến ngẫu nhiên a. Biến ngẫu nhiên G – trọng lượng của cấu kiện: Cấu kiện bảo vệ mái kè TSC-178 được sử dụng trong dự án có trọng lượng theo thiết kế: 105 kg. Tuy nhiên, do quá trình xâm thực, ăn mòn qua thời gian nên trọng lượng của các cấu kiện thực tế có nhiều thay đổi so với thiết kế ban đầu. Trọng lượng của các cấu kiện tại thời điểm hiện nay theo kết quả khảo sát thực tế trên các cấu kiện ngẫu nhiên trên mảng được thống kê trong Bảng 4.1: Bảng 4.1: Trọng lượng của các cấu kiện bất kỳ trong mảng TT G (Kg) G(tấn) TT G (Kg) G(tấn) 1 2 100,5 3 102,3 4 103,7 103,3 0,1005 0,1023 0,1037 0,1033 8 9 103,0 102,8 5 101,1 6 104,4 104,1 0,1011 0,1044 0,1041 10 11 12 13 101,9 103,2 105,0 103,5 0,1030 0,1028 0,1019 0,1032 7 0,1050 0,1035 b. Biến ngẫu nhiên Hs – chiều cao sóng: Theo tài liệu hồ sơ dự án, chiều cao sóng tính toán thiết kế được xác định Hs = 2,5m, vận tốc gió v = 2,5m/s ứng với trường hợp có bão cấp 9. Trong khuôn khổ luận văn, việc tính toán và xem xét ảnh hưởng của yếu tố chiều cao sóng đến xác suất xảy ra sự cố của công trình thông qua chuỗi số liệu thống kê chiều cao sóng xảy ra với các giá trị ngẫu nhiên khác nhau trong khoảng Hs = 2,0 ÷ 3,0m, theo Bảng 4.2. Bảng 4.2: Chuỗi số liệu thống kê chiều cao sóng (Hs) tại chân công trình TT Hs (m) TT Hs (m) 1 2 3 4 5 6 7 2,00 2,10 2,25 2,38 2,40 2,48 2,50 8 9 10 11 2,53 2,55 2,60 2,70 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 12 2,80 13 2,90 Luận văn thạc sĩ - 55 - c. Biến ngẫu nhiên Kn – Hệ số phụ ổn định thuộc hình dạng cấu kiện và chiều cao sóng: Theo đặc trưng của cấu kiện TSC 178, thông qua thí nghiệm thì hệ số Kn và chiều cao sóng Hs có mối quan hệ như Bảng 4.3: Bảng 4.3: Quan hệ giữa chiều cao sóng Hs và hệ số Kn của cấu kiện TSC-178 TT 1 2 3 4 5 6 7 8 Hs (m) 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Kn 0,036 0,026 0,017 0,012 0,009 0,007 0,006 0,005 Từ đặc trưng quan hệ giữa Kn và chiều cao sóng Hs của cấu kiện TSC 178 như Bảng 4.3, xác định được hệ số Kn tương ứng với chiều cao sóng Hs tính toán trong Bảng 4.2. Kết quả thể hiện ở Bảng 4.4: Bảng 4.4: Chuỗi hệ số Kn ứng với các giá trị chiều cao sóng tính toán Hs TT Hs (m) Kn TT Hs (m) Kn 1 2 3 4 5 6 7 2,00 2,10 2,25 2,38 2,40 2,48 2,50 0,0260 0,0242 0,0215 0,0192 8 9 10 11 2,53 2,55 2,60 2,70 0,0167 0,0165 0,0160 0,0150 0,0188 0,0174 0,0170 12 2,80 13 2,90 0,0140 0,0130 d. Trọng lượng riêng bê tông γbt và tỷ trọng ∆: Trọng lượng riêng của vật liệu bê tông (γbt ) sử dụng để thi công các cấu kiện kè mái thường có giá trị γ bt = 2,4 T/m 3 . Tuy nhiên do nhiều yếu tố khác nhau tác động trong quá trình thi công nên trọng lượng riêng của bê tông có sự sai khác nhất định. Để xem xét sự ảnh hưởng của trọng lượng riêng vật liệu bê tông đến cơ chế mất ổn định của cấu kiện kè mái theo cơ chế đẩy nổi, trong khuôn khổ luận văn đã sử dụng chuỗi số liệu thống kê các giá trị γ bt ngẫu nhiên thay đổi trong khoảng γ bt = 2,4 ± 0,1 T/m 3 , tỷ trọng ∆ được xác định với γn = 1,1 T/m 3. Chuỗi số liệu γbt và giá trị ∆ tương ứng được thống kê trong Bảng 4.5: Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 56 - Bảng 4.5: Chuỗi số liệu thống kê trọng lượng riêng của bê tông tỷ trọng ∆ TT γbt (T/m3) 1 2,300 2 2,398 3 2,425 4 2,435 5 2,380 6 2,410 7 2,350 ∆ (T/m3) 2,091 2,180 2,205 2,214 2,164 2,191 2,136 TT 8 9 10 11 3 2,392 2,400 2,395 2,420 2,460 2,430 3 2,175 2,182 2,177 2,200 2,236 2,209 γbt (T/m ) ∆ (T/m ) 12 13 4.5.2.3. Xác định hàm mật độ xác suất của các chuỗi số liệu thống kê bằng phần mềm BESTFIT Từ các chuỗi số liệu thống kê đo đạc, sử dụng phần mềm BESTFIT tìm hàm phân phối xác suất phù hợp nhất và các tham số thống kê của nó. a. Hàm mật độ xác suất của trọng lượng cấu kiện mái kè (G): Phân phối chuẩn Minimum= Comparison of Input Distribution and Normal(0.10,1.28e-3) Maximum= 564.10 282.05 0.00 1.012 1.039 Hình1.003 4.3: Hàm mật1.021 độ xác1.030 suất của trọng1.048 lượng Values 10^-1 cấu kiện in mái kè 0.1003 0.1048 Mode= 0.102775 Mean= 0.102785 Std Deviation=1.279223e-3 Input Variance= 1.63641e-6 Normal -0.392515 Skewness= Kurtosis= 2.146771 Tests Run: Chi-Square b. Hàm mật độ xác suất của chuỗi số liệu chiều cao sóng (Hs): Phân phối chuẩn Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 57 Minimum= 2.0 Maximum= 2.9 Mode= 2.495 Mean= 2.476154 Input Std Deviation=0.257117 Variance= 0.066109 Normal Skewness= -0.227545 Kurtosis= 2.115879 Tests Run: Chi-Square Comparison of Input Distribution and Normal(2.48,0.26) 2.8 1.4 0.04.4: Hàm mật độ xác suất của chuỗi số liệu Hình 2.0 2.2 2.4 2.5 2.7 2.9 chiều cao sóng c. Hàm mật độ xác suất của chuỗi số liệu hệ số Kn: Phân phối chuẩn Minimum= 0.013 Comparison of Input Distribution and Normal(1.81e-2,3.83e-3) Maximum= 0.026 273.4 136.7 0.0 Mode= 0.017063 Mean= 0.0181 Std Deviation=3.829056e-3 Input Variance= 1.466167e-5 Skewness= Normal 0.701347 Kurtosis= 2.325224 Tests Run: Chi-Square 1.6mật1.8 2.3hệ số2.6 Hình1.3 4.5: Hàm độ xác2.1 suất của Kn Values in 10^-2 d. Hàm mật độ xác suất của chuỗi số liệu thống kê trọng lượng riêng của bê tông (γbt): Phân phối chuẩn Minimum= Comparison of Input Distribution and Normal(2.40,4.07e-2) Maximum= 15.9 7.9 2.3 2.46 Mode= 2.404 Mean= 2.399615 Std Deviation=0.040662 Input Variance= 1.653423e-3 Skewness= -0.915602 Normal Kurtosis= 3.404584 Tests Run: Chi-Square Hình 0.0 4.6: Hàm mật độ xác suất của trọng lượng 2.30 2.33 2.46 riêng2.36 của bê2.40 tông (γ2.43 bt) e. Hàm mật độ xác suất của chuỗi số liệu thống kê tỷ trọng ∆: Phân phối chuẩn Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 58 Minimum= 2.091 2.236 Mode= 2.17075 Mean= 2.181538 Std Deviation=0.036968 Input Variance= 1.366603e-3 Skewness= -0.922505 Normal Kurtosis= 3.397832 Tests Run: Chi-Square Comparison of Input Distribution and Normal(2.18,3.70e-2) Maximum= 17.5 8.8 Hình 0.0 4.7: Hàm mật độ xác suất của tỷ trọng ∆ 2.09 2.12 2.15 2.18 2.21 2.24 4.5.2.4. Tính toán xác suất hư hỏng và độ tin cậy của các cấu kiện mái TSC-178 trong thân mảng theo cấp độ II bằng phần mềm VAP Tổng hợp tham số thống kê các biến ngẫu nhiên của cơ chế mất ổn định đẩy trồi của cấu kiện mái kè được thống kê ở Bảng 4.6: Bảng 4.6: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái kè TT Biến ngẫu nhiên Ký hiệu Đơn vị Đặc trưng thống kê Kỳ vọng µ 0,1029 1 Trọng lượng cấu kiện G Tấn Luật P.Phối Nor 2 Chiều cao sóng Ηs m Nor 2,48 0,257 Nor 1,81E-02 3,83E-03 Nor 2,400 4,07E-02 Nor 2,182 3,70E-02 3 4 5 6 Hệ số phụ thuộc hình dạng cấu kiện và chiều cao sóng Trọng lượng riêng bê tông Tỷ trọng tương đối của vật liệu Hệ số mái dốc Κn γbt T/m3 Δ m Độ lệch σ 1,279E-03 4,00 (Ghi chú: Hệ số mái m – Kỳ vọng µ lấy theo thiết kế tất định) Tính toán theo VAP được xác suất xảy ra sự cố và hệ số ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định của các cấu kiện kiểu TSC 178 trong thân mảng. Kết quả thể hiện trong Bảng 4.7, 4.8 và Hình 4.8. Bảng 4.7: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái TSC-178 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ TT - 59 Thông số Kí hiệu 1 Chỉ số độ tin cậy β2 2 Xác suất hư hỏng P(Z20) Giá trị 6,17 3,43E-10 0,9999999997 Bảng 4.8: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định của cấu kiện TSC-178 TT Biến ngẫu nhiên Kí hiệu Mức độ ảnh hưởng αi αi2 (%) 1 Trọng lượng cấu kiện G -5,10E-02 0,26 2 Chiều cao sóng Ηs 8,27E-01 68,39 3 Hệ số phụ thuộc hình dạng cấu kiện và chiều cao sóng Κn 5,13E-01 26,32 4 Trọng lượng riêng bê tông γbt 6,80E-02 0,46 5 Tỷ trọng tương đối của vật liệu ∆ -2,11E-01 4,45 Học viên: Hoàng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 60 - Hình 4.8: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái TSC-178 * Nhận xét: Với các điều kiện biên đã tính toán cơ chế mất ổn định kết cấu bảo vệ mái kiểu TSC-178 có xác suất xảy ra sự cố rất thấp, P2(Z[...]... trình Học viên: Hồng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 21 - nghiên cứu độ tin cậy kết cấu xây dựng Các nghiên cứu tập trung vào xây dựng các phương pháp tính độ tin cậy có thể áp dụng được vào các bài tốn kỹ thuật và phát triển các thiết kế tối ưu theo độ tin cậy Vấn đề này được phát triển cả ở Liên Xơ (cũ) và cả ở các nước Âu, Mỹ Lý thuyết độ tin cậy cũng đã được ứng dụng vào lĩnh vực tính... trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] 31 2.2.2 Bài tốn thiết kế xác suất mức độ 2 [5] .33 2.2.3 Tính độ tin cậy của hệ thống [2] 35 2.3 Bài tốn tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tơng lắp ghép bảo vệ mái dốc 35 2.3.1 Đặt vấn đề 35 2.3.2 Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3] 36 2.3.3 Một cách xác định độ tin cậy an... đề tài Sử dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích độ tin cậy an tồn của kết cấu bảo vệ bờ Hàm Tiến – Mũi Né làm cơ sở khoa học cho bài tốn kiểm định chất lượng kè mảng lắp ghép bằng các cấu kiện bê tơng đúc sẵn (MLGBT) 3 Phương pháp nghiên cứu và cơng cụ sử dụng Phương pháp phân tích thống kê Học viên: Hồng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ -2- Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy 4 Kết quả đạt.. .Luận văn thạc sĩ - xi - 2.1.5 Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 22 2.1.6 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 23 2.2 Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy 31 2.2.1 Nội dung phương pháp tính cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] 31 2.2.2 Bài tốn thiết kế xác suất mức độ 2 [5] .33 2.2.3 Tính độ tin cậy của... ngẫu nhiên trong khn khổ lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết này xét đến bản chất thay đổi thường xun của tải trọng và tác động, tính chất vật liệu, bản thân kết cấu và các điều kiện khai thác chúng 2.1.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1] Những năm thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ XX trên thế giới đã có những cơng trình cơng bố về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào lĩnh vực kết... tính mới ở Việt Nam hiện nay Để đáp ứng cho mục tiêu nghiên cứu “áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào kiểm định chất lượng các kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né, Bình Thuận” luận văn thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau: (1) Tính độ tin cậy an tồn của kết cấu chân kè theo phương pháp chuyển đổi từ hệ số an tồn (2) Tính độ tin cậy an tồn của hệ thống kết cấu mảng kè lắp ghép bằng các cấu kiện bê... vực kết cấu xây dựng đã có những quy định ban đầu về tính độ tin cậy kết cấu So với thế giới ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực cơng trình xây dựng của Việt nam đang còn là mới mẻ 2.1.3 Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an tồn đê kè biển ở Việt Nam Hiện nay trên thế giới việc ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên vào thiết kế cơng trình xây dựng... văn áp dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích độ tin cậy an tồn của mảng làm cơ sở khoa học cho các tính tốn kiểm định chất lượng kè MLGBT là một bước tiến bộ trong tính tốn loại kè này ở Việt Nam Việc tổ chức tính tốn sẽ được thực hiện từ khâu khảo sát hiện trạng, thu thập, thống kê số liệu,…đến việc sử dụng bài tốn mẫu ở mức độ xác suất ở cấp độ II Vì vậy các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ có tính... theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu 17 1.5 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn 19 1.6 Kết luận chương 1 19 CHƯƠNG 2 20 Học viên: Hồng Minh Khanh - Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - xiv - PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TỐN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN 20 2.1 Cơ sở lý thuyết dùng trong bài tốn nghiên cứu .20 2.1.1 Con đường hình thành của phương... Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết xác suất thống kê và độ tin cậy đã được áp dụng nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Hà Lan, Đây là phương pháp thiết kế tổng hợp cho tồn thể hệ thống, thỏa mãn u cầu thực tiễn đòi hỏi hạn chế tối đa những tồn tại của phương pháp thiết kế tất định Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê và độ tin cậy để nâng cao độ chính xác của các nghiên cứu ... Lớp CH20C.ĐH2 Luận văn thạc sĩ - 31 - 2.2 Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy 2.2.1 Nội dung phương pháp tính cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] Lý thuyết độ tin cậy hình thành... dụng lý thuyết xác suất thống kê độ tin cậy để nâng cao độ xác nghiên cứu kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né xu phù hợp Mục tiêu đề tài Sử dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích độ tin cậy. .. pháp tính độ tin cậy 31 2.2.1 Nội dung phương pháp tính cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] 31 2.2.2 Bài tốn thiết kế xác suất mức độ [5] .33 2.2.3 Tính độ tin cậy hệ thống