Bài giảng thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích rủi ro (đại học thủy lợi)

THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO TS Mai Văn Cơng Cong.M.V@wru.edu.vn Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Ngẫu nhiên (Bất định) Tất định ??? Kỹ sư KT Biển Học sinh lớp A + B = ? (3) A=1; B=2 A + B = α 3+β Tất định: khơng có bất định Kể đến tính bất định biến A,B - Các trình vật lý khoa học tài nguyên nước trình ngẫu nhiên Ví dụ q trình ngẫu nhiên (bất định) ??? - Số ố sinh 49B viên ê có ó mặt ê lớp ngày mai - Số bão năm 2011 - Vị trí đổ bão Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Tương quan chiều cao cân nặng ? 110 1000 quan sát Cân nặng (kg) 100 90 80 70 60 50 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Chiều cao (m) 2.1 2.2 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 23 22 21 Ghi Vị trí tâm bÃo obs đo Đờng quỹ đạo bÃo trung bình 20 19 18 17 16 Tõ 1951 ®Õn 1960 Tõ 1981 ®Õn 1990 Tõ 1961 ®Õn 1970 Tõ 1971 ®Õn 1980 Tõ 1991 ®Õn 2000 Tõ 2001 ®Õn Đường bão Biển Đông (1961-2006) 15 14 13 12 11 10 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Ö Như phải kể đến yếu tố bất định/ngẫu nhiên thiết kế Làm mô tả yếu tố ngẫu nhiên ? Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Đánh giá điểm trình (ngẫu nhiên ?) QT = F(Bài tập lớn, Kiểm tra nhanh, Chuyên cần) - Thời điểm: ể Ngẫu ẫ nhiên Trị trung bình =5 Trị nhỏ = Trị lớn =10 Khoảng biến thiên = ± Độ lệch chuẩn ~ 5/k (k=1,2,3) Điểm HP = Thi*0.7+ QT*0.3 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Kết cấu giảng môn học • Chương Giới thiệu tổng quan • Chương Phân tích rủi ro • Chương Chươ Độ tin ti cậy ậ ủ ột thành h phần hầ hệ thống thố • Chương Cơ sở tốn học phương pháp ngẫu nhiên • Chương Độ tin cậy hệ thống Ỉ 01 tập lớn mơn học • Chương Cơ chế xảy cố với hệ thống CT PCL & BVB • Chương Phân bố biến ngẫu nhiên • Chương Ứng dụng đánh giá an toàn hệ thống CTBVB • Chương Chương trình VAP, bestfit Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Chương I Tổng quan mơn học • 1.1 Giới thiệu hiệ chung h • 1.2 Tồn thiết kế truyền thống – Sự cần thiết thiết kế cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy • 1.3 TK cơng trình theo lý thuyết độ tin cậy Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.1 Giới thiệu chung Đê Kè Cơ trrong Mái Đỉnh đê Mái Mái kè Cơ Chân kè Bãi trước Thân đê Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Đối với đê biển: Chức chính: chống lũ MNTK lũ ứng với tần xuất thiết kế Ptk < Zđỉnh đê S R Zđỉnh đê = MNTK + R (độ cao lưu không) MNTK, R = Hàm kinh nghiệm {tải trọng(Ptk), đ.kiện làm việc} Ptk = ? có ó thể chấp hấ nhận hậ đượ ề mặt ặt ki kinh h tế, tế xã ã hội, hội hí h trị tị Ptk tiêu chuẩn an tồn phịng lũ Chính thiết kế tất định (PP truyền thống) ! Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống) Các nguyên tắc thiết kế (cũ) • Phương pháp truyền thống: • Xác định tải trọng thiết kế (1 giá trị) • Xác định độ bền thiết kế =>Hình thành mặt cắt thiết kế - Kiểm tra an toàn phương án thiết kế, hệ số an toàn đặc trưng > 1.0 Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống) Dựa chế phá hoại chủ yếu • Trạng thái tới hạn (Ultimate Limit State State ULS ULS)) • Trạng thái giới hạn khả làm việc hữu ích (Serviceability Limit State - SLS SLS)) Sức chịu tải = Tải trọng*SF R = S*SF SF >1.0 hệ số an toàn theo cấp cơng trình Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống) Tải trọng thiết kế ? = F(Ptk, phân bố dài hạn) Tải trọng thiết kế dùng chung cho phận khác công trình Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống) Chiề cao sóng Chiều ó Hs,0 25 Chu kỳ lặp lại (năm) Ptk = 0.04 04 = 1/25 năm Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống) Đặc điểm thiết kế tất định: Æ Thông thường dựa 01 chế gây phá hỏng cơng trình Ỉ Thiết kế thơng qua Tiêu chuẩn TK (cơng thức thực nghiệm) Ỉ Kể đến yếu tố bất định thông qua hệ số an tồn Ỉ Giả thiết hệ số an tồn đảm bảo an tồn cho cơng trình tất chế phá hỏng khác Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.2 Tồn thiết kế tất định SỰ CỐ NGẬP LỤT ™• MỰC NƯỚC LŨ > MNTK BỞI CÁC CƠ CHẾ KHÁC Lý thuyết thiết kế đỉnh đê MỰC NƯỚC LŨ < MNTK • PMNTK • PMNTK Psự cố • xảy nhiều thực tế Ư Khơng nên đồng PMNTK với Psự cố hệ thống Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.2 Tồn thiết kế tất định - Ch−a xÐt ®Õn tÝnh tỉng thể hệ thống, không kể đến nh hởng quy mô hệ thống (ảnh hởng chiu di ) - Không so sánh đợc độ bền mặt cắt khác - Không đa đợc xác suất gây thiệt hại v mức độ thiệt hại - Không kể đến tính ngẫu nhiên biến liên quan i Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển Sự cố vỡ đê xảy Nước tràn qua đỉnh đê ??? T.K tất định: nước lũ không tràn qua đê với tần xuất 1/10 năm Trên thực tế có nhiều chế khác gián tiếp gây vỡ đê Các chế đóng góp đáng kể vào khả vỡ đê Ví dụ d 1: xói ói bãi Ỉ ất chân hâ Ỉ đổ kè Ỉ xói ói mái đê Ỉ vỡ ỡ đê Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển ™• Ví dụ 2: Sóng leo, sóng tràn Ỉ xói mái đỉnh đê Ỉ vỡ đê Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 1.2 Tồn thiết kế tất định Khả xảy hư hỏng thực tế cơng trình ??? khi: • Tác động thường xuyên tải trọng nhỏ giá trị thiết kế • Tính khơng đồng tải trọng, vật liệu, điều kiện làm việc vị trí khác cơng trình • Tính bất định/độ khơng tin cậy tài liệu đầu vào thiết kế • Tính xác cơng thức tính tốn thiết kế Đại Học Thủy Lợi – Khoa Kỹ Thuật Biển 10 Rủi ro theo quan điểm xã hội – FN curve 10 lognormal fit VN flooding NL total risk NL VROM rule VN data 1971-2007 -2 10 -4 1-Fr (p per year 10 -6 10 -8 10 -10 10 -12 10 10 Ứng dụng vào Vietnam thống kê tai nạn • Total population: 85 million • Road traffic accident statistics: Pf=1.45x10-4 • Averaged death rate: r=6.19x10-3 per year MFVN = 550 =>Acceptable level: E( N di ) + k * ( N di ) <  i * 550 10 10 10 10 Number of fatalities 10 10 10 Ứng dụng vào Vietnam Xác định giá trị rủi ro chấp nhận k TR  Ci 1710.7 3.1 0.30 2880.4 5.2 0.07 4050.1 7.4 0.03 Factor 10 to 100 is found comparing to the Dutch case Safety level of 1/1000 to 1/100 per year may be set 10 Economic optimal level of risk Optimal level of safety • The problem of the acceptable level of risk can also be formulated as an economic decision problem • The expenditure I for a safer system is equated with the gain made by the decreasing present value of the risk (Figure) • indicated by Pfopt corresponds to the point of minimal cost • min(Q) = min(I(Pf) + PV(Pf S)) • where : • Q = total cost • PV = present value operator • S = total damage in case of failure Rủi ro theo quan điểm kinh tế Mô đơn giản: đê nâng cấp cao đủ? Min cost Cost • I: đầu tư để hệ thống an tồn (hoặc vốn đàu tư ban đầu) • Tổng chí phí= I+ thiệt hại tiềm tàng cố xảy (rủi ro) • Tìm điểm cực tiểu Ctot = Io+Isafer + Cmaintenance + PV[Pf*E(D)] Q : to ta l c o s t i=T O p t p o in t I PV [ P f * E ( D)] = P f * E ( D)*  i=0 1 + r  i P V (Pf * S ) -ln (Pf ) o p t - ln (Pf ) 11 Mơ hình Pf  e  Economical optimal dike height h A B 10 x 10 E ( Ctot )  I0  I1 ( h  h0 )  Pf ( D  Nd ) PV Total costs Giải pháp há Pf ,opt I1 B  ( D  Nd ) PV E ( N saved _ lifes )  ( Pf ,  Pf ,opt ) N CSX  Optimum Construction costs Damage costs I ( Pf ,  Pf ,opt ) N PV 4.5 5.5 6.5 H [m] Ví dụ: Đê biển Nam ĐỊnh Kết phân tích rủi ro kinh tế Climate & Meteorology Sea boundary Max Tidal range: 4.0 m Wave height: 2.0-4.0 m Coastal defences: 2000 km sea dikes 12 Dike height [m] Tropical climate: - seasons - to typhoons annually Required dike height Existing dikes 10 -3 10 -2 10 -1 10 (a) Design Frequency [1/year] 10 Cons of the Typhoon Damrey: -25 km of sea dikes broken - inundation of large area 18, 2013 loss: $US 500 Mil - TotalAprildirect costs [$US Million] 800 Investment 600 Risk Invest nothing Total costs 400 Optimal point 200 -3 10 April 18, 2013 -2 10 -1 10 (b) Design Frequency [1/year] 10 12 Risk-based optimal protection level Economic risk analysis Thiết kế theo độ tin cậy 1200 Investment Risk k=1 Total k=1 Risk k=2 Total k=2 Risk k=3 Total k=3 cos sts [$US Million] 1000 800 600 400 5.5 200 -3 10 8.1 5.5 -2 -1 10 10 (b) Design Frequency [1/year] 8.6 0 10 Actual dikes: April 18, 2013 April 18, 2013 Kết phân tích rủi ro Quản lý rui ro: Giảm thiểu rủi ro ? • Đưa mức rủi ro/an toàn theo quan điểm: cá nhân, cộng đồng; theo quan điểm kinh tế • Làm cho toán thiết kế (ghi tiêu chuẩn thiết kế, VD 1/10 1/20, 1/100 …1/10000) 4/18/2013 51 Rủi ro = {Xác suất xay kiện} x {Hậu kiện tạo ra} Nhóm giải pháp 1: Relief centered approach (Giảm thiểu thiệt hại): cứu hộ, cứu nạn, di tán, chấp nhận thiệt hại sở hạ tầng, kinh tế =>Kế hoạch ứng phó cứu nạn; Khu tránh trú, trú quy hoạch khơng gian hợp lý vv Nhóm giải pháp 2: Prevention centered approach (Phòng, tránh ) Giảm thiểu xác suất cố: vd xây dựng hệ thống phòng chống lũ đủ độ tin cậy, siêu bền ect April 18, 2013 52 13 Các vấn đề cần quan tâm Giảm thiểu rủi ro ? Các nhà Quản lý: Nhóm GP 1; Các nhà Kỹ thuật: Nhóm GP 2; sea dike high ground Waves low lying city sea dune river dike shoals sluice estuarine dike - An toàn tại? (Q1) - An toàn mức độ đủ (Rủi ro chấp nhận)? (Q2) - Giải pháp thiết kế tin cậy với điều kiện an toàn yêu cầu? (Q3) April 18, 2013 53 April 18, 2013 54 Mô tả hệ thống Q1- đánh giá an toàn- Hàm tin cậy Z Z = Độ bền R – Tải trọng S + Model Error Sự cố xảy Z