1. Giới thiệu chung lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng thiết kế công trình biển
1.5.2.Hiệu chỉnh các hệ số an toàn thành phần
Đối với bất kỳ cơ chế hư hỏng nào của hệ thống đều được xác định bởi một hàm trạng thái có dạng như sau:
( , ) 0
G X Z = (1.31)
Trong đó:
1
( ,... n)
X = X X : Các biến ngẫu nhiên của tải trọng. 1
( ,... n)
Z = Z Z : Các biến ngẫu nhiên xác định sức kháng.
Tương ứng với mỗi một cơ chế hư hỏng thành phần thì phương trình hàm trạng thái cho cơ chế đó như sau:
( c, , ) 0 i G x z γ = (1.32) 1 ( ,...., ) c c c n
x = x x : là các giá trị đặc trưng của các biến ngẫu nhiên tải trọng. 1
( ,..., n)
z= z z : Các biến ngẫu nhiên xác định sức kháng. 1
( ,...., n)
Thường trong thiết kế, giá trị của tải trọng tại điểm hư hỏng thường được xác định bằng cách nhân hệ số an toàn thành của tải trọng với giá trị trung bình của tải trọng; giá trị của sức kháng tại mặt phá hoại được xác định bằng chia giá trị trung bình của sức kháng cho hệ số an toàn thành phần của sức kháng. Tương ứng với một cơ chế có một chỉ số độ tin cậy βI . Để chỉ số độ tin cậy βI tiến gần đến chỉ số độ tin cậy mục tiêu βt thì cần phải hiệu chỉnh bằng hệ số an toàn thành phần. Hệ số an toàn thành phần sẽ đảm bảo cho công trình đạt đến độ an toàn.
Cần lưu ý là việc xác định một hệ số an toàn, hai hệ số, nhiều hệ số an toàn khác nhau của từng cơ chế không nhất thiết phải xác định theo một phương pháp nhất định. Tùy theo từng dạng cơ chế mà phương pháp hiệu chỉnh hệ số an toàn thành phần.
1.5.2.1. Hiệu chỉnh hệ số an toàn thành phần theo phương pháp của EN 1990
Mối quan hệ giữa các hệ số an toàn thành phần theo tiêu chuẩn EN 1990 (Eurocode — Basis of structural design):
Qua sơ đồ quan hệ trên ta thấy mối quan hệ giữa hệ số an toàn toàn phần của sức kháng và tải trọng với các hệ số thành. Hệ số an toàn thành phần của sức kháng cấu kiện phụ thuộc vào các yếu tố mô hình không chắc chắn sức kháng của cấu kiện và sự không chắc chắn trong đặc tính vật liệu. Các hệ số không chắc chắn trong đặt tính vật liệu và kết cấu được tích lũy trong hệ số an toàn toàn phần của sức kháng, chúng tham gia đónggóp vào quá trình tính toán hệ số an toàn toàn phần theo phương trình sau:
.
d
R R m
d
R
γ : Hệ số mô hình không chắc chắn sức kháng của cấu kiện
m
γ : Hệ số về sự không chắc chắn trong đặc tính vật liệu
Tương tự như vậy, hệ số an toàn toàn phần của tải trọng cũng phụ thuộc vào các yếu tố: Mô hình không chắc chắn của tải trọng - ảnh hưởng của nó; Sự không chắn chắn trong về giá trị đặc trưng của tải trọng. Hệ số an toàn toàn phần của tải trọng được xây dựng theo phương trình sau:
. d R S f γ =γ γ (1.34) d S
γ : Hệ số mô hình không chắc chắn của tải trọng - ảnh hưởng của nó;
f
γ : Hệ số sự không chắn chắn trong về giá trị đặc trưng của tải trọng.
1.5.2.2. Xác định hệ số thành phần theo phương pháp PIANC WG 28, 1998
- Hệ số an toàn thành phần sử dụng trong thiết kế đê chắn sóng tường đứng phụ vào các yếu tố sau:
+ Sự không chắc chắn trong các thông số liên quan trạng thái giới hạn; + Cấp độ an toàn liên quan đến mục đích sử dụng cấu kiện;
+ Các loại trạng thái giới hạn; + Tuổi thọ dự kiến của công trình; + Nếu có cô hình thực nghiệm kiểm tra.
- Hiệu chỉnh các hệ số an toàn thành phần như sau:
• Để đơn giản các các hệ số an toàn thành phần như sau:
0 2 H H T H γ =γ γ γ (1.35) Trong đó: + 0 H
γ :Hệ số hiệu chỉnh do sự không chắc chắn do tải trọng sóng tối đa có thể xảy ra trong vòng tuổi thọ công trình.
+ γΤ: Hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng củatuổi thọ công trình mong muốn.
γΤ =1 nếu T=50 năm.
γΤ <1 nếu T=20 năm. +
2
H
γ : Hệ số hiệu chỉnh do sự không chắc chắn liên mô hình ước tính tải trọng sóng.
* )Xác định các hệ số hiệu chỉnh theo bảng tra như sau:
- Xác định hệ số γH0đối với cấp độ an toàn trung bình trong trạng thái ULS và cấp độ an toàn cao trong trạng thái SLS như sau:
Bảng 1.8. Hệ số γH0đối với cấp độ an toàn trung bình trong trạng thái ULS và cấp độ an toàn cao trong trạng thái SLS.
STT Hiệu chỉnh thành phần γΗο
1 Tải trọng sóng 1,1
2 Ảnh hưởng góc ma sát trong của vật liệu 1,2
3 Hư hỏng lớp cấu kiện bảo vệ 0,6
4 Hư hỏng xói nền 2,2
5 Sức kháng cắt vật liệu không thoát nước 1,3 - Hệ số hiệu chỉnh γΤ: do ảnh hưởng của tuổi thọ công trình mong muốn.
Bảng 1.9. Hệ số hiệu chỉnh cho ảnh hưởng của tuổi thọ công trình mong muốn.
T năm 20 năm 50 năm 100 năm
γΤ 0,98 1,0 1,05
Hệ số hiệu chỉnh γH2: do sự không chắn chắn liên mô hình ước tính tải trọng sóng.
Bảng 1.10. Hệ số γH0 cho ảnh hưởng mô hình ước tính tải trọng sóng.
Model 1 2
γΗ2 1,0 0,85
Model 2: Có mô hình thực nghiệm kiểm tra.
• Hệ số an toàn thành phần của sức kháng được xác định: 0 1 2 3 4 5
R
γ =γ γ γ γ γ γ (1.36)
Trong đó:
+ γ0: hệ số hiệu chỉnh do cấp độ an toàn của công trình. + γ1: Hệ số hiệu chỉnh do dạng hư hỏng.
+ γ2: Hệ số hiệu chỉnh do khả năng bất lợi từ tham số sức kháng vật liệu đất nền công trình (Đối với mức độ trung bình lấy là 1,0).
+ γ3 : hệ số hiệu chỉnh do chất lượng mô hình tính toán.
+ γ4 : Hệ số hiệu chỉnh do sự không chắc chắn giữa tham số vật liệu trong cấu trúc và tham số cơ bản của vật liệu.
+ γ5 : Hệ số hiệu chỉnh do mức độ kiểm soát chất lượng công trình. Xác định các hệ số hiệu chỉnh theo các bảng tra sau:
*) Hệ số hiệu chỉnh γ0: do cấp độ an toàn của công trình.
Bảng 1.11. Hệ số hiệu chỉnh do cấp độ an toàn công trình được chọn.
Cấp độ an toàn Mức độ thấp Mức độ trung bình Mức độ cao
γο 0,9 1,0 1,1
*) Hệ số hiệu chỉnh γ1: do dạng hư hỏng.
Bảng 1.12. Hệ số hiệu chỉnh do dạng hư hỏng có thể chấp nhận được.
Dạng hư hỏng HH rễsưa chữa HH khó sửa chữa HH không thể sửa chữa
Chỉ sốγ1 0,9 1,0 1,1
*) Hệ số hiệu chỉnh γ3 : do chất lượng mô hình tính toán.
Bảng 1.13. Hệ số hiệu chỉnh do chất lượng mô hình tính toán.
Chất lượng mô hình Tốt Trung bình Thấp
*) Hệ số hiệu chỉnh γ4 : do sự không chắc chắn giữa tham số vật liệu thực tế trong kết cấu và tham số của vật liệu kiến nghị.
Bảng 1.14. Hệ số hiệu chỉnh do tham số đặc trưng vật liệu.
Mức độ lệch Lớn Trung bình Nhỏ
Chỉ số γ4 0,95 1,0 1,1
*) Hệ số hiệu chỉnh γ5 : do mức độ kiểm soát chất lượng công trình.
Bảng 1.15. Hệ số hiệu chỉnh do mức độ kiểm soát chất lượng công trình.
Mức độ kiểm tra Tăng cường Trung bình Giảm
CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC CƠ CHẾ HƯ HỎNG ĐÊ CHẮN SÓNG 2.1. Cơ chế hư hỏng đê chắn sóng do nguyên nhân sóng tràn qua đê
Sóng tràn là cơ chế quan trọng nhất trong tính toán thiết kế đê chăn sóng. Từ cơ chế sóng tràn ta xác định được chiều cao lưu không và cao trình đê chăn sóng. Do đó việc tính toán sóng tràn có liên quan mật thiết với quy mô công trình và sự ổn định công trình. Đôi với các đê biển công năng công trình là chắn nước biển không cho nước tràn vào phía trong hoặc cho phép tràn một lượng rất nhỏ qua đê, tuy nhiên với đê chắn sóng thì công năng công trình không phải là chắn nước do đó cho phép tràn một lượng lớn nước qua đỉnh đê sẽ nếu lượng tràn không ảnh hưởng đến các bộ phận khác. Đối với đê chắn sóng thùng trìm thì kết cấu đê chủ yếu là bê tông cốt thép do đó việc tràn qua đỉnh sẽ không ảnh hưởng lớn ổn định công trình.
Khi sóng tràn qua đê chắn sóng thì tạo ra sóng trong bể cảng do năng lượng dư thừa của sóng. Đồng thời phần năng lượng dư thừa này sẽ làm mất ổn định lớp bảo vệ phía trong bể cảng. Tuy nhiên một chức năng khác của đê chắn sóng là sóng truyền yêu cầu khống chế một giá trị chiều cao sóng trong bể cảng. Do đó để đảm bảo chiều cao sóng sau đê thì lượng sóng tràn qua đê chắn sóng cũng phải khống chế một lượng vừa đủ. Nếu đê chắn sóng không thực hiện các chức năng khác như giao thông trên mặt đê hoặc neo đậu tàu bè sau đê thì có thể tham khảo các tiêu chuẩn sóng tràn của CEM, TAW, EUROTOP,…. Như vậy hàm trạng thái của đê chắn sóng là so sánh lượng sóng tràn qua đê với lưu lượng tràn qua đê cho phép.
• Hàm trạng thái được viết như sau:
a
Z =q −q (2.1)
Trong đó:
+ Z: Hàm trạng thái cơchế (Z>0 - Cơ chế an toàn);
+ qalà lưu lượng tràn qua cho phép. Xác định theo các tiêu chuẩn tràn cho phép + q là lưu lượng tràn qua đê. Xác định theo các mô hình thực nghiệm tương ứng
• Xác định lưu lượng tràn qua đê theo Franco (1999) xác định cho đê chắn sóng tường đứng xây dựng phương trình sau:
3 1 0, 082.exp 3 c s s R q H gH γβσ = − (2.2) Trong đó:
+ q: Lưu lượng tràn đơn vị (m3/s/m).
+ γβσ: Mô tả ảnh hưởng của độ dốc hoặc chiều dài đỉnh sóng. + Hs:Chiều cao sóng có nghĩa trước chân công trình (m). + Rc:Chiều cao lưu không đỉnh đê (m).
Thay phương trình (2.2) vào phương trình (2.1) ta được phương trình hàm trạng thái như sau:
3 1 0, 082. .exp 3 c a s s R Z q gH H γβσ = − − (2.3)
2.2. Cơ chế hư hỏng đê chắn sóng do sóng truyền qua
Để đảm bảo chức năng chính của đê chắn sóng là chiều cao sóng trong bể cảng và luồng tầu nhỏ hơn giá trị cho phép. Tuy nhiên do các điều kiện sóng truyền qua công trình hoặc do khúc xạ, nhiễu xạ tạo thành sóng trong bể cảng hoặc luồng tầu. Ngoài ra còn do gió và sóng do tàu chạy hình thành lên. Trong khuôn khổ luận văn tác giả mới chỉ xác định chiều cao sóng truyền qua công trình chưa đánh giá được chiều cao sóng sinh ra nhiễu xạ vào trong bể cảng và chiều cao sóng sinh ra do gió và tầu thuyền trong bể cảng. Đối với đê chắn sóng dạng thùng trìm thì chiều cao sóng truyền qua đê chủ yếu do nguyên nhân sau:
- Nguyên nhân sóng khúc xạ qua đầu đê vào bên trong. - Nguyên nhân năng lượng dư thừa do sóng tràn qua đê.
- Nguyên nhân đê chắn sóng bị phá hủy phần kết cấu, không có khả năng thực hiện chức năng che chắn sóng.
Đầu tiên để phân tích hư hỏng của công trình cần phải xác định chức năng của công trình. Chức năng chính của công trình đê chắn sóng là đảm bảo vùng nước tĩnh nặng trong cảng và luồng tầu để cho tàu bè vào cảng được thuận lợi và an toàn hàng hải. Ngoài ra đê chắn sóng còn có các chức năng phụ như: Hướng dòng chảy của sông, ổn định cửa sông bảo vệ luồng tầu,… Với chức năng chính của công trình
là đảm bảo điều kiện lặng sóng thì chiều cao sóng cho phép trong bể cảng là Hs<0,2m. Do đó nếu chiều cao sóng mà lớn hơn 0,2m tức là chức năng công trình không đảm bảo. Khi đó hàm trạng thái cơ chế sóng truyền là so sánh chiều cao sóng sau đê với chiều cao sóng cho phép. Hàm trạng thái cơ chế được xây dựng như phương trình (2.4)
• Hàm trạng thái được viết như sau:
[ ]cp
Z = H −H (2.4)
Trong đó:
+ Z: Hàm trạng thái cơ chế (Z>0 - Cơ chế an toàn);
+ [ ]H cp: Chiều cao sóng cho phép trong bể cảng. Xác định theo nhiệm vụ công trình + H: Chiều cao sóng sau đê sinh ra do nguyên nhân sóng truyền và nhiễu xạ. Xác định chiều cao sóng truyền qua công trình theo phương trình (2.5) như sau:
if
( d t). sea
H = K +K H (2.5)
Với
+ Kdif : Hệ số nhiễu xạ sóng;
+ Kt: Hệ số sóng truyền qua thân công trình; + Hsea: Chiều cao sóng phía trước công trình
Trong khuân khổ luận văn tác giả không xét thành phầnnăng lượng dư thừa do qua trình sóng nhiễu xạ đầu đê vào trong bể cảng mà chỉ xét phần năng lượng dư thừa sinh ra do sóng truyền qua thân đê vào trong bể cảng. Xác định hệ số sóng truyền qua công trình theo phương pháp của Goda (1969,1985). Mô hình sóng truyền qua đê chắn sóng tường đứng của Goda (1969,1985) xây dựng xác định được nguyên nhân hình thành sóng truyền qua công trình do năng lượng sóng tràn qua đê và phần năng lượng sóng truyền qua bệ đệm. Do đó hệ số sóng truyền qua chủ yếu phụ thuộc vào chiều cao lưu không của đỉnh đê (Rc ) chiều cao của bệ đệm. Hệ số sóng truyền qua công trình được xác định như sau:
2 2
, , d
t t Rc t b
K = K +K (2.6)
+ Kt Rc, : Hệ số sóng truyền qua công trình sinh ra do năng lượng sóng dư thừa khi tràn qua đê;
+ Kt b, d: Hệ số truyền sóng qua công trình thông qua phần bệ đệm;
2 2 0, 25 1 sin 0, 01 1 2 c c t i s R d d K H h π β α + = − + + − trong đó c i R H β α− < < −α β (2.7) 0,1 1 c t s d d K h + = − trong đó c i R H ≥ −α β (2.8) Trong đó:
hs : Độ sâu nước tại chân công trình (m) như hình 2.1. d: Độ sâu nước của bệ đệm (m) Xem hình 2.1.
dc: Chiều cao bệ đệm tính từ đáy biển đến cao trình bệ đệm (m) Rc: Chiều cao lưu không của đỉnh đê (m)
Các hệ số xác định như sau: α : Được chọn bằng 2,2 2 0, 6. 1, 2. 0, 2 s s d d h h β = + − (2.9) Hình 2.1. Sơ xác định hệ số β
2.3. Cơ chế hư hỏng đê chắn sóng do mất ổn định cấu kiện di hình bảo vệ mái: mái:
Dưới sự tác động của sóng lên lớp phủ bên ngoài thì cấu kiện có thể bị dịch chuyển và để nộ lớp bên trong, lớp này có độ ổn định nhỏ hơn và rẽ ràng bị đánh bật ra ngoài làm hư hỏng hệ thống lớp phủ bên ngoài. Lớp phủ bên ngoài thường bị hư hỏng trong điều kiện có bão với chiều cao sóng bão lớn.
Trong nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đối với mỗi loại cấu kiện dị hình khác nhau thì có chỉ số ổn định khác nhau dưới cùng một giá trị tải trọng sóng. Đối với cấu kiện bảo vệ mái ngoài có hai dang: khối phủ bằng đá đổ và khối phủ dị hình (Nhân tạo). Trong điều kiện sóng bão lớn thì với khối phủ bằng đá sẽ có kích thước rất lớn, khó có thể kiếm được nguồn cung cấp đá đảm bảo yêu cầu. Do đó trong điều kiện công nghệ xây dựng hiện đại người ta chế tạo ra các cấu kiện di hình có chỉ số ôn đỉnh lớn hơn rất nhiều so với vật liệu tự nhiên. Cấu kiện di hình có nhiều dạng, phân loại theo mức độ thanh mảnh hay theo cấu trúc khối lơn, làm việc 1 lớp hay 2 lớp….Tuy nhiên trong các loại cấu kiện dị hình hiện nay thì chỉ số ổn định của cấu kiện Tetrapod là dạng vật liệu thanh mảnh có chỉ số ổn định lớn vì có độ rỗng lớn. Đồng thời trong tình hình công nghệ xây dựng ở Việt Nam thì Tetrapod