1. Giới thiệu chung lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng thiết kế công trình biển
3.7.Tính toán thiết kế lớp phủ mái nghiêng phía bên ngoài
Đối với đê chắn sóng tường đứng, áp lực sóng lên tường đứng gây ra hiện tượng sóng phản xạ phía trước công trình làm tăng chiều cao sóng tới do sóng phản xạ kết hợp với sóng tới. Đồng thời làm tăng dòng chảy rối phía trước chân công trình làm tăng khả năng mất ổn định công trình vàgây ra hiện tượng xói chân công trình mạnh hơn. Do đó để giảm thiểu các yếu tố trên người ta thường dùng cấu kiện dị hình (Tetrapode, dolos, accropode……) bảo vệ phía mái ngoài công trình để làm
tiêu hao bớt năng lượng sóng, giảm hiện tượng sóng phạn xả, giảm sóng leo tràn qua đỉnh đê, giảm xói chân công trình.
Trên thế giới, cấu kiện dị hình bảo vệ mái phía trước có nhiều loại như: Tetrapode, dolos, accropode, Core-loc, Rakuna….Tuy nhiên trong điều kiện công nghệ thi công và tính chất bản quyền của cấu kiện và sự phổ biến của cấu kiện Tetrapode ở Việt Nam. Tác giả kiến nghị sử dụng cấu kiện Tetrapod bảo vệ mái phía ngoài thùng trìm.
Thiết kế cấu kiện dị hình bảo vệ mái ngoài đê chắn sóng thùng trìm được xác định qua quá trình phân tích tối ưu hóa giảm thiểu về chi phí và thiệt hại về con người khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên đối với công trình đê chăn sóng tường đứng thì trạng thái đê chắn sóng phá hoại không gây ra thiệt hại về con người nên quá trình phân tích tối ưu hóa chỉ đảm bảo điều kiện tối ưu hóa về chi phí. Trong các nghiên cứu phân tích tối ưu hóa về chi phí của nhiều tác giả (Vootman 1998, Castillo 2004; Burcharth và Sorensen 2005) tập trung tìm ra một mức độ an toàn tối ưu chi phí. Từ đó đề xuất các yếu tố an toàn thành phần và xác xuất hư hỏng chấp nhận được.
Để tính toán được hệ số an toàn thành phần tương ứng với xác xuất hư hỏng và xác xuất hư hỏng trong toàn bộ tuổi thọ công trình phải được xác định trong tất cả các trạng thái (Có thể bảo trì được, có thể sửa chữa được, trạng thái hư hỏng cuối cùng không thể sửa chữa được). Xác xuất hư hỏng chấp nhận được với khối Tetrapode bảo vệ mái phía ngoài được tác giả Kim và Suh (2011) đê xuất theo phương trình như sau:
1 50 e f N P = (3.36) Trong đó: 1 f
P : Xác xuất hư hỏng mái ngoài trong thời gian T=1 năm; Nelà chỉ số mức độ hư hỏng trung bình khi c
od od N >N ;
Mức độ hư hỏng Nod là tỷ số giữa số cấu kiện dịch chuyển trên bề rộng đoạn kiểm tra. Chỉ số Nod phụ thuộc theo mức độ dịch chuyển của các cấu kiện và xác định theo biểu đồ mối quan hệ độ dịch chuyển và mức độ hư hỏng.
Hình 3. 10. Biểu đồ quan hệ chỉ số dịch chuyển và mức độ hư hỏng (Kim-Suh 2011). c
od
N chỉ số mức độ hư hại của cấu kiện Tatrapode bảo vệ. Xác định Nodc theo bảng 3.7.
Bảng 3.7. Mức độ hư hỏng và chỉ số ổn định (Burcharth và Sorensen 2005)
Trạng thái hư hỏng Ncod
D (Số cấu kiện
dịch chuyển) Mức độ sửa chữa
Ban đầu 0,3 2% Không phải sửa chữa
Bắt đầu hư hỏng (Chỉ hư hỏng
lớp Tetrapode) 0,5 5% Sửa chữa lớp Tetrapod Hư hỏng có thể sửa chữa (Hư
hỏng Lớp Tetrapode, lớp lọc) 1,5 15%
Sửa chữa lớp Tetrapode, lớp lọc
Không thể sửa chữa (Hư hỏng
Tetrapode, lớp lọc, lớp lõi) 2,1 30%
Sửa chữa lớp Tetrapode, lớp lọc, lớp lõi)
• Xác xuất hư hỏng chấp nhận được trong 50 năm được xác định theo phương trình sau:
50 1 50
1 (1 )
f f
P = − −P (3.37)
• Hàm trạng thái ổn định của cấu kiện Tetrapode bảo vệ mái (Burcharth and Sørensen-2004) theo phương pháp hệ số thành phần như sau:
1/3 50 0,5 0,2 0,25 W cot . 3, 75 0,85 . 1, 5 T s od R S om n H N s D N α γ γ = − = + ∆ (3.38) Trong đó: S
R
γ : Hệ số an toàn thành của sức kháng.
n
D : Đường kính trung bình quy đổi của cấu kiện; Nw: Số con sóng trong một trận bão.
∆: Tỷ trọng tương đối của vật liệu so với nước biển;
n
D : Đường kính danh nghĩa cấu kiện;
α : Góc mái dốc thiết kế; om s : Độ dốc sóng; od N : Chỉ số ổn định cấu kiện; 50 T s
H = : Chiều cao sóng tương ứng với chu kỳ lặp T=50 năm;
• Xác định các hệ số an toàn thành phần:
Hệ số an toàn thành phần về tải trọng và sức kháng được xác định phụ thuộc theo xác xuất hư hỏng chấp nhận được theo như biểu đồ dưới đây cho tất cả ba trạng thái (ULS- hư hỏng không thể sửa chữa được, SLS - Hư hỏng có thể sửa chữa được, ILS - Hư hỏng bảo trì được)
Hình 3.11. Biểu đồ hệ số an toàn và xác xuất hư hỏng chấp nhận (Kim-Suh 2011).
Tập dữ liệu xây dựng biểu đồ hai tác giả Kim và Suh đã nhận thấy tất cả các trạng thái thì đều có giá trị phân bố gần nhau nên đã đưa ra phương trình phù hợp nhất như sau: 0,1057 1, 0307. S R Pf γ γ = − (3.39) Trong đó:
+ Pf xác xuất hư hỏng chấp nhận được trong tuổi thọ công trình, đê chắn sóng cảng Mỹ Á có T=50 năm.
+ γ γS R: hệ số an toàn thành phần cho tải trọng và sức kháng.
(Kết quả tính toán cấu kiện bảo vệ mái xem phụ lục 06)
Từ kết quả tính toán bệ đệm ta xác định được biểuđồ quan hệ xác xuất hư hỏng và trọng lượng cấu kiện Tetrapode bảo vệ mái ngoài như sau:
Biểu đồ qua hệ xác xuất hư hỏng và trọng lượng khối Tetrapode
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Xác xuất hư hỏng P Tr ọn g lư ợn g kh ối T et ra p o d e W (T )
Biểu đồ qua hệ xác xuất hư hỏng và trọng lượng khối Tetrapode
Hình 3.12. Biểu đồ quan hệ xác xuất hư hỏng và trọng lượng cấu kiện Tetrapode
Dựa theo bảng kết quả tính toán cấu kiện Tetrapode ta xác định được các khối lượng của khối phủ bên ngoài thùng trìm. Tùy theo trạng thái hư hỏng tương ứng với trọng lượng cấu kiện, cấu kiện càng lớn thì khả năng sửa chữa càng nhỏ, cấu kiện càng nhỏ thì khả năng sửa chữa càng lơn và mức độ hư hỏng lớn nhất là không thể sửa chữa được nữa. Trạng thái hư hỏng không thể sửa chữa được nữa tương ứng với cấu kiện có khối lượng nhỏ giá thành chi phí xây dựng nhỏ. Tuy nhiên khi thiết kế với trạng thái này thì ta phải chấp nhận thiệt hại lớn và phải đầu tư làm lại toàn bộ hệ thống cấu kiện bảo vệ mái ngoài đồng thời khi mái ngoài bị hư hỏng thì cũng làm sóng tác dụng trực tiếp với thùng trìm ảnh hưởng đến tính ổn định cả công trình. Việc đầu tư làm lại mái ngoài có thể làm chi phí tăng thêm và rất khó thi công sửa chữa so với công tác xây dựng mới. Do đó khi thiết kế đê chắn sóng ta không nên chọn phương án thiết kế với trạng thái hư hỏng không thể sửa chữa được nữa. Đối với đê chắn sóng cửa sông Mỹ Á tác giả đề nghị sử dụng trạng thái hư hỏng có thể sửa chữa được cấu kiện mái ngoài, tức là xác xuất hư hỏng chấp nhận được P=39% và trọng lượng khối Tetrapode sử dụng bảo vệ mái ngoài là W=6T, mài ngoài với hệ số mái m=2.