Phương phỏp tớnh theo trạng thỏi giới hạn là việc sử dụng một nhúm cỏc hệ số an toàn mang đặc trưng thống kờ: hệ số tổ hợp tải trọng nRcR, hệ số điều kiện làm việc m, hệ số tin cậy KRnR, hệ số lệch tải n, hệ số an toàn về vật liệu KRVLR… Nhúm cỏc hệ số này thay thế cho một hệ số an toàn chung K. Vỡ vậy phương phỏp này cũn được gọi là phương phỏp nhiều hệ số an toàn.
Người ta phõn biệt 2 nhúm trạng thỏi giới hạn.
Trạng thỏi giới hạn thứ nhất – cụng trỡnh, kết cấu và nền của chỳng làm việc trong điều kiện khai thỏc bất lợi nhất, gồm: cỏc tớnh toỏn về độ bền và ổn định chung của hệ cụng trỡnh – nền; độ bền thấm chung của nền và cụng trỡnh đất; độ bền của cỏc bộ phận mà sự hư hỏng của chỳng sẽ làm cho việc khai thỏc cụng trỡnh bị ngừng trệ; cỏc tớnh toỏn về ứng suất, chuyển vị của kết cấu bộ phận mà độ bền hoặc độ ổn định cụng trỡnh chung phụ thuộc vào chỳng v.v...
Trạng thỏi giới hạn thứ hai – cụng trỡnh, kết cấu và nền của chỳng làm việc bất lợi trong điều kiện khai thỏc bỡnh thường, gồm: cỏc tớnh toỏn độ bền cục bộ của nền; cỏc tớnh toỏn về hạn chế chuyển vị và biến dạng, về sự tạo thành hoặc mở rộng vết nứt và mối nối thi cụng; về sự phỏ hoại độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chỳng chưa được xem xột ở trạng thỏi giới hạn thứ nhất.
Theo TCXDVN 285-2002 điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của cụng trỡnh là: . . c tt n m R n N K ≤ ( 1 - 3)
trong đú: NRttR - trị số tớnh toỏn của tải trọng tổng hợp. Tải trọng tớnh toỏn được xỏc định bằng cỏch lấy tải trọng tiờu chuẩn nhõn với hệ số lệch tải n:
NRttR = n.NRtcR, (1 - 4) NRtcR - tải trọng tiờu chuẩn;
n - hệ số lệch tải, xỏc định theo bảng TCXDVN 285-2002
R - trị số tớnh toỏn của sức chịu tổng hợp của cụng trỡnh hay nền TC VL R R K = (1 - 5)
RRTCR - cường độ tiờu chuẩn của vật liệu;
KRVLR - hệ số an toàn về vật liệu, Khi tớnh toỏn theo trạng thỏi giới hạn thứ nhất, với kết cấu kim loại, KRVLR = 1,5. Khi tớnh toỏn theo trạng thỏi giới hạn thứ hai, lấy KRVLR = 1,0.
nRcR - Hệ số tổ hợp tải trọng. m - Hệ số điều kiện làm việc.
KRnR - Hệ số tin cậyxột đến tầm quan trọng (cấp) của cụng trỡnh, cỏc hậu quả khi xảy ra trạng thỏi giới hạn.
1.4.4 Phương phỏp tớnh theo độ tin cậy [7] [9]
1.4.4.1 Con đường hỡnh thành của phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn
Sự tiến triển logic của cỏc phương phỏp thiết kế cụng trỡnh đó được tổng kết như sau. Ban đầu chỳng được tớnh theo cỏc phương phỏp tất định (theo ứng suất cho phộp và hệ số an toàn), với tiền đề là tải trọng và độ bền tớnh toỏn đó được mặc định trong suốt quỏ trỡnh làm việc của cụng trỡnh. Thực tế thỡ cỏc hàm tải trọng và độ bền chịu tỏc động của rất nhiều yếu tố khỏc nhau, và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiờn. Vỡ vậy việc ấn định trước cỏc giỏ trị tớnh toỏn của chỳng trong suốt thời gian làm việc của cụng trỡnh là chưa thoả đỏng. Bự lại, để tăng mức độ dự trữ an toàn, người ta phải giảm bớt cỏc trị số ứng suất cho phộp, hay tăng hệ số an toàn cho phộp lờn. Việc tăng hay giảm này khụng trỏnh khỏi yếu tố chủ quan.
Sự chuyển sang phương phỏp trạng thỏi giới hạn là một bước tiến trờn con đường cải tiến cỏc phương phỏp thiết kế cụng trỡnh. Phương phỏp trạng thỏi giới hạn thực chất là phương phỏp bỏn ngẫu nhiờn, ở đõy cỏc hệ số an toàn cục bộ (nRcR, KRnR, m, KRVLR) được xỏc định theo con đường xỏc suất thống kờ. Bước tiến tiếp theo là việc chuyển sang cỏc phương phỏp ngẫu nhiờn trong khuụn khổ lý thuyết độ tin cậy. Lý thuyết này xột đến bản chất thay đổi thường xuyờn của tải trọng và tỏc động, tớnh chất vật liệu, bản thõn kết cấu và cỏc điều kiện khai thỏc chỳng.
1.4.4.2 Lịch sử phỏt triển phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn trờn thế giới
Những năm thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ XX trờn thế giới đó cú những cụng trỡnh cụng bố về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào lĩnh vực kết cấu xõy dựng. Cỏc khỏi niệm về “Xỏc suất đảm bảo khụng bị phỏ hoại” cũng như tớnh toỏn cỏc xỏc suất này đó trở nờn quen thuộc trong lĩnh vực kết cấu xõy dựng.
Lý thuyết độ tin cậy cũng đó được ứng dụng vào lĩnh vực tớnh toỏn cụng trỡnh thủy từ những năm thập kỷ 90 của thế kỷ XX. Cỏc thiết kế ngẫu nhiờn và cỏc thiết kế rủi ro được phỏt triển khỏ mạnh mẽ trong lĩnh vực cụng trỡnh biển và cụng trỡnh bảo vệ bờ.
Ở nước ta, lý thuyết độ tin cậy cũng đó được xõm nhập vào từ những năm 60, từ đú đến nay nú khụng ngừng được phỏt triển. Đầu tiờn là sự truyền bỏ lý thuyết bằng những sỏch dịch, bài giảng, giỏo trỡnh giảng dạy trong cỏc trường đại học, tiếp đến là cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu trong khuụn khổ cỏc luận văn thạc sĩ, luận ỏn tiến sĩ trong cỏc ngành Giao thụng, Kết cấu xõy dựng, Cụng trỡnh thủy, Đờ và cụng trỡnh bảo vệ bờ…Trong lĩnh vực kết cấu xõy dựng đó cú những quy định ban đầu về tớnh độ tin cậy kết cấu. So với thế giới ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực cụng trỡnh xõy dựng của Việt nam đang cũn là mới mẻ.
1.4.4.3 Cỏc cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn
Trong trường hợp tất cả cỏc nguyờn nhõn xảy ra hư hỏng cụng trỡnh cú thể liệt kờ và xỏc suất xảy ra hư hỏng đú cú thể chắc chắn được xỏc định thỡ về nguyờn tắc cú thể xỏc định được xỏc suất xảy ra sự cố. Vỡ vậy, hoàn toàn cú thể đưa ra một phương phỏp tiếp cận mới trong thiết kế cụng trỡnh với ý tưởng “Cần xem xột về mức độ cú thể xõy dựng tiờu chuẩn an toàn cụng trỡnh căn cứ vào phõn tớch rủi ro cho tất cả cỏc yếu tố liờn quan”. Đõy là lý do cơ bản của sự phỏt triển phương phỏp “Thiết kế cụng trỡnh theo lý thuyết ngẫu nhiờn và phõn tớch độ tin cậy”.
Phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn là phương phỏp thiết kế dựa trờn cơ sở toỏn xỏc suất thống kế để phõn tớch tương tỏc giữa cỏc biến ngẫu nhiờn của tải trọng và của sức chịu tải trong cỏc cơ chế phỏ hoại theo giới hạn làm việc của cụng trỡnh.Trong thiết kế ngẫu nhiờn, tất cả cỏc cơ chế phỏ hỏng được mụ tả bởi mụ hỡnh toỏn hoặc mụ hỡnh mụ phỏng tương ứng. Tớnh toỏn xỏc suất phỏ hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của cụng trỡnh được dựa trờn hàm độ tin cậy của từng cơ chế phỏ hỏng.
Cỏc cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn được chia ra làm bốn cấp độ:
U
* Cấp độ 0:U Là phương phỏp thiết kế tất định – phương phỏp hệ số an toàn. Thiết
kế dựa trờn cơ sở cỏc trạng thỏi trung bỡnh, cỏc trị trung bỡnh và kốm theo hệ số an toàn thớch hợp tương ứng với mỗi loại cụng trỡnh;
U
* Cấp độ I:U Là phương phỏp thiết kế tất định – phương phỏp trạng thỏi giới hạn.
Đõy là phương phỏp tiếp cận bỏn ngẫu nhiờn. Trong thiết kế sử dụng cỏc 1 nhúm cỏc hệ số an toàn cục bộ (nRcR, m, KRnR, n, KRVLR) để tăng giỏ trị của tải trọng và giảm giỏ trị của độ bền. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
U
* Cấp độ II:U Là phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn. Cấp độ này bao gồm một số
phương phỏp gần đỳng để biến đổi hàm phõn phối xỏc suất sang dạng hàm phõn phối chuẩn hay phõn phối Gaussian. Để xỏc định gần đỳng
cỏc giỏ trị xỏc suất xảy ra sự cố, quỏ trỡnh tuyến tớnh húa toỏn học cỏc phương trỡnh liờn quan cần được thực hiện.
U
* Cấp độ III:ULà phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn. Theo cấp độ tiếp cận này, cỏc
hàm phõn phối xỏc suất của cỏc biến ngẫu nhiờn được xem xột hoàn toàn đỳng với quy luật phõn phối thực của chỳng. Trường hợp bài toỏn phi tuyến, vấn đề cũng sẽ được giải quyết theo phi tuyến.
1.5 Ưu và nhược điểm cỏc phương phỏp
Phương phỏp: hệ số an toàn và trạng thỏi giới hạn tớnh toỏn đơn giản, khụng cần chuỗi số liệu (chỉ cần giỏ trị trung bỡnh của thớ nghiệm và số liệu lựa chọn tớnh toỏn). Chớnh vỡ thế khi tớnh toỏn với cả 2 phương phỏp này đều chỉ đưa ra một kết luận cụng trỡnh cú ổn định hay khụng ổn định, nếu khụng ổn định lại phải thay đổi kết cấu, kớch thước của cụng trỡnh tớnh lại và kiểm tra. Nờn tớnh chớnh xỏc khụng cao. Việc tớnh toỏn thiết kế kết cấu cụng trỡnh dựa trờn cỏc Tiờu chuẩn quy phạm, trong đú coi cỏc yếu tố bất định là “tiền định” kốm theo cỏc hệ số an toàn. Cỏch tớnh toỏn này được gọi là phương phỏp tớnh theo “mụ hỡnh tiền định”, khụng phản ảnh được bản chất ngẫu nhiờn của cỏc tỏc động, do đú khụng thể đỏnh giỏ đỳng đắn chất lượng của kết cấu cụng trỡnh thực tế. Một số hạn chế của phương phỏp thiết kế truyền thống theo cú thể kể ra như:
+ Chưa xỏc định được xỏc suất hư hỏng của từng thành phần cũng như của toàn hệ thống;
+ Chưa xột đến tớnh tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh;
+ Khụng đưa ra được xỏc suất gõy thiệt hại và mức độ thiệt hại của vựng được bảo vệ.
Phương phỏp lý thuyết độ tin cậy: Sự ra đời của lý thuyết độ tin cậy kết cấu cụng trỡnh nhằm khắc phục nhược điểm của mụ hỡnh tiền định, nhờ dựa trờn cụng cụ toỏn học chủ yếu là lý thuyết xỏc suất (kết hợp với thống kờ và lý thuyết cỏc quỏ trỡnh ngẫu nhiờn) cho phộp mụ tả sỏt thực tế hơn cỏc yếu tố ngẫu nhiờn tỏc động lờn kết cấu cụng trỡnh. Lý thuyết độ tin cậy đó đưa ra cỏc phương phỏp tớnh theo “mụ
hỡnh xỏc suất”, để đỏnh giỏ chất lượng cụng trỡnh theo độ tin cậy (đo bằng xỏc suất tin cậy). Từ đú trạng thỏi khai thỏc an toàn của cụng trỡnh được xỏc định dựa trờn đối chiếu giữa “độ tin cậy tớnh toỏn” của cụng trỡnh so với “độ tin cậy cho phộp” được quy định trong Tiờu chuẩn quy phạm thiết kế theo độ tin cậy. Luận văn tập trung đi sõu nghiờn cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy nhằm đỏnh giỏ an toàn kết cấu cống đồng bằng nhằm đưa ra được phương phỏp kiểm tra đỏnh giỏ mức độ an toàn của cỏc cụng trỡnh hiện hữu. Điều này hết sức cú ý nghĩa nhất là trong điều kiện biến đổi khi hậu toàn cầu.
1.6 Kết luận chương 1
Với mục đớch đặt ra của đề tài, chương 1 đó nờu bật được những nội dung sau: 1. Đó khỏi quỏt được cỏc kiểu Cống đồng bằng chớnh xõy dựng ở nước ta, phõn
tớch những yờu cầu tớnh toỏn cống để đảm bảo an toàn và giới hạn phạm vi nghiờn cứu: an toàn ổn định tổng thể của cống.
2. Đó làm được rừ nội dung cỏc phương phỏp tớnh ổn định dựng trong thiết kế cống: Phương phỏp hệ số an toàn, phương phỏp trạng thỏi giới hạn, phương phỏp lý thuyết độ tin cậy. Từ đú phõn tớch ưu nhược điểm của từng phương phỏp đưa ra quyết định lựa chọn phương phỏp lý thuyết độ tin cậy làm phương phỏp nghiờn cứu của luận văn.
Để làm rừ hơn nội dung tớnh ổn định cống ở chương 2 tỏc giả đi sõu vào
phõn tớch lập và giải bài toỏn tớnh ổn định cống theo lý thuyết độ tin cậy. Việc nghiờn cứu ỏp dụng phương phỏp thiết kế ngẫu nhiờn trong tớnh toỏn ổn định cống núi chung và cho Cống Nam Đàn, Nghệ An núi riờng là một hướng đi đỳng đắn và phự hợp với xu thế hiện nay.
CHƯƠNG 2
BÀI TOÁN THEO Lí THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ
CÁC PHẦN MỀM ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN