7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.4 Các phương pháp tính toán ổn định cống dùng trong thiết kế
Mỗi công trình thủy lợi là một hệ kết cấu chịu lực phức tạp. Theo quan điểm thiết kế, khi công trình không đủ sức chịu tải thiết kế hoặc còn đủ sức chịu tải thiết kế nhưng tải trọng vượt tải trọng thiết kế thì công trình làm việc trong điều kiện không an toàn và có thể xảy ra sự cố dẫn đến đổ vỡ. Để công trình làm việc được an toàn trong điều kiện tải trọng và sức chịu tải thiết kế, người thiết kế phải lựa chọn giải pháp kết cấu đủ điều kiện ổn định tổng thể và ổn định về độ bền. Vì vậy tính ổn định và độ bền là một nội dung rất quan trọng, không thể thiếu trong thiết kế công trình.
Hiện nay trong thiết có nhiều phương pháp tính ổn định và độ bền công trình.
Các phương pháp được sử dụng phổ biến trong thiết kế là phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp hệ số an toàn, phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy. Đối với cống lộ thiên thường dùng các phương pháp sau:
1.4.1 Phương pháp ứng suất cho phép [12]
Theo phương pháp này, điều kiện bền có dạng:
σRmaxR ≤ [σ] (1-1)
σRmaxR- ứng suất tính toán lớn nhất tại một điểm, xác định từ tổ hợp tải trọng bất lợi nhất;
[σ] - ứng suất cho phép, lấy theo tài liệu, tiêu chuẩn 1.4.2 Phương pháp hệ số an toàn [12]
Phương pháp hệ số an toàn được ứng dụng trong tính toán ổn định công trình với biểu thức kiểm tra điều kiện an toàn như sau:
g
cp t
K F K
= F ≥ (1 - 2)
Trong đó: K - hệ số an toàn, là tỷ lệ giữa yếu tố (lực hay mômen) giữ FRgR và yếu tố gây mất ổn định FRtR; KRcpRlà hệ số an toàn cho phép
Trong tính toán thiết kế, người thiết kế thường lựa chọn công thức tính toán hệ số ổn định K đã được thiết lập cho từng loại công trình và cho từng sơ đồ tính cụ thể. Hệ số an toàn cho phép KRcpR được xác định theo tiêu chuẩn kĩ thuật được chọn làm tiêu chuẩn thiết kế.
1.4.3 Phương pháp trạng thái giới hạn [12]
Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn là việc sử dụng một nhóm các hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê: 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… Nhóm các hệ số này thay thế cho một hệ số an toàn chung K. Vì vậy phương pháp này còn được gọi là phương pháp nhiều hệ số an toàn.
Người ta phân biệt 2 nhóm trạng thái giới hạn.
Trạng thái giới hạn thứ nhất – công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc trong điều kiện khai thác bất lợi nhất, gồm: các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ công trình – nền; độ bền thấm chung của nền và công trình đất; độ bền của các bộ phận mà sự hư hỏng của chúng sẽ làm cho việc khai thác công trình bị ngừng trệ; các tính toán về ứng suất, chuyển vị của kết cấu bộ phận mà độ bền hoặc độ ổn định công trình chung phụ thuộc vào chúng v.v...
Trạng thái giới hạn thứ hai – công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc bất lợi trong điều kiện khai thác bình thường, gồm: các tính toán độ bền cục bộ của nền; các tính toán về hạn chế chuyển vị và biến dạng, về sự tạo thành hoặc mở rộng vết nứt và mối nối thi công; về sự phá hoại độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chúng chưa được xem xét ở trạng thái giới hạn thứ nhất.
Theo TCXDVN 285-2002 điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là: .
c. tt
n
n N m R
≤ K ( 1 - 3)
trong đó: NRttR - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp. Tải trọng tính toán được xác định bằng cách lấy tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải n:
NRttR = n.NRtcR, (1 - 4) NRtcR - tải trọng tiêu chuẩn;
n - hệ số lệch tải, xác định theo bảng TCXDVN 285-2002
R - trị số tính toán của sức chịu tổng hợp của công trình hay nền TC
VL
R R
= K (1 - 5) RRTCR - cường độ tiêu chuẩn của vật liệu;
KRVLR - hệ số an toàn về vật liệu, Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất, với kết cấu kim loại, KRVLR = 1,5. Khi tính toán theo trạng thái 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 cậyxét đến tầm quan trọng (cấp) của công trình, các hậu quả khi xảy ra trạng thái giới hạn.
1.4.4 Phương pháp tính theo độ tin cậy [7] [9]
1.4.4.1 Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên
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 (nRcR, KRnR, m, KRVLR) 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.
1.4.4.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới
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.
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.
1.4.4.3 Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên
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 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 kế 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.
Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được chia ra làm bốn cấp độ:
U* Cấp độ 0:U 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;
U* Cấp độ I:U Là phương pháp thiết kế tất định – phương pháp trạng thái giới hạn.
Đây là phương pháp tiếp cận bán ngẫu nhiên. Trong thiết kế sử dụng các 1 nhóm các hệ số an toàn cục bộ (nRcR, m, KRnR, n, KRVLR) để tăng giá trị của tải trọng và giảm giá trị của độ bền.
U* Cấp độ II:U 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.
U* Cấp độ III:ULà 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.