Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế đê chắn sóng dạng thùng trìm cửa sông Mỹ Á - tỉnh Quảng Ngãi

Trong khi thiết kế công trình đê chắn sóng theo lý thuyết độ tin cậy có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp thiết kế theo truyền thống.. Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy tro

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN CAM KẾT Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ lợi

Phòng Đào tạo ĐH và Sau ĐH trường Đại học Thuỷ lợi Tên tôi là: Lê Văn Thủy

Thiều Quang Tuấn

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tài liệu và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Người làm đơn

Lê Văn Thủy

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện luận văn Thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế đê chắn sóng dạng thùng trìm cửa sông Mỹ Á - tỉnh Quảng Ngãi” tác giả đã hoàn thành theo đúng nội dung của đề

cương nghiên cứu, được Hội đồng Khoa học và Đào tạo của Khoa kỹ thuật Biển phê duyệt Luận văn được thực hiện với mục đích nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế công trình đê chắn sóng dạng tường đứng

Để có được kết quả như ngày hôm nay, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Thiều Quang Tuấn - Khoa Kỹ thuật biển - Trường Đại học Thủy lợi

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp các ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình, sự hỗ trợ về mặt chuyên môn

và kinh nghiệm của các thầy cô giáo trong khoa Kỹ thuật biển, Phòng Đào tạo Đại học và sau đại học; tập thể lớp cao học 20BB- Trường Đại học Thuỷ lợi cùng toàn thể gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận văn này

Trong quá trình thực hiện luận văn, do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, đồng nghiệp để giúp tác giả hoàn thiện về mặt kiến thức trong học tập và nghiên cứu

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Lê Văn Thủy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CH ƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG 3

1 Giới thiệu chung lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng thiết kế công trình biển 3

1.1 Giới thiệu chung về lý thuyết độ tin cây 3

1.2 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực xây dựng công trình 5

1.3 Phân tích đánh giá phương pháp thiết kế truyền thống và phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy 5

1.3.1 Ph ương pháp thiết kế truyền thống 5

1.3.2 Ph ương pháp thiết kế ngẫu nhiên 7

1.4 Đánh giá ưu nhược điểm phương pháp thiết kế truyền thống và phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy 13

1.4.1 Ph ương pháp thiết kế theo truyền thống 13

1.4.2 Ph ương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy 14

1.5 Xây dựng cở sở lý thuyết độ tin cậy cấp độ I : 15

1.5.1 Ước lượng chỉ số độ tin cậy cho phép - xác xuất hư hỏng chấp nhận được 15

1.5.2 Hiệu chỉnh các hệ số an toàn thành phần 21

CH ƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC CƠ CHẾ HƯ HỎNG ĐÊ CHẮN SÓNG 27

2.1 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do nguyên nhân sóng tràn qua đê 27

2.2 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do sóng truyền qua 28

2.3 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do mất ổn định cấu kiện di hình bảo vệ mái: 31 2.4 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do nguyên nhân mất ổn định lớp bệ đệm 33

2.5 C ơ chế hư hỏng do nguyên xói dưới nền phía trước bệ đệm 34

2.6 Phân tích các c ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do ổn định địa kỹ thuật 36

2.6.1 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do nguyên nhân trượt phẳng trên bệ đệm 36 2.6.2 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do nguyên nhân trượt sâu 39

2.7 C ơ chế hư hỏng thùng trìm do nguyên nhân lật thùng trìm 41

2.8 C ơ chế hư hỏng do ứng suất vượt quá giới hạn cho phép 42

2.8.1 Phá hoại do nguyên nhân ứng suất tiếp đáy móng 42

2.8.2 Phá hoại do nguyên nhân ứng suất pháp đáy móng 43

2.9 C ơ chế hư hỏng kết cấu thùng trìm do nguyên nhân momem uốn và lực cắt

sinh ra do tải trọng sóng 44

2.10 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do hiện tượng ăn mòn bê tông cốt thép 45

2.11 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do quá trình vận chuyển thùng trìm 45

2.12 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do hiện tượng va đập cấu kiện di hình vào thùng trìm 46

2.13 C ơ chế hư hỏng đê chắn sóng do hiện tượng va đập tầu thuyền 47

2.14 C ơ chế hư hỏng cấu kiện bảo vệ mái phía trong cảng 47

CH ƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG THIẾT KẾ ĐÊ CHẮN SÓNG CỬA SÔNG MỸ Á 53

3.1 Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu 53

3.2 Ph ương án quy hoạch đê chắn sóng cửa sông Mỹ Á 55

3.2.1 Hiện trạng khu vực khi chưa có dự án 55

3.2.2 Quy hoạch tổng thể dự án 56

3.2.3 Quy hoạch đê chắn sóng giai đoạn II 57

3.3 Phân tích thông số điều kiện biên bài toán 58

3.3.1 Xác định cấp công trình thiết kế và tần suất thiết kế 58

3.3.2 Điều kiện biên thủy lực 59

3.3.3 Điều kiện biên địa chất 68

3.4 Phân tích lựa chọn hình thức kết cấu đê chắn sóng cho cửa sông Mỹ Á 68

3.4.1 Các hình thức kết cấu thường được sử dụng 68

3.4.2 Lựa chọn hình thức kết cấu 70

3.5 Xác đinh cao trình thùng trìm 70

3.5.1 Xác định cao trình đỉnh đê chắn sóng dựa trên tiêu chuẩn sóng tràn qua công trình: 71

3.5.2 Xác định chiều cao đỉnh dựa trên tiêu chí sóng truyền qua công trình 73

3.5.3 Phân tích lựa chọn chiều cao lưu không đỉnh đê 76

3.6 Tính toán kích th ước hình học thùng trìm 76

3.6.1 Chiều cao thùng trìm 76

3.6.2 Bề rộng thùng trìm 76

3.7 Tính toán thiết kế lớp phủ mái nghiêng phía bên ngoài 78

3.8 Tính toán thiết kế bệ đệm 82

3.9 Thiết kế lớp bảo vệ trước chân công trình 83

3.10 Tính toán ổn định trượt phẳng 86

3.11 Tính toán ổn định lật 86

3.12 Tính toán ổn định địa kỹ thuật công trình 87

3.12.1 Kiểm tra trượt gẫy khúc trên bệ đệm 87

3.12.2 Kiểm tra ổn định trượt gẫy khúc cắt qua bệ đệm 88

3.12.3 Kiểm tra ổn định trượt cung tròn 89

3.13 Tính toán trạng thái ứng suất nền móng công trình 93

3.13.1 Kiểm tra ứng suất tiếp 93

3.13.2 Kiểm tra ứng suất pháp trên bệ đệm 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 99

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 101

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Xác định xác xuất hư hỏng tối đa (NKB 1978): 18

Bảng 1.2 Xác định chỉ số độ tin cậy tối thiểu: 18

Bảng 1.3 Phân loại cấp độ hư hỏng theo EN code: 18

Bảng 1.4 Bảng chỉ số độ tin cậy tối thiểu theo cấp độ tin cậy với trạng thái ULS 19 Bảng 1.5 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu với cấp độ an toàn RC2 19

Bảng 1.6 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu theo mức độ an toàn trong 50 năm tuổi thọ 19

Bảng 1.7: Chỉ số độ tin cậy mục tiêu theo Tiêu chuẩn PIANC WG 28 20

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 24

Bảng 1.9 Hệ số hiệu chỉnh cho ảnh hưởng của tuổi thọ công trình mong muốn 24

Bảng 1.10 Hệ số γH0 cho ảnh hưởng mô hình ước tính tải trọng sóng 24

Bảng 1.11 Hệ số hiệu chỉnh do cấp độ an toàn công trình được chọn 25

Bảng 1.12 Hệ số hiệu chỉnh do dạng hư hỏng có thể chấp nhận được 25

Bảng 1.13 Hệ số hiệu chỉnh do chất lượng mô hình tính toán 25

Bảng 1.14 Hệ số hiệu chỉnh do tham số đặc trưng vật liệu 26

Bảng 1.15 Hệ số hiệu chỉnh do mức độ kiểm soát chất lượng công trình 26

Bảng 2.1 Phân loại trạng thái hư hỏng đối với đê chăn sóng tường đứng: 51

Bảng 3.1 Phân cấp công trình theo thông số kỹ thuật của tàu 58

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật tầu cá cảng Mỹ Á 59

Bảng 3.3 Các tham số sóng vùng nước sâu cho sóng vùng 1: Quảng Nam– Bình Định 62 Bảng 3.4 Thông số sóng nước sâu đê chắn sóng cảng Mỹ Á 63

Bảng 3.5 Thông số thiết kế tại chân công trình: 64

Bảng 3.6 Kết quả phân tích bề rộng thùng trìm như sau: 78

Bảng 3.7 Mức độ hư hỏng và chỉ số ổn định (Burcharth và Sorensen 2005) 80

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng RS 4

Hình 1.2: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy 4

Hình 1.3 Biểu đồ hàm mật độ xác xuất hư hỏng hai chiều 5

Hình 1.4 S ơ đồ phân cấp chỉ số độ tin cậy mục tiêu - xác xuất hư hỏng chấp nhận được 16

Hình 1.5 Ph ương pháp xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu 17

Hình 2.1 S ơ xác định hệ số β 30

Hình 2.2 C ơ chế mất ổn định cấu kiện bảo vệ mái ngoài 32

Hình 2.3 S ơ đồ cơ chế hư hỏng lớp bảo vệ mái phía trước 34

Hình 2.4 S ơ đồ xói nền phía trước chân công trình 35

Hình 2.5 S ơ đồ tính toán với mặt trượt phẳng tiếp xúc giữa thùng trìm và bệ đệm 36 Hình 2.6 S ơ đồ tính toán với mặt trượt là mặt phẳng cắt ngang qua bệ đệm 37

Hình 2.7 S ơ đồ xác định vecto chuyển vị đơn vị trên mặt phẳng (AB) 38

Hình 2.8 S ơ đồ tính toán với mặt trượt phẳng gẫy khúc (ABC) cắt qua bệ đệm 38

Hình 2.9 S ơ đồ tính toán mặt trượt phá hoại là cung trượt trụ tròn qua bệ đệm 40

Hình 2.10 S ơ đồ tính toán mặt trượt phá hoại là cung trượt trụ tròn qua bệ đệm 40

Hình 2.11 S ơ đồ tính toán mặt trượt phá hoại là cung trượt trụ tròn qua bệ đệm 40

Hình 2.12 S ơ đồ cơ chế lật thùng trìm 41

Hình 2.13 S ơ đồ tính toán ứng suất đáy móng 43

Hình 2.14 - H ư hỏng đê chắn sóng do trượt thùng trìm trên bệ đệm 48

Hình 2.15 - H ư hỏng đê chắn sóng do lật thùng trìm 48

Hình 2.16- H ư hỏng đê chắn sóng do mặt trượt cung trụ tròn cắt qua bệ đệm 48

Hình 2.17- H ư hỏng đê chắn sóng do mặt trượt cung trụ tròn cắt qua nền và bệ đệm 48 Hình 2.18 - H ư hỏng đê chắn sóng do lún nền 48

Hình 2.19 - H ư hỏng đê chắn sóng do xói bệ đệm 48

Hình 2.20- H ư hỏng đê chắn sóng do xói nền phía trước công trìm 49

Hình 2.21 - H ư hỏng đê chắn sóng do nứt kết câu tường phía biển 49

Hình 2.22- H ư hỏng đê chắn sóng do nứt kết câu đáy thùng 49

Hình 2.23 S ơ đồ phân loại dạng hư hỏng và trạng thái hư hỏng: 52

Hình 3.1 Mặt bằng tổng thể của dự án Cảng neo trú tàu thuyền và cửa biển Mỹ Á 58

Hinh 3.2 Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm 9 60

Hình 3.3 S ơ đồ các vùng xác định các tham số sóng nước sâu 61

Hình 3 4 S ơ đồ tính toán áp lực sóng theo Goda 1985 với đê chăn sóng tường đứng 65

Hình 3.5 S ơ đồ hiệu chỉnh áp lực sóng với đê chắn sóng mặt cắt hỗn hợp 66

Hình 3.6 Các hình thức kết cấu đê tường đứng thường sử dụng 68

Hình 3.7 Các hình thức kết cấu đê mái nghiêng thường sử dụng 69

Hình 3.8 Các hình thức kết cấu mặt cắt hỗn hợp thường hay sử dụng 70

Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng tràn và chiều cao lưu không đê chắn sóng 73 Hình 3 10 Biểu đồ quan hệ chỉ số dịch chuyển và mức độ hư hỏng (Kim-Suh 2011) 80

Hình 3.11 Biểu đồ hệ số an toàn và xác xuất hư hỏng chấp nhận (Kim-Suh 2011). 81

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ xác xuất hư hỏng và trọng lượng cấu kiện Tetrapode 82 Hình 3.13 Biểu đồ quan hệ trọng lượng viên đá - Tỷ số độ sâu nước 83

Hình 3.14 S ơ đồ tính toán ổn định đê chắn sóng cảng Mỹ Á 91

Hình 3.15 Quy luật phân bố chỉ tiêu cơ lý của nền 92

Hình 3.16 Mật đổ phổ phân bố hệ số an toàn ổn định và xác xuất hư hỏng 92

Hình 3.17 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số an toàn ổn định và xác xuất hư hỏng 92

Hình 3.18 Kết quả tính toán chỉ số an toàn ổn định trượt 93

BẢNG CÁC KÝ HIỆU

σmax : Ứng suất tính toán lớn; Ηt : Chiều cao thùng trìm; [σ] : Ứng suất cho phép; Fh,Goda

: Áp lực sóng phương ngang;

K : Hệ số an toàn; Fv,Goda : Áp lực sóng phương đứng;

Fg : Yếu tố gây ổn định; Mu,Goda

: Momem lực tâm mép thùng;

Ft : Yếu tố gây mất ổn định; ρc : Trọng lượng đơn vị bão

: Tải trọng hay khả năng gây

Z : Hàm trạng thái; f : Hệ số ma sát đáy thùng;

γR : Hệ số an toàn thành phần

: Tuổi thọ công trình dự kiến;

γS : Hệ số an toàn thành phần

của tải trọng; W : Trọng lượng thùng trìm

β : Chỉ số độ tin cậy MNTK : Mực nước thiết kế;

Rc : Chiều cao lưu không (m) Τp : Chu kỳ đỉnh phổ;

qa

: Lưu lượng tràn tới hạn

: Xác suất sự cố trong 1 năm;

Ns : Chỉ số ổn định cấu kiện; Q dst d, : Thành phần lực hoạt tải;

Dn : Đường kính cấu kiện

S : Chiều sâu hố xói;

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đê chắn sóng là một phần công trình không thể thiết trong việc quy hoạch thiết kế công trình cảng biển cũng như công trình bảo vệ bờ biển Hiện nay, ở nước

ta do nhu cầu phát triển của kinh tế - xã hội đã có rất nhiều các công trình đê chắn sóng đã được xây dựng Trong đó các công trình đê chắn sóng dạng thùng trìm đang được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến do ưu điểm về thi công nhanh và tiết kiệm vật liệu

Do nhu cầu phát triển như trên, nhiều đê chắn sóng bảo vệ cảng và luồng tầu

đã và đang được thiết kế theo phương pháp truyền thống Phương pháp thiết kế theo truyền thống coi các giá trị của các đại lượng ngẫu nhiên như sóng, gió… là các yếu

tố tất định và lấy giá trị theo chu kỳ lặp lại tương ứng với cấp công trình Đồng thời không xác định được xác suất hư hỏng và đánh giá được độ an toàn cũng như tuổi thọ công trình Trong khi thiết kế công trình đê chắn sóng theo lý thuyết độ tin cậy

có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp thiết kế theo truyền thống Thiết kế công trình đê chắn sóng theo lý thuyết độ tin cậy coi các điều kiện

biên về tải trọng như sóng, gió…là các yếu tố ngẫu nhiên tuân theo các luật phân phối xác suất Thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy có thể xác định được xác suất hư hỏng công trình do tổng hợp các yếu tố gây ra hoặc từng yếu tố gây ra và đánh giá được yếu tố nào gây ảnh hưởng nhiều đến hư hỏng công trình, đồng thời còn ước lượng được tuổi thọ công trình, phân tích tối ưu về kinh tế Vì vậy, thiết kế công trình đê chắn sóng theo lý thuyết độ tin cậy là phương pháp thiết kế có tính phù hợp cao với đối tượng công trình chịu tác động điều kiện biên ngẫu nhiên như công trình biển

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá những ưu và nhược điểm của phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy trong so với phương pháp thiết kế truyền thống Từ đó đề xuất ứng dụng phương thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế đê chắn sóng tường đứng

3 Cách t iếp cận và phương án nghiên cứu

3.1 Cách tiếp cận

Cách tiếp cận của đề tài là nghiên cứu các kết quả nghiên cứu ứng dụng của

lý thuyết độ tin cậy trong thiết kế công trình biển nói chung và đê chắn sóng nói riêng Nghiên cứu các tiêu chuẩn thiết kế đê chắn sóng theo lý thuyết độ tin cậy của các nước trên thế giới, kế thừa các kết quả nghiên cứu thiết kế đê chắn sóng tường đứng theo lý thuyết độ tin cậy trong và ngoài nước Từ đó từ đó đánh giá được tính phù hợp của thiết kế đê chắn sóng theo lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng lý thuyết

độ tin cậy trong thiết kế đê chắn sóng tường đứng áp dụng cho cửa sông Mỹ Á – tỉnh Quảng Ngãi

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết các kết quả nghiên cứu đã có trong và ngoài nước

- Tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có, các quy trình quy phạm tính toán

- Thu thập các số liệu liên quan

Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương như sau:

MỞ ĐẦU

CH ƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC CƠ CHẾ HƯ HỎNG HƯ HỎNG CÔNG

TRÌNH

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

TRONG THIẾT KẾ ĐÊ CHẮN SÓNG CỬA SÔNG MỸ Á

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG

1 Giới thiệu chung lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng thiết kế công trình

biển

1.1 Giới thiệu chung về lý thuyết độ tin cây

Bước đầu tiên khi phân tích các bài toán lý thuyết độ tin cậy khi thiết kế công trình là phải xác định các chức năng của công trình Sau khi đã xác định được chức năng của công trình thì ta tiếp tục xác định các nguyên nhân làm cho công trình mất đi chức năng đấy Các nguyên nhân làm cho công trình bị mất đi chức năng làm việc của mình được gọi là cơ chế hư hỏng Một phương trình mô tả các nguyên nhân hư hỏng được gọi là phương trình trạng thái giới hạn giới hạn hoặc hàm độ tin cậy Một hàm trạng thái giới hạn được viết như sau:

+ M là một giá trị ngẫu nhiên, thường được gọi là biên an toàn

+ R : Độ bền hay khả năng kháng hư hỏng;

+ S: Tải trọng hay khả năng gây hư hỏng

Việc tính toán xác suất phá hỏng của một thành phần được dựa trên hàm tin cậy của từng cơ chế phá hỏng Hàm tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn tương ứng với cơ chế phá hỏng đang xem xét và là hàm của nhiều biến và tham số ngẫu nhiên Theo đó, Z<0 được coi là có hư hỏng xảy ra và hư hỏng không xảy ra nếu Z nhận các giá trị còn lại (Z ≥ 0)

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà tại đó Z=0 trong mặt phẳng RS; đây được coi là biên sự cố

Xác suất phá hỏng được xác định: Pf = P(Z≤0) = P(S≥R) (1.2) Xác xuất chấp nhận được xác định là: P(Z>0) = 1-Pf (1.3) Trường hợp đơn giản, hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn, việc tính toán xác suất xảy ra sự cố thông qua hàm phân phối tiêu

chuẩn ΦN(-β) bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng µZ, độ lệch chuẩn σZ và chỉ số

độ tin cậy β=µZ/σZ của hàm tin cậy

Hàm tin cậy biểu diễn trong mặt phẳng RS và xác suất xảy ra sự cố và chỉ số

độ tin cậy được định nghĩa trên Hình 1.2 và 1.3 dưới đây:

Hình 1.2: Định nghĩa xác suất xảy ra sự cố và chỉ số độ tin cậy

Điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất lớn nhất được coi là điểm thiết kế Thông thường điểm này nằm trên đường biên sự cố (Xem hình 1.4) Điểm thiết kế đóng vai trò quan trọng trong ước lượng xác suất xảy ra sự cố

R

Z<0 Vùng sự cố

Z>0 Vùng an toàn Z=0 Biên sự cố

S

Hình 1.3 Biểu đồ hàm mật độ xác xuất hư hỏng hai chiều

1.2 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong lĩnh vực xây dựng công trình

- Thiết kế cấu kiện hoặc kết cấu công trình với một chỉ số độ tin cậy cho

trước (hoặc xác xuất hư hỏng chấp nhận được cho trước)

- Đánh giả ảnh hưởng của từng biến ngẫu nhiên tác động đến từng cơ chế hư hỏng Từ đó xác định được ảnh hưởng của yếu tố nào nhiều nhất để có biện pháp giảm thiểu thiệt hai

- Đánh giá độ tin cậy hoặc xác xuất hư hỏng của một kết cấu công trình đã xây dựng

- Đánh giá tuổi thọ công trình hiện hữu dựa trên phân tích cơ chế hư hỏng (Ví dụ: Độ ăn mòn kết cấu BTCT, kết cấu thép theo thời gian, Độ mỏi của công trình biển dưới tải trọng tác dụng liên tục)

- Phân tích tối ưu trong thiết kế công trình: Đánh chi phí xây dựng và độ an toàn công trình

- Phân tích các sự cố hư hỏng công trình do từng nguyên nhân, phân tích sự

cố công trình trong toàn hệ thống Giúp người phân tích có cái nhìn tổng quan để đưa ra phương án tối ưu

1.3 Phân tích đánh giá phương pháp thiết kế truyền thống và phương pháp

thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy

1.3.1 Phương pháp thiết kế truyền thống

Thiết kế truyền thống hiện nay là tính toán công trình theo mô hình tất định Theo phương pháp này các giá trị thiết kế của tải trọng và các tham số độ bền được xem là xác định, tương ứng với trường hợp và tổ hợp thiết kế Người thiết kế lựa chọn điều kiện giới hạn và tương ứng với nó là các tổ hợp tải trọng thiết kế thích hợp Giới hạn này thường tương ứng với độ bền đặc trưng của công trình

Công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải trọng và độ bền đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của tất cả các thành phần công trình

Tính toán theo cách này mới chỉ giải quyết được hai vấn đề là ổn định tổng thể và ổn định theo độ bền của công trình

Nội dung các phương pháp thiết kế như sau:

a Phương pháp ứng suất cho phép

Theo phương pháp này, điều kiện bền có dạng:

* Trong đó:

+ σmax- 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

b Phương pháp tính theo hệ số an toàn:

Phương pháp này thường được ứng dụng trong tính toán ổn định Khi đó công thức kiểm tra là:

c Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn:

Nét đặc thù của 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 nc, hệ số điều kiện làm việc m, hệ số tin cậy Kn, hệ số lệch tải n, hệ số an toàn về vật liệu KVL Nhóm các hệ số này thay thế cho một hệ số an toàn chung K Phương pháp này phân làm 2 nhóm tính toán là theo trạng thái giới hạn thứ nhất và trạng thái giới hạn thứ 2 Điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là:

* Trong đó:

+ Ntt - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp;

+ R: trị số tính toán của độ bền công trình

1.3.2 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

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

Cơ sở toán học của lý thuyết độ tin cậy:

1.3.2.1 Tính toán cấp độ I (Phương pháp hệ số an toàn thành phần)

Một cách tổng quát, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế Trong đó các thông số độ bền được gia giảm bằng các hệ số đặc trưng, các thông số tải trọng được gia tăng bằng các hệ số tải trọng Thể hiện theo công thức 1.7:

S

R S R

γ

* Trong đó:

+ R – Độ bền;

+ S – Tải trọng;

+ γR – Hệ số an toàn thành phần của độ bền;

+ γS – Hệ số an toàn thành phần của tải trọng

Các giá trị đặc trưng của thông số độ bền và tải trọng được tính theo công thức 1.8:

S S S

R R R

k S

k R

σµ

σµ

Vì vậy mà giá trị độ bền và tải trọng tại điểm sự cố gần với giá trị tại điểm thiết kế:

S S S S

R R R R R R

V S

V R

βαµβσαµ

βαµβσαµ

+

=+

=

+

=+

S S S

R R

R R R

V k

V S

S

V

V k R

*

*

βαγ

βα

S R

R R

σσ

σα

Tùy thuộc dạng hàm tin cậy và phân bố các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các trường hợp tính toán cấp độ này bao gồm:

+ Trường hợp (1): Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (2): Hàm tin cậy phi tuyến;

+ Trường hợp (3): Các biến cơ bản không phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (4): Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc

Trường hợp (1) - Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản

phân bố chuẩn:

Trường hợp này việc tính toán xác suất xảy ra sự cố là đơn giản bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của các biến cơ bản Trị số độ tin cậy được xác định theo biểu thức 1.12:

a a

n X n X

X

1 21

j

j i j

i

1 1

),(

σ

Các biến ngẫu nhiên cơ bản X1, X2, …, Xn tuân theo luật phân bố chuẩn thì

Z cũng là hàm phân bố chuẩn Xác suất Z<0 được xác định thông qua hàm phân bố tiêu chuẩn:

=

<

z z z

z

Z P

σ

µσ

µ

0)

0

Trường hợp (2) - Hàm tin cậy phi tuyến:

Trường hợp hàm tin cậy là hàm phi tuyến của một số biến cơ bản độc lập có phân bố chuẩn thì hàm này sẽ không phân bố chuẩn Có thể sử dụng phương pháp

khai triển Taylor (lấy 2 số hạng đầu tiên của đa thức) để xác định hàm tin cậy Z gần đúng Biểu thức gần đúng có dạng 1.15

) )(

( )

( )

g X

g X g

∂

∂ +

) )(

( )

g

∂

∂ +

0

0 0

z

i X n

z z

i

i

X X g

X X

X

g X

g

σσ

µσ

µ

Nếu hàm tin cậy được tuyến tính hóa tại điểm X (µX ,µX , ,µX n)

2 1

2 1

X X X

i n n

X g

g

σµµµ

µµµ

Qua biểu thức 1.18 nhận thấy rằng việc tính toán giá trị gần đúng của β thông qua tuyến tính hóa hàm tin cậy phụ thuộc vào việc lựa chọn điểm tuyến tính hóa của hàm Nhưng theo Hasofer và Lind thì chỉ số độ tin cậy không phụ thuộc vào hàm tin cậy có phải là hàm tuyến tính không Vì vậy, cần tuyến tính hóa hàm Z tại đúng điểm thiết kế (điểm thiết kế là điểm nằm trên biên sự cố với khoảng cách đến gốc tọa độ là ngắn nhất) Có nhiều phương pháp để tìm điểm thiết kế thông qua quá trình lặp, nhưng có hai phương pháp thường dùng là phương pháp giải tích và phương pháp số

- Phương pháp đầu tiên dựa vào việc chuẩn hóa hàm tin cậy thành hàm của các biến tiêu chuẩn Tọa độ của điểm thiết kế là:

(U1*,U2*, ,U n*)=(α1β,α2β, ,αnβ) và

1

* 1

*

X X

U f U f

βα

Trường hợp này giá trị αi được tính theo công thức 1.22:

( ) ( )

( )

z

X i

n

j

X j

X i

g X

X g X

σ

σσ

σα

Trường hợp (3) – Các biến cơ sở không tuân theo luật phân bố chuẩn:

Nếu bài toán liên quan đến các biến cơ sở ngẫu ngiên không phân bố chuẩn thì hàm tin cậy cũng không phân bố chuẩn Để có thể áp dụng được phương pháp gần đúng cấp độ II thì cần phải biến đổi các biến cơ sở này thành các biến cơ sở phân bố chuẩn Khi đó biểu thức 1.24 sau phải thỏa mãn tại điểm thiết kế:

( ) ( )* *

U X

U F

* Trong đó:

+ Φ-1 – Hàm ngược của hàm phân bố tiêu chuẩn;

+ FX-1 – Hàm ngược của hàm phân bố xác suất của biến X; Phương pháp biến đổi này có thể làm phức tạp hóa hàm độ tin cậy đơn giản ban đầu Rackwitz và Fiessler đưa ra phương pháp chuyển đổi một biến ngẫu nhiên

có luật phân bố tùy ý sang phân bố chuẩn Giả thiết rằng giá trị thực và giá trị xấp xỉ của hàm mật độ xác suất cũng như hàm phân bố xác suất là tương đương nhau tại điểm thiết kế, ta có:

=

'

'

* '

X

x

x X

X X

f

X X

F

σ

µϕ

+ ϕ – Hàm mật độ xác suất phân bố tiêu chuẩn;

Giải hệ phương trình trên thu được:

( )

( ) ( )

1

* '

*

* 1

'

X X

X

X

X X

X F X

X f

X F

σµ

ϕσ

Trường hợp (4) – Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc:

Nếu các biến ngẫu nhiên cơ sở là phụ thuộc thì chúng phải được biến đổi sang dạng biến độc lập Nếu tồn tại một hàm liên hệ thể hiện sự phụ thuộc giữa các biến thì có thể rút gọn các biến trong hàm tin cậy Trong nhiều trường hợp không

xác định được chính xác mối liên hệ giữa các biến, khi đó cần thiết phải biểu diễn bằng các mối tương quan thống kê Trong những trường hợp như vậy, các biến cơ

sở có thể biến đổi được Phương pháp biến đổi tổng quát được sử dụng rộng rãi là Rosenblatt – Tranformation

Phương pháp biến đổi Rosenblatt dựa trên hàm mật độ xác suất kết hợp của một vector thống kê với các biến cố phụ thuộc Bắt đầu bằng hàm mật độ xác suất của một vector có n biến ngẫu nhiên, ta có thể xác định các hàm mật độ xác suất của

Z S R

P Z

Về nguyên tắc tích phân này được xác định bằng phương pháp giải tích, nhưng đối với các bài toán kĩ thuật bằng cách này rất hạn chế Vì vậy, giải pháp thông thường là tính toán sử dụng các phương pháp số Có hai phương pháp được

sử dụng nhiều là phương pháp tích phân số và phương pháp Monte Carlo

1.4 Đánh giá ưu nhược điểm phương pháp thiết kế truyền thống và phương

pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy

1.4.1 Phương pháp thiết kế theo truyền thống

- Không kể đến tính ngẫu nhiên của các biến liên quan

- Chưa xét đến tính tổng thể của hệ thống, không kể đến ảnh hưởng quy mô của hệ thống (ảnh hưởng chiều dài )

- Không so sánh được độ bền của các mặt cắt khác nhau

- Không đưa ra được xác suất gây thiệt hại và mức độ thiệt hại

- Không trả lời được câu hỏi: Hệ thống an toàn ở mức độ nào

- An toàn hệ thống/công trình đánh giá thông qua hệ số an toàn – an toàn cho phép

- Phương pháp tính toán đơn giản, giúp các kỹ sư thiết kế và thi công nhanh

chóng giải được bài toán về an toàn công trình

1.4.2 Phương pháp thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy

Phân tích lý thuyết độ tin cậy theo DUT (Delft University of Technology) sử dụng cho thiết kế công trình chủ yếu dựa trên hai cấp độ tính toán sau:

+ Phân tích theo cấp độ II/III chủ yếu được sử dụng cho phân tích, đánh giá lại xác xuất hư hỏng của các công trình đã xây dựng và vận hành; phương pháp phân tích theo cấp độ II/III dùng để hiệu chỉnh lại các hệ số an toàn thành phần của phương pháp phân tích cấp độ I; phân tích xác xuất hư hỏng tối ưu về kinh tế và thiệt hại; ngoài ra còn có thể sử dụng để thiết kế cho một số cơ chế hư hỏng của công trình mới, tuy nhiên việc này đòi hỏi có nhiều người phân tích phải xây dựng được bài toán tối ưu về mặt kinh tế - thiệt hại để đánh giá được chỉ số độ tin cậy mục tiêu

+ Phân tích lý thuyết độ tin cậy theo cấp độ I (Phương pháp hệ số an toàn thành phần - Partial Safety Factor System -PSFS): Được sử dụng chủ yếu cho thiết

kế công trình mới Phương pháp phân tích lý thuyết độ tin cậy theo cấp độ I, hiện nay trên thế giới là phương pháp đang được áp dụng cho các tiêu chuẩn hiện hành Phương pháp này được tính toán rất tương đồng với phương pháp thiết kế tất định (Thiết kế theo cấp độ tin cậy mức độ 0) Hiện nay ở việt nam phương pháp này cũng đang được nghiên cứu và phát triển cho các tiêu chuẩn công trình thủy, kết cấu công trình…

Trong luận văn này tác giả sử phương pháp thiết kế đê chắn sóng theo lý thuyết độ tân cậy cấp độ I (Partial Safety Factor System -PSFS), tức là phương pháp thiết kế theo phương pháp hệ số an toàn thành phần Các hệ số an toàn thành phần

xẽ đóng góp vào xác định xác xuất hư hỏng của cơ chế Phương pháp hệ số an toàn thành phần được phát triển bởi PIANC (Burcharth, Sorensen) Các hệ số an toàn phụ thuộc từng dạng kết cấu, từng loại vật liệu và từng loại tải trọng Việc áp dụng tính toán đê chắn sóng tường đứng dạng thùng trìm được trình bầy rất cơ bản trong ProVerbs (Probabilistic Design Tools for Vertical Breakwaters)

Phương pháp tính toán theo hệ số an toàn thành phần có những ưu điểm và hạn chế nhất định khi sử dụng để phân tích lý thuyết độ tin cậy trong công tác thiết kế:

Ưu điểm:

- Sử dụng các hệ số an toàn thành phần để hiệu chỉnh đảm bảo các chỉ số độ tin cậy mục tiêu hay xác xuất hư hỏng tối thiểu trong từng cơ chế Đối với từng cơ chế khác nhau thì các hệ số an toàn thành phần khác nhau và được xác định từ mục tiêu về độ an toàn và dạng hư hỏng của công trình

- Phương pháp tính toán đơn giản, rễ sử dụng và tương đồng với phương pháp thiết kế tất định đang được sử dụng trong các tiêu chuẩn hiện tại của Việt Nam

- Yêu cầu điều kiện biên không quá phức tạp như phương pháp lý thuyết độ tin cậy cấp độ II Các thông số điều kiện biên phù hợp với các phương pháp khảo sát thực nghiệm hiện nay do đó rễ ràng áp dụng trong điều kiện hiện tại Nhược điểm:

- Phương pháp chỉ phù hợp với thiết kế công trình mới và không áp dụng được cho việc đánh giá các công trình hiện tại

- Phương pháp đòi hỏi có nhiều nghiên cứu và kinh nghiệm về các dạng công trình Do đó khi xây dựng cơ sở dữ liệu cho phương pháp cần nhiều nghiên cứu chuyên sâu về từng dạng công trình Đối với công trình đê chắn sóng tường đứng dạng thùng trìm hiện nay đã có nhiều nghiên cứu tổng kết về việc áp dụng lý thuyết độ tin cậy ở cấp độ I như các quấn sổ tay phục vụ cho các kỹ sư áp dụng cho bài toán thực tế

Các bước trình tự cơ bản trong tính toán độ tin cậy cấp độ I:

- Định nghĩa cơ chế hư hỏng

- Định nghĩa các biến ảnh hưởng đến cơ chế hư hỏng

- Xây dựng hàm trạng thái biểu diễn cơ chế hư hỏng

- Ước lượng chỉ số độ tin cậy mục tiêu

- Tính toán các hệ số an toàn thành phần

- Tính toán hệ số an toàn phần

1.5 Xây dựng cở sở lý thuyết độ tin cậy cấp độ I :

1.5.1 Ước lượng chỉ số độ tin cậy cho phép - xác xuất hư hỏng chấp nhận được

1.5.1.1 Phương pháp phân tích và xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu

Mức độ tin cây mục tiêu được xác định trong các lĩnh vực khác nhau, tùy theo điều kiện áp dụng mà chỉ số độ tin cậy trong từng trường hợp khác nhau Trong thiết

kế, chỉ số độ tin cậy mục tiêu phục vụ cho việc tính toán theo phương pháp hệ số thành phần Ứng với mỗi một giá trị của chỉ số độ tin cậy mục tiêu ta có giá trị xác xuât hư hỏng chấp nhận (Pf) được tương ứng với chu kỳ lặp lại (T-năm); các giá trị hệ số an toàn thành phần γi; giá trị tải trọng và sức kháng thiết kế của cấu kiện

Ở nhiều các tiêu chuẩn an toàn được xây dựng theo nhiều cấp độ an toàn

khác nhau Chỉ số độ tin cậy mục tiêu này có thể xác định theo cấp độ hư hỏng, dạng hư hỏng, trạng thái hư hỏng, chi phí cho độ an toàn

Hình 1.4 Sơ đồ phân cấp chỉ số độ tin cậy mục tiêu - xác xuất hư hỏng chấp nhận được

Các phương pháp xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu (hay xác xuất hư hỏng chấp nhận được) được trình bầy theo 3 phương pháp như hình 2.33 Trong đó các cấp

độ an toàn này đã có tính đến mức độ thiệt hại và hậu quả sự thất bại Tương ứng với các mức độ an toàn đó ta xác định được xác xuất hư hỏng chấp nhận được tương ứng thiệt hại Trong các tiêu chuẩn thường khuyến cáo xác xuất hư hỏng chấp nhận được thường phải xác định từ phân tích tối ưu hóa về mức độ an toàn và mức độ chi phí Ngoài ra chỉ số độ tin cậy còn xác định trên cơ sở các mục tiêu được đề nghị hoặc chỉ

số độ tin cậy tối thiểu

Hình 1.5 Phương pháp xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu 1.5.1.2 Các tiêu chuẩn xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu - xác xuất hư hỏng

* Theo NKB (The Nordic Committee on Building Regulations): Xác xuất

hư hỏng tối đa (Tương ứng với chỉ số độ tin cậy tối thiểu) có liên quan đến mức độ thiệt hại và các cấp độ an toàn và các trạng thái hư hỏng Dựa trên nguyên tắc trên NKB đưa ra các kiến nghị cho các công trình xây dựng như sau:

Phân loại cấp độ hư hỏng gồm 3 cấp độ như sau:

+ Mức độ hư hỏng thấp (Low),

+ Mức độ hư hỏng trung bình (Normal),

+ Mức độ hư hỏng cao (High)

Phân loại dạng hư hỏng:

Hư hỏng dạng I: Cấu kiện hư hỏng giai đoạn dẻo còn phục hồi

Hư hỏng dạng II: Cấu kiện hư hỏng giai đoạn dẻo không phục hồi

Hư hỏng dạng III: Cấu kiện hư hỏng giai đoạn giòn

Bảng 1.1 Xác định xác xuất hư hỏng tối đa (NKB 1978):

Cấp độ an toàn Dạng hư hỏng I Dạng hư hỏng II Dạng hư hỏng III

Bảng 1.2 Xác định chỉ số độ tin cậy tối thiểu:

Cấp độ an toàn Dạng hư hỏng I Dạng hư hỏng II Dạng hư hỏng III

Bảng 1.3 Phân loại cấp độ hư hỏng theo EN code:

Cấp độ hậu quả Mô tả hư hỏng Cấp độ tin cậy tương ứng

CC3

Hậu quả cao cho sự mất mát của con người cuộc sống, hoặc kinh tế, xã hội hay hậu quả

CC2

Kết quả thiệt hại trung bình về con người đời sống, kinh tế, xã hội hay môi trường hậu quả

CC1

Hậu quả thấp thiệt hại về đời sống con người, và hậu quả kinh tế, xã hội hay môi trường

Bảng giá trị đề nghị của chỉ số độ tin cậy mục tiêu tối thiểu theo cấp độ chỉ

số độ tin cậy:

Bảng 1.4 Bảng chỉ số độ tin cậy tối thiểu theo cấp độ tin cậy với trạng thái ULS

* Theo phương pháp của DS code (The Danish Building Codes):

Chỉ số độ tin cậy mục tiêu và xác xuất hư hỏng chấp nhận được đối với các công trình khác nhau lấy theo một giá trị giống nhau:

• Phân cấp chỉ số độ tin cậy theo phương pháp của Kim và Suh cho đê chắn sóng dạng thùng trìm như sau:

Bảng 1.6 Chỉ số độ tin cậy mục tiêu theo mức độ an toàn trong 50 năm tuổi thọ

Cấp độ an toàn Chỉ số độ tin cậy mục tiêu β

đê chắn sóng dạng khối đổ Theo tiêu chuẩn PIANC WG 12 các nhà thiết kế có thể xác định xác xuất hư hỏng trong toàn bộ tuổi đời của công trình sau đó tính toán được các hệ số an toàn thành phần như sau:

TPf S

+ Chỉ số độ tin cậy mục tiêu và xác xuất hư hỏng có thể chấp nhận đề xuất như sau:

Bảng 1.7: Chỉ số độ tin cậy mục tiêu theo Tiêu chuẩn PIANC WG 28

+Tuổi thọ công trình xác định như sau: T=20, 50, 100 năm

+ Hệ số an toàn thành phần được xác định như sau:

- Hệ số tải trọng thành phần γP (=1) đối với các tải trọng thường xuyên (Trọng lực, áp lực đất )

- Hệ số an toàn thành phần của tải trọng sóng γH s

- Hệ số an toàn cho ma sát giữa cấu kiện với nền: γZ

- Hệ số an toàn cho lực dính lớp đất sét không thoát nước γC

*So sánh các phương pháp: Theo tiêu chuẩn EN thì chỉ số độ tin cậy mục tiêu theo cấp độ tin cậy RC2 (Mức độ thiệt hại trung bình) và trạng thái hư hỏng có thể bảo trì được có giá trị tương đương với chỉ số độ tin cậy ở mức βT=1,65 và

Pf=0,05 (tương ứng 5%) theo phương pháp của Burchath; phương pháp của Kim và Suh 2011 Do đó trong khuân khổ luận tác giả đề nghị sử dụng chỉ số độ tin cậy mục tiêu βT=1,65 và xác xuất hư hỏng chấp nhận được Pf=0,05

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

1 ( , , )

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 đóng góp vào quá trình tính toán hệ số an toàn toàn phần theo phương trình sau:

.

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:

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:

* )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

- 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

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: Không có mô hình thực nghiệm kiểm tra

Model 2: Có mô hình thực nghiệm kiểm tra

• Hệ số an toàn thành phần của sức kháng được xác định:

+ 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

*) 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 rễ sưa chữa HH khó sửa chữa HH không thể sửa chữa

*) 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

*) 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

*) 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

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

Trong đó:

+ Z: Hàm trạng thái cơ chế (Z>0 - Cơ chế an toàn);

+ q alà 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:

1

s s

R q

+ q: Lưu lượng tràn đơn vị (m3/s/m)

+ γβσ: Mô tả ảnh hưởng của độ dốc hoặc chiều dài đỉnh sóng

+ H s:Chiều cao sóng có nghĩa trước chân công trình (m)

+ R c: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:

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

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:

+ K t: Hệ số sóng truyền qua thân công trình;

+ H sea: Chiều cao sóng phía trước công trình

Trong khuân khổ luận văn tác giả không xét thành phần năng 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:

+ K t Rc, : Hệ số sóng truyền qua công trình sinh ra do năng lượng sóng dư thừa khi tràn qua đê;

+ K t b, d: Hệ số truyền sóng qua công trình thông qua phần bệ đệm;

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)

2.3 Cơ chế hư hỏng đê chắn sóng do mất ổn định cấu kiện di hình bảo vệ

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 đang là công nghệ xây dựng phổ biến nhất Do những thuận lợi về công nghệ và những đặc điểm kỹ thuật của khối phủ tetrapod nên tác giả kiến nghị sử dụng loại cấu kiện tetrapod 2 lớp cho đê chắn sóng ở Việt Nam nói chung và đê chắn sóng cửa sông Mỹ Á

Trong các nghiên cứu về sự ổn định của cấu kiện tetrapod thì phương pháp nghiên cứu thực nghiệm của Van deer Meer 1988 chỉ số ổn định khối phủ Tetrapod

2 lớp hệ số mái m=1,5 được xác định như sau:

0,5

0,2 0,25