Bài giảng thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích rủi ro (đại học thủy lợi)

THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển TS.. • Chương 1 Giới thiệu tổng quan• Chương

THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THEO LÝ THUYẾT ĐỘ

TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

TS Mai Văn Công

- Các quá trình vật lý trong khoa học về tài nguyên

nước là các quá trình ngẫu nhiên

Tất định: không có bất định Kể đến tính bất định của biến A,B

Ví dụ các quá trình ngẫu nhiên (bất định) ???

- Số sinh 49B viên có mặt trên lớp ngày mai

- Số cơn bão trong năm 2011

- Vị trí đổ bộ của cơn bão tiếp theo

Vị trí tâm bão tại các obs đo

Đường đi quỹ đạo bão trung bình

Ö Như vậy phải kể đến yếu tố bất

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

Đánh giá điểm quá trình (ngẫu nhiên ?)

QT = F(Bài tập lớn, Kiểm tra nhanh, Chuyên cần)

• Chương 1 Giới thiệu tổng quan

• Chương 2 Phân tích rủi ro

Kết cấu bài giảng của môn học

• Chương 3 Độ tin cậy của một thành phần hệ thống

• Chương 4 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên

• Chương 5 Độ tin cậy của hệ thống

Æ 01 bài tập lớn giữa môn học

• Chương 6 Cơ chế xảy ra sự cố với hệ thống CT PCL & BVB

• Chương 7 Phân bố của các biến ngẫu nhiên

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

• Chương 7 Phân bố của các biến ngẫu nhiên

• Chương 8 Ứng dụng đánh giá an toàn hệ thống CTBVB

• Chương 9 Chương trình VAP, bestfit

Chương I Tổng quan về môn học

• 1.1 Giới thiệu chung

• 1.2 Tồn tại của thiết kế truyền thống – Sự cần thiết

của thiết kế công trình theo lý thuyết độ tin cậy

• 1.3 TK công trình theo lý thuyết độ tin cậy

MNTK, R = Hàm kinh nghiệm {tải trọng( Ptk), đ.kiện làm việc}

Chính là thiết kế tất định (PP truyền thống) !

Các nguyên tắc thiết kế (cũ)

• Phương pháp truyền thống:

1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống)

• Xác định tải trọng thiết kế (1 giá trị)

1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống)

1 Dựa trên một cơ chế phá hoại chủ yếu

•• Trạng thái Trạng thái tới hạn tới hạn (Ultimate Limit State (Ultimate Limit State ULS ) hoặc

•• Trạng thái Trạng thái giới hạn giới hạn về khả năng làm việc hữu ích về khả năng làm việc hữu ích

(Serviceability Limit State

(Serviceability Limit State SLS )

Sức chịu tải = Tải trọng*SF

P = 0 04 = 1/25 năm Chiều cao sóng Hs,0

Ptk = 0.04 = 1/25 năm

Đặc điểm của thiết kế tất định:

1.1 Giới thiệu chung – Thiết kế tất định (truyền thống)

Æ Thông thường chỉ dựa trên 01 cơ chế gây phá hỏng công

trình

Æ Thiết kế thông qua Tiêu chuẩn TK (công thức thực nghiệm)

Æ Kể đến các yếu tố bất định thông qua các hệ số an toàn

Æ Giả thiết rằng hệ số an toàn đảm bảo an toàn cho công

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

- Chưa xét đến tính tổng thể của hệ thống, không kể đến

ảnh hưởng quy mô của hệ thống (ảnh hưởng chiều dμi )

1.2 Tồn tại của thiết kế tất định

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

Sự cố vỡ đờ xảy ra khi Nước tràn qua đỉnh đờ ???

Cỏc cơ chế này đúng gúp đỏng kể vào khả năng vỡ đờ

Vớ d 1 úi bói ặ ất hõ ặ đổ kố ặ úi ỏi đờ ặ ỡ đờ

Vớ dụ 1: xúi bói ặ mất chõn ặ đổ kố ặ xúi mỏi đờ ặ vỡ đờ

Ví dụ 2: Sóng leo, sóng tràn Æ xói mái và đỉnh đê Æ vỡ đê

™•

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

1.2 Tồn tại của thiết kế tất định

Khả năng xảy ra hư hỏng trên thực tế của công trình là bao

nhiêu ??? khi:

Tác động thường xuyên của tải trọng nhỏ hơn giá trị thiết kế

• Tác động thường xuyên của tải trọng nhỏ hơn giá trị thiết kế

• Tính không đồng đều về tải trọng, vật liệu, điều kiện làm việc

tại các vị trí khác nhau của công trình

• Tính bất định/độ không tin cậy của tài liệu đầu vào thiết kế

• Tính chính xác của các công thức tính toán trong thiết kế

Tồn tại của Thiết kế tất định là CHƯA:

• Xác định được xác suất phá hỏng của từng thành phần

thuộc hệ thống

Xé đế ả h h ở ề ô ủ hệ hố

• Xét đến ảnh hưởng về quy mô của hệ thống

ví dụ: về chiều dài tuyến đê, đê dài hơn => Psự cố tăng

• Chênh lệch về sức chịu tải, tải trọng giữa các mặt cắt ở các

Xét rủi ro của tất cả các yêu tố liên quan trong thiết kế

Æ Thiết kế ngẫu nhiên/theo lý thuyết độ tin cậy

- Xem xét các quá trình, yếu tố là q , y ngẫu nhiên g

- phức tạp, yêu cầu có đầy đủ tài liệu thống kê của tất

cả các tham số, quá trình trong thiết kế

TK đê biển: tương tác Sóng, nước, dòng chảy, vật liệu

1.3 Các nguyên tắc thiết kế (mới)- Thiết kế

theo LT ĐTC

• Xác đinh khả năng xảy ra các sự cố

• Liệt kê/ xác định các sự cố không mong muốn

• Xây dựng sơ đồ cây sự cố để phân tích

• Xác định xác suất xảy ra sự cố của từng cơ chế phá

hoại thành phần

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

Các cơ chế phá hỏng đê

Xói trước chân đê

Hàm tin cậy-hàm trạng thỏi GH

Z = Độ bền R – Tải trọng S + Model Error

Sự cố xảy ra nếu Z<0!

Từ đú, xỏc suất xảy ra sự cố:

P failure =Pr {Z<0}

Các bước trong thiết kế ngẫu nhiên

–> Xác định, liệt kê các khả năng xảy ra sự cố

–> Xây dựng sơ đồ cây sự cố

–> Xác định xác suất xảy ra sự cố của từng cơ

chế phá hỏng thành phần

–> Đánh giá xác suất hư hỏng của toàn hệ

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

thống

–> Đánh giá rủi ro khi sự cố xảy ra

Các thành phần nội dung trong thiết kế

• Xác định giá trị rủi ro chấp nhận được

• Căn cứ vào giá trị quy về tiền- cost only

Kể các giá trị khác

• Kể các giá trị khác

• Kể đến mất mát về con người

• Xác định rủi ro dựa theo sơ đồ cây sự cố

• Xác định các biến tải trọng (+ distribution)

• Xác định các biến độ bền (+distribution)

• Đánh giá chất lượng mô hình (Uncertainty) Đánh giá chất lượng mô hình (Uncertainty)

Các cấp độ tiếp cận

level 0: Tiếp cận theo pp tất định

level 1: Tiếp cận theo pp bán bất định

level 2: Gần đúng của pp ngẫu nhiên hoàn toàn

level 3: Tiếp cận ngẫu nhiên hoàn toàn

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Biển Khoa Kỹ Thuật Biển

Chương 2: Phân tích rủi ro

April 18, 2013

1

TS Mai Văn Công

Đại học Thủy Lợi

Emails: CONG.M.V@wru.edu.vn & C.MAIVAN@yahoo.com

WRU

Water Resources University

Tổng quan về bài giảng

• Phân tích rủi ro

• Cơ sở lý thuyết Độ tin cậy

• Phân tích hệ thống theo sơ đồ “cây sự cố”

• Xây dựng hàm tin cậy cho các cơ chế

• Xây dựng hàm tin cậy cho các cơ chế

• Giải hàm tin cậy, tổng hợp XS sự cố

• Biến ngẫu nhiên trong thiết kế CT thủy

• Các bài toán quy hoạch, thiết kế, kiểm tra

• Mô hình & Công cụ phần mềm

• Bài tập thực hành: 02

• Hệ thống giao thông, công trình xây dựng, cơ sở hạ tầng…

• Hệ thống phòng chống lũ và giảm nhẹ thiên tai

1 Rủi ro là xác suất xảy ra một sự cố ngoài ý muốn

trong một quy trình/quá trình hay của một đối

tượng

2 Rủi ro là hậu quả của một sự cố ngoài ý muốn

2.1 Định nghĩa rủi ro:

3 Rủi ro là tích số của xác suất xảy ra sự cố và hậu

quả quả do sự cố:

4 Rủi ro là một hàm của xác suất xảy ra thiệt hại và

hậu quả thiệt hại

- Rñi ro: kh¶ n¨ngx¶y ra kÕt qu¶ xÊu, kh¼ n¨ngg©y thiÖt h¹i

=> Rñi ro = (X¸c suÊt x¶y ra thiÖt h¹i) * (HËu qu¶ thiÖt h¹i)

X¸c suÊt x¶y ra

2.2 Sơ đồ quỏ trỡnh phõn tớch rủi ro

1- Kiểm tra an toμn hệ thống-Quản lý hệ thống:

Rủi ro tính toán ≤ [Rủi ro chấp nhận] => Kết luận: Hệ thống an toμn

=> Hệ thống được giữ nguyênRủi ro tính toán > [Rủi ro chấp nhận] => Kết luận: Không an toμn

=> Hệ thống cần được nâng cấp

2.3 Cỏc bài toỏn ứng dụng phõn tớch rủi ro

=> Chỉ rõ thμnh phần nμo thuộc hệ thống cần nâng cấp !!!

2- Thiết kế-lập quy hoạch:

Rủi ro tính toán của hệ thống giả định ≤ [Rủi ro chấp nhận]

Các phương án, các kịch bản

Tìm ra giá trị phương án tối ưu

1 Phõn tớch định tớnh bao gồm phõn tớch cỏc chức

năng và cỏc thành phần của hệ thống, liệt kờ cỏc

hiểm hoạ, cỏc dạng sự cố, hậu quả và xỏc định cỏc

mối quan hệ nội tại

2 Phõn tớch định lượng bao gồm tớnh toỏn xỏc suất xảy

ra sự cố định lượng hậu quả xảy ra tớnh toỏn rủi ro

2.4 Cỏc nội dung trong phõn tớch rủi ro

ra sự cố, định lượng hậu quả xảy ra, tớnh toỏn rủi ro

và đỏnh giỏ kết quả bằng cỏch thử nghiệm trờn cỏc

hệ thống chuẩn

3 Ra quyết định và kiểm định rủi ro

1 Mụ tả quy trỡnh/quỏ trỡnh hay đối tượng một cỏch hệ thống

2 Liệt kờ khả năng xảy ra cỏc sự cố ngoài ý muốn, cỏc ảnh hưởng và hậu quả

Mô phỏng các cơ chế hư hỏng

Liệt kê các kiểu thảm họa

2.6 Cỏc bước của một phõn tớch rủi ro(2)

Xác định XS xảy ra sự cố

đánh giá thiết hại

Xác định rủi ro=XS.*Thiệt hại

Xỏc định sự kiện cuối cựng: Sự kiện khụng mong muốn nhất

cấu bảo vệ mái đê Trượt mái đê

phía biển, phía đồng Xói trước chân đê

 Cơ chế phá hỏng liên quan đến thuỷ động lực vμ công

• Mất ổn định cục bộ kết cấu bảo vệ chân kè

- Công trình hư hỏng khi Z<0

- Xác suất xảy ra hư hỏng: P(sự cố) = P(Z<0)

Z=0 failure boundary

Đê hiện tại

Đê thiết kế theo TCVN

Đê thiết kế theo TCHL 0.0% 0.6% 0.0% 0.0000

0.1000 0.2000 0.3000 0.4000

Hậu quả của các sự cố

Định lượng:

-Hư hỏng cơ sở hạ tầng, công trình công cộng, hệ thống đê, mất đất-Thiệt hại trực tiếp của các ngμnh kinh tế

-Mất mát về con người !?

Định tính:

- Các thiệt hại mang tính xã hội

B4

- Hư hỏng các di sản văn hoá…

- Thiệt hại gián tiếp đến các ngμnh kinh tế

- Mất mát về con người !!!

Theo thống kê của N.H Thế giới : Thiệt hại 500 triệu USD/năm

So s¸nh víi tiªu chuÈn hiÖn hμnh:

- Ch−a cã tiªu chuÈn vÒ rñi ro

- TÊn suÊt thiÕt kÕ : 1%, 2%, 5% (vÒ t¶i träng), hÖ

Cấp độ rủi ro châp nhân dựa theo điều kiện kinh tế

• Xác định chi phí đầu tư ban đầu (I)

• Xác định chi phí vận hành, duy tu, giá thành

thiệt hại do xảy ra hư hỏng/sự cố (S*PV)

MaintenanceCấp độ rủi ro châp nhân dựa theo điều kiện kinh tế

0 50 100 150 200

• Chi phí đầu tư trực tiếp vào công trình

• Thiệt hại trực tiếp

• Thiệt hại gián tiếp

Cấp độ rủi ro châp nhân dựa theo điều kiện kinh tế

Xác định dựa theo trạng thai giới hạn:

- ULS: Trạng thái giới hạn cuối cùng, kết cấu hư

hỏng do sự xuất hiện điều kiện cực hạn

- SLS: Trạng thái giới hạn phực vụ hữu ích, kết cấu hư hỏng trong điều kiện bình thường

• Quy đổi giá trị của con người???

• Rủi ro cộng đồng

• Rủi ro cá nhân

• Rủi ro liên quan các hoạt động tự nguyện

• Rủi ro liên quan đến các hoạt động không tự

Cấp độ rủi ro châp nhân dựa theo điều kiện về số

• Rủi ro chấp nhận theo quan điểm cá nhân

• Rủi ro chấp nhận từ bài toán tối ưu hóa kinh tế

• Rủi ro chấp nhận theo quan điểm xã hội

Rủi ro chấp nhận theo quan điểm cá nhân

in which:

pfi XS xảy ra tại nạn do hoạt động f

i i

f d f

p p

 hệ số phụ thuộc tính chất của hoạt động

Pd|fi XS gây thiệt mạng do tại nan từ hoạt

Giá trị rủi ro chấp nhận theo quan

điểm về số người thiệt mạng

Trong đó:

XS ả t i d ự kiệ f

Rủi ro chấp nhận theo quan điểm cá nhân:

i d p f

f P N

pfi XS xảy ra tai nạn do sự kiện f

Npi Tổng số người tham gia hoạt động thứ i

Pd|fi pXS xay ra thiệt mạng trong sự kiện f do hoạt động i gây ra

Rủi ro cá nhân liên quan đến các hoạt động

, thống kê của các nước phương Tây

causes of death

mountaineering

policy factor high yes

4

10 (1/yea

i

IR     -6

Rủi ro theo quan điểm xã hội

• “Quan hệ giữa tần suất và số người chịu ảnh hưởng ở

mức độ cụ thể có nguyên nhân trực tiếp do một họat

động cụ thể trong một cộng đồng nơi hoạt động đó

diễn ra

• “chịu ảnh hưởng ở mức độ cụ” = thiệt mạng

=>Mô phỏng bởi các đường cong thiệt hại về người

Hà Lan: Ci=10e-3 MF=100

Rủi ro theo quan điểm xã hội – FN curve

• Total population: 85 million

Factor 10 to 100 is found comparing to the Dutch caseSafety level of 1/1000 to 1/100 per year may be set

Economic optimal level of risk

• The problem of the acceptable level of risk can also be

formulated as an economic decision problem

• The expenditure I for a safer system is equated with

the gain made by the decreasing present value of the

risk (Figure)

Optimal level of safety

• indicated by Pfoptcorresponds to the point of minimal cost

• min(Q) = min(I(Pf) + PV(PfS))

• where :

• Q = total cost

• PV = present value operator

• S = total damage in case of failure

Rủi ro theo quan điểm kinh tế

• I: đầu tư để hệ thống an toàn hơn (hoặc vốn đàu tư

Giải pháp

6 8

H [m]

Optimum

Damage costs

Construction costs

Ví dụ: Đê biển Nam ĐỊnh

Climate & Meteorology

April 18, 2013

Cons of the Typhoon Damrey:

-25 km of sea dikes broken

- inundation of large area

- Total direct loss: $US 500 Mil

4 6 8 10 12

(a) Design Frequency [1/year]

Required dike height Existing dikes

Kết quả phân tích rủi ro kinh tế

April 18, 2013

0 200 400 600 800

(b) Design Frequency [1/year]

Invest nothing

Risk-based optimal protection level

Economic risk analysis

8.1 0

April 18, 2013

Actual dikes:

5.5 0

8.6 0

Kết quả phân tích rủi ro

• Đưa ra mức rủi ro/an toàn theo các quan điểm: cá

nhân, cộng đồng; theo quan điểm kinh tế

• Làm căn cứ cho bài toán thiết kế (ghi trong tiêu chuẩn

thiết kế, VD 1/10 1/20, 1/100 …1/10000)

Quản lý rui ro: Giảm thiểu rủi ro ?

Rủi ro = {Xác suất xay ra sự kiện}x {Hậu quả do sự kiện tạo ra}

Nhóm giải pháp 1:Relief centered approach (Giảm thiểu thiệt hại): cứu hộ, cứu nạn, di tán, chấp nhận thiệt hại cơ

chống lũ đủ độ tin cậy, siêu bền ect

dune shoals sea

river dike

sluice estuarine dike

sea dike

Waves

- An toàn hiện tại? (Q1)

- An toàn mức độ nào là đủ (Rủi ro chấp nhận)? (Q2)

- Giải pháp thiết kế tin cậy với điều kiện an toàn yêu cầu? (Q3)

Mô tả hệ thống

damage of dike crest erosion of inner slopes

Overtoping OR

Failure of dike section # i

dike's slope instability of

instability of instability of

inner slopes outer slopes

instablity of toe structure

scour instability of protected ele.

too much OR

ruptering

sand flow

piping AND

filter layersfailure of armour layerdamage of armour layer instability of AND

Q1- đánh giá an toàn- Hàm tin cậy Z

Z = Độ bền R – Tải trọng S + Model Error

Q2) Tối ưu hệ thống theo LT rủi ro: tìm tiêu

chuẩn an toàn tối ưu

…so sánh và cân bằng giá trị đầu tư xây dựng nâng cấp hệ

thống với rủi ro (thiệt hại) tiềm tàng của hệ thống khi có

sự cố xảy ra trong điều kiện hiện tại và tương lai

Q : to ta l c o s t

Trường hợp đơn giản nhất: Tối

ưu dựa theo rủi ro kinh tế

THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THEO LÝ THUYẾT

ĐỘ TIN CẬY VÀ PHÂN TÍCH RỦI RO

Chương III: Khái niệm về Độ tin cậy một thà h hầ hệ thố

• 3.1 Hàm tin cậy, Độ tin cậy, Độ bền và Tải trọng

• 3.2 Tính chất phụ thuộc thời gian hàm tin cậy

• 3.3 Sơ lược về các phương pháp tính toán

* Tính toán xác suất phá hỏng của một sự cố dựa trên

Rủi ro = Xác suất xảy ra sự cố Hậu quả

||Æ Æ Pff= ? Giải Giải quyết quyết trong trong Chương Chương 3, 4, 3, 4, và và 55

3.1 Hàm tin cậy, Độ tin cậy

Hàm tin cậy Z của từng cơ chế phá hỏng

- Tin cậy ? : mức độ đảm bảo chức năng yêu cầu của một đối

tượng xem xét

- Độ tin cậy Ù xác suất ( đảm bảo chức năng yêu cầu )

* Hàm tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn

Đại Học Thủy Lợi Đại Học Thủy Lợi –– Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển Khoa Kỹ Thuật Bờ Biển

Hàm tin cậy Z được thiết lập căn cứ vào trạng thái giới hạn

của cơ chế phá hỏng

thường là một hàm đa biến

+ S là hàm của tải trọng (nghĩa rộng)

3.1 Hàm tin cậy, Độ tin cậy

* Pf = P(Z ≤ 0) = P(S ≥ R) là xác suất phá hỏng

Ví dụ Z = d – h

+ d chiều cao đỉnh đê

+ h mực nước phía biển

Độ tin cậy thấp

Pdf

3.1 Hàm tin cậy, Độ tin cậy

Kháng R Tải S

Pdf

Độ tin cậy cao

Khái niệm về Điểm thiết kế trong

tính toán xác suất xảy ra sự cố

- Là điểm nằm trong vùng hư hỏng Z <0

3.1 Hàm tin cậy, Độ tin cậy

- Có mật độ xác suất hư hỏng fpf(Z<0) lớn nhất

- Thường nằm trên biên hư hỏng

- Có thể có nhiều hơn 1 điểm (cực đại địa phương)

- Được ứng dụng để tính toán xác định xác suất sự cố ợ g ụ g ị ự