Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy - Chương

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

142
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo bài giảng Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy ( Mai Văn Công - Trường ĐH Thủy lợi ) bộ kỹ thuật công trình biển - Chương 2 Phân tích rủi ro

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy - Chương

CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH R I RO 2.1 Gi i thi u chung Trư c khi ñ c p ñ n phân tích r i ro, c n xem xét khái ni m r i ro. Trong các cu c th o lu n, khái ni m r i ro r t mơ h . Theo t ñi n Oxford, r i ro là “kh năng x y ra k t qu x u, gây thi t h i...” ð nh nghĩa trên có ñ c p ñ n xác su t (kh năng x y ra) và h u qu . ð nh lư ng và so sánh các r i ro ch d a vào xác su t là không th c t , vì r i ro trong trư ng h p m t 100 nghìn ñ ng v i kh năng 50% không gi ng v i r i ro m t 1 tri u ñ ng v i kh năng 50%. Các nhà phân tích r i ro không th ng nh t v khái ni m r i ro. Thông thư ng, có 4 ñ nh nghĩa v r i ro ñư c ñưa ra phân tích: - R i ro là xác su t x y ra m t s c ngoài ý mu n trong m t quy trình/quá trình hay c a m t ñ i tư ng. - R i ro là h u qu c a m t s c ngoài ý mu n. - R i ro là tích s c a xác su t x y ra s c và h u qu do s c . - R i ro là hàm c a xác su t x y ra thi t h i và h u qu thi t h i. Nhìn chung, hai ñ nh nghĩa ñ u không phù h p l m. R i ro do các xác su t nh nhưng gây ra h u qu r t l n ho c xác su t l n nhưng có h u qu nh , vì v y ñ nh nghĩa th nh t không gi i thích th a ñáng, tương t ñ nh nghĩa th hai cũng v y. ð nh nghĩa th ba ñưa ra s so sánh t t hơn v r i ro. Th c t ta có th xác ñ nh giá tr h u qu ch p nh n ñư c c a m t quá trình. Trong nhi u trư ng h p giá tr này tương ng v i thi t h i x y ra trong th i gian dài. V i ñ nh nghĩa này, xác su t x y ra s c ngoài ý mu n và h u qu c a nó ñóng vai trò quan tr ng như nhau. Do xác su t x y ra s c là ñ i lư ng không th nguyên, nên theo ñ nh nghĩa này xác su t x y ra s c cũng ngang b ng v i h u qu c a nó. ð nh nghĩa tuy ñơn gi n nhưng h u qu c a m t s c ngoài ý mu n x y ra thư ng có th nguyên và khác nhau v tính ch t (thi t h i v v t ch t, thương vong, gây hoang mang...) nên r i ro không th di n t ch trong m t con s . ð nh nghĩa r i ro cu i cùng là t ng quát nh t trong b n ñ nh nghĩa nêu trên. Ba ñ nh nghĩa ñ u là nh ng trư ng h p ñ c bi t c a ñ nh nghĩa th tư. Qua ñó, ta có th xác ñ nh tr ng s ñ i v i h u qu c a s c ngoài ý mu n tuỳ theo tính ch t nghiêm tr ng c a nó. ði u này ñ c bi t quan tr ng ñ i v i trư ng h p xác su t x y ra s c nh nhưng h u qu l n, khi không xác ñ nh ñư c thi t h i lâu dài. Vi c ñánh giá r i ro ph i tính ñ n các r i ro không mong mu n. H u qu c a m t s c ngoài ý mu n có th là t t ñ nh ho c b t ñ nh. N u h u qu mang tính b t ñ nh thì có th ñ nh nghĩa r i ro b ng hàm m t ñ xác su t ñ xác ñ nh các ñ i lư ng quan tâm. ð nh nghĩa t ng quát nh t v r i ro là: tích s c a xác su t x y ra thi t h i v i lu th a b c n c a h u qu thi t h i: R i ro = xác su t thi t h i * (h u qu thi t h i)n. Lu th a mũ n ph thu c vào tình tr ng c a h th ng, thông thư ng v i n = 1 là trư ng h p phân tích r i ro t nhiên, trư ng h p này ta có th tính ñư c các giá tr d ki n, trong khi n > 1 ph n ánh trư ng h p r i ro không mong mu n. 8 HWRU/CE Project - TU Delft
®èi t−îng ph©n tÝch rñi ro Tiªu chuÈn M« t¶ hÖ thèng tham chiÕu LiÖt kª c¸c sù cè v X¸c ®inh x¸c suÊt th¶m häa x¶y ra sù cè cã thÓ x¶y ra KÕt hîp XS v thiÖt h¹i TÇn suÊt v ®Þnh l−îng hËu qu¶ møc ®é thiÖt h¹i Rñi ro ®¸nh gi¸ Tiªu chuÈn, tiªu chÝ Ra quyÕt ®Þnh ®iÒu chØnh CÊp ®é rñi ro chÊp nhËn Hình 2.1 Sơ ñ quá trình phân tích r i ro. Hình 1 mô t các thành ph n trong phân tích r i ro c a m t h th ng theo phương pháp ng u nhiên. ð u tiên là mô t các thành ph n trong h th ng công trình phòng ch ng lũ như các ño n ñê, c ng và các công trình thành ph n khác. Ti p theo là danh m c li t kê các ki u nguy cơ và s c hư h ng có th x y ra. ðây là m t bư c quan tr ng trong phân tích r i ro b i n u thi u m t ki u s c (m t cơ ch phá ho i) cũng có th gây nh hư ng nghiêm tr ng ñ n ñ an toàn trong thi t k . Bư c k ti p là ñ nh lư ng h u qu cho t t c s c có kh năng x y ra. Ví d 2.1 M t b ch a ng m ñư c dùng ñ ch a ch t th i ñ c h i. S c môi trư ng c a h th ng b ch a này là x y ra rò r , ch y tràn ch t th i ñ c vào môi trư ng ñ t. D a vào s lan r ng c a lư ng ch t th i ta có th xác ñ nh ñư c thi t h i môi trư ng. Trong trư ng h p này, m t s v n ñ c n xem xét ñó là các thi t h i quan tr ng làm nh hư ng ñ n c u trúc ñ t, m c nư c ng m và dòng ch y, s th m th u ñ t. Lư ng ch t th i ñ c rò r (X) là h u qu c a s c ngoài ý mu n “Rò r b ch a” và thi t h i v môi trư ng là m t hàm s g(X). Xem lư ng ch t th i ñ c b rò r là s c ngoài ý mu n, có giá tr trung bình µ và ñ l ch chu n σ. Xác su t c a s c ngoài ý mu n là Pf. M t ñ xác su t thi t h i môi trư ng ñư c mô t như sau: ∞ X=0    X−µ (g(X )) =  f g( X )  Pf ϕ  σ  X ≠ 0    N u r i ro ñư c bi u di n thông qua giá tr kỳ v ng E(Pfg(X)), ta có: ∞  X −µ  ∫ g( X )ϕ  d X risk = Pf σ   -∞ Vi c gi i toán hàm tích phân trên có th tham kh o t i m c 2.4 9 HWRU/CE Project - TU Delft
Phân tích r i ro ñư c dùng cho nhi u m c ñích ch ng h n ki m tra ñ an toàn c a m t quy trình hay ñ i tư ng có phù h p v i tiêu chu n hay ñ t t i ưu v kinh t hay không. M c ñích chung c a phân tích r i ro là cung c p cơ s ñ ñưa ra quy t ñ nh cu i cùng d a trên cơ s k t qu phân tích r i ro. Các ví d cho m c ñích này ñư c áp d ng trong thi t k công trình, t i ưu hoá thi t k h th ng phòng ch ng lũ và các h th ng tương t , t i ưu hoá v quy ho ch, duy tu b o dư ng... Căn c vào các m c tiêu mà k t qu phân tích c n ñ t ñ n chu n ñã thi t l p. Liên quan ñ n các v n ñ v an toàn thì chính sách an toàn qu c gia là quan tr ng nh t. Chính sách này là các tiêu chu n trong ngh ñ nh do chính ph ban hành. Trong trư ng h p c n thi t, quy trình và thông s k thu t c a ñ i tư ng ph i ñi u ch nh ñ tuân theo các chu n ñó. V i m c ñích t i ưu hoá kinh t thì r i ro g n v i giá thành c a ñ i tư ng cũng ñóng vai trò quan tr ng. Có th xem xét r i ro theo hư ng tài chính. Ch ng h n ngư i ta t p trung phân tích ñ làm gi m t i thi u r i ro và t ng giá thành khi tri n khai và b o dư ng ñ i tư ng. Trong nh ng trư ng h p như v y, không th xác ñ nh trư c giá tr gi i h n r i ro. Ví d 2.2 Khái ni m r i ro liên quan ñ n h th ng công trình ñ u m i h ch a và vùng h lưu. Ch c năng chính c a m t ñ p dâng là tr nư c. N u ñ p b v , nư c ch y tràn b t ng gây ra lũ l t d n ñ n h u qu n ng n v tài s n và sinh m ng vùng h du. Vì v y, c n tránh v ñ p vì nó là nguyên nhân gây ra thi t h i to l n v kinh t , xã h i và con ngư i. ð p tràn là gi i pháp h u hi u ñ gi i quy t v n ñ ñi u ti t lũ. Tuy nhiên, vi c ñ m b o an toàn cho ñ p dâng là m t v n ñ luôn ñư c quan tâm trong thi t k . N u lư ng nư c ch y vào h ch a quá l n t o ra m c nư c l n hơn m c cho phép thì tràn x lũ b t ñ u ho t ñ ng. K t qu là m c nư c và lưu t c dòng ch y h lưu tăng lên gây xói l n n sông, b sông ngay h lưu công trình. N u so v i h u qu do v ñ p thì thi t h i ki u này không l n và có th s a ch a v i chi phí th p hơn. Do m c ñ lũ l t khác nhau nên các c p ñ r i ro ch p nh n do v ñ p cũng như nh ng thi t h i c a công trình do m c nư c, dòng ch y dâng cao cũng hoàn toàn khác nhau. V ñ p ch ñư c ch p nh n v i xác su t r t nh (nh hơn m t l n m i năm), trong khi thi t h i do phá ho i n n/b sông l i ñư c ch p nh n v i t n su t cao hơn nhi u. Ví d hư h ng không nghiêm tr ng c a chân kè hàng năm có th ñư c s a ch a hoàn ch nh và k p th i (ñòi h i ph i chu n b k ho ch b o dư ng hoàn ch nh). Trong trư ng h p này, m c ñ thi t h i ch p nh n ñư c xác ñ nh b ng giá thành t i ưu gi a v n ñ u tư xây d ng ban ñ u và chi phí b o dư ng, kh c ph c h u qu . 2.2 C p ñ r i ro ch p nh n ñư c trong công tác phòng ch ng lũ M t trong nh ng v n ñ quan tr ng trong thi t k ñ p dâng là xác ñ nh t n su t x y ra s c c a công trình. Quy t ñ nh c n ph i ñư c ñưa ra trong giai ño n thi t k là v i kho ng t n su t x y ra lũ l t là bao nhiêu thì có th ch p nh n ñư c cho m t vùng c th . ðây không ph i là v n ñ thu c lĩnh v c k thu t thi t k công trình ñơn thu n, mà nó còn bao hàm c ph m trù kinh t và chính tr . Ta có th th y ñư c m i liên h gi a chi phí xây d ng h ch a và giá tr hàng hoá, c a c i vùng h lưu (các ñ p nư c l n hơn có chi phí xây d ng cao hơn, nhưng khi ñ p nư c ñư c xây d ng thì cơ s h t ng vùng h lưu ñư c ñ m b o hơn). Tuy nhiên, không th gi i quy t v n ñ ñơn thu n d a vào phân tích kinh t mà không tính ñ n các giá tr v xã h i, t nhiên, văn hoá, l ch s ngh thu t... Các giá tr kinh t v môi trư ng quan h 10 HWRU/CE Project - TU Delft
gi a con ngư i v i nhau hay giá tr c a m t khu b o t n t nhiên, m t ñ a danh l ch s hay b o tàng ngh thu t là không th tính ñư c. M c ñ an toàn c a các công trình kinh t văn hóa xã h i ph thu c vào m c ñ tin c y an toàn c a công trình và ngoài ra còn ph thu c vào v n ñ u tư hi u qu c a công trình. 2.3 Các bư c phân tích r i ro R i ro là hàm s xác su t c a s c và h u qu c a nó. Vì v y, phân tích r i ro bao g m phân tích xác su t và h u qu . Hơn n a, tùy thu c vào m c tiêu, nhi m v và ñ i tư ng phân tích ta có th xác ñ nh các tiêu chu n và tiêu chí mà r i ro ph i ñáp ng. Hình 2.1 trình bày sơ ñ khái quát v các thành ph n trong phân tích r i ro. Trong phân tích r i ro, các khái ni m sau c n ñư c phân bi t: 1- M t phân tích ñ nh tính bao g m phân tích các ch c năng và các thành ph n c a h th ng, li t kê các hi m ho , các d ng s c , h u qu và xác ñ nh các m i quan h n i t i. 2- M t phân tích ñ nh lư ng bao g m tính toán xác su t x y ra s c , ñ nh lư ng h u qu x y ra, tính toán r i ro và ñánh giá k t qu b ng cách th nghi m trên các h th ng chu n. 3- Ra quy t ñ nh và ki m ñ nh r i ro. Phân tích ñ nh lư ng không ph i luôn luôn có kh năng th c hi n ñư c hay có th ư c lư ng ñư c. Vì v y ch có th c hi n phân tích ñ nh tính m i có th ñánh giá r i ro m t cách t ng th và qua ñó nâng c p, c i ti n ñư c quy trình, h th ng ho c ñ i tư ng nghiên c u. Các bư c trong phân tích r i ro thư ng dùng các thành ph n ñưa ra trong hình 2.2. Mũi tên ch theo th t th c hi n. Th t c này ñưa ra nh m h tr th c hi n m t phân tích r i ro ñ i bi u và không mang tính ch t b t bu c. Có khi các thành ph n ñư c thêm vào các bư c phân tích b i vì chúng liên quan ñ n vi c ñưa ra quy t ñ nh. N u không có nh hư ng l n, chúng b b qua do không (chưa) h p lý v m t k thu t hay do giá thành quá l n. Tuy nhiên ch ñưa thêm vào khi chúng có nh ng nh hư ng thích h p . 2.4 K ho ch t ng bư c c a phân tích r i ro 2.4.1 Mô t quy trình/quá trình hay ñ i tư ng m t cách h th ng Phân tích r i ro s d ng n n t ng là lý thuy t h th ng. Ti n trình hay ñ i tư ng ñư c xem xét qua mô t thành ph n ñ u vào - ñ u ra (xem hình 2.2). Thông thư ng h th ng ñư c chia 2thành các thành ph n và các h th ng con. M i thành ph n như v y ñư c khái quát hoá như m t thành ph n ñ u vào - ñ u ra. Thông qua các m i tương quan n i t i, chúng hình thành nên h th ng t ng th . S chia nh các thành ph n và h th ng con d n ñ n c p ñ xác ñ nh xác su t x y ra s c 11 HWRU/CE Project - TU Delft
Hình 2.2 H th ng ñ u vào - ñ u ra. 2.4.2 Li t kê kh năng x y ra các s c ngoài ý mu n, các nh hư ng và h u qu Giai ño n này nh m li t kê và ñưa ra t t c các s c ngoài ý mu n có th x y ra có th x y ra và h u qu c a chúng. M t h th ng hay m t b ph n ñư c coi là g p s c n u nó không còn th c hi n các ch c năng mong mu n. S c x y ra theo nhi u cách khác nhau. M i cách ñó ñư c g i là cơ ch d n ñ n s c . Ranh gi i gi a vùng s c và vùng an toàn ñư c g i g i là tr ng thái gi i h n. Trong th c t có 2 d ng biên gi i h n, m t d ng gây ra s c t m th i hay s c m t ph n và m t d ng gây ra s c lâu dài hay hoàn toàn. Trong các tài li u tham kh o, các d ng này ñư c hi u: Tr ng thái gi i h n v kh năng ph c v (S.L.S); là các tr ng thái gi i h n mà ch c năng ho t ñ ng có th ñư c th c hi n, ñư c g i là biên h u ích. Ví d cho tr ng thái này là tình tr ng c ng t m th i không th làm vi c do song quá cao. Tr ng thái gi i h n cu i cùng (U.L.S), là tr ng thái gi i h n t i ña. Thông qua s c và hư h ng thư ng xuyên c a m t ñ i tư ng d n ñ n s d ng ho t ñ ng. Ví d như ñ p ch n sóng t i c a vào c ng b v , h u qu s là xu t hi n các con sóng trong c ng có chi u cao l n hơn chi u cao cho phép, ñi u này d n ñ n vi c ng ng ho t ñ ng c a c ng. ði u quan tr ng nh t v i t t c các cơ ch này là chúng ph i ñư c ñ c p càng k càng t t trư c khi ti n hành phân tích ñ nh lư ng. Trong th c t , các hư h ng x y ra do không xác ñ nh ñư c ki u s c (không ñ c p ñ n) nhi u hơn so v i l i do phân tích m t ki u s c . Formatted: Space Before: 6 pt Vi c tìm ra các m i ñe do và các ki u s c là công vi c không ñơn gi n. Các phương pháp Formatted: Bullets and Numbering h tr là thu th p d li u v vùng b , vùng lân c n, nghiên c u tài li u, ph ng v n, kinh nghi m k t h p v i so sánh các h th ng, t ch c h p ñ l y ý ki n... Các nguyên nhân chính gây ra s c ñ i v i các h th ng ph bi n thư ng ñư c bi t ñ n và có th tìm th y trong sách hư ng d n và s tay k thu t. 2.4.3 Xác su t r i ro thành ph n: Xác su t r i ro thành ph n bao g m: - Xác su t x y ra s c ngoài ý mu n 12 HWRU/CE Project - TU Delft
- Xác su t s c ngoài ý mu n d n ñ n/ gây nên tác ñ ng nào ñó - Xác su t mà tác ñ ng này gây nên h u qu ñáng k . Các thành ph n này có th minh ho b ng: - Xác su t x y ra s c trư t mái ñê - Xác su t nư c tràn vào vùng lân c n khi m c nư c dâng cao. - Xác su t x y ra thi t h i và thương vong. Có th tính xác su t x y ra s c ngoài ý mu n theo 2 cách khác nhau: Cách th nh t là phương pháp quy n p (phương pháp d a trên kinh nghi m). Theo phương pháp này ngư i ta xác ñ nh xác su t c a m t s c ch c ch n x y ra b ng s li u (cơ s d li u). Thu n l i c a phương pháp này là không có ki u hư h ng quan tr ng nào b b qua khi phân tích m t quá trình hay m t h th ng. Tuy nhiên, b t l i c a nó là không ñưa ra ñánh giá chi ti t ñ i v i các ki u s c . K t qu là vi c ngăn ng a các s c kém hi u qu . N u dùng phương pháp quy n p ñ xác ñ nh xác su t x y ra s c thì m t ñi u quan tr ng là h th ng và các ñi u ki n biên không thay ñ i theo th i gian. Cách th hai theo phương pháp n i suy. Phương pháp này xem xét t t c các ki u s c có th x y ra. Thu n l i c a phương pháp này là nh n xét th u ñáo các ki u s c t ñó ñưa ra các bi n pháp ñ c thù nh m gi m thi u xác su t x y ra s c ngoài ý mu n. Vi c xác ñ nh xác su t cho các tác ñ ng có kh năng x y ra và xác su t x y ra h u qu mà các tác ñ ng ñó mang l i cũng tương t như cách xác ñ nh xác su t x y ra s c ngoài ý mu n. Nó có liên quan ñ n các xác su t ñi u ki n. T ng xác su t thành ph n c a r i ro là: P(E1 ) P(E 2 | E1 ) P(G | E1 ∩ E 2 ) (3.1) Trong ñó: - E1 là s c ngoài ý mu n (ch ng h n như s c v ñê) - E2 là tác ñ ng c a nó (ch ng h n như ng p l t vùng lân c n) - G là h u qu (ch ng h n như s ngư i ch t ñu i) Hàm xác su t P(E1)P(E2|E1) chính là xác su t x y ra s c Pf. Xác su t P(G|E1∩E2) có th ñư c xác ñ nh n u h u qu là tuân theo lu t phân ph i t t ñ nh ho c bi n r i r c ng u nhiên v i hàm m t ñ xác su t cho trư c (Xem 2.2). 2.4.4 Xác ñ nh và ñánh giá r i ro Sau bư c xác ñ nh h u qu và xác su t tương ng là bư c xác ñ nh và ñánh giá r i ro. Thông thư ng bư c th nghi m r i ro d a trên các tiêu chu n cho trư c. N u dùng phân tích r i ro ñ thi t k ti n trình hay ñ i tư ng thì các bư c ñư c l p l i nhi u l n ñ ñi u ch nh các chi ti t k thu t c a h th ng ñ hư ng t i m t thi t k t i ưu. Bư c t i ưu tài chính tính toán giá thành c a quy trình, h th ng hay ñ i tư ng cùng v i r i ro v i m i bư c l p. Thi t k t i ưu n u giá thành t i thi u. 2.4.5 Ra quy t ñ nh d a trên k t qu phân tích r i ro Phân tích r i ro thư ng h tr cho vi c ñưa ra quy t ñ nh. V lý thuy t, m t phân tích r i ro xem là hoàn ch nh sau khi ñánh giá và ñưa ra quy t ñ nh d a trên phân tích r i ro. 13 HWRU/CE Project - TU Delft
Vi c ghi chép nh ng bi n th khác nhau, v i nh ng r i ro ñi kèm, chi phí và l i ích trong m t ma tr n hay cây quy t ñ nh ñư c coi như công c tr giúp cho vi c ra quy t ñ nh. Qua ñó, l a ch n t i ưu có th ñư c th c hi n t m t s các kh năng khác nhau. 2.4.6 R i ro ch p nh n ñư c trong th c t a. R i ro theo quan ñi m cá nhân Cách th nh t ñ thi t l p xác su t x y ra s c ch p nh n là coi nó tương ñương v i xác su t thương vong ñư c tính b ng bình quân ñ u ngư i. Các phân tích r i ro d a trên d li u th ng kê mang tính xã h i thư ng ñưa ra m t ch s trung bình r i ro ch p nh n ñư c v s ngư i ch t. Theo phương pháp phân tích d a trên lý trí và nh n th c, các cá nhân c a m t ho t ñ ng luôn ý th c v tính cân b ng gi a r i ro và l i nhu n ch p nh n ñư c. Ph thu c vào l i ích c a quá trình này mà ho t ñ ng tình nguy n có ñư c b o ñ m hay không. Vì v y mà t o ra s khác bi t gi a các ho t ñ ng tình nguy n ñư c ñ m b o và các ho t ñ ng không ñư c b o ñ m. Theo như cách th c này, m c ñ tình nguy n có liên quan ñ n xác su t x y ra tai n n ñư c d báo trư c. S li u th ng kê v nguyên nhân t vong th hi n qua xác su t x p x 10-4 ñ i v i các ho t ñ ng t do có ý th c m c trung bình. S li u này s d ng 1 ch s dành cho r i ro cá nhân ch p nh n ñư c. ð i v i các qu c gia không thu c phương Tây, l i t c cho 1 ho t ñ ng như v y có th khác bi t rõ so v i minh ho trên, ví d như ph thu c vào ñ a lý, văn hoá và các nguyên do v kinh t . R i ro cá nhân ch p nh n ñư c (Pdi) dành cho m t ho t ñ ng c th ñư c tính b ng: N di N pi Pfi Pd / Fi Pdi = = N pi Npi Trong ñó: Npi là s thành viên c a ho t ñ ng th i Ndi là s ngư i ch t trong ho t ñ ng th i Pfi là xác su t tai n n c a ho t ñ ng th i. Pd/Fi là xác su t t l ngư i ch t x y ra trong m t tai n n. b. R i ro theo quan ñi m xã h i (mang tính c ng ñ ng) Phương pháp ti p c n này nh m xác ñ nh r i ro ch p nh n ñư c c a m t d án c th v i quan ñi m là khó có kh năng x y ra. Câu h i dành cho kh năng ch p nh n c a t p th th c ch t là m t v n ñ v phương pháp th ñúng d n, t ñó có 2 hư ng x y ra: 1) Xác ñ nh d a vào kinh nghi m s lư ng thương vong ch p nh n ñư c thông qua ñánh giá tai ho do s c công trình. 2) Gi m thi u v n ñ v m t t i ưu hoá kinh t thông qua di n gi i t t c h u qu theo ñơn v thương vong/ thi t h i. Trong n i dung th nh t, công th c sau ñư c hình thành (TAW/CUR, 1990) dành cho xác su t x y ra s c t i ưu I Pfop = B (r − g ) Pd / f N PCP + C f 14 HWRU/CE Project - TU Delft
Trong ñó: Formatted: Font: Italic I là chi phí ñ u tư cho m t ñơn v gia tăng v thông s ñ b n (chi u cao ñ nh, ñư ng kính viên ñá) Formatted: Font: Italic - C f l à t ng chi phí liên quan ñ n s c (r i ro) Formatted: Font: Italic - P d/f l à xác su t thương vong c a m t s c Formatted: Font: Italic - NP là s ngư i dân mà sinh m ng c a h ph thu c vào công trình; Formatted: Font: Italic - Cp là chi phí cho m i sinh m ng (ñi u này có th bàn cãi) Formatted: Font: Italic - B là tham s kinh nghi m d ng “mũ” c a phân ph i t i tr ng, k ñ n nh hư ng c a vi c gia tăng ñ b n. Formatted: Font: Italic - r là lãi su t th c t . Formatted: Font: Italic - g là t c ñ tăng trư ng kinh t Trong n i dung th hai, ch tiêu (Pfn) bi n ñ i t xác su t gây ch t m t ngư i (s Nd), do s hi n di n vô tình trong các nhà máy, tàu thu hay máy bay v i s l n xu t hi n Nc c a cá th ñó, và h là thành viên trong t ng s N ngư i: Formatted: Font: Italic Pfn=Nd/NNc Formatted: Font: Italic N u xác ñ nh trư c m t c p ñ r i ro ch p nh n ñư c thì b t kỳ công trình ñư c xem xét nào Formatted: Font: Italic c a d án cũng có th gi i h n ñư c r i ro theo giá tr ñ nh trư c này. N u không có c p ñ r i ro nào ñư c xác ñ nh trư c thì ñánh giá r i do có th căn c vào các phân tích giá tr l i nhu n kinh t (BCN) v chi phí do thi t h i hay thi t h i v m ng s ng con ngư i; hay chi phí b o dư ng và s a ch a cũng tương t như nh ng chi phí này.Theo phương pháp này, giá tr v con ngư i có th ñư c xác ñ nh b ng t ng s n ph m qu c n i chia cho t ng dân s . Tuy nhiên v i ph m trù v ñ o ñ c và tinh th n thì vi c gán giá tr v t ch t cho sinh m ng con ngư i là m t ñi u nh c nh i và chưa d ñư c ch p nh n vì sinh m ng con ngư i là quan tr ng nh t và là vô giá. M t s giá tr phi v t th , không th ñánh giá chính xác ñươc, như giá tr thi t h i v môi trư ng xây d ng d án công trình ñư c di n gi i là chi phí “bóng” c a d án ñ ph n nào gi m nh nh hư ng c a các tác ñ ng ngư c. ð i v i trư ng h p m r ng, r i ro ch p nh n ñư c có th ñư c xem xét l i d a vào quan h gi a các kh năng giám sát, ñi u tra và s a ch a. Vì v y thi t k có th ñ c p ñ n nh ng kh năng này ñ d phòng các th t c ñi u tra và duy tu b o dư ng. Ngư c l i thi u các kh năng k trên ñòi h i ph i có ñư c ch p nh n r i ro t i thi u. 2.5 Phân tích r i ro và sơ ñ s c c a h th ng công trình phòng ch ng lũ Nghiên c u v ñ an toàn công trình t p trung vào các khái ni m s c và hư h ng công trình. Cho dù hai khái ni m này thư ng ñư c dùng như có chung m t ý nghĩa, tuy v y, cũng c n có s phân bi t rõ ràng v s khác bi t gi a chúng. M t k t c u hay m t thành ph n k t c u hư h ng n u nó không còn th c hi n ñư c ch c năng chính, cơ b n c a nó. Ch c năng c a m t công trình phòng ch ng lũ ñư c xác ñ nh là ngăn ch n lũ l t, nghĩa là b o v vùng có kh năng ng p l t không b nư c lũ tràn vào, không b x y ra các thi t h i v sinh m ng và/ho c thi t h i v tài s n. M t công trình hay m t thành ph n công trình hư h ng ñ v n u dư i tác d ng c a t i tr ng gây nên s xu t hi n bi n d ng v i giá tr l n nghiêm tr ng làm m t ñi hình d ng ban ñ u c a 15 HWRU/CE Project - TU Delft
công trình. Nhìn chung s ñ v công trình thư ng tương ng v i xác su t x y ra hư h ng v i giá tr l n. ð v và hư h ng không ph i lúc nào cũng gây nên thi t h i mang tính th m h a. Ch ng h n, ñ p b m t n ñ nh do trư t x y ra t i th i ñi m m c nư c c a h ch a ñang duy trì m c th p, trong th i gian dài s không gây ra th m ho cho khu v c h lưu. Trư ng h p ngư c lai, khi m c nư c trong sông, h cao, có th x y ra sóng tràn, có th làm hư h ng công trình phòng ch ng lũ (hư h ng ñ nh, mái phía trong c a ñê, ñ p) nhưng k t c u c a nó v n có th ñư c gi nguyên. M t công trình phòng ch ng lũ ph i ñư c thi t k sao cho trong su t giai ño n xây d ng công trình và th i gian ph c v còn l i c a nó, xác su t x y ra s c hay ñ v ñ m b o th p. ð xác ñ nh ñư c t i ưu gi a quy mô công trình và m c ñ an toàn, c n thi t ph i th c hi n phân tích r i ro. Các thành ph n phân tích r i ro ñư c trình bày tóm t t trên Hình 2.3. Deleted: ¶ Formatted: Centered Li t kê các ki u th m h a Formatted: Centered Formatted: Centered Mô ph ng các cơ ch hư h ng Formatted: Centered Xác ñ nh XS x y ra s c Formatted: Centered ðánh giá thi t h i Formatted: Centered R i ro = XS * Thi t h i Hình 2.3 Các thành ph n trong phân tích r i ro. Trong phân tích r i ro, có ba c m t khoá: nguy cơ x y ra s c -cơ ch x y ra s c - h u qu c a s c . M t phân tích r i ro thư ng ñư c b t ñ u b ng vi c li t kê các nguy cơ s c và cơ ch x y ra s c . M t cơ ch x y ra s c ñư c mô t là các ph n ng l i c a công trình ñ i v i t ng nguy cơ s c . Nguy cơ s c di n bi n theo cơ ch x y ra s c , theo m t xác su t xu t hi n riêng, gây ra hư h ng ho c phá h ng công trình ho c thành ph n công trình. Biên gi a các tr ng thái hư h ng và không hư h ng, hay gi a phá h ng và không phá h ng thư ng ñư c g i là tr ng thái gi i h n. Có hai khái ni m v tr ng thái gi i h n ñư c ñưa ra: Tr ng thái gi i h n cu i cùng (ULS) và Tr ng thái gi i h n ph c v (SLS). K t qu c a m t quá trình phân tích r i ro là xác ñ nh h u qu mà s c hư h ng/phá h ng gây ra. Trong trư ng h p x y ra s c c a m t h th ng phòng ch ng lũ, c n ph i ñánh giá các ñ c trưng liên quan ñ n ng p l t (ví d như ñ sâu ng p l t, t c ñ ng p l t) và ư c lư ng thi t h i v v t ch t và phi v t ch t. Theo ñ nh nghĩa, r i ro ñư c xác ñ nh b ng tích s gi a xác su t x y ra s c và thi t h i (= h u qu ) do s c gây nên. ð có m t thi t k t i ưu t ng th cho m t h th ng phòng ch ng lũ, c n ph i tìm ra s cân b ng gi a m c ñ r i ro và chi phí ñ u tư xây d ng h th ng. Khi ñánh giá ñ an toàn c a h th ng công trình phòng ch ng lũ, c n xem xét m t cách t ng th toàn h th ng ch ng lũ. H th ng thư ng bao g m nhi u thành ph n, m i thành ph n có th b hư h ng/s c theo nhi u nguy cơ và nhi u d ng cơ ch . S ñ v c a thành ph n A có th 16 HWRU/CE Project - TU Delft
d n ñ n nguy cơ hư h ng thành ph n B. Hư h ng c a m t s thành ph n có th d n ñ n hư h ng c a toàn b h th ng. Liên k t gi a các thành ph n t o nên m t “h th ng n i ti p”. Trong các trư ng h p khác, các thành ph n trong m t h th ng có th h tr , b sung cho nhau làm tăng ñ b n c a h th ng, khi ñó chúng có th t o nên “h th ng song song”. Hình 2.4 Ví d v sơ ñ cây s ki n (trái) và cây s c (ph i). ð i v i m t cây s ki n, quá trình ñư c b t ñ u v i s hình thành c a s c kh i t o ngoài ý mu n (hư h ng c a m t thành ph n, ho ho n, sai sót do con ngư i...) và k t thúc b ng vi c ñánh giá nh ng ph n ng l i c a h th ng và xác ñ nh h u qu c a hư h ng hay s c . M t sơ ñ cây s c d a vào ti n trình ngư c l i: b t ñ u v i m t s c ngoài ý mu n, nó ñư c phân tích xem do nguyên nhân nào gây ra. Sơ ñ cây s c s d ng các bi u tư ng “c ng và” và “c ng ho c”. “c ng và” s d ng ñ mô t m t h th ng song song, “c ng ho c” dùng cho h th ng n i ti p. Hình 2.6 minh ho sơ ñ cây hư h ng t ng quát áp d ng cho h th ng ñê. ð i v i các k t c u công trình ñi n hình, ch ng h n như c a l y nư c qua ñê, v n ñ c n quan tâm l i không ph i hư h ng v m t k t c u mà là v n ñ v n hành công trình, nh ng sai sót c a con ngư i qu n lý như không ñóng k p c a van trư c khi x y ra m c nư c lũ xu t hi n. V n ñ này cũng có th ñư c th hi n theo sơ ñ hư h ng. Hình 2.5 bi u di n cây s c trong trư ng h p không ñóng k p c a van c a m t công trình ngăn lũ. Hình 2.5 Ví d v sơ ñ cây s c c a h th ng ñóng m c a van. 17 HWRU/CE Project - TU Delft
B t l i c a cây s c và cây s ki n ch chúng ít khi ñư c ñi u ch nh chính xác. Cây s c Formatted: Font color: Red không cho phép k t h p các nhánh; trong khi các nhánh c a cây khi m khuy t không ñư c Formatted: Font color: Red phép phân chia. Hơn n a, b n ch t c a h th ng là chia ñôi: m t s c có th ho c không x y ra. Tuy nhiên, trong thi t k công trình các v n ñ có ñ c tính liên t c và m c ñ x y ra cũng khác nhau, có th nhi u ho c ít. ð kh c ph c các b t l i ñư c ñ c p như trên, hay nói cách khác là ñ th hi n ñư c các ki u nguy h i, các cơ ch x y ra và các thành ph n c n ñưa ra bi u ñ nguyên nhân - h u qu như minh ho trên hình 2.4. Formatted: Font color: Red Nhi m v c a các k năng ñ c p trên là ch ra các phương pháp th hi n v n ñ hơn là vi c Formatted: Font color: Red tìm gi i ñáp cho v n ñ . Vi c xác ñ nh nh ng v n ñ nào có th x y ra, và n u x y ra thì nó có th di n bi n như th nào là nhi m v r t l n c a ngư i thi t k . Vi c cân nh c li t kê các cơ ch gây ra nguy h i hay hư h ng thư ng ñư c xem xét th n tr ng hơn là phân tích nh ng tác ñ ng x y ra sau ñó. Các công c h tr cho vi c chu n b li t kê các nguyên nhân gây ra s c là: 1. Ngân hàng d li u; 2. Nghiên c u tài li u; 3. Ph ng v n ñi u tra; 4. Nghiên c u hi n tr ng ngay sau x y ra s c thi t h i; 5. T ch c l y ý ki n th o lu n- phương pháp não công; 6. Kinh nghi m t các h th ng tương t và tình tr ng tương t 7. Các thông tin khác, v.v... ð i v i các công trình thư ng g p h u h t các ki u nguy cơ s c ñã ghi nh n và có th tìm ñư c trong các s tay hư ng d n và c m nang thi t k . ð hoàn thi n quy trình thi t k , c n phân tích các nguyên nhân gây ra s c . Tuy nhiên trong th c t nhi u khi các d li u, thông tin v hư h ng không ñư c công b , ñ c bi t các ki u s c liên quan ñ n tính ch t pháp lý, v n ñ ch u trách nhi m trư c pháp lu t. Trong trư ng h p ñó, lòng t tr ng c a ngư i có trách nhi m liên quan b ñ t không ñúng ch . 2.6 Các c p ñ ti p c n trong ng d ng phương pháp M c ñ an toàn c a m t công trình liên quan ñ n m t cơ ch phá h ng riêng bi t ñư c mô t là các xác su t x y ra s c có liên quan ñ n cơ ch y. Các phương pháp ti p c n sau ñây ñư c s d ng ñ xác ñ nh m c ñ an toàn này: Phương pháp t t ñ nh (ti p c n c p ñ 0 - Phương pháp h s an toàn) Thi t k d a trên cơ s các tr ng thái trung bình, các tr trung bình và kèm theo h s an toàn thích h p tương ng v i m i l ai công trình. Phương pháp ti p c n bán ng u nhiên (ti p c n c p ñ I) Thi t k s d ng giá tr ñ c trưng v i t i tr ng không vư t quá 95% các t h p, hay ñ b n ñ m b o ñư c 95% tr s ñ b n v t li u làm công trình. Phương pháp ti p c n ng u nhiên (ti p c n c p ñ II và III) Trong c p ñ ti p c n này, các bi n s thành ph n v t i tr ng và ñ b n ñư c mô t như các bi n ng u nhiên hoàn toàn. Có hai c p ñ ti p c n khác nhau ñư c phân bi t: 18 HWRU/CE Project - TU Delft
C p ñ II: c p ñ II bao g m m t s phương pháp g n ñúng ñ bi n ñ i các hàm phân ph i xác su t sang d ng phân ph i chu n hay phân ph i Gaussian. ð xác ñ nh g n ñúng các giá tr xác su t x y ra s c , quá trình tuy n tính hóa toán h c các phương trình liên quan c n ñư c th c hi n. C p ñ III: theo c p ñ ti p c n này, các hàm phân ph i xác su t c a các bi n ng u nhiên ñư c xem xét hoàn toàn ñúng v i quy lu t phân ph i th c c a chúng. Trư ng h p bài toán là phi tuy n, v n ñ cũng s ñư c gi i quy t theo phi tuy n. Các phương pháp ng u nhiên hi n v n ñang ñư c ti p t c phát tri n và ch n l c. Nhi u nghiên c u v phát tri n phương pháp này ñã và ñang th c hi n nhi u nơi trên th gi i. Trong th c t vi c thi t k ch y u ñư c th c hi n theo phương pháp bán ng u nhiên hay th m chí là theo phương pháp truy n th ng, t t ñ nh hoàn toàn. Chi ti t c a t ng c p ñ tính toán s ñư c trình bày k hơn trong chương 4. 2.7 Phương pháp t t ñ nh Phương pháp thi t k truy n th ng ñua ra trong các tiêu chu n thi t k hi n hành ñư c coi là ti p c n thi t k theo c p ñ 0 và I. Trong phương pháp này, ñi u ki n v tr ng thái gi i h n ñư c l a ch n (ULS hay SLS) và tương ng v i nó là các t h p t i tr ng thi t k thích h p. Tr ng thái gi i h n này thư ng tương ng v i ñ b n ñ c trưng c a công trình. M c ñ vư t quá tr ng thái gi i h n ch ñư c ch p nh n khi xác su t x y ra s c là nh . Theo c p ñ ti p c n 0 thì giá tr xác su t này chưa xác ñ nh ñư c. Trong phương ti p c n pháp bán ng u nhiên, xác su t x y ra s c ñư c xác ñ nh d a vào vi c phân tích r i ro ñ i v i t ng ki u công trình c th ñang ñư c xem xét và xác ñ nh các nguy cơ x y ra s c . ð i v i k t c u công trình thu l i thư ng thích h p v i thi t k d a trên nguyên t c h s vư t t i. Trong ñó, ñi u ki n tiên quy t là t i tr ng tác d ng ng v i v i h s vư t t i γ không gây ra s c cho công trình. Theo phương pháp này, ñ an toàn ñư c tính toán t i biên t i tr ng. M t t i tr ng xác ñ nh, SD (ví d chi u cao sóng thi t k ), tương ng v i xác su t xu t hi n, P(F). Trong th c t giá tr P(F) nh và thư ng ñư c xác ñ nh như t n su t xu t hi n trung bình h ng năm, chính là xác su t x y ra s c công trình (bao nhiêu năm x y ra m t l n), hay ngh ch ñ o c a nó chính là chu kỳ xu t hi n l i, TR= 1/P(F). Chu kỳ xu t hi n l i ñư c xem là kho ng th i gian trung bình gi a hai l n xu t hi n t i tr ng vư t quá t i tr ng thi t k (vư t quá tr ng thái gi i h n, g i là t i tr ng phá h y). Nh ng ñi u ki n thi t k này có th xác ñ nh theo các ñi u ki n làm vi c: làm vi c trong các ñi u ki n c c h n: Tr ng thái gi i h n cu i cùng (ULS); làm vi c trong các ñi u ki n bình thư ng: Tr ng thái gi i h n ph c v (SLS). Khi vư t quá m t trong các tr ng thái gi i h n này, ph n ng l i c a công trình ñư c xem xét như các hư h ng c a công trình (hay các b ph n c a công trình). ULS (Ultimate Limit State): Tr ng thái gi i h n cu i cùng, k t c u hư h ng do s xu t hi n ñi u ki n c c h n SLS (Serviceability Limit State): Tr ng thái gi i h n ph c v , k t c u hư h ng trong ñi u ki n bình thư ng Hình 2.7 minh h a cho cách ti p c n c p ñ 1. T i tr ng do sóng (sóng thi t k ) ñư c xác ñ nh t s li u sóng th ng kê nhi u năm. Sóng thi t k này s d ng làm ñ u vào cho mô hình mô ph ng n ñ nh k t c u b o v mái trong công trình b o v b . Tương ng v i m i giá tr 19 HWRU/CE Project - TU Delft
xác su t hư h ng c a k t c u b o v mái, kích thư c c u ki n (ñư ng kính viên ñá) dùng cho k u c u ñó có th xác ñ nh ñư c. M t thi u sót l n nh t c a phương pháp thi t k truy n th ng là không k ñ n các kh năng xu t hi n các t i tr ng vư t quá ho c nh hơn t i tr ng thi t k . Nguyên nhân chính c a thi u sót này xu t phát t vi c ch n m t giá tr t i tr ng thi t k c th . ðây là m t thi u sót nghiêm tr ng trong vi c ư c lư ng m c ñ hư h ng c a công trình cho m c ñích duy tu b o dư ng. Hình 2.6 Ví d v phương pháp c p ñ I. 2.8 Phương pháp ng u nhiên Trong phương pháp thi t k ng u nhiên, t t c các cơ ch phá h ng ñư c mô t b i các mô hình toán ho c mô hình mô ph ng tương ng. Vi c tính toán xác su t phá h ng c a m t thành ph n ñư c d a trên hàm tin c y c a t ng cơ ch phá h ng. Hàm tin c y Z ñ c thi t l p căn c vào tr ng thái gi i h n tương ng v i cơ ch phá h ng ñang xem xét, và là hàm c a nhi u 20 HWRU/CE Project - TU Delft
bi n và tham s ng u nhiên. Theo ñó, Z
quá trình t nhiên c n ñư c áp d ng trong vi c mô t m t cách ng u nhi n c a bi n ñ u vào trong m i bư c phân tích, ch ng h n như tính ng u nhiên và s thay ñ i c a d li u ñ u vào, c a các hàm chuy n ñ i, mô hình ñ b n, ch tiêu cơ lý l c h c c a v t li u ñư c s d ng. Vi c áp d ng phương pháp thi t k ng u nhiên ñòi h i ngư i thi t k ph i có ki n th c chuyên môn sâu và ph i th c hi n nhi u công ño n tính toán v i kh i lư ng l n. Chình vì v y trên th c t các phương pháp ñơn gi n hơn thư ng ñư c áp d ng căn c vào các nguyên t c thi t k . Các nguyên t c thi t k này ñư c hình thành theo cách mà theo nó, xác su t x y ra s c c a công trình là m c th p tương ñ i có th ch p nh n ñư c. Do ñó vi c ñ nh lư ng xác su t x y ra s c v n không th c hi n ñư c. Trong m t s trư ng h p khác, m t k t c u công trình có th ñư c thi t k b ng vi c ch quan tâm ñ n m t cơ ch x y ra s c duy nh t và c ng thêm m t kho ng biên an toàn v ñ b n. Trư ng h p này ñã th a nh n m t gi thi t r ng xác su t x y ra s c do các cơ ch phá h ng khác cũng n m trong kho ng biên an toàn ñó. 22 HWRU/CE Project - TU Delft