Một phương pháp xác định tuổi thọ và tuổi thọ còn lại của công trình

1.      Mở đầu

             Việc xác định tuổi thọ còn lại của công trình là vấn đề rất cần thiết, vì nó liên quan đến việc quuết định tiếp tục khai thác, sửa chữa hay phá bỏ. Đặc biệt là các công trình ở vùng thường chịu nhiều rủi ro như gió bão, động đất, lũ lụt, va đập...

             Từ trước cho tới nay, cơ quan quản lý của các nước cũng như nước ta đã có những hướng dẫn về đánh giá chất lượng công trình, nhưng chủ yếu là quy định về phân loại công trình (tốt, trung bình, yếu kém) và việc này mang tính chất định tính. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng công trình hiện hữu cũng như xác định tuổi thọ công trình đã được quy định trong ISO 2394 - 1998 [1], tiêu chuẩn đánh giá ngôi nhà nguy hiểm của Trung Quốc [2] và một số công trình tại Việt Nam [3,4,5].

            Trong [1] tuy có phần nói về “công trình hiện hữu”, song chưa hướng dẫn đánh giá chất lượng công trình theo chỉ số độ tin cậy β. Trong bài này, tác giả đề xuất một phương pháp tính tuổi thọ còn lại của công trình theo β. Để minh hoạ, tác giả đưa ra một ví dụ đơn giản.

2.      Định nghĩa tuổi thọ của công trình

           “Tuổi thọ công trình” là danh từ được hiểu theo các nghĩa khác nhau, chẳng hạn: thời gian tồn tại của công trình, thời gian khai thác trước khi xảy ra sự cố đầu tiên, thời gian khai thacá an toàn.v.v...

         Nếu với một cách hiểu chung như vậy thì không thể đưa ra một phương pháp định lượng để xác định tuổi thọ và tuổi thọ còn lại của công trình.

         Sau đây là định nghĩa thuổi thọ theo độ tin cậy.

2.1. Định nghĩa thứ nhất

         Tuổi thọ công trình là thời gian sử dụng bình thường của công trình trong các điều kiện về tải trọng và tác động nhất định đã quy định trước. Trong định nghiã này có hai điểm đáng chú ý là:

-                      Thế nào là sử dụng bình thường? Sử dụng bình thường là bảo đảm công năng của công trình ghi trong nhiẹm vụ thiết kế, đó chính là các điều kiện trạng thái giới hạn.

-                      Thế nào là tải trọng và tác động đã quy định? Khi thiết kế, người ta chọn các tham số đầu vào về tải trọng còn tác động về nhiệt ẩm, mức độ sai lệch so với quy định đều được ghi rõ. Nghĩa là công trình được sử dụng trong điều kiện bình thường như gió bão, lũ lụt, va đập, cháy nổ bất thường...vượt ra ngoài điều kiện đã quy định là bất thường về công trình mất an toàn là hiển nhiên. Vì thế mà phát sinh vấn đề xác định lại chất lượng công trình sau khi bị sự cố. Sau đây là một định nghĩa khác.

-                       

2.2. Định nghĩa thứ hai

          Tuổi thọ công trình là thời gian khai thác bình thường với mức độ an toàn quy định. Trong định nghĩa này có hai điểm đánh chú ý là

-                      Thế nào là khai thác bình thường? cũng tương tự như trên, ở đây muốn nói tới sự thỏa mãn các điều kiện trạng thái giới hạn đã quy định khi thiết kế.

-                      Thế nào là mức an toàn quy định? Độ tin cậy là chỉ tiêu an toàn tổng quát nhất, do đó mức độ an toàn quy định là muốn nói tới một độ tin cậy nhất định. Do đó tin cậy thường giảm dần theo thời gian sử dụng (nếu không gia cố, sửa chữa), nên khi nó giảm đến mức nào đó thì coi là công trình hết tuổi thọ (dẫu chưa xảy ra sự cố).

         Định nghĩa thứ hai dễ xây dựng phương pháp xác định tuổi thọ định lượng hơn định nghĩa thứ nhất. Do đó, sau đây tác giả sử dụng định nghĩa thứ hai đẻ xây dựng phương pháp. Từ phương pháp này, bổ sung một số tính toán phụ là xác định được tuổi thọ còn lại.

3.      Phương pháp xác định tuổi thọ còn lại của công trình

        Theo phương pháp nêu trong bài báo này, có hai khau quan trọng nhất là tìm được độ tin cậy của công trình P(t) và xác định giá trị P(T) = P_min , trong đó T là tuổi thọ. Điều đó có thể minh hoạ trên hình 1.

Hình 1. Đồ thị của P(t) theo thời gian

 Giả sử đã tìm được P(t), đồ thị P(t) trên hình 1. P_min­ được xác định theo các tiêu chuẩn về độ tin cậy. Tương ứng với mỗi giá trị xác suất an toàn P_s ta có tương ứng xác suất mất an toàn P_t = 1-P_s . Từ P_t ta suy ra giá trị chỉ số độ tin cậy β và ngược lại. Theo các tiêu chuẩn của Canada hay đề nghị của một số tác giả Việt BNam thì đối với kết cấu bê tông, chọn β_min = 3, đối với thép, chọn β_min = 2,5.

         Nếu kiểm tra ta thấy β < β_min thì phải gia cố sửa chữa, P_min  còn được xác định theo tầm quan trọng của công trình. Chẳng hạn, nhà quốc hội hay hội trường quốc gia, quốc tế tuy khi thiết kế đã chọn P(0) lớn song P_minn tương ứng với β_min lớn hơn các công trình thông thường, thí dụ khi β=3,5 đối với kết cấu bê tông là ta phải xem xét khả năng sửa chữa nâng cấp. Thường thì P_min được các hội đồng chuyên môn đề nghị cho các loại công trình khác nhau theo tầm quan trọng, còn người quyết định là các nhà quản lý có thẩm quyền.

3.1. Các bước xác định tuổi thọ và tuổi thọ còn lại

 Hình 2. Sơ đồ khối thổng thể

Sau đây tác giả xin trình bày một cách chi tiết:

- Xác định P(t)

          Để đơn giản, ta chọn một dạng P(t) quenthuộc đã được nhiều tác giả trên thế giới sử dụng. Chẳng hạn, đối với kết cấu thép thì P(t) có thể chấp nhanạ dạng:

                                                          P(t) = P (0).e ^-λt   

trong đó P(0) là xác suất khi thiết kế (tại thời điểm t=0), λ là hằng số thực nghiệm, được xác định bằng phương pháp bình thường tối thiểu. Do đó, λ là một đại lượng ngẫu nhiên được xác định bởi giá trị kỳ vọng và phương sai.

Tại thời điểm t_i , đo trực tiếp trên công trình (loại công trình). Căn cứ vào số liệu tại một thời điểm t_i nào đó, ta tính được P(t_i) ta dùng phương pháp tính độ tin cậy [6,7]. Do đó:                                                           P(t_i) = P (0).e ^-λti    hay:

Hình 3 . Xác định độ tin cậy tại các thời điểm t_i

Bước 1: Xác định P(t)

       Nói chung P(t) giảm dần theo thời gian, khi gia cố sửa chữa thì nó được nâng lên, sau đó tiếp tục giảm. Nói chung việc xác định P(t) là bài toán khó, cần có đủ số liệu theo thời gian vì nó là một đại lượng phụn thuộc vào thời gian. Sau đây xin nêu một cachs thực hành để dễ dàng giải bài toán.

Bước 2: Xác định P_min

Bước 3: Tính tuổi thọ còn lại.

                                  P (0)

                      e^λiti   = --------

                                  P (t_i)      

                          

                            P (0)

 λ _i t _i lne = ln   ( ----- )

                            P (t_i)      

                                         1        P (0)

                    Suy ra:  λ _i = ---ln ( -----)                     (1)

                                          t _i       P (t_i)

Giá trị trung bình của  λ _i là:

                                    1  _n

                           μ_λ = ---∑ λ_k                                                                          ( 2 )                                

                                    n  _k=1

Độ lệch chuẩn của λ là:

                               

                               1   n

σ_λ = √D = √μ_λ = ----∑ λ_k ( λ_k   - λ )²                                       (3)

                               n   _k=1

- Xác định P_min

        Như trên đã nói, P_{min ­}  được xác định theo tầm quan trọng của công trình và theo quyết định của cấp quản lýa có thẩm quyền.

- Xác định tuổi thọ công trình T

Theo hình 1, sau khi có P(t) = P (0).e ^-λt    ta có P(T) = P(0).e ^-λt , suy ra:

          1           P (0)

T =  ----- ln ( -----  )

           λ          P (t_i)   

       

  Chú ý: Thông thường do điều kiện sử dụng không chuẩn nghĩa là có sai lệch với quy định nên cần có khâu điều chỉnh P (t) trước khi đánh giá. Việc đièu chỉnh được tiến hành như sau:

-         Kiểm tra trực tiếp công trình tại thời điểm t_k nào đó ta xác định được P(t_k) = P_k’. Từ

P_k = P (0).e ^-λ_k ^t_k suy ra: 

 

   ₁                P(0)

λ_k = ---- ln ( -----  )

             t_k           P(T)

-                     So sánh với λ_k được chọn ban đầu, nếu kỳ vọng và phương sai khác quá xa so với kỳ vọng và phương sai λ thì phải tính toán lại từ đầu. Tại thời điểm t_k , công trình có tuổi thọ còn lại là:  ΔT = T - t_k

4.      Thí dụ

Việc tính độ tin cậy của công trình là rất phức tạp, trong tính toán thực hành người ta cho phép chọn giá trị gần đúng và coi giá trị gần đúng của kết cấu bằng giá trị độ tin cậy tại tiết diện có xác suất an toàn bé nhất.

Quy luật ăn mòn: chọn quy luật ăn mòn thép do V.D. Raizer công bố là quy luật sô mũ:

δ = δ₀.e ^–γt.  trong đó δ là chiều dày, δ_{0 là} chiều dày ban đầu của kim loại, t là thời gian, γ là hằng số thực nghiệm. Sau đây ta xét một công trình tại thời điểm t = 25 năm có các loịa cấu kiện như sau:

-                     Độ tin cậy của cột: với các số liệu như sau:

μ_γ = 7500daN/m³ ; σ_γ = 0

μ_L = 5m; σ_L = 0,012m

μ_{q (gio)}  = 800 daNm; σ_{q (gio)} = 0,20 daNm

ứng suất tới hạn của thép σ₀ = 2200daN/cm²

Xác suất an toàn  P_s là : P_s = Pro (σ_max ≤ σ₀)

hay xác suất mất an toàn P_f là: P_ƒ = 1 - P_s  = Pro (σ_max ≥   σ₀)                                       

         Do đó, lượng dự trữ an toàn (quãng an toàn) là: M = σ₀ - σ_max.

                                    μ_M

Chỉ số độ tin cậy: β = ----

                                     σ_M

Với các số liệu trên:

            39

β =    -----    ≈  0,14. Suy ra : P_ƒ = 0,4442.

       264,500

Vậy xác suất an toàn của cột là P_s = 1 – P_f = 0,5558.

 Như vậy nếu chỉ tính đến độ an toàn về độ bền thì sau 25 năm P_s = 5558 là thép phải gia cố sửa chữa. Từ các kết quả trên, ta suy ra rằng nếu chọn P_min = 0,5558 thì tuổi thọ công trình là T = 26 năm. Nếu chọn P _min = 0,7 thì T = 16 năm

 Trường hợpcoi γ là ngẫu nhiên, chọn δ_γ = 12,6 thì β = 0,4443. Tại thời điểm 15 năm thì P_s = 0,5557.

Các kết quả trên nói lên rằng khi kể đến độ phân tán của hằng số ăn mòn γ thì cùng một giá trị P_min tuổi thọ chỉ còn 15 năm (giảm 10 năm).

 Do đó, γ là tham số có độ nhạy cảm lớn, bỏ qua sai số là thiếu chính xác.

5.      Kết luận

·                    Phương pháp nêu trong bài báo này là một cách đánh giá định lượng tuổi thọ và tuổi thọ còn lại của công trình. Khi áp dụng phương pháp này đòi hỏi phải có đủ số liệu. Song ở các nước đã có tiêu chuẩn thiết kế theo độ tin cậy thì các đại lượng về phương sai đã có quy định. Khi kiểm tra công trình hiện hữu có thể dùng các quy định đó tuy không chính xác, song đó là một căn cứ định lượng khá tốt.

·                    Ngày nay, do phương tiện tính toán phát triển, việc tính tuổi thọ công trình tuy phức tạp song đã có các chương trình mẫu nên khó khăn về tính toán có thể vượt qua.

·                    Nhiều nước đã kiểm tra các công trình quan trọng và đặc biệt quan trọng theo độ tin cậy. Ở nước ta chưa có tiêu chuẩn thiết kế và đánh giá công trình hiện hữu dựa theo độ tin cậy, nên áp dụng phương pháp nêu trên, phải chờ một thời gian nữa.

TS. Nguyễn Văn Hùng

(Nguồn tin: T/C KHCN Xây dựng, số 3/2006)

Bấm Youtube để đăng ký xem video nhé!

Bài viết liên quan: