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) = Pmin , 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
Nếu kiểm tra ta thấy β < βmin
thì phải gia cố sửa chữa, Pmin 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 Pminn tương ứng với βmin 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 Pmin 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 ti , đo trực tiếp
trên công trình (loại công trình). Căn cứ vào số liệu tại một thời điểm ti nào đó, ta tính được P(ti)
ta dùng phương pháp tính độ tin cậy [6,7]. Do đó: P(ti)
= P (0).e -λti hay:
Hình 3 . Xác định độ tin cậy tại
các thời điểm ti
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 Pmin
Bước 3: Tính tuổi thọ còn lại.
P (0)
eλiti =
--------
P (ti)
P (0)
λ
i t i lne =
ln (
----- )
P (ti)
1 P
(0)
Suy ra: λ i = ---ln ( -----)
(1)
t i P (ti)
Giá trị trung bình của λ i
là:
1 n
μλ = ---∑ λk
( 2 )
n k=1
Độ lệch chuẩn của λ là:


σλ = √D = √μλ = ----∑ λk ( λk - λ )2 (3)
n k=1
- Xác định Pmin
Như trên đã nói, Pmin 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 (ti)
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 tk
nào đó ta xác định được P(tk) = Pk’. Từ
Pk = P (0).e -λk tk
suy ra:
1 P(0)
λk = ---- ln ( ----- )
tk P(T)
-
So sánh với λk
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 tk , công trình có tuổi thọ còn lại là: ΔT = T
- tk
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, δ0
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:
μγ = 7500daN/m3
; σγ = 0
μL = 5m; σL
= 0,012m
μq (gio) = 800 daNm; σq (gio) = 0,20 daNm
ứng suất tới
hạn của thép σ0 = 2200daN/cm2
Xác suất an
toàn Ps là : Ps = Pro (σmax ≤ σ0)
hay xác suất
mất an toàn Pf là: Pƒ = 1 - Ps = Pro (σmax ≥ σ0)
Do đó, lượng dự trữ an toàn (quãng an
toàn) là: M = σ0 - σmax.
μM
Chỉ số độ tin
cậy: β = ----
σM
Với các số
liệu trên:
39
β =
----- ≈ 0,14. Suy ra : Pƒ = 0,4442.
264,500
Vậy xác suất
an toàn của cột là Ps = 1 – Pf = 0,5558.
Như vậy nếu chỉ tính đến độ an toàn về độ bền
thì sau 25 năm Ps = 5558
là thép phải gia cố sửa chữa. Từ các kết quả trên, ta suy ra rằng nếu chọn Pmin = 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 δγ
= 12,6 thì β = 0,4443. Tại thời điểm 15 năm thì Ps = 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 Pmin
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!
No comments:
Post a Comment