Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9905:2014 Công trình thủy lợi-Yêu cầu thiết kế kết cấu theo độ tin cậy

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 9905 : 2014

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - YÊU CẦU THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO ĐỘ TIN CẬY

Hydraulic structures - Design reliability requirements

1. Phạm vi áp dụng

1.1. Tiêu chuẩn này quy định các nguyên tắc, yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế kết cấu công trình thủy lợi theo lý thuyết độ tin cậy, sao cho thiết kế kết cấu của hệ thống phù hợp với các yêu cầu và thích hợp để sử dụng an toàn, hợp lý về kinh tế, tiên tiến về kỹ thuật;

1.2. Tiêu chuẩn này thích hợp dùng cho việc tính toán thiết kế kết cấu, lựa chọn cấu kiện kết cấu và nền móng của các loại công trình thủy công làm bằng các loại vật liệu, trong các thời kỳ thiết kế, vận hành, thi công (bao gồm chế tạo, vận chuyển, lắp ráp) và kiểm tra sửa chữa;

1.3. Tiêu chuẩn này sử dụng nguyên tắc thiết kế theo phương pháp trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần, mà các hệ số này được xác định theo xác suất;

1.4. Có thể vận dụng các quy định trong tiêu chuẩn này để thiết kế các loại công trình thủy công khác có điều kiện làm việc và đặc tính kỹ thuật tương tự.

2. Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

2.1. Trạng thái thường xuyên (Permanent State)

Điều kiện sử dụng bình thường của kết cấu.

2.2. Trạng thái tạm thời (Temporary State)

Điều kiện sử dụng nhất thời (không thường xuyên) của kết cấu.

2.3. Trạng thái giới hạn (Limit State)

Trạng thái mà kết cấu từ đó trở đi không còn thỏa mãn các yêu cầu làm việc đã thiết kế.

2.4. Độ tin cậy (Reliability)

Khả năng của một kết cấu hay một cấu kiện có thể thỏa mãn các yêu cầu quy định, bao gồm cả tuổi thọ thiết kế, được đánh giá bằng xác suất.

2.5. Chỉ số độ tin cậy (Reliability Index)

Giá trị được dùng để thay thế cho độ tin cậy hoặc xác suất phá hủy P_f (Failure Probability) được định nghĩa bởi β = F^-1 (1 -P_f), trong đó F^-1 là nghịch đảo của hàm phân phối chuẩn chuẩn hóa (Standard normal distribution function).

2.6. Tác động thường xuyên hay lực tác dụng thường xuyên (Permanent force)

Còn gọi là tác động vĩnh cửu, là tác động hầu như liên tục trong suốt một thời đoạn xem xét và sự thay đổi giá trị về thời gian là nhỏ so với giá trị trung bình.

2.7. Tác động ngẫu nhiên hay lực ngẫu nhiên (Random force)

Tác động mà sự thay đổi cường độ theo thời gian là đáng kể so với giá trị trung bình hoặc không đều.

2.8. Tác động cố định hay lực cố định (Fixed force)

Tác động phân bố cố định trên kết cấu, có phương và cường độ được xác định một cách rõ ràng Khi xét tại một điểm trên kết cấu.

2.9. Tác động di động hay lực di động (Mobile force)

Tác động có thể phân bố bất kỳ trên kết cấu trong một phạm vi giới hạn.

2.10. Tác động trạng thái tĩnh hay lực tĩnh (Static force)

Tác động không gây ra gia tốc đáng kể cho kết cấu hay các cấu kiện

2.11. Tác động trạng thái động hay lực động (Dynamic force)

Tác động có thể gây ra gia tốc đáng kể cho kết cấu hay các kết cấu;

2.12. Giá trị đặc trưng của tác động (Characteristic value of force)

Giá trị đại diện chính của tác động.

3. Yêu cầu chung khi tính toán thiết kế

3.1. Khi thiết kế kết cấu các công trình thủy lợi theo độ tin cậy cần thỏa mãn các yêu cầu sau đây:

3.1.1. Trong quá trình thi công xây dựng, có thể sử dụng điều kiện bình thường của các loại tác động có khả năng xảy ra để kiểm tra khả năng chịu đựng của kết cấu.

3.1.2. Trong quá trình khai thác, có thể sử dụng điều kiện bất lợi của các loại tác động, để kiểm tra khả năng chịu đựng của kết cấu theo yêu cầu của Tiêu chuẩn thiết kế sử dụng.

3.1.3. Trong điều kiện bảo dưỡng bình thường, có thể tính cường độ chịu lực của kết cấu theo hướng dẫn thiết kế của Tiêu chuẩn thiết kế sử dụng.

3.2.4. Khi công trình chịu các tác động ngẫu nhiên có thể xảy ra, kết cấu công trình phải đảm bảo độ bền và ổn định ở mức cần thiết.

3.2. Mức độ an toàn của công trình được đánh giá thông qua cấp an toàn, cấp an toàn của công trình phụ thuộc vào tầm quan trọng của công trình và tính nghiêm trọng về hậu quả có khả năng xảy ra khi công trình bị phá hoại (thiệt hại về người, thiệt hại về kinh tế, ảnh hưởng đến đời sống xã hội, an ninh - quốc phòng ...). Dựa theo cấp thiết kế công trình, mức độ an toàn của công trình được chia thành ba mức (cấp), được quy định trong như Bảng 1.

Bảng 1 - Mức độ an toàn kết cấu theo cấp công trình thủy công

3.3. Mức độ an toàn kết cấu của toàn kết cấu và cấu kiện kết cấu có thể căn cứ vào vị trí của nó trong công trình thủy công, mức độ ảnh hưởng của sự phá hoại của bản thân nó đối với sự an toàn của công trình thủy công mà sử dụng cùng cấp với cấp an toàn kết cấu của công trình thủy công, hoặc giảm đi một cấp. Cấp an toàn kết cấu của nền móng tương đồng với cấp an toàn kết cấu của công trình thủy công.

3.4. Để đánh giá được độ tin cậy của các loại kết cấu thủy công theo tiêu chuẩn thiết kế này, cần xét đến các yếu tố bất định (uncertainty factors) trong từng công việc như: phân tích tính toán, thiết kế cấu tạo chi tiết, cường độ chịu lực của vật liệu, chất lượng thi công, điều kiện vận hành và duy tu bảo dưỡng, v.v...

4. Nguyên tắc thiết kế theo trạng thái giới hạn

4.1. Quy định chung

4.1.1. Kết cấu thủy công được thiết kế theo trạng thái giới hạn về khả năng chịu tải của kết cấu và trạng thái giới hạn về khả năng khai thác bình thường.

4.1.2. Việc thiết kế kết cấu thủy công được quy định rõ ràng về các loại chỉ tiêu và giá trị tới hạn đối với các loại trạng thái giới hạn của kết cấu.

4.1.3. Khi kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu xuất hiện một trong các trạng thái dưới đây, cần cho rằng đã vượt quá trạng thái giới hạn của năng lực chịu tải của nó:

4.1.3.1. Toàn bộ kết cấu hoặc một bộ phận của kết cấu mất cân bằng tổng thể.

4.1.3.2. Cấu kiện kết cấu bị phá hoại (bao gồm cả phá hủy mỏi) khi xảy ra biến dạng vượt quá giới hạn biến dạng dẻo cho phép.

4.1.3.3. Kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu bị mất ổn định đàn hồi.

4.1.3.4. Toàn bộ kết cấu hoặc một bộ phận của kết cấu chuyển thành hệ biến hình.

4.1.3.5. Kết cấu đất, đá, hoặc nền, đá xung quanh mất ổn định do thám, ...

4.1.4. Khi kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu đạt tới giá trị giới hạn làm ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường hoặc ảnh hưởng đến tính bền vững, đồng thời kết cấu xuất hiện một trong các trạng thái sau đây, thì được cho rằng đã vượt quá trạng thái giới hạn khai thác bình thường:

4.1.4.1. Mức biến dạng của kết cấu gây ảnh hưởng đến việc khai thác bình thường hoặc đến ngoại hình của kết cấu.

4.1.4.2. Mức dao động gây ảnh hưởng không tốt đến nhân viên vận hành hoặc ảnh hưởng xấu đến các thiết bị, dụng cụ đo đạc, ...

4.1.4.3. Mức hư hỏng cục bộ gây ảnh hưởng không tốt đến ngoại hình, tính bền vững của kết cấu, ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của kết cấu chống thấm;

4.1.4.4. Các trạng thái riêng biệt khác có ảnh hưởng đến khai thác bình thường của kết cấu.

4.1.5. Giá trị tới hạn về cường độ vật liệu của kết cấu khi thiết kế theo trạng thái giới hạn khai thác bình thường, cần được xác định theo các yêu cầu về cường độ vật liệu quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

4.1.6. Mức phá hoại của kết cấu thủy công được chia thành hai loại sau đây:

4.1.6.1. Loại phá hoại thứ nhất: phá hoại có tính đột biến, trước khi phá hoại, có thể nhìn thấy triệu chứng, quá trình phá hoại chậm.

4.1.6.2. Loại phá hoại thứ hai: phá hoại có tính đột biến, trước khi phá hoại không có triệu chứng rõ rệt, hoặc một khi kết cấu xảy ra sự cố, thì khó khắc phục hoặc sửa chữa phục hồi.

Độ tin cậy của kết cấu phá hoại loại 2 phải cao hơn loại 1.

4.1.7. Khi thiết kế kết cấu, cần căn cứ vào các tác dụng khác nhau, hệ thống kết cấu và điều kiện hoàn cảnh có khả năng xảy ra trong các thời kỳ khác nhau, như thi công, lắp ráp, vận hành, kiểm tra sửa chữa,... mà thiết kế theo ba loại tác động sau đây:

a) Tác động thường xuyên;

b) Tác động tạm thời;

c) Tác động ngẫu nhiên.

4.1.8. Trong cả ba tác động thiết kế, đều cần tiến hành thiết kế theo trạng thái giới hạn năng lực chịu tải.

4.1.8.1. Đối với tác động thường xuyên cần thiết kế theo trạng thái giới hạn sử dụng bình thường;

4.1.8.2. Đối với tác động tạm thời, có thể căn cứ vào yêu cầu mà thiết kế theo trạng thái giới hạn sử dụng bình thường;

4.1.8.3. Đối với tác động ngẫu nhiên, có thể không thiết kế theo trạng thái giới hạn sử dụng bình thường mà thiết kế theo trạng thái giới hạn năng lực chịu tải ngẫu nhiên.

4.1.9. Đối với tác động ngẫu nhiên, cần tiến hành thiết kế theo các nguyên tắc sau đây:

4.1.9.1. Đối với kết cấu chịu tải chủ yếu của công trình thủy công quan trọng (ví dụ công trình đầu mối), việc thiết kế kết cấu cần được dựa trên tổ hợp ngẫu nhiên của phản ứng tác động, hoặc dùng biện pháp phòng hộ để không gây nên mất năng lực chịu tải.

4.1.9.2. Đối với kết cấu không chịu tải chủ yếu của công trình thủy công thứ yếu và của công trình thủy công chủ yếu thì cho phép xảy ra phá hoại cục bộ, nhưng không được ảnh hưởng đến sự an toàn của kết cấu chịu tải chủ yếu của công trình thủy công chủ yếu.

4.2. Các biến cơ bản

4.2.1. Khi phân tích độ tin cậy của kết cấu, cần sử dụng các tác động, cường độ của vật liệu, của nền móng và đá xung quanh và các thông số hình học của kết cấu,... làm biến số cơ bản. Bao gồm phần không ngẫu nhiên và ngẫu nhiên, gọi chung là biến ngẫu nhiên.

4.2.2. Biến cơ bản và biến phụ thêm được gọi chung là biến ngẫu nhiên.Các tham số thống kê và mô hình phân phối xác suất các biến ngẫu nhiên được xác định trong phụ lục B.

4.2.3. Khi phân tích độ tin cậy của kết cấu cũng có thể lấy một số biến số cơ bản và biến số phụ thêm tổ hợp thành một biến số tổng hợp, như phản ứng tổng hợp của kết cấu và cường độ tổng hợp của kết cấu....

4.3. Phương trình trạng thái giới hạn

4.3.1. Hàm chức năng Z của kết cấu, được biểu diễn bằng công thức tổng quát sau đây:

trong đó

g(•) là hàm chức năng của kết cấu;

X_i (i= 1,2,…,n) là biến ngẫu nhiên.

4.3.2. Trạng thái giới hạn của kết cấu được biểu diễn bằng phương trình trạng thái giới hạn như sau:

4.3.3. Điều kiện an toàn của kết cấu trong trạng thái giới hạn được xác định theo biểu thức sau:

Khi chỉ có hai biến tổng hợp là cường độ chịu lực của vật liệu kết cấu R và ứng suất hay phản ứng của kết cấu chịu lực (Stress or response of structure) S, điều kiện an toàn của kết cấu là:

4.4. Chỉ số độ tin cậy của kết cấu

4.4.1. Độ tin cậy của kết cấu cũng có thể được đánh giá bằng chỉ số độ tin cậy β:

trong đó

Xác suất phá hủy của kết cấu được tính theo công thức sau:

Độ tin cậy (Xác suất an toàn) của kết cấu P_f, tính theo công thức sau:

4.4.2. Chỉ số độ tin cậy của kết cấu được xác định dựa vào giá trị bình quân của biến cơ bản và biến phụ, độ lệch tiêu chuẩn và mô hình phân phối xác suất, tính toán theo phương pháp mômen hai cấp bậc nhất, xem Phụ lục C.1.

Khi phương trình trạng thái giới hạn của kết cấu chỉ có hai biến độc lập, là cường độ chịu lực của vật liệu kết cấu R và phản ứng kết cấu S, đồng thời đều là phân phối chuẩn, chỉ số độ tin cậy của kết cấu có thể xác định theo công thức sau:

                                                                                 (8)

trong đó

m_R là giá trị trung bình của cường độ vật liệu kết cấu;

s_R là độ lệch chuẩn của cường độ vật liệu kết cấu;

m_S là giá trị trung bình của ứng suất hay phản ứng của kết cấu (response of structure);

s_S là độ lệch chuẩn của ứng suất hay phản ứng của kết cấu.

4.4.3. Ứng với các trường hợp thiết kế và trạng thái giới hạn của kết cấu, mức độ thiết kế độ tin cậy của kết cấu cần đạt được chỉ số độ tin cậy mục tiêu quy định. Chỉ số độ tin cậy mục tiêu của kết cấu, cần căn cứ vào kết quả hiệu chỉnh độ tin cậy của các quy phạm thiết kế công trình thủy công hiện hành, kết hợp với phân tích độ tin cậy của kết cấu được thiết kế và thi công trong điều kiện bình thường và kinh nghiệm vận hành, thông qua phân tích tổng hợp về an toàn và kinh tế, mà xác định. Phụ lục C giới thiệu phương pháp tính toán chỉ số độ tin cậy và chỉ số độ tin cậy mục tiêu.

4.4.4. Đối với trạng thái giới hạn của năng lực chịu tải, chỉ số độ tin cậy mục tiêu cần được đưa ra riêng biệt theo cấp an toàn, trường hợp thiết kế và theo loại hình phá hoại. Đối với kết cấu có cùng cấp an toàn kết cấu, chỉ số độ tin cậy mục tiêu của trường hợp thiết kế tạm thời và của trường hợp thiết kế ngẫu nhiên, cần thấp hơn chỉ số độ tin cậy mục tiêu của trường hợp thiết kế lâu dài.

4.4.5. Đối với trạng thái giới hạn sử dụng bình thường, chỉ số độ tin cậy mục tiêu của kết cấu có thể căn cứ vào đặc điểm khác nhau của kết cấu và kinh nghiệm thiết kế công trình mà xác định.

5. Các tác động lên kết cấu

5.1. Phân loại tác động

5.1.1. Các loại tác động (hay lực tác dụng) lên kết cấu, về cơ bản độc lập với nhau về thời gian và không gian, mỗi loại tác động có thể coi là tác động độc lập. Khi một vài tác động nào đó có tương quan chặt chẽ và thường xuất hiện đồng thời các giá trị bất lợi, thì có thể xét chúng là một loại tác động ngẫu nhiên.

5.1.2. Các tác động, tùy thuộc thay đổi theo thời gian, có thể phân loại như sau:

- Tác động vĩnh cửu (thường xuyên);

- Tác động tạm thời;

- Tác động ngẫu nhiên.

Việc phân loại một số tác động thay đổi theo thời gian của kết cấu thủy công, thể hiện tại Phụ lục D.

5.1.3. Các tác động thay đổi theo vị trí không gian, có thể được phân loại như sau:

- Tác động cố định;

- Tác động di động.

5.1.4. Theo sự phản ứng gây ra đối với kết cấu, các tác động có thể được phân loại như sau:

- Tác động trạng thái tĩnh;

- Tác động trạng thái động.

5.2. Đặc tính ngẫu nhiên của tác động

5.2.1. Tác động vĩnh cửu (thường xuyên) trên kết cấu nên lấy làm biến ngẫu nhiên, khi mức độ thay đổi của tác động không lớn, có thể coi là đại lượng không đổi.

5.2.2. Tác động tạm thời lên kết cấu là quá trình ngẫu nhiên biến đổi theo thời gian, có thể dùng giá trị lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) của tác động tạm thời trong thời đoạn chuẩn thiết kế hoặc trong năm (thời đoạn) làm biến số ngẫu nhiên để xử lý. Mô hình phân phối xác suất của tác động tạm thời có thể xác định theo Phụ lục D.

5.2.3. Khi phân tích độ tin cậy của kết cấu, các tham số thống kê và mô hình phân phối xác suất của tác động, có thể căn cứ vào quan trắc thực tế hoặc số liệu thí nghiệm mà xác định theo phương pháp thống kê ở Phụ lục B. Số liệu thống kê cần có tính đại biểu. Khi không có đủ tài liệu thống kê thì có thể kết hợp với kinh nghiệm, phân tích tổng hợp mà phán đoán xác định.

5.2.4. Khi kết cấu có một số tác động được xác định bằng công thức tính toán theo nhiều biến ngẫu nhiên, thì các tham số thống kê của nó có thể dùng phương pháp ở Phụ lục B để xác định.

5.3. Giá trị đặc trưng của tác động

5.3.1. Khi sử dụng phương pháp tính toán thiết kế theo trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần, các giá trị đặc trưng của tác động thường xuyên và của tác động tạm thời nên sử dụng giá trị tiêu chuẩn của tác động, còn giá trị đại biểu của tác động ngẫu nhiên thì xác định theo tiêu chuẩn tính toán thiết kế công trình có liên quan.

5.3.2. Giá trị tiêu chuẩn của tác động thường xuyên có thể dùng một giá trị nào đó tương đối bất lợi của phân phối xác suất; cũng có thể xác định theo phương pháp truyền thống hoặc theo một phương pháp đặc trưng nào đó đã được kiểm nghiệm trong thực tế.

5.3.3. Giá trị độ lệch chuẩn của tác động tạm thời có thể xác định theo một giá trị phân vị (percentile value) nào đó mà phân phối xác suất của giá trị lớn (hoặc nhỏ) nhất theo năm khai thác (hoặc tuổi thọ công trình) tương đối bất lợi.

5.3.4. Đối với những tác động tạm thời có giá trị truyền thống hoặc có đặc trưng rõ rệt, và những tác động tạm thời khó có thể dựa vào tài liệu thống kê để xác định giá trị độ lệch chuẩn của nó theo giá trị phân vị (percentile value) của phân phối xác suất, thì có thể dùng phương pháp tần suất hình học để xác định giá trị độ lệch chuẩn của nó.

5.3.5. Đối với tác động tạm thời có giá trị tới hạn định mức rõ ràng, có thể coi giá trị giới hạn định mức ấy là giá trị của độ lệch chuẩn.

5.4. Tổ hợp các phản ứng của tác động

5.4.1. Trong tính toán thiết kế kết cấu các công trình thủy công cần tiến hành tổ hợp các phản ứng của tác động, tổ hợp các tác động có khả năng xảy ra đồng thời, riêng biệt cho trạng thái giới hạn năng lực chịu tải và trạng thái giới hạn khai thác bình thường, cho các tình huống thiết kế khác nhau tiến hành thiết kế với các tổ hợp bất lợi. Đối với các tác động khử nhau thì không cần xét tổ hợp các phản ứng của chúng.

5.4.2. Đối với trạng thái giới hạn năng lực chịu tải, cần thiết kế theo tổ hợp ngẫu nhiên của các phản ứng của tác động. Trong tổ hợp ngẫu nhiên, chỉ xét một tác động ngẫu nhiên.

5.4.3. Trong tổ hợp cơ bản hiệu ứng tác động, đối với thiết kế trạng thái giới hạn xác suất, một tác động tạm thời chủ yếu có thể sử dụng mô hình phân phối xác suất của tuổi thọ chuẩn thiết kế và các tham số của nó, còn các tác động tạm thời khác, thì sử dụng mô hình phân phối xác suất theo năm (hoặc tuổi thọ khai thác và các tham số của nó.

5.4.4. Đối với trạng thái giới hạn khai thác bình thường, cần thiết kế theo tổ hợp lâu dài và tổ hợp ngắn hạn tương ứng với trường hợp thiết kế lâu dài, tùy theo yêu cầu cụ thể, cũng có thể xét đến tổ hợp ngắn hạn tương ứng với trường hợp tạm thời.

6. Tính năng của vật liệu, nền, đá xung quanh và các thông số hình học

6.1. Đặc tính ngẫu nhiên của tính năng vật liệu, nền, đá xung quanh

6.1.1. Các đặc tính cơ lý của vật liệu và nền đá xung quanh, cùng các tính năng khác của chúng, cần được xác định bằng thí nghiệm theo các Tiêu chuẩn có liên quan hiện hành.

6.1.2. Tính năng của các loại mẫu thí nghiệm vật liệu, nền và đá xung quanh được miêu tả bằng mô hình phân phối xác suất biển ngẫu nhiên. Các tham số thống kê và mô hình phân phối xác suất được xác định bằng phương pháp ở Phụ lục B.

6.1.3. Khi không có đủ tài liệu thống kê cần thiết để xác định mô hình phân phối xác suất, thì tính năng của vật liệu nhân tạo có thể dùng phân phối trạng thái bình thường; tính năng của đá, vật liệu đất, nền và đá xung quanh, có thể dùng phân bố logarit hoặc phân bố khác.

6.1.4. Các tham số thống kê và mô hình phân bố xác suất và nền, đá xung quanh, cần được xác định theo mẫu lấy tại hiện trường cho từng công trình hoặc bằng số liệu thí nghiệm hiện trường. Khi số liệu tương đối ít, có thể dựa theo phân loại đá, đất, đồng thời kết hợp với thống kê phân tích các số liệu thí nghiệm cùng loại của các công trình tương tự khác để xác định.

6.1.5. Các tính năng xác định bằng mẫu thí nghiệm của vật liệu, nền, đá xung quanh cần thông qua hệ số hoặc hàm số tính đổi để chuyển hoán thành tính năng của vật liệu trong kết cấu và của nền, đá xung quanh tại hiện trường. Tính bất định của vật liệu trong kết cấu và của nền, đá xung quanh tại hiện trường cần bao gồm hai phần, là tính bất định của hệ số hoặc của hàm số tính đổi, tính toán theo phương pháp ở Phụ lục E.

6.2. Giá trị tiêu chuẩn của tính năng vật liệu, nền, đá xung quanh

6.2.1. Khi sử dụng phương pháp thiết kế trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần, các giá trị tiêu chuẩn của cường độ vật liệu, nền, đá xung quanh, cần căn cứ vào giá trị phân vị (percentile value) nào đó của phân bố xác suất tính năng thí nghiệm của mẫu vật liệu, lấy mẫu hiện trường, mẫu thí nghiệm hiện trường, phù hợp với chất lượng quy định.

6.2.2. Giá trị tiêu chuẩn cường độ của vật liệu nhân tạo (không bao gồm kết cấu khối lớn) có thể sử dụng giá trị phân vị (percentile value) - 0,05 của phân phối xác suất. Giá trị tiêu chuẩn cường độ bê tông khối lớn của kết cấu thủy công và cường độ đá nền, đá xung quanh, có thể sử dụng giá trị phân vị (percentile value) - 0,20 của phân phối xác suất. Giá trị tiêu chuẩn của cường độ đá, vật liệu đất và nền đất, có thể sử dụng giá trị phân vị (percentile value) - 0,10 của phân phối xác suất.

6.2.3. Giá trị tiêu chuẩn của môđun biến dạng, hệ số Poisson và tính năng vật lý của vật liệu, nền, đá xung quanh, có thể sử dụng giá trị phân vị (percentile value) - 0,50 của phân phối xác suất. Khi có yêu cầu đặc biệt về thiết kế, thông qua luận chứng chuyên môn, có thể xác định theo giá trị phân vị (percentile value) tương đối bất lợi của phân phối xác suất.

6.2.4. Khi vật liệu và nền, đá xung quanh của kết cấu thủy công chịu ảnh hưởng lâu dài trong môi trường có hại hoặc trong các môi trường xấu khác, tính năng của chúng có khả năng bị giảm yếu, khi xác định giá tiêu chuẩn của chúng cần có chiết giảm cho phù hợp.

6.3. Đặc tính ngẫu nhiên và giá trị tiêu chuẩn của thông số hình học kết cấu

6.3.1. Các thông số hình học của kết cấu, như kích thước tiết diện và đường viền, có thể xem là biến ngẫu nhiên. Các loại tham số thống kê của tham số hình học được xác định bằng phương pháp thống kê toán học, căn cứ vào số liệu đo đạc thí nghiệm các kích thước hình học của kết cấu, trong trường hợp sử dụng bình thường. Nếu không có đủ số liệu đo đạc thí nghiệm, có thể căn cứ vào sai số chung quy định trong Tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan, thông qua phân tích phán đoán mà xác định. Mô hình phân phối xác suất của các thông số hình học có thể dùng phân bố chuẩn. Khi tính biến dị của các thông số hình học của kết cấu chỉ có ảnh hưởng rất nhỏ đối với phản ứng của kết cấu (response of structure) chịu các tác động và các tính năng khác, thì thông số hình học có thể coi là đại lượng không đổi.

6.3.2. Giá trị tiêu chuẩn của các thông số hình học kết cấu và cấu kiện kết cấu, nối chung có thể dùng kích thước quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

6.3.3. Các thông số hình học của các lớp địa chất yếu trong nền đất, và đá xung quanh, có thể căn cứ vào việc thống kê tài liệu khảo sát, phán đoán điều kiện địa chất và phân tích công trình mà xác định, giá trị tiêu chuẩn của nó có thể sử dụng làm giá trị của địa chất khi thiết kế.

7. Phân tích kết cấu

7.1. Việc phân tích kết cấu bao gồm các nội dung sau đây:

7.1.1. Xác định phản ứng của tác động lên kết cấu

7.1.2. Xác định nội lực của kết cấu và các tính năng khác

7.2. Phản ứng đối với tác động và nội lực của kết cấu cần được xác định từ các yếu tố: tác động, tính chất cơ lý của vật liệu kết cấu, thông số hình học, mô hình tính toán kết cấu thông qua phân tích kết cấu mà xác định.

7.3. Phân tích kết cấu có thể dùng nhiều loại mô hình tính toán. Phương trình trạng thái giới hạn dùng để phân tích độ tin cậy của kết cấu, cần lấy mô hình tính toán theo Tiêu chuẩn liên quan quy định làm cơ sở. Mô hình tính toán và giả thiết cơ bản dùng để phân tích kết cấu phải thể hiện được phản ứng của kết cấu (response of structure) ở trạng thái giới hạn để giảm bớt tính bất định (hay tính ngẫu nhiên) do mô hình tính toán và giả định cơ bản gây nên.

7.4. Khi phân tích độ tin cậy của kết cấu, tính bất định của mô hình tính toán phản ứng của tác động và nội lực của kết cấu được phản ánh bởi các biến ngẫu nhiên, các thông số thống kê của nó có thể thông qua so sánh kết quả tính toán của mô hình tính toán do Tiêu chuẩn quy định với kết quả tính toán của mô hình tính toán tương đối chính xác, hoặc với kết quả của thí nghiệm mô hình, thí nghiệm trên mô hình kết cấu thực, quan trắc thực tế tiến hành thống kê phân tích hoặc căn cứ vào kinh nghiệm công trình, phán đoán tổng hợp mà xác định. Trong phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần, tính bất định của mô hình tính toán có thể được phản ánh trong hệ số kết cấu.

7.5. Khi kết cấu chịu tác động thay đổi vị trí, cần phân tích vị trí không gian có thể có của nó sử dụng sơ đồ phân bố bất lợi nhất đối với kết cấu.

7.6. Toàn bộ kết cấu hoặc một bộ phận của kết cấu có thể dùng thí nghiệm mô hình, thí nghiệm trên mô hình tỷ lệ 1/1 của kết cấu thật, hoặc quan trắc kết cấu thật để tiến hành phân tích. Khi sử dụng kết quả thí nghiệm, cần xét đến tính bất định của nó.

8. Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần

8.1. Trong công thức thiết kế theo trạng thái giới hạn hệ số thành phần, cần lấy giá trị tiêu biểu của các hệ số riêng phần và của biến số cơ bản để phản ánh tính bất định của biến số cơ bản trong hàm số chức năng, sau đó đối chiếu với chỉ số độ tin cậy cho phép đã quy định.

8.2. Các hệ số riêng phần cần được xác định theo các nguyên tắc sau đây:

8.2.1. Cùng một loại tác động, thì dùng hệ số riêng phần như nhau trong các kết cấu công trình khác nhau.

8.2.2. Cùng một loại tính năng vật liệu, thì dùng hệ số riêng phần như nhau trong các kết cấu công trình khác nhau.

8.2.3. Cần ưu tiên chọn một nhóm hệ số riêng phần, để làm cho chỉ số độ tin cậy tính toán của thiết kế kết cấu thủy công gần sát với chỉ số độ tin tin cậy cho phép theo Tiêu chuẩn.

8.3. Trong công thức thiết kế theo trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần, nên dùng các hệ số thành phần sau đây.

8.3.1. Hệ số mức quan trọng của kết cấu □₀, ứng với các kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu được lấy như sau:

8.3.2. Hệ số riêng phần của tác động g_f, xét tới sự biến dị bất lợi của tác động đối với giá trị tiêu chuẩn của nó, tính theo công thức sau.

8.3.3. Hệ số riêng phần của cường độ vật liệu g_m, xét tới sự biến dị bất lợi của tính năng vật liệu đối với giá trị tiêu chuẩn của nó, tính theo công thức sau:

trong đó

F_k là giá trị tiêu chuẩn của tác động (hay là lực tác dụng lên kết cấu);

F_d là giá trị thiết kế của tác động.

trong đó

f_k là giá trị tiêu chuẩn của cường độ vật liệu kết cấu;

f_d là giá trị thiết kế của cường độ vật liệu kết cấu.

8.3.4. Hệ số riêng phần của kết cấu trong các trạng thái thiết kế y, phản ánh các trạng thái thiết kế khác nhau của kết cấu cần có chỉ số độ tin cậy cho phép khác nhau, ứng với trạng thái lâu dài, trạng thái tạm thời, trạng thái ngẫu nhiên, hệ số riêng phần thiết kế y cần lấy các giá trị khác nhau.

8.3.5. Hệ số kết f_d, phản ánh tính bất định của mô hình tính toán phản ứng của tác động và tính bất định của mô hình tính toán nội lực kết cấu, cùng với tính bất định khác mà hệ số riêng phần kể trên chưa phản ánh được.

8.4. Tổ hợp cơ bản của các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực được mô tả theo biểu thức sau để thiết kế:

                                               (10)

trong đó

Tổ hợp ngẫu nhiên của các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực được xác định theo điều kiện sau để thiết kế:

                                          (11)

trong đó

8.5. Đối với tổ hợp ngắn hạn của phản ứng của tác động trong trạng thái giới hạn khai thác bình thường, hệ số riêng phần của tác động, hệ số riêng phần của cường độ vật liệu có thể sử dụng bằng 1,00, đồng thời có thể dùng biểu thức thiết kế sau đây:

trong đó

C là giá trị tới hạn của cường độ vật liệu kết cấu;

g_d3 là hệ số tổ hợp của các trạng thái giới hạn chịu tải trọng tạm thời.

Đối với tổ hợp lâu dài của các phản ứng đối với tác động, trạng thái giới hạn khai thác bình thường, hệ số riêng phần của tác động, hệ số riêng phần của cường độ vật liệu có thể lấy bằng 1,00. Giá trị tiêu chuẩn của tác động tạm thời cần nhân với hệ số tổ hợp lâu dài ρ nhỏ hơn 1,00, đồng thời có thể sử dụng biểu thức thiết kế sau đây:

trong đó

g_d4 là hệ số tổ hợp của các trạng thái giới hạn chịu tải trọng thường xuyên.

Hệ số tổ hợp của các tác động thường xuyên ρ được xác định theo phương pháp nêu trong Phụ lục F.

8.6. Hệ số riêng phần của tác động có thể xác định dựa trên mô hình phân phối xác suất của tác động, tính toán theo công thức sau đây:

a) Phân phối chuẩn:

b) Phân phối logarit:

c) Phân phối cực trị loại I:

trong đó:

d_f là hệ số nhiễu của tác động;

P_f1 là xác suất phân phối chuẩn của giá trị thiết kế. P_f1 nên chọn ở gần điểm nghiệm toán thiết kế của nó;

P_f2 là giá trị tiêu chuẩn tương ứng với tác động.

8.7. Hệ số riêng phần của cường độ vật liệu, nền, đá xung quanh, có thể căn cứ vào mô hình phân phối xác suất của chúng, lần lượt tính toán theo công thức sau đây:

a) Phân bố chuẩn:

b) Phân phối chuẩn logarit:

trong đó

d_m là hệ số nhiễu của cường độ vật liệu;

P_m1 là xác suất phân bố chuẩn của giá trị thiết kế. P_m1 nên chọn ở gần điểm nghiệm toán thiết kế của nó;

P_m2 là giá trị tiêu chuẩn tương ứng với cường độ vật liệu.

8.8. Xác định hệ số kết cấu từ tiêu chuẩn thiết kế các loại kết cấu công trình thủy công và căn cứ vào chỉ số độ tin cậy cho phép, các hệ số riêng phần như đã định nghĩa ở trên, ngoài ra cần theo Phụ lục G.

8.9. Hệ số riêng phần của các tác động ngẫu nhiên có thể sử dụng bằng 1,00. Trong trạng thái ngẫu nhiên, có thể xét tới ảnh hưởng của tác động ngẫu nhiên đối với nội lực của kết cấu.

8.10. Khi phản ứng đối với các tác động thường xuyên có lợi cho khả năng chịu lực của cấu kiện kết cấu, thì hệ số riêng phần của tác động nên sử dụng nhỏ hơn hoặc bằng 1,00.

9. Kiểm soát chất lượng

9.1. Cần quy định rõ ràng các tiêu chuẩn và yêu cầu về chất lượng đối với việc khảo sát, thiết kế, thi công, nghiệm thu và vận hành công trình thủy lợi để bảo đảm công trình có đủ độ tin cậy trong thời hạn của tuổi thọ thiết kế.

9.2. Kiểm soát chất lượng cần bao gồm các nội dung sau đây:

9.2.1. Thu thập các loại thông tin và số liệu phản ánh chất lượng.

9.2.2. Thống kê phân tích và phán đoán đối với các thông tin và số liệu thu thập được.

9.2.3. Căn cứ vào tiêu chuẩn chất lượng, đưa ra ý kiến đánh giá và xử lý.

9.3. Kiểm soát chất lượng thiết kế, cần thông qua xây dựng chế độ trách nhiệm rõ ràng và chế độ kiểm tra hiệu đính, để bảo đảm:

9.3.1. Tài liệu cơ bản cho thiết kế đầy đủ, số liệu tin cậy.

9.3.2. Giả thiết cơ bản, mô hình tính toán sử dụng trong thiết kế hợp lý;

9.3.3. Thuyết minh, bản vẽ thiết kế và tính toán phù hợp với các quy định của Tiêu chuẩn có liên quan, chính xác và không có sai sót.

9.4. Mức độ chất lượng đạt yêu cầu của vật liệu kết cấu, chế phẩm và chất lượng thi công cần căn cứ vào chỉ số độ tin cậy cho phép đã quy định mà xác định. Nội dung, trình tự và phương pháp kiểm soát chất lượng, cần được quy định rõ ràng trong các Tiêu chuẩn về khai thác, thi công và nghiệm thu.

9.5. Các loại Tiêu chuẩn thiết kế và hồ sơ thiết kế kết cấu, cần quy định rõ các điều kiện vận hành và yêu cầu duy tu bảo dưỡng kết cấu, đề ra các tiêu chuẩn vận hành bình thường, đồng thời cần tiến hành quan trắc và kiểm tra. Khi điều kiện khai thác kết cấu không phù hợp với điều kiện dự kiến trong thiết kế, thì cần tiến hành việc tính toán kiểm nghiệm và phân tích luận chứng kỹ thuật, tùy theo nhu cầu, để đưa ra các biện pháp cần thiết để bảo đảm điều kiện khai thác được bình thường.

PHỤ LỤC A

(Quy định)

Các ký hiệu được sử dụng trong tính toán thiết kế theo độ tin cậy

PHỤ LỤC B

(Quy định)

Tính toán các tham số thống kê và phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên

B.1. Tham số thống kê trong đại Iượng (hoặc biến) ngẫu nhiên

Khi đã biết n giá trị thí nghiệm và giá trị quan trắc x_i của biến ngẫu nhiên X: X_i(i=1,2,…,n), có thể tính toán giá trị trung bình m_x, Sai số tiêu chuẩn s_x, hệ số nhiễu d_x của mẫu, theo các công thức sau đây

B.2. Kiểm nghiệm phân phối xác suất

B.2.1. Kiểm nghiệm hàm phân phối xác suất giả thiết F(X) dựa trên tần suất mẫu thống kê phân phối x², được tiến hành theo các bước sau đây

a) Sắp xếp các mẫu quan trắc theo thứ tự (x₁<x₂<,…, < x_n). Căn cứ vào phạm vi mẫu, chia thành m khoảng cách bằng nhau, làm cho toàn bộ mẫu đều rơi vào trong khoảng tính toán tần số k_i(i = 1,…m) của mẫu rơi vào trong khoảng (a_i-1, a_i), lấy k_i/n biểu thị tần suất của mẫu rơi vào trong khoảng ấy.

b) Đặt giả thiết H₀, giả thiết hàm số phân phối xác suất F(x).

c) Tính toán xác suất P_i của hàm phân phối F(x) trong khoảng (a_i-1, a_i)

d) Tổng lượng sai số thống kê D giữa tần suất mẫu và xác suất tính toán theo hàm phân phối giả thiết F(x) tính theo công thức sau

e) Căn cứ vào mức độ tính lựa chọn (thường lấy là 0,05), độ tự do m-r-1, trong đó r là số tham số trong phân phối F(x), dùng mẫu để ước tính, tra bảng phân phối x², được giá trị tới hạn kiểm nghiệm , nếu D < , thì giả thiết hàm phân phối xác suất F(x) trên có thể chấp nhận được.

B.2.2. Kiểm nghiệm Kolmogorov-Smirnov (K - S) được tiến hành theo các bước sau đây.

a) Sắp xếp thứ tự các mẫu quan trắc (x₁<x₂<,...,<x_n), rồi tính toán phân phối sác xuất theo thống kê

b) Dùng phân phối theo thống kê F_n(x) của mẫu và phân phối giả định F(x), thiết lập được đại lượng thống kê

c) Căn cứ vào mức độ tính lựa chọn (thường lấy bằng 0,05), tra bảng giá trị tới hạn kiểm nghiệm K - S, được D_{n, 0,05}, nếu D_n<D_{n, 0,05} thì hàm phân phối xác suất giả định F(X) được chấp nhận.

B.3. Hàm phân phối xác suất, hàm mật độ xác suất, kỳ vọng và phương sai

B.3.1. Thông thường hàm số phân phối xác suất F(x), hàm mật độ xác suất f(x), kỳ vọng toán E(X), phương sai D(x) của biến ngẫu nhiên X, được tính toán theo các công thức sau đây;

a) Phân phối chuẩn

trong đó

m là kỳ vọng toán của X;

s là độ lệch chuẩn của X.

b) Phân bố loga chuẩn

trong đó

l là giá trị trung bình của lnX;

z là độ lệch chuẩn của lnX.

c) Phân bố loại hình cực trị I

B.3.2. Các hàm mật độ xác suất f(x), hàm phân phối xác suất F(x), kỳ vọng toán E(X) và hệ số phân tán d_x được xác định dưới một số dạng đơn giản theo các công thức sau đây

a) Hàm phân phối đều

trong đó

a là giới hạn dưới của X;

b là giới hạn trên của X.

b) Hàm phân phối tam giác cân

trong đó

a là giới hạn dưới của X;

b là giới hạn trên của X;

c là điểm giữa của X.

c) Hàm phân phối tam giác vuông giảm dần

trong đó

a là giới hạn dưới của X;

b là giới hạn trên của X.

d) Phân phối tam giác vuông tăng dần

trong đó

a là giới hạn dưới của X;

b là giới hạn trên của X.

B.4. Biến cơ bản và biến phụ

B.4.1. Biến tổng X là hàm tuyến tính của các biến ngẫu nhiên độc lập Y_i (i=1,2,...,n) có thể tính toán bằng công thức sau đây:

trong đó: a₀, a₁,(i=1,2,..,n) là hằng số

Giá trị trung bình (hoặc kỳ vọng) và độ lệch chuẩn của biến số tổng X có thể tính toán bằng các công thức sau đây:

trong đó

m_Yi là giá trị trung bình của Y_i;

s_Yi là độ lệch chuẩn của Y_i.

B.4.2. Biến số tổng hợp X là hàm số lũy thừa của biến số ngẫu nhiên độc lập Y_i (i=1,2,...,n), có thể tính toán theo công thức sau đây:

trong đó: a, b_i (i=1,2,..,n) là các hằng số.

Trường hợp các biến ngẫu nhiên Y_i (i=1,2,...,n) đều có phân phối loga chuẩn, thì giá trị trung bình của biến tổng X và hệ số phân tán có thể tính theo các công thức sau đây:

B.4.3. Trường hợp biến tổng X là hàm bất kỳ của các biến ngẫu nhiên độc lập Y_i (i=1,2,…,n), có dạng

Có thể sử dụng công thức gần đúng để tính giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của X như sau:

CHÚ THÍCH: Nội dung của Phụ lục B có thể tham khảo tại:

1) “Mục 1.3.1 Xác suất và thống kê” (trong Phần 1.3. Toán ứng dụng), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 1, Tr. 95-126;

2) “Chương 1: Thu thập và phân tích tính toán số liệu cơ bản” (trong Phần A-Tính toán thủy văn), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 4, Tr. 11-75.

PHỤ LỤC C

(Quy định)

Phương pháp tính toán chỉ số độ tin cậy và chỉ số độ tin cậy mục tiêu

C.1. Phương pháp tính toán chỉ số độ tin cậy của kết cấu công trình thủy lợi

C.1.1. Trường hợp đơn giản: Các biến cơ bản của kết cấu Xi (i=1,2,…,n) được xem là có phân phối chuẩn và độc lập với nhau, khi đó nếu trạng thái giới hạn của kết cấu thủy công được xây dựng dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các biến cơ bản, thì phương trình trạng thái giới hạn có dạng như sau:

Sau khi xác định giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của các biến cơ bản Xi lần lượt là m_i,và s_i và dựa trên công thức (C.1), ta có thể xác định được chỉ số độ tin cậy của kết cấu β theo công thức dưới đây:

C.1.2. Trường hợp phi tuyến: trạng thái giới hạn của kết cấu có quan hệ phi tuyến với các biến cơ bản Xi (i = 1,2,..,n) có phân phối chuẩn và độc lập với nhau:

Phương trình trạng thái giới hạn của kết cấu thủy công không có dạng tuyến tính như phương trình (C.1), mà có dạng tổng quát như phương trình dưới đây:

Trường hợp này có thể sử dụng các giá trị đặc trưng của X để khai triển chuỗi Taylor Xi* (i=1,2,…,n) và giữ lại số hạng tuyến tính, và chỉ số độ tin cậy của kết cấu β có thể xác định gần đúng theo nhóm phương trình sau đây:

trong đó

x*_i là giá trị đặc trưng của X để khai triển chuỗi Taylor.

a_i là hệ số độ nhạy của biến ngẫu nhiên X_i.

C.1.3. Các trường hợp tổng quát: Trạng thái giới hạn của kết cấu có quan hệ phi tuyến với các biến cơ bản Xi (i = 1,2,..,n) có phân phối bất kỳ và độc lập với nhau.

Có thể đưa về dạng phân phối chuẩn hóa tương đương cho các phân phối bất kỳ của các biến cơ bản theo các công thức (C.7) và (C.8), đem các biến cơ bản phân bố bất kỳ chính tắc hóa tương đương nơi điểm nghiệm toán, từ đó có thể xác định được chỉ số độ tin cậy của kết cấu β theo các công thức (C.9), (C.10), (C.11) như dưới đây:

trong đó:

m'_xi là giá trị trung bình của phân phối chuẩn gần đúng của biến ngẫu nhiên X_i

s'_xi là độ lệch chuẩn của phân phối chuẩn gần đúng của biến ngẫu nhiên X_i.

C.1.4. Sơ đồ khối tính toán chỉ số độ tin cậy β trong trường hợp tổng quát được trình bày dưới dạng lưu đồ như hình C.

Hình C.1 - Sơ đồ khối tính toán chỉ số độ tin cậy của kết cấu công trình thủy công

C.2. Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu (cho phép)

C.2.1. Trình tự xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu (hay cho phép) theo phương pháp hiệu chỉnh cần phải phù hợp với các quy định sau đây:

a) Căn cứ vào phạm vi thích hợp của hàm tin cậy mục tiêu, dựa theo quy phạm thiết kế các loại kết cấu thủy công để chọn các loại kết cấu, hoặc cấu kiện kết cấu điển hình làm đối tượng tính toán của “phương pháp hiệu chỉnh”, theo cấp an toàn kết cấu được chia thành ba nhóm.

b) Trong mỗi nhóm kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu, căn cứ vào số lượng dùng trong công trình, giá thành, đồng thời kết hợp với kinh nghiệm công trình, phán đoán xác định trọng số của chúng, tổng trọng số trong cùng một nhóm bằng 1, tức là:

c) Lấy hệ số an toàn hoặc ứng suất cho phép của quy phạm thiết kế hiện hành làm điều kiện ràng buộc, lấy khối lượng sử dụng vật liệu ít nhất làm mục tiêu, tiến hành thiết kế tối ưu hóa đối với kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu điển hình nêu trên.

d) Xác định phản ứng đối với các tác động lên kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu và rồi xác định nội lực của kết cấu theo mô hình xác suất sau khi tối ưu hóa thiết kế như nêu trên.

e) Lần lượt tính toán chỉ số độ tin cậy β_1i của các loại kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu điển hình.

f) Tìm chỉ số độ tin cậy bình quân gia quyền β₁ của một nhóm kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu có cùng cấp an toàn kết cấu, tức là chỉ số độ tin cậy theo tiêu chuẩn quy phạm của cấp an toàn kết cấu ấy.

g) Đối với nhiều kết cấu thủy công hoặc cấu kiện kết cấu điển hình đã xây dựng cũng phân nhóm theo cấp an toàn kết cấu. Hệ số gia quyền trong mỗi nhóm như trước. Làm lặp lại các bước của các mục d, e, f, tìm ra chỉ số độ tin cậy gia quyền β₂ của mỗi nhóm kết cấu thủy công hoặc cấu kiện kết cấu thực tế.

h) Căn cứ vào trị số β₁, β₂, xét một cách tổng hợp mối tương quan tốt nhất giữa an toàn và kinh tế, làm cơ sở để xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu β_T của các cấp an toàn kết cấu khác nhau.

C.2.2. Chỉ số độ tin cậy mục tiêu của kết cấu thủy công có thể xác định theo quy định sau đây:

Thông qua việc hiệu chỉnh đối với “Quy phạm thiết kế đập bê tông trọng lực” và “Quy phạm thiết kế kết cấu bê tông cốt thép thủy công” và lấy ý kiến chuyên gia, chỉ số độ tin cậy mục tiêu của hai loại kết cấu này ở trạng thái giới hạn về khả năng chịu tải thường xuyên (liên tục lâu dài), xem Bảng C.1.

Chỉ số độ tin cậy mục tiêu β_T của các loại kết cấu thủy công khác, có thể xác định bằng cách căn cứ vào kết quả hiệu chỉnh để phân tích các chỉ số độ tin cậy thành phần, tương tự như trình bày trong Bảng C.1.

Bảng C.1 - Chỉ số độ tin cậy mục tiêu β_T

(Trạng thái giới hạn về khả năng chịu tải liên tục và lâu dài của kết cấu)

CHÚ THÍCH: Nội dung của Phụ lục C có thể tham khảo tại:

1) “Mục 1.3.1: Xác suất và thống kê” (trong Phần 1.3: Toán ứng dụng), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 1. Tr. 95 -126;

2) “Mục 5.5: Tính toán công trình theo lý thuyết độ tin cậy” (trong Chương 5: Một số phương pháp tính toán kết cấu trong thiết kế công trình thủy lợi), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 2, Tập 1, Tr. 172 -178.

PHỤ LỤC D

(Quy định)

Tham số thống kê và phân phối xác suất của các loại tải trọng tác động lên kết cấu công trình thủy lợi

D.1. Phân loại các tải trọng bất định (ngẫu nhiên) theo thời gian tác động trên các kết cấu công trình thủy công có thể sử dụng theo hướng dẫn của Bảng D.1.

D.2. Phân phối xác suất đối với giá trị lớn nhất của các tác động tạm thời trong khoảng thời gian tuổi thọ thiết kế của công trình:

Đối với các loại tác động tạm của môi trường thiên nhiên như áp lực gió, tuyết và áp lục thủy tĩnh của sông, hồ tự nhiên,…, thì phân bố xác suất của giá trị lớn nhất của các loại tác động đó trong giai đoạn tuổi thọ thiết kế, có thể xác định được bằng phương pháp thống kê cực trị, các bước cụ thể cần tuân thủ những yêu cầu sau đây:

D.2.1. Chia khoảng thời gian tuổi thọ thiết kế của kết cấu công trình (T) thành n đoạn, ; việc chọn thời đoạn t sao cho giá trị lớn nhất của tác động trong mỗi thời đoạn độc lập với nhau.

D.2.2. Tiến hành thống kê đối với mỗi một thời đoạn, xác định được một bộ giá trị lớn nhất của một mẫu số liệu Qi.

D.2.3. Tiến hành phân tích đối với mẫu của Q_i, tính toán được giá trị ước lượng của các tham số thống kê, vẽ đồ thị tần số của mẫu và giả định mô hình phân bố xác suất, thông qua độ trội của xác suất trong mô hình để so sánh kiểm nghiệm, xác định được hàm số phân bố xác suất trị số lớn nhất của các giá trị lớn nhất của tác động trong thời đoạn t là Ft (Qi).

D.2.4. Căn cứ vào hàm phân phối xác suất thời đoạn Ft (Qi), ta sẽ xác định được hàm phân phối xác suất đối với các giá trị lớn nhất của tác động Q_T trong toán bộ thời gian tuổi thọ thiết kế của kết cấu công trình F_T(Q_T):

D.2.5. Từ các tham số thống kê m_Q ,s_Qi của phân bố xác suất thời đoạn F_t (Q_i), tìm ra các tham số thống kê m_QT, m_QT của trị số lớn nhất tác động Q_T trong thời đoạn tuổi thọ thiết kế của kết cấu công trình.

Khi F_t (Q_i) Phù hợp với phân phối loại hình I cực trị, thì F_T(Q_T) cũng phù hợp với phân phối loại hình I cực trị, và các tham số thống kê của nó là:

D.3. Giá trị tiêu chuẩn của tác động có thể tính toán theo các công thức sau đây

D.3.1. Tác động có phân phối chuẩn:

D.3.2. Tác động có phân phối loại hình I cực trị:

Bảng D.1 - Hướng dẫn phân loại các tải trọng ngẫu nhiên tác động trên kết cấu

Bảng D.2 - Hướng dẫn phân loại các tải trọng ngẫu nhiên tác động trên kết cấu

CHÚ THÍCH: Nội dung của Phụ lục D có thể tham khảo tại:

1) “Mục 1.3.1 Xác suất và thống kê” (trong Phần 1.3. Toán ứng dụng), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 1, Tr. 95-126;

2) “Chương 2: Kết cấu bê tông, bê tông cốt thép; Chương 3: Kết cấu gạch đá; Chương 4: Kết cấu thép”, Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 2, Tr. 103 - 240;

3) “Chương 1: Thu thập và phân tích tính toán số liệu cơ bản” (trong Phần A-Tính toán thủy văn), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 4, Tr. 11 - 75.

PHỤ LỤC E

(Quy định)

Các tham số thống kê và phân phối xác suất của nội lực kết cấu công trình thủy công

E.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến tính bất định của nội lực kết cấu các công trình thủy công bao gồm các tính chất cơ lý của vật liệu kết cấu, đá, đất, nền,…, tính bất định của các thông số hình học của kết cấu và mô hình tính toán,...

E.2. Các tính chất cơ lý của vật liệu kết cấu, đá, đất và nền

E.2.1. Tính bất định của tính chất cơ lý vật liệu kết cấu, đá, đất và nền, K_M, được xác định theo công thức sau đây:

trong đó

Giá trị trung bình m_KM và độ lệch chuẩn d_KM của thông số bất định K_M của cường độ vật liệu kết cấu, đá, đất và nền, cần được xác định theo các công thức sau đây:

trong đó

E.2.2. Giá trị tiêu chuẩn của cường độ vật liệu thí nghiệm đá, đất và nền:

Khi mô hình phân phối xác suất là phân phối chuẩn:

trong đó

Khi mô hình phân phối xác suất là phân phối chuẩn loga:

E.3. Thông số hình học của kết cấu

Tính bất định của thông số hình học kết cấu phản ánh sự sai khác có tính ngẫu nhiên của kích thước thực tế của kết cấu so với giá trị tiêu chuẩn của nó. Tính bất định của tham số hình học biểu thị bằng hệ số K_a, được tính toán theo công thức sau đây:

trong đó

a, a_k lần lượt là giá trị thực tế các thông số hình học của kết cấu và giá trị tiêu chuẩn của nó.

Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của tính bất định thông số hình học K_a, là:

trong đó

m_a, d_a lần lượt là giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của giá trị thực tế thông số hình học của kết cấu.

Khi kích thước nhỏ nhất của tiết diện kết cấu lớn hơn 3 m, sự sai lệch kích thước chế tạo với kích thước tiết diện có thể bỏ qua, do đó có thể coi tham số hình học của nó là không đổi.

E.4. Tham số thống kê và mô hình phân phối xác suất của nội lực kết cấu công trình thủy công

Biểu thức biến phụ của tính bất định nội lực kết cấu, K_R, là:

trong đó

Giá trị trung bình của biến phụ về tính bất định nội lực tổng hợp kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu bằng một loại vật liệu thuần nhất, K_R, và độ lệch chuẩn của nó, có thể biểu thị là:

trong đó

Nội lực tổng hợp của kết cấu hoặc cấu kiện kết cấu bằng vật liệu phức hợp được biểu diễn bằng các hàm số phi tuyến, có thể tính toán bằng phương pháp lặp khử sai số.

Mô hình phân phân phối xác suất của nội lực tổng hợp R có thể giả định là phân phối loga chuẩn.

CHÚ THÍCH: Nội dung của Phụ lục E có thể tham khảo tại:

1) “Mục 1.3.1: Xác suất và thống kê” (trong Phần 1.3. Toán ứng dụng), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi. Phần 1, Tập 1, Tr. 95 - 126;

2) “Chương 1: Vật liệu xây dựng; Chương 2: Kết cấu bê tông, bê tông cốt thép; Chương 3: Kết cấu gạch đá; Chương 4: Kết cấu thép”, Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1. Tập 2, Tr. 11 - 240.

PHỤ LỤC F

(Quy định)

Phương pháp xác định hệ số tổ hợp các thời đoạn r trong thời gian tuổi thọ thiết kế của công trình thủy lợi

Chọn thời gian quan trắc T₀ đủ dài, tiến hành quan trắc liên tục đối với tác động tạm thời, thu được sự biến đổi theo thời gian của giá trị tác động tạm thời Q, như đồ thị F.1.

Hệ số tổ hợp của các tác động thường xuyên ρ, xác định theo tỷ số giữa tổng thời gian liên tục mà tác động tạm thời Q vượt quá ρ.Qk, và tổng thời gian quan trắc T₀, tức .

Hình F.1 - Đồ thị biến đổi theo thời gian của trị số tác động tạm thời Q

CHÚ THÍCH: Nội dung của Phụ lục F có thể tham khảo tại:

1) “Mục 1.3.1 Xác suất và thống kê” (trong Phần 1.3. Toán ứng dụng), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 1, Tr. 95-126;

2) “Chương 1: Thu thập và phân tích tính toán số liệu cơ bản” (trong Phần A-Tính toán thủy văn), Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi, Phần 1, Tập 4, Tr. 11 - 75.

PHỤ LỤC G

(Quy định)

Phương pháp tính toán hệ số kết cấu

G.1. Điều kiện tính toán và trình tự tính toán hệ số kết cấu

G.1.1. Các điều kiện đã biết

Công thức thiết kế trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần của kết cấu và các hệ số riêng phần;

Mô hình phân phân phối xác suất, giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của tác động, các tham số thống kê về tính bất định của mô hình tính toán phản ứng của tác động, và giá trị tiêu chuẩn, hệ số riêng phần của tác động;

Mô hình phân phối xác suất, giá trị số trung bình, độ lệch chuẩn của cường độ vật liệu kết cấu, các tham số thống kê tính bất định của mô hình tính toán nội lực, và giá trị tiêu chuẩn, hệ số riêng phần của cường độ vật liệu;

Chỉ số độ tin cậy mục tiêu của kết cấu.

G.1.2. Trình tự tính toán

1) Giả thiết giá trị ban đầu g_d của hệ số kết cấu g_d0 dùng giá trị tiêu chuẩn, hệ số riêng phần của tác động và cường độ vật liệu đã biết, căn cứ vào công thức thiết kế trạng thái giới hạn các hệ số riêng phần, để tính ra kích thước hình học của kết cấu.