Căn cứ nào để xác định tuổi thọ của các thiết kế công trình cảng biển? Nguyên tắc và điều kiện thiết kế cần đáp ứng là gì?

Nội dung chính

• Căn cứ nào để xác định tuổi thọ của các thiết kế công trình cảng biển?
• Nguyên tắc thiết kế công trình cảng biển được quy định như thế nào?
• Việc thiết kế công trình cảng biển cần đáp ứng điều kiện gì?

Căn cứ nào để xác định tuổi thọ của các thiết kế công trình cảng biển?

Tại Mục 6 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11820-1:2017 về Công trình cảng biển - Yêu cầu thiết kế - Phần 1: Nguyên tắc chung có quy định về tuổi thọ thiết kế của công trình cảng biển như sau:

"6 Tuổi thọ thiết kế của công trình cảng biển

6.1 Tuổi thọ thiết kế của công trình hay bộ phận công trình cảng biển được xác định căn cứ vào cấp công trình, bậc bền vững và bậc chịu lửa của công trình hay bộ phận công trình đó. Để xác định tuổi thọ thiết kế cho từng công trình hay bộ phận công trình cảng biển có thể tham khảo kinh nghiệm xác định tuổi thọ thiết kế của các tiêu chuẩn nước ngoài (xem Phụ lục C).

6.2 Khi xác định tuổi thọ thiết kế cao thì cần chú ý: tải trọng tác động lên công trình tăng lên; cần lựa chọn vật liệu có tuổi thọ cao hơn phù hợp với tuổi thọ công trình; cần xây dựng chương trình bảo trì phù hợp với yêu cầu tuổi thọ thiết kế."

Như vậy, căn cứ để xác định tuổi thọ thiết kế của công trình hay bộ phận công trình cảng biển là dựa vào cấp công trình, bậc bền vững và bậc chịu lửa của công trình hay bộ phận công trình đó, đồng thời có thể tham khảo kinh nghiệm xác định tuổi thọ thiết kế của các tiêu chuẩn nước ngoài.

Căn cứ nào để xác định tuổi thọ của các thiết kế công trình cảng biển?

Nguyên tắc thiết kế công trình cảng biển được quy định như thế nào?

Theo quy định tại tiểu mục 7.1 Mục 7 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11820-1:2017 về Công trình cảng biển - Yêu cầu thiết kế - Phần 1: Nguyên tắc chung, nguyên tắc thiết kế được quy định như sau:

"7 Quy định chung

7.1 Nguyên tắc thiết kế

Độ bền và độ ổn định của các công trình cảng biển cần được kiểm tra theo các trạng thái giới hạn dưới đây:

- EQU: mất cân bằng tĩnh học của công trình hay mọi bộ phận công trình mà được xem như một vật rắn, khi đó:

+ các biến động nhỏ trong giá trị hay phân bố không gian của các tác động từ một nguồn độc lập sẽ gây hậu quả lớn và

+ cường độ của các vật liệu xây dựng hay đất nền nói chung không đóng vai trò chủ đạo trong duy trì cân bằng.

- STR: do cường độ các vật liệu xây dựng của công trình bị vượt quá nên xảy ra phá hoại bên trong hay biến dạng bị vượt quá của kết cấu hay các bộ phận kết cấu.

GEO: phá hoại do biến dạng đất nền bị vượt quá khi cường độ của đất hay đá đóng vai trò sức kháng đáng kể.

FAT: phá hoại mỏi của kết cấu hay các bộ phận kết cấu.

Các trạng thái giới hạn cực hạn UPL (do lực nâng lên/đẩy nổi) và HYD (do gradient thủy lực/đất trồi thủy lực) cũng cần được kiểm tra khi thích hợp và cần thiết.

Trong kiểm tra theo các trạng thái giới hạn cần đảm bảo không có trạng thái giới hạn nào vượt quá các giá trị thiết kế tương ứng của:

- Tải trọng

- Đặc trưng vật liệu hay các đặc trưng của sản phẩm và

- Số liệu hình học."

Việc thiết kế công trình cảng biển cần đáp ứng điều kiện gì?

Căn cứ tiểu mục 7.2 Mục 7 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11820-1:2017 về Công trình cảng biển - Yêu cầu thiết kế - Phần 1: Nguyên tắc chung, điều kiện thiết kế công trình cảng biển được quy định như sau:

"7.2 Điều kiện thiết kế

Các tài liệu về điều kiện tự nhiên và tình hình khu vực xây dựng cần cho thiết kế bao gồm:

- Tài liệu địa hình;

- Tài liệu thủy đạc;

- Tài liệu khí tượng thủy hải văn;

- Tài liệu sinh vật học;

- Tài liệu địa chất và địa chất thủy văn;

- Tài liệu về động đất (có xét cấp động đất theo phạm vi phân vùng), các hiện tượng castơ, trượt, lún trên khu vực xây dựng.

Các tài liệu về điều kiện thi công cần phải có:

- Khả năng thi công của đơn vị xây dựng;

- Khả năng chế tạo các cấu kiện lắp ghép;

- Khả năng giao thông vận tải của khu vực xây dựng;

- Khả năng cung cấp vật liệu xây dựng địa phương.

7.2.1 Xác suất của hiện tượng thiết kế

Xác suất xảy ra một hiện tượng được đặc trưng bởi chu kỳ trở lại TR, là chu kỳ mà (tính trung bình) phân cách hai lần xuất hiện hiện tượng đó có biên độ bằng hay lớn hơn.

Thiết kế cần đánh giá và lựa chọn chu kỳ trở lại của các hiện tượng phù hợp với kết cấu đang được thiết kế. Khi hậu quả của sự vượt quá rất nghiêm trọng như nguy hiểm đến con người hay tác động nghiêm trọng đến khai thác thì phải chọn hiện tượng thiết kế có chu kỳ trở lại dài (xác suất xảy ra thấp) còn trong các trường hợp khi hậu quả không nghiêm trọng có thể chấp nhận một hiện tượng có chu kỳ trở lại ngắn hơn cho mục đích thiết kế.

Khi kết cấu hay công trình nhạy cảm với tổ hợp của nhiều hơn hai thông số/biến số thiết kế, ví dụ như khi các mực nước tăng lên gây các tác động sóng lớn hơn đối với hạn chế chiều sâu trong nước nông thì thiết kế cần xét đến các trường hợp của các xác suất độc lập và không độc lập.

CHÚ THÍCH 1: Quan hệ giữa tuổi thọ thiết kế, chu kỳ trở lại và xác suất của một hiện tượng bị vượt quá cho trong hình sau đây:

Hình 1 - Quan hệ giữa tuổi thọ thiết kế, chu kỳ trở lại và xác suất của một hiện tượng vượt quá trung bình tiêu chuẩn(1)

T_R = 1/(1-(1-P/100)^1/n) (1)

trong đó:

TR là chu kỳ trở lại của một điều kiện cực trị cụ thể, tính theo năm;

P là xác suất của một điều kiện cực trị cụ thể trong suốt tuổi thọ thiết kế n năm;

N là tuổi thọ thiết kế, tính theo năm.

Nói chung chu kỳ trở lại của hiện tượng thiết kế vượt quá tuổi thọ thiết kế. Tuy nhiên hiện tượng thiết kế có thể bị vượt quá trong bất kỳ năm nào của trong chu kỳ trở lại do một hiện tượng có biên độ cao hơn (có xác suất nhỏ hơn/chu kỳ trở lại dài hơn).

CHÚ THÍCH 2: Đối với một hiện tượng có chu kỳ trở lại 100 năm, có 1% xác suất xảy ra trong bất kỳ năm nào, ngay cả trong năm tiếp theo đã xảy ra lần trước và khoảng 18% cơ hội xảy ra trong chu kỳ 20 năm. Đối với hiện tượng có chu kỳ trở lại TR số có xác suất xảy ra 63% trong TR năm. Theo cách này có thể thiết lập một mức độ rủi ro chấp nhận được của hiện tượng thiết kế xảy ra trong một số năm đã cho trước (tuổi thọ làm việc thiết kế hay khoảng cách thời gian bảo trì được chọn). Ví dụ như nếu đã thiết lập rằng trên chu kỳ 20 năm đã chấp nhận xác suất 10% xảy ra một hiện tượng mà có thể dẫn đến gián đoạn khai thác công trình thì khi đó theo Hình 1 chu kỳ trở lại cần thiết là 200 năm.

Mức độ thiết kế dư trong kết cấu cũng cần được đánh giá phối hợp với sự hiểu biết rõ ràng của phản ứng và kiểu phá hoại có thể xảy ra.

CHÚ THÍCH 3: Hậu quả của một hiện tượng xảy ra và vượt quá khác nhau rất lớn. Các kết cấu được thiết kế "ổn định động" như các đê chắn sóng đá đổ có xu hướng chịu sự phá hoại dần dần. Ngược lại các kết cấu đã được thiết kế "ổn định tĩnh" như các tường bến thẳng đứng có thể chịu sự phá hoại nghiêm trọng hơn nhiều khi các điều kiện thiết kế bị vượt quá.

7.2.2 Phương pháp thiết kế theo các trạng thái giới hạn với các hệ số thành phần

Giá trị thiết kế Fd của tải trọng F được tính như sau:

F_d = γ_F . F_rep

(2)

F_rep = ψ . F_k

(3)

trong đó:

Fk là giá trị đặc trưng của tải trọng;

Frep. là giá trị đại diện của tải trọng;

γF là hệ số thành phần của tải trọng xét đến sự sai lệch bất lợi của giá trị thiết kế so với giá trị đại diện của tải trọng;

ψ là hệ số tổ hợp, có các giá trị là 1,0 hay ψ0, ψ1 hay ψ2;

ψ = 1 là hệ số tổ hợp của tải trọng thường xuyên;

ψ0 là hệ số giá trị tổ hợp của tải trọng tạm thời;

ψ1 là hệ số giá trị ngắn hạn của tải trọng tạm thời;

ψ2 là hệ số giá trị dài hạn của tải trọng tạm thời.

Giá trị ảnh hưởng thiết kế của tải trọng Ed:

E_d = γ_Sd E {γ_f,i F_rep,i; a_d} i≥1 (4)

trong đó:

ad là giá trị thiết kế của các số liệu hình học (Xem Phụ lục B: số liệu hình học);

γSd là hệ số thành phần xét đến sự không chính xác trong:

- Mô hình hóa ảnh hưởng của tải trọng;

- Mô hình hóa tải trọng (trong một số trường hợp)

Khi cần phân biệt giữa các ảnh hưởng bất lợi và có lợi của các tải trọng thường xuyên cần dùng hai hệ số thành phần khác nhau γG,inf và γG,sup.

7.2.3 Điều kiện sóng và mực nước

Khi xác định các điều kiện sóng và mực nước đặc trưng để quy hoạch và thiết kế các công trình cảng biển cần đánh giá các vấn đề sau:

- Khi thiết kế các công trình như đê chắn sóng, đê biển, tường bến hay bến nhô/bến trụ, các tải trọng sóng (ví dụ như va đập, sóng nhào hay nâng lên) hay các phản ứng thủy lực (ví dụ như sóng leo, sóng tràn hay truyền sóng) cần lấy với các điều kiện sóng và mực nước cực trị (có xác suất thấp) tại hay gần chân công trình.

- Khi tính toán các tải trọng trên các cọc (đơn hay hàng cọc) hay các bộ phận kết cấu tương đối mảnh khác, cần xem xét đến phổ sóng hay số liệu thống kê sóng (có xét đến phạm vi tần số sóng và tải trọng mỏi).

- Trong các trường hợp tàu lớn cần neo tại các vị trí tương đối trống trải ven bờ hay bên trong bể cảng, cần đánh giá khả năng sóng dài sẽ xảy ra tại địa điểm đó.

CHÚ THÍCH 1: Do các tác động sóng chu kỳ dài đi cùng với các nhóm sóng, ví dụ khi một loạt các sóng cao theo sau một loạt các sóng thấp thường gây ra các tải trọng neo lớn nhất.

- Khi các điều kiện sóng và mực nước được sử dụng cho thiết kế bãi hay công trình chỉnh trị thiết kế cần lấy số liệu thống kê sóng dài hạn hay các số liệu theo dãy thời gian (theo mùa, bao gồm hàng năm và theo thập kỷ) cũng như thông tin các hiện tượng bão ngắn hạn.

- Trong mọi trường hợp thiết kế cần xét đến phân bố tần số (và theo hướng) của phổ năng lượng sóng, như các sóng chu kỳ dài hơn (sóng lừng) thường có năng lượng lớn hơn (và/hoặc đến từ một hướng khác) so với các sóng cao hơn chu kỳ ngắn hơn trong phổ sóng.

CHÚ THÍCH 2: Các trạng thái biển phức tạp (nhiều kiểu) hay theo nhiều hướng có thể có hậu quả nặng nề hơn đối với một số trường hợp thiết kế, ví dụ như các tải trọng do dịch chuyển và neo tàu, sóng leo/sóng tràn/truyền sóng hay phản ứng của bờ (hay kết cấu động học).

- Trong nhiều trường hợp, các điều kiện sóng tới thường chịu ảnh hưởng của tương tác sóng-công trình (ví dụ phản xạ hay nhiễu xạ) và thiết kế cần xét đến phạm vi mà phương pháp lấy các điều kiện sóng và/hoặc phương pháp luận thiết kế xem xét hay thể hiện các ảnh hưởng như vậy.

- Đối với những áp dụng thiết kế nhất định mà dựa trên các quan hệ thực nghiệm (thường là đê biển hay đê chắn sóng), cần tính toán các điều kiện sóng không điều hòa dựa trên các thông số thống kê hay phổ như chiều cao, chu kỳ và hướng, nhưng việc đánh giá dạng sóng (ví dụ như sóng không vỡ, sóng nhào, sóng dâng) là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về khả năng hay phản ứng kết cấu có thể xảy ra.

CHÚ THÍCH 3: Một số loại công trình phù hợp để chấp nhận cách tiếp cận dựa trên phản ứng khi phản ứng của công trình (hay bộ phận) được đánh giá trên toàn bộ phạm vi các tải trọng môi trường dự kiến (hoặc dạng thống kê hay chuỗi theo thời gian). Theo đó xác suất của một phản ứng nhất định có thể được đánh giá trực tiếp (và mô tả theo khái niệm xác suất) của các thông số đầu vào đã định nghĩa tải trọng."