Modelling and monitoring the dynamic behaviour of concrete dams. Modal analysis and seismic response

14/12/2021

As grandes barragens de betão, infraestruturas essenciais na gestão dos recursos hídricos, são, geralmente, obras de elevado risco potencial. Assim, é fundamental avaliar a sua segurança para cenários correntes e excecionais, sob ações estáticas e dinâmicas. Com esse objetivo, o comportamento dinâmico das grandes barragens de betão deve ser avaliado de forma contínua, com vista a detetar eventuais processos de deterioração evolutiva, recorrendo a metodologias baseadas na análise de vibrações medidas sob excitação ambiente/operacional, e a controlar a resposta sob ações sísmicas, para eventos de pequena, média, ou grande intensidade. Além disso, o comportamento estrutural das barragens sob sismos de grande intensidade deve ser analisado para verificação da segurança sísmica, com base métodos de análise e em critérios de desempenho adequados. Neste contexto, destaca-se a necessidade de: (i) desenvolver avançados modelos numéricos que permitam simular o comportamento dinâmico dos sistemas barragem-fundaçãoalbufeira para várias situações que podem ocorrer ao longo da vida das barragens, envolvendo a variação das ações estáticas e dinâmicas e possíveis alterações estruturais devido a processos de deterioração; e (ii) desenvolver e instalar sistemas para medição de vibrações em contínuo, para Monitorização Sísmica e da Integridade Estrutural (SSHM), e implementar metodologias para comparar de forma simples a resposta observada e a resposta prevista com os modelos numéricos. Este trabalho inicia-se com o desenvolvimento de um novo modelo de elementos finitos para análise dinâmica de sistemas barragem-fundação-albufeira. Adotou-se uma formulação acoplada em deslocamento e pressões, considerando a interação dinâmica barragem-albufeira e a propagação de ondas de pressão na água. O modelo proposto é implementado num programa de elementos finitos, e, para além de ferramentas de pré- e pós-processamento, inclui três módulos, nomeadamente para: (i) análise modal complexa, com base numa nova abordagem de estado que permite considerar amortecimento generalizado; (ii) análise sísmica em regime linear, utilizando uma formulação para integração numérica no tempo baseada no método de Newmark; e (iii) análise sísmica não-linear, combinando a formulação de integração no tempo com o método de stress-transfer, tendo em conta a) o comportamento não-linear do betão até à rotura, usando um modelo de dano com enfraquecimento e duas variáveis escalares independentes (d+ e d- ), e b) os movimentos de abertura/fecho e deslizamento de juntas, usando um modelo constitutivo baseado no critério de Mohr-Coulomb e em leis deslocamento-tensão adequadas. Na fase seguinte, o trabalho dedica-se ao desenvolvimento de ferramentas computacionais para integrar e complementar a componente de software dos sistemas SSHM instalados em grandes barragens de betão, em particular para: (i) análise e gestão automática dos dados de monitorização em contínuo, tendo em vista a avaliação da sua qualidade, a deteção automática de vibrações medidas durante eventos sísmicos, e a manutenção das bases de dados; e (ii) identificação modal automática, com base no método clássico de decomposição no domínio da frequência, e usando nova metodologias propostas para automatizar a seleção de picos e melhorar a identificação de parâmetros modais em barragens ao longo do tempo. Apresentam-se exemplos de aplicação para dois casos de estudo, a barragem do Cabril (132 m de altura), em Portugal, e a barragem de Cahora Bassa (170 m), em Moçambique, duas grandes barragens abóbada que estão sob monitorização dinâmica em contínuo desde 2008 e 2010, respetivamente. Os resultados apresentados focam-se essencialmente: (i) na análise da evolução das frequências naturais identificadas ao longo do tempo e na comparação com valores numéricos, tendo em vista a avaliação da influência das variações do nível da água e a deteção de eventuais processos de dano evolutivo; (ii) no estudo da resposta durante eventos sísmicos reais, com base na comparação de acelerações medidas e calculadas em diversos pontos na barragem, para avaliar a influência do input sísmico e do amortecimento usados nos modelos; (iii) na previsão da resposta sísmica não-linear sob sismos de grande intensidade, com vista a avaliar a influência dos movimentos de juntas na resposta estrutural das obras (deslocamentos e tensões), e (iv) na verificação da segurança sísmica de grandes barragens de betão com base no Endurance Time Method, analisando as roturas no betão à tração e à compressão sob acelerações sísmicas de amplitude crescente. Large concrete dams, essential infrastructures in the management of water resources, are generally structures of high potential risk. Therefore, it is fundamental to assess their safety for current and failure scenarios, under both static and dynamic loads. With that goal, the dynamic behaviour of large concrete dams must be continuously evaluated, in order to detect possible evolutive deterioration processes, using methodologies based on the analysis of measured vibrations under ambient/operational excitations, and to monitor the response under seismic loads, during low, medium, or high intensity seismic events. Additionally, the structural performance of dams under strong earthquakes must be evaluated for seismic safety assessment, considering appropriate methods of analysis and performance criteria. In this context, it is emphasized the need to: (i) develop advanced numerical models for simulating the dynamic behaviour of dam-reservoir-foundation systems for various scenarios that can occur over time, involving the variation of static and dynamic loads and possible structural changes due to deterioration; and (ii) to develop and install systems to continuously measure vibrations, for Seismic and Structural Health Monitoring (SSHM), and to implement methodologies that allow a simple comparison between the measured response and the response predicted using numerical models. The present work begins with the development of a new finite element model for dynamic analysis of arch dam-reservoir-foundation systems. A formulation in displacements and hydrodynamic pressures is adopted, considering the dam-water dynamic interaction and the propagation of pressure waves in the reservoir. The proposed model is implemented into a finite element program and, besides pre- and post- processing tools, it includes three modules, namely for: (i) complex modal analysis, based a new state-space approach that allows to consider generalized damping; (ii) linear seismic analysis, using a coupled time-stepping formulation based on the Newmark method; and (iii) non-linear seismic analysis, by combining the timestepping method with a stress-transfer method, considering a) the non-linear behaviour of concrete up to failure, using on a strain-softening constitutive damage model with two independent damage variables (d+ and d- ), and b) the opening/closing and sliding movements of joints, using a constitutive model based on the Mohr-Coulomb failure criterion and on appropriate relative displacement-stress laws. After that, the work dedicates to the development of computational tools to integrate and complement the software component of SSHM systems installed in large concrete dams, in particular for: (i) automatic analysis and management of dynamic monitoring data, in order to assess data quality, automatically detect vibrations induced by seismic events, and perform the maintenance of the database; and (ii) automatic modal identification, based on the classic frequency domain decomposition method, and using new techniques proposed to automate peak selection and to enhance the modal parameter identification for dams over time. Application examples are presented for two case studies, namely Cabril dam (132 m high), in Portugal, and Cahora Bassa dam (170 m high), in Mozambique, two double curvature arch dams which have been under continuous dynamic monitoring since 2008 and 2010, respectively. The provided results are mainly focused on: (i) the analysis of the evolution of identified natural frequencies over time and the comparison with numerical values, in order to evaluate the influence of reservoir level variations and to perform evolutive damage detection; (ii) the study of the response during real seismic events, based on the comparison between measured and computed accelerations in the dam body, aiming to investigate the influence of the seismic input and damping ratios used in the models; (iii) the simulation of the non-linear seismic behaviour under a strong earthquake, with a view to evaluate influence of joint movements in the structural dam response (displacements and stresses), and (iv) the seismic safety assessment of large concrete dams based on the Endurance Time method, by analysing the progression of tensile and compressive concrete damage under intensifying seismic accelerations.

Autores da comunidade :

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  André Filipe Moreira Alegre

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  Sérgio Bruno Martins de Oliveira

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  Jorge Miguel Silveira Filipe Mascarenhas Proença

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Dotoramento em Engenharia Civil

civil-engineering - Engenharia Civil

Palavras-chave

• Dynamic behaviour of concrete dams
• Coupled finite element modelling of dam-reservoir-foundation systems
• Seismic and Structural Health Monitoring
• State-space complex modal analysis
• Linear and non-linear seismic response (joint movements and concrete damage)
• Comportamento dinâmico de barragens de betão
• Modelação acoplada com elementos finitos de sistemas barragem-fundação-albufeira
• Monitorização sísmica e da integridade estrutural
• Análise modal complexa no espaço de estados
• Resposta sísmica linear e não-linear (movimentos de juntas e roturas no betão)

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