Modelação do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira: análise sísmica de uma barragem de abóbadas múltiplas

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo de cooperação entre o ISEL e o LNEC Na análise do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira é importante utilizar modelos numéricos de elementos finitos tridimensionais (EF3D) que permitam simular a interação dinâmica água-estrutura e o comportamento das principais superfícies de descontinuidade tais como juntas e fissuras com aberturas significativas. A adequabilidade destes modelos numéricos para simulação do comportamento dinâmico de barragens deve ser verificada, sempre que possível, com base em dados experimentais que, em geral, podem ser obtidos sem grandes custos, através de medições em obra recorrendo a ensaios de vibração sob excitação ambiente/operacional. Nesta dissertação analisa-se o comportamento dinâmico da barragem da Aguieira, que é do tipo abóbadas múltiplas, recorrendo a um modelo numérico de EF3D baseado numa formulação em pressões e deslocamentos a qual foi implementada computacionalmente em MATLAB, no programa DamDySSA1.0, desenvolvido no decorrer do presente trabalho. O referido modelo EF3D da barragem da Aguieira foi calibrado com base em resultados de ensaios de vibração ambiente, realizados no âmbito deste trabalho, e em resultados de ensaios de vibração forçada e ambiente anteriormente realizados pelo LNEC, na situação de albufeira vazia e cheia. Os resultados dos mais recentes ensaios de vibração ambiente (realizados em 2015, com albufeira cheia) foram analisados com base no programa de identificação modal Modal_ID2.0desenvolvido no LNEC. Com vista a testar o programa DamDySSA1.0 apresenta-se também uma comparação com resultados obtidos através de um modelo clássico de massas de água associadas (programa DynDam1.0, LNEC). O programa DamDySSA1.0 permite efetuar a análise sísmica de sistemas barragem-fundação-albufeira tendo em conta a interação dinâmica água-estrutura com base na já referida formulação em pressões e deslocamentos na qual é necessário discretizar a albufeira em elementos finitos de pressão e a barragem/fundação em elementos finitos de deslocamento (neste caso utilizaram-se EF tipo cubo, isoparamétricos, com 20 pontos nodais). A resposta dinâmica do sistema é calculada com base numa abordagem de estado (em deslocamentos e velocidades e em pressões e respetivas derivadas no tempo) e recorrendo a coordenadas modais complexas. Desta forma é possível considerar a hipótese de amortecimento viscoso generalizado (ou não proporcional) e o amortecimento de radiação na albufeira. Admite-se a hipótese comportamento elástico-linear, no betão e nas superfícies de descontinuidade, e a fundação é simulada como uma subestrutura elástica e sem massa. Após a calibração, o referido modelo foi utilizado num estudo de verificação da segurança da barragem da Aguieira sob ações sísmicas relativamente à possibilidade de ocorrência de roturas locais no betão. Apresentam-se resultados para a combinação das ações estáticas (peso próprio e pressão hidrostática) com o Sismo Base de Projeto e com o Sismo Máximo de Projeto. Abstract: In the analysis of the dynamic behavior of dam-foundation-reservoir systems it is important to use 3D finite element models (3DFE) that allow the simulation of the water-structure dynamic interaction and the influence of the major discontinuities such as contraction joints and cracks with significant apertures. The suitability of these numerical models for simulating the dam dynamic behavior should be verified, whenever possible, using experimental data that can be obtained through in situ measurements of low cost as vibration tests under ambient/operational excitation. This dissertation analyzes the dynamic behavior of the Aguieira dam, a multiple archdam, using a 3DFE numerical model based on a formulation in pressures and displacements which was computationally implemented in MATLAB in DamDySSA1.0 program, developed in the scope of this work. The above mentioned Aguieira dam 3DFE model was calibrated based on the results of ambient vibration tests performed in the scope of this work, and on results of forced and ambient vibration tests previously performed by LNEC, for empty and full reservoir. The results of the latest ambient vibration tests (carried out in 2015, with full reservoir) were analyzed using Modal_ID2.0 that is a modal identification software developed at LNEC. In order to test the software DamDySSA1.0 a comparison with results from a classical model based on the added water masses formulation (DynDam1.0, LNEC) was also presented. The DamDySSA1.0 program allows us to perform the seismic analysis of dam-foundationreservoir systems taking into account the water-structure dynamic interaction based on the aforementioned formulation in pressures and displacements in which it is necessary to discretize the reservoir into pressure finite elements and the dam/foundation into finite elements of displacements (cubic FE, isoparametric, with 20 nodes). The dynamic response is computed based on a state approach (displacement and velocities and pressures and its time derivatives) and using complex modal coordinates. Thus it is possible to consider the hypothesis of generalized viscous damping (non-proportional) and the radiation damping on the reservoir. Thelinear-elastic behavior hypothesis is assumed for concrete and for discontinuities, and the foundation is simulated as an elastic and massless substructure. After calibration, the model was used for a safety evaluation study of Aguieira dam under seismic loads regarding concrete local ruptures. Results are presented for the combination of static loads (self-weight and hydrostatic pressure) with the Operating Basis Earthquake and the Maximum Design Earthquake.