Modelação e monitorização do comportamento dinâmico de barragens abóbada: identificação modal automática

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório de Engenharia Civil (LNEC) para 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 generalidade dos países com atividade sísmica, a regulamentação em vigor relativa à segurança de barragens indica que para as obras de maior risco potencial é necessário instalar equipamentos que permitam a medição da resposta sob ações sísmicas. A vantagem dos atuais sistemas de monitorização de vibrações em contínuo é que permitem não só medir e armazenar os registos de acelerações durante os sismos mas também antes e depois, o que é fundamental para avaliar se a atuação do sismo provocou danos estruturais significativos (os parâmetros modais podem sofrer alterações). Na perspetiva da monitorização em contínuo é fundamental utilizar/desenvolver programas que permitam efetuar o processamento automático dos registos medidos. Neste trabalho analisam-se e exploram-se as potencialidades do programa Modal_ID2.0 (Modal Identification) desenvolvido no LNEC, em MATLAB, para o sistema de monitorização instalado na barragem do Cabril (caso de estudo adotado). Este programa baseia-se nas conhecidas técnicas de identificação modal no domínio da frequência e permite determinar de forma automática os principais parâmetros modais da estrutura (frequências naturais, configurações modais e amortecimentos modais) e a sua evolução ao longo do tempo. Permite ainda a comparação dos resultados experimentais com resultados numéricos obtidos através dos programas de elementos finitos 3D, DySSA2.6 (“Dynamic State Space Analysis”) e DynDam1.0, também desenvolvidos no LNEC, em MATLAB. O primeiro permite a análise dinâmica de sistemas barragem-fundação-albufeira considerando a discretização da albufeira em elementos finitos e recorrendo a uma formulação de estado. O segundo recorre a uma formulação modal clássica em deslocamentos e recorre à hipótese de massas de água associadas de Westergaard para simular as pressões hidrodinâmicas. Por fim, é utilizado um modelo de massas de água associadas devidamente calibrado com base nos resultados experimentais obtidos para várias cotas de água, para efetuar um estudo de verificação da segurança à rotura da barragem do Cabril para a combinação PP+PH+SBP× λ.

Abstract: In most countries with seismic activity, the regulation in use on dam safety specifies that for the structures with great potential risk it’s necessaryto install equipment to measure the response under seismic actions. The advantage of the currentvibration monitoring systems is that they allow not only to measure and store the acceleration records for earthquakes but also before and after they occurred, which is essential to evaluate the earthquake's actions which caused significant structural damage (the modal parameters may change). In the perspective of continuous monitoring it’s essential to use/develop programs that can perform automatic processing of the measured records. In this paper, it’s analyzed and explored the potential of Modal_ID2.0program (Modal Identification) developed at LNEC, in MATLAB, for the monitoring system installed in Cabril dam (casestudy adopted). This program is based on frequency domain modal identification techniques and automatically determines the main modal parameters of the structure (natural frequencies, mode shapes and modal damping) and its evolution over time. It also allows the comparison of experimental results with numerical results obtained from the finite 3D element programs, DySSA2.6("Dynamic State Space Analysis") and DynDam1.0, also developed at LNEC, in MATLAB. The first, studies the dynamic behavior of the tridimensional system Reservoir-Dam-Foundation using the space state formulation with a reservoir discretized in finite elements. The second, uses a classical modal formulation based on displacements and uses the added mass at the dam’s upstream surface to simulate hydrodynamic pressures according to Westergaard hypothesis. Finally, a model with properly calibrated added masses based on experimental results for different water levels is used at the dam’s upstream surface, to study the safety of Cabril dam to the combination PP + PH + SBP × λ.