Identificação modal e simulação da resposta sísmica de barragens abóbada

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 ente o ISEL e o LNEC

O presente trabalho visa mostrar a importância da utilização integrada de modelos numéricos e de resultados da observação do comportamento dinâmico de barragens abóbada com vista ao controlo da sua segurança, particularizando para o caso da barragem de Alto Ceira II. Neste trabalho confrontam-se resultados obtidos experimentalmente e resultados obtidos numericamente. Os resultados experimentais são adquiridos através de ensaios de vibração ambiente, devidamente tratados e analisados através de técnicas de identificação modal (análise espetral) e, os resultados numéricos são obtidos através de dois programas, realizados em MATLAB, no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), designados por Dynamic State of Space Analysis (DySSA2.6) e Dynamic Analysis of Dams (DynDam1.0) que permitem a análise do comportamento dinâmico de sistemas barragem-fundação-albufeira. São apresentados os fundamentos da análise e processamento de sinais, nomeadamente a análise espetral (análise no domínio da frequência), quais os erros que lhes estão associados e as técnicas para os atenuar ou mesmo eliminar e, de seguida, expõem-se quais os métodos utilizados na identificação modal estocástica realizada para os ensaios de vibração ambiente da barragem de Alto Ceira II. Apresentam-se os fundamentos do Método dos Elementos Finitos (MEF), utilizado para a integração numérica da equação de Navier, bem como as duas formulações utilizadas em cada um dos programas referidos, a formulação clássica (DynDam1.0) e a formulação no espaço de estados (DySSA2.6). Analisa-se o comportamento dinâmico da barragem de Alto Ceira II, em termos de frequências naturais e configurações modais, utilizando um modelo 3D representativo do sistema barragem-fundação-albufeira. Este modelo é calibrado com base em resultados experimentais e é utilizado para estudar a resposta sísmica da obra na perspetiva da verificação da segurança para as principais combinações.

Abstracts: This work aims to show the importance of the integrated use of numerical models and monitoring data in order to study the dynamic behavior of arch dams in view to the safety control. Alto Ceira II dam is presented as a case study. In this work experimental and numerical results are confronted. The experimental data is acquired through ambient vibration tests, properly processed and analyzed through modal identification techniques (spectral analysis). Numerical results are obtained with software developed within MATLAB in Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). Two programs were developed: Dynamic State of Space Analysis (DySSA2.6) and Dynamic Analysis of Dams (DynDam1.0). These programs allow the analysis of the dynamic behavior of dam-foundation-reservoir systems. The fundamentals of signal analysis are presented, including spectral analysis (analysis in the frequency domain), referring some errors that might be associated and techniques to mitigate or even eliminate them. Stochastic modal identification methods based on frequency domain decomposition techniques are exposed using as example the data acquired during the ambient vibration tests performed on Alto Ceira II dam. The fundamentals of Finite Element Method (FEM) are referred, in view of the numerical integration of the Navier equation for dynamic loads. The formulations used in each of the programs mentioned earlier, the classical formulation (DynDam1.0) and the state of space formulation (DySSA2.6) are presented. The dynamic behavior of Alto Ceira II dam is analyzed in terms of natural frequencies and mode shapes, using a 3D model for the dam-foundation-reservoir system. This model is calibrated based on experimental results and then is used to study the seismic response of the dam in order to verify the safety for the main load combinations.