Análise do comportamento sísmico da barragem de Luzzone: desenvolvimento de um programa de EF3D utilizando uma formulação em deslocamentos e pressões

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 entre o ISEL e o LNEC

O controlo da segurança estrutural de barragens sob ações sísmicas deve ser efetuado com base em sistemas de monitorização do comportamento dinâmico das obras e recorrendo a modelos numéricos para simular a resposta dinâmica do conjunto barragem-fundação-albufeira, os quais devem ser calibrados por comparação com resultados experimentais obtidos in-situ. Nesta dissertação referem-se sumariamente os fundamentos do MEF na perspetiva da análise dinâmica de barragens. Refere-se a formulação clássica de Westergaard para simular a interação dinâmica água-estrutura e as formulações em que a albufeira é discretizada em elementos finitos, geralmente baseadas numa abordagem de estado. Nomeadamente, apresenta-se em detalhe uma formulação em pressões e deslocamentos, na qual se utilizam elementos finitos de pressão na albufeira e elementos finitos de deslocamento na barragem e na fundação. Desenvolveu-se um programa de elementos finitos 3D em MATLAB para análise sísmica de barragens abóbada (DamDySSA1.0), apresentando -se resultados para o caso da barragem de Luzzone, na Suíça (225 m de altura). Com este programa é possível efetuar cálculos dinâmicos no domínio do tempo utilizando a referida formulação em pressões (fluido) e deslocamentos (sólido), na qual se adotou uma abordagem de estado em coordenadas modais, para analisar a resposta a acelerogramas sísmicos aplicados na base. Este programa foi validado comparando resultados experimentais e resultados numéricos calculados para o caso da barragem do Cabril. O modelo de EF desenvolvido para análise dinâmica de sistemas barragem-fundação-albufeira considera a hipótese de materiais isotrópicos com comportamento elástico-linear e permite a consideração de superfícies de descontinuidade (elementos de junta). A fundação é simulada como uma subestrutura, elástica e sem massa. A albufeira é discretizada em elementos finitos de pressão, permitindo considerar a interação dinâmica água-estrutura e o efeito de radiação/reflexão das ondas de pressão nas interfaces. É ainda admitida a hipótese de amortecimento de Rayleighgeneralizado (ou não proporcional) e amortecimento de radiação da albufeira, surgindo modos de vibração complexos ou não estacionários. Na análise sísmica e verificação da segurança da barragem de Luzzone consideraram-se as combinações com o Sismo Base de Projeto e o Sismo Máximo de Projeto. Como principais ações estáticas, considerou-se o peso próprio, a pressão hidrostática e dos sedimentos e as variações de temperatura na situação de inverno e de verão. Verificou-se a segurança para o cenário deocorrência de roturas pontuais no betão e para o cenário de deslizamento e derrubamento de blocosque se possam formar na zona central superior da obra.

Abstract: The structural safety control of dams under seismic actions must be based on monitoring systems for measuring the dam dynamic behaviour and on the use of numerical models to simulate the dynamic response of the dam-reservoir-foundation system, which must be calibrated by comparison with experimental results obtained on site. In this dissertation are summarised the f undamentals of the Finite Element Method in the perspective of the numerical analysis of the dam dynamic behaviour. It is referred the classic Westergaard formulation to simulate the water-structure dynamic interaction and the formulations based on reservoir discretizations into finite elements, that generally use a state approach. Namely, it is presented in detail a formulation in pressures and displacements using pressure finite elements for the reservoir and displacement finite elements for the dam and foundation. It was developed a 3D finite element program using MATLAB f or the seismic analysis of arch dams (DamDySSA1.0), being presented the results for the case of Luzzone Dam, in Swizerland (225 m high). Dynamic calculations in time domain are performed using the mentioned formulation in pressures (fluid) and displacements (solid) and a state approach in modal coordinates, to analyse the response for applied seismic acelerogramas at the base. The developed program was validated by comparing the computed numerical results and experimental results, for Cabril dam case. The developed 3DFE model for dynamic analysis of dam-reservoir-foundation system assumes the hypothesis of isotropic materials with linear-elastic behaviour and allows the consideration of discontinuity surfaces (joint elements). The foundation is simulated as a substructure, elastic and massless. The reservoir is discretized into pressure finite elements, to take into account the water-structure dynamic interaction and the radiation/reflection effect of the pressure waves on the interfaces. It is considered generalized (or non-proportional) Rayleigh damping and the reservoir radiation damping, arising complex or non-stationary vibration modes. The seismic analysis and the study of seismic safety evaluation of Luzzone dam was carried out for the main load combinations with the Operating Basis Earthquake and the Maximum DesignEarthquake. It were considered, as static loads, the self-weight, the hydrostatic and silt pressure, and the thermal gradient both in winter and summer. The dam safety was verified for the concrete local failure scenario and for the scenario of sliding and overturning of blocks that may arise in the upper central part of the structure.