observaÇÃo e anÁlise do comportamento dinÂmico de
Post on 09-Jan-2017
244 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
OBSERVAO E ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO
Paulo Jorge Henriques Mendes (Mestre)
Dissertao elaborada no Laboratrio Nacional de Engenharia Civil para obteno do grau de
Doutor em Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, no mbito
do protocolo de cooperao entre a FEUP e o LNEC
Porto, Abril de 2010
-
OBSERVAO E ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO
Paulo Jorge Henriques Mendes (Mestre)
Dissertao elaborada no Laboratrio Nacional de Engenharia Civil para obteno do grau de
Doutor em Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, no mbito
do protocolo de cooperao entre a FEUP e o LNEC
Realizada sob a orientao de:
Orientador: Doutor lvaro Alberto de Matos Ferreira da Cunha
Co-orientador: Doutor Srgio Bruno Martins de Oliveira
Co-orientador: Doutora Maria Ana Viana Baptista
Porto, Abril de 2010
-
Dedicatria
Aos meus pais Etelvino e Delmira, s minhas irms Amlia e Maria
e Telma
-
i
Agradecimentos
Ao Investigador Srgio Oliveira, meu orientador no LNEC, agradeo a disponibilidade, o
empenho, o entusiasmo incutido, os ensinamentos transmitidos sobre as diversas matrias
abordadas e o apoio em todas as fases do trabalho, de que saliento as imensas horas dedicadas
em diversas tarefas fundamentais para a sua realizao, que vo desde a submisso do projecto
de investigao FCT, passando pela aquisio de equipamentos, a fase de teste dos
equipamentos no LNEC e todas as diligncias necessrias para a montagem do sistema em obra.
Para alm, da sua amizade e companheirismo. O meu muito obrigado!
Ao Professor lvaro Cunha, meu orientador na FEUP, agradeo a disponibilidade para me
aceitar como seu aluno de Doutoramento, os vrios desafios que me efectuou para apresentar o
trabalho desenvolvido em diversas conferncias e o empenho que sempre manifestou na
realizao deste trabalho.
Professora Maria Ana Baptista, minha orientadora pelo ISEL, agradeo o empenho pela
concesso da minha dispensa de servio pelo ISEL e por todo o apoio que sempre manifestou
para a realizao deste trabalho.
Agradeo ao LNEC, instituio que me acolheu durante a realizao deste trabalho, pelos
importantes contributos para a minha formao pessoal, tcnica e cientfica e por todo o apoio
prestado na disponibilizao de recursos, materiais e humanos, fundamentais para a realizao
deste trabalho. Em particular gostaria de agradecer:
ao Investigador Carlos Pina, Vice-Presidente do LNEC e Director do Departamento de Barragens de Beto, pela disponibilizao de recursos financeiros e humanos para a
instalao do sistema na barragem do Cabril;
ao Investigador Jos Vieira de Lemos, Chefe do Ncleo de Modelao Matemtica e Fsica, pela disponibilizao de recursos do Ncleo pelos ensinamentos transmitidos
em modelos de elementos discretos e pelas sempre importantes trocas de ideias;
ao Investigador Romano Cmara, Investigador Coordenador, pelos ensinamentos em Dinmica de Estruturas e pelas sempre frutuosas trocas de ideias e incentivos
permanentes;
ao Investigador Jos Almeida Garrett, Chefe do Ncleo de Sistemas Electrotcnicos do Centro de Instrumentao Cientfica do LNEC, pelo apoio concedido na procura e
no desenvolvimento das melhores solues electrnicas para a implementao do
sistema instalado na barragem do Cabril;
ao Investigador Carlos Oliveira Costa, Director do Centro de Instrumentao Cientfica, pela disponibilizao de meios do CIC, e pelo desenvolvimento das
aplicaes que efectuaram a aquisio dos dados em contnuo;
ao Eng. Joo Reis, bolseiro do Centro de Instrumentao Cientfica, pelo desenvolvimento das aplicaes para a aquisio dos dados em contnuo;
-
ii
Eng. Lusa Farinha, ao Eng. Eduardo Bretas e ao Investigador Nuno Azevedo pela amizade, apoio e incentivos durante o perodo que estive no LNEC desenvolver este
trabalho;
a todos os tcnicos do LNEC que intervieram na instalao do sistema na barragem do Cabril, o Sr. Victor Henriques, o Sr. Fernando Marques, o Sr. Hlder Vitria e o
Sr. Jorge Gio.
Agradeo FEUP a oportunidade que me concedeu ao aceitar a minha inscrio como
aluno de Doutoramento de uma instituio de reconhecido prestgio nacional e internacional.
Agradeo EDP a autorizao para instalar o sistema na barragem do Cabril, e todo o
apoio prestado na instalao do mesmo, de uma forma especial queria agradecer:
ao Eng. Ildio Ferreira e ao Eng. Assuno, por toda a disponibilidade demonstrada para a instalao do sistema na barragem do Cabril;
ao Eng. Carlos Rosrio, Chefe de Produo da Zona Centro da EDP, pela disponibilizao das melhores solues para a implementao do controlo remoto do
sistema;
ao Sr. Jorge Fernandes, Chefe da Central do Cabril, um obrigado especial, quer pelo apoio prestado instalao do sistema, quer pela disponibilidade e empenho em
ajudar, em obra, a implementar o controlo remoto do sistema;
a todos os tcnicos da EDP: observadores, electricistas, pessoal da manuteno e segurana, por todo o apoio sempre prontamente disponibilizado.
Um agradecimento tambm para os tcnicos das empresas envolvidas na instalao do
sistema na barragem do Cabril, nomeadamente a Cabelte, a Demobeto, bem como Quantific e
Kinemetrics pelo emprstimo de equipamento.
Gostaria tambm de agradecer FCT, quer pela bolsa individual de doutoramento que me
concedeu, quer pelo financiamento concedido no mbito do projecto REEQ/815/ECM/2005 -
Estudo de processos de deteriorao evolutiva em barragens de beto. Controlo da segurana
ao longo do tempo.
Agradeo ao ISEL a bolsa de Doutoramento que me concedeu, disponibilizando-me assim
trs anos para me dedicar inteiramente a este trabalho, e a todos os colegas do ISEL pela
amizade, apoio e incentivo constantes. Aos colegas Jos Gomes, Paulo Martins, Mrio Ferreira,
Luciano Jacinto, Idlia Gomes, Alexandra Costa, Paula Lamego, um obrigado especial. Um
palavra tambm de muito apreo ao Professor Manuel Vasques, Professora Maria da Graa
Lopes, Professora Carla Costa, Professora Cristina Machado e Professora Manuela
Gonalves por todo o apoio recebido durante o meu percurso acadmico.
Por fim gostaria de expressar o meu agradecimento aos meus pais Etelvino e Delmira, s
minhas irms Amlia e Maria, ao meu cunhado lvaro e minha namorada Telma pela
pacincia, pelo apoio e pelos permanentes incentivos.
-
iii
OBSERVAO E ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS
DE BETO
Resumo
O presente trabalho visa contribuir para o aperfeioamento das metodologias de
observao e anlise do comportamento dinmico de barragens de beto. Com esse objectivo foi
instalado na barragem do Cabril um prottipo de um sistema de monitorizao, baseado na
medio de vibraes em contnuo, que permite a caracterizao do comportamento dinmico
desta obra ao longo do tempo, tendo em conta os diversos tipos de excitao, tais como o vento,
a vibrao provocada pelo funcionamento dos grupos de produo de energia e dos rgos de
descarga, micro tremores e sismos de mdia e elevada intensidade.
O prottipo de sistema de observao que se prope no mbito deste trabalho tem como
objectivo proporcionar uma soluo integrada que assegure o cumprimento das actuais
disposies regulamentares de monitorizao do comportamento ssmico, e a obteno de
informao experimental sobre o comportamento dinmico destas obras (para as diversas
condies de excitao), essencial para o aperfeioamento dos modelos numricos existentes,
utilizados tanto no projecto de novas obras como no mbito das actividades de controlo de
segurana estrutural de obras existentes (em estudos de previso do comportamento).
Refere-se o efeito da albufeira na interpretao do comportamento dinmico de sistemas
barragem-fundao-albufeira, salientando-se a influncia das variaes do nvel da albufeira
sobre as frequncias naturais, as configuraes e os amortecimentos modais.
Sistematizam-se as formulaes da mecnica estrutural na perspectiva do desenvolvimento
de modelos numricos para a anlise dinmica de barragens de beto (no domnio do tempo e da
frequncia), nas hipteses de amortecimento proporcional ou no proporcional distribuio de
massa e rigidez (recorrendo formulao de estado), e interligao com as formulaes de
identificao modal (no domnio da frequncia e do tempo).
Desenvolveram-se mdulos computacionais de identificao modal automtica com vista
determinao, em contnuo, das frequncias naturais dos principais modos de vibrao (e
correspondentes configuraes e amortecimentos modais), adaptados anlise de sistemas
barragem-fundao-albufeira. Prope-se a utilizao de modelos estatsticos de separao de
efeitos, baseados em tcnicas de regresso linear mltipla, para interpretao das histrias de
frequncias naturais identificadas a partir de resultados da observao dinmica em contnuo.
Apresenta-se uma aplicao barragem do Cabril com a qual se mostram as
potencialidades do sistema de observao do comportamento dinmico em contnuo, a
aplicabilidade das metodologias apresentadas neste trabalho e evidencia-se a possibilidade de
correlacionar alteraes dos parmetros da resposta dinmica observada com alteraes
estruturais devidas a processos de deteriorao, muito evidentes nesta obra.
-
iv
-
v
OBSERVATION AND ANALYSIS OF CONCRETE DAMS DYNAMIC BEHAVIOUR
Abstract
The main aim of this research work is to improve the methodologies currently used in the
monitoring and analysis of concrete dam dynamic behaviour. For this purpose, a prototype of a
monitoring system based on a continuous vibration measurement has been installed in Cabril
dam. This allows the characterization of Cabril dams dynamic behaviour over time, taking into
account different types of excitation such as the wind, the vibration due to the operation of both,
the power units and the outlets, micro tremors, and earthquakes of both medium and high
intensity.
The prototype of the monitoring system proposed here aims at providing an integrated
approach which guarantees both, the seismic behaviour monitoring of dams, according to the
current Portuguese regulation for the safety of dams, and the possibility of obtaining
experimental data on the dynamic behaviour of dams (for different type of excitation), which is
essential for the improvement of available numerical models used both, to design new dams and
to predict the structural behaviour of operating dams.
The effect that the reservoir has on the dynamic behaviour of the dam-foundation-reservoir
system is referred, and it is emphasised the influence of the reservoir variations in the variations
of natural frequencies, or mode shapes or modal damping.
The governing equations of structural mechanics are systematically presented with a view
to developing numerical models for the dynamic analysis of concrete dams (in both time and
frequency domains) based on the hypothesis of damping proportional or not proportional to the
distribution of mass and stiffness (based on the state formulation), and correlating these with the
modal identification formulations (in both time and frequency domains).
The use of automated modal identification methods is implemented with a view to
continuously evaluating the natural frequencies of the first modes (and corresponding mode
shapes and modal damping), adapted to the analysis of dam-foundation-reservoir systems. The
use of statistical models of separation of effects based on multiple linear regression techniques is
also proposed, for the analysis the natural frequencies data histories identified from the results of
continuous dynamic monitoring.
An application to Cabril dam is presented which shows the potential of the continuous
dynamic monitoring system, demonstrates that the methodologies proposed in this thesis can be
effectively used in practice, and shows the possibility of correlating variations in the modal
parameters of the dams dynamic response with structural deterioration, which is very much
evident in this dam.
-
vi
-
vii
OBSERVATION ET ANALYSE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES
BARRAGES EN BTON
Rsum
Ce travail vise contribuer lamlioration des mthodologies dobservation et danalyse du
comportement dynamique des barrages en bton. A ce propos, on a install au barrage du Cabril un
prototype dun systme de surveillance bas sur la mesure continuelle de vibrations. Ceci a permis de
caractriser le comportement dynamique de cet ouvrage au cours du temps, tout en tenant compte des
plusieurs types dexcitation, tels que, le vent, la vibration provoque par le fonctionnement des groupes
de production dnergie et de vidange, les micro-tremblements de terre et les sismes de moyenne et
haute intensit.
Lobjectif essentiel du prototype du systme dobservation propos dans ce travail est de fournir
une solution intgre, visant assurer laccomplissement des rglementations en vigueur relatives la
surveillance du comportement sismique, ainsi que lobtention dinformation exprimentale sur le
comportement dynamique de ces ouvrages (pour plusieurs conditions dexcitation), cette dernire tant
indispensable pour lamlioration des modles numriques actuels, utiliss soit au projet de nouveaux
ouvrages soit dans le cadre des activits de contrle de la scurit structurale des ouvrages existants
(tudes de prvision du comportement).
On mentionne leffet de la retenue sur linterprtation du comportement dynamique des systmes
barrage-fondation-retenue, tout en soulignant linfluence des variations du niveau de la retenue sur les
frquences naturelles, les configurations et les amortissements modaux.
On systmatise les formulations de la mcanique structurale du point de vue du dveloppement des
modles numriques pour lanalyse dynamique des barrages en bton (dans le domaine temporel et de la
frquence), soit en cas damortissement proportionnel ou non-proportionnel la distribution de masse et
rigidit (en utilisant la formulation dtat) soit en cas dinterconnexion avec les formulations
didentification modale (dans le domaine temporel et de la frquence).
On a dvelopp des modules computationnels didentification modale automatique, pour la
dtermination continuelle des frquences naturelles des modes de vibration principaux (ainsi que les
configurations et les amortissements modaux correspondants), et qui sont adapts lanalyse des
systmes barrage-fondation-retenue. On propose lutilisation des modles statistiques de sparation des
effets, bass sur des techniques de rgression linaire multiple, pour linterprtation des cas de frquences
naturelles identifies partir des rsultats de lobservation dynamique continuelle.
On prsente une application au barrage du Cabril, laquelle permet de dmontrer les potentialits du
systme dobservation continuelle du comportement dynamique et lapplicabilit des mthodologies
prsentes dans ce travail. On met en vidence la possibilit dtablir une corrlation entre les paramtres
de la rponse dynamique observe et les altrations structurales dues aux processus de dtrioration trs
vidents cet ouvrage.
-
viii
-
ix
Palavras Chave / Keywords
Barragens de beto / Concrete dams
Dinmica de estruturas / Structural dynamics
Controlo da segurana / Safety control
Monitorizao / Monitoring
Ensaios de vibrao ambiental / Ambient vibration tests
Comportamento dinmico / Dynamic behaviour
Identificao modal / Modal identification
Frequncias naturais / Natural frequencies
Modos de vibrao / Mode shapes
Amortecimento modal / Modal damping
Modelos numricos / Numerical models
Modelos fsicos / Physical models (Scale models)
Mtodo dos elementos finitos / Finite element method
Mtodo dos elementos discretos / Discrete element method
Modelos estatsticos de separao de efeitos / Statistical models of separation of effects
-
x
-
xi
ndice
Captulo 1 INTRODUO 1 INTRODUO ..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................1
1.1 Justificao e enquadramento do tema ............................................................................................................ 1
1.1.1 Utilizao de novas tecnologias no controlo de segurana de barragens ................................................... 3
1.2 Objectivos ........................................................................................................................................................... 4
1.3 Organizao do trabalho................................................................................................................................... 9
Captulo 2 COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO. CONTROLO DA SEGURANA E OBSERVAO 2 COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO. CONTROLO DA SEGURANA E OBSERVAO .............................................................................................................................................................................................................................................13
2.1 Consideraes iniciais ..................................................................................................................................... 13
2.2 Sistemas barragem-fundao-albufeira. Principais caractersticas.............................................................. 19
2.3 Observao do comportamento dinmico de barragens de beto ............................................................... 23
2.3.1 Incidentes devidos a eventos ssmicos ..................................................................................................... 24
2.3.2 Ensaios in-situ. Vibrao forada e ambiental...................................................................................... 33
2.3.3 Sistemas instalados em obra. Aces ssmicas e ambientais ................................................................... 38
2.4 Controlo da segurana estrutural. Monitorizao em contnuo .................................................................. 49
2.4.1 Observao e modelao no controlo da segurana estrutural ................................................................. 51
2.4.2 Evoluo dos sistemas de monitorizao. Recolha manual e automtica ................................................ 56
2.4.3 Monitorizao do comportamento dinmico ............................................................................................ 62
2.4.4 Regulamentao ....................................................................................................................................... 68
2.5 Consideraes finais ........................................................................................................................................ 71
-
xii
Captulo 3 MODELOS PARA INTERPRETAO E ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO 3 MODELOS PARA INTERPRETAO E ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO ..................................................................................................................................................................................................................................... 73
3.1 Consideraes iniciais ..................................................................................................................................... 73
3.2 Anlise dinmica na perspectiva do problema directo ................................................................................ 80
3.2.1 Estabelecimento das equaes gerais para a anlise dinmica ................................................................ 80
3.2.2 Anlise dinmica. Integrao no tempo aps a discretizao espacial .................................................... 91
3.2.3 Exemplo de aplicao. Clculo dinmico com o MEF .......................................................................... 117
3.2.4 Outros mtodos numricos (MED, MED-MEF) ................................................................................... 119
3.3 Anlise dinmica na perspectiva da identificao modal .......................................................................... 124
3.3.1 Mtodos de identificao modal no domnio da frequncia .................................................................. 130
3.3.2 Mtodos de identificao modal no domnio do tempo ......................................................................... 151
3.3.3 Principais mtodos no domnio da frequncia e do tempo .................................................................... 171
3.3.4 Anlise experimental e numrica da interaco dinmica estrutura-gua ............................................. 172
3.4 Identificao modal automtica ................................................................................................................... 177
3.5 Evoluo do comportamento dinmico ao longo da vida til. Modelos de separao de efeitos ............ 178
3.6 Consideraes finais ...................................................................................................................................... 182
Captulo 4 OBSERVAO EM CONTNUO DO COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO 4 OBSERVAO EM CONTNUO DO COMPORTAMENTO DINMICO DE BARRAGENS DE BETO .....................................................................................................................................................................................................................................................................185
4.1 Consideraes iniciais ................................................................................................................................... 185
4.2 Sistema de observao do comportamento dinmico em contnuo ........................................................... 186
4.2.1 Definio da arquitectura do sistema ..................................................................................................... 187
4.2.2 Componentes do sistema ....................................................................................................................... 188
4.2.3 Trabalhos de preparao e instalao do sistema................................................................................... 194
4.2.4 Controlo remoto do sistema ................................................................................................................... 196
4.2.5 Recolha automtica de dados ................................................................................................................. 197
4.3 Processamento, anlise e gesto de dados em contnuo ............................................................................. 200
4.3.1 Pr-processamento de dados .................................................................................................................. 202
4.3.2 Deteco de eventos especiais ............................................................................................................... 204
4.3.3 Identificao modal automtica ............................................................................................................. 206
-
xiii
4.3.4 Gesto de dados ..................................................................................................................................... 209
4.4 Anlise, interpretao e explorao de dados armazenados ...................................................................... 211
4.4.1 Visualizao de registos de acelerao e espectros por canal de medida ............................................... 212
4.4.2 Identificao modal de dados armazenados ........................................................................................... 213
4.4.3 Interpretao e anlise dos dados da observao em contnuo ............................................................... 216
4.5 Utilizao integrada de resultados numricos e experimentais ................................................................. 221
4.6 Utilidade da observao do comportamento dinmico em contnuo......................................................... 222
4.7 Consideraes finais ...................................................................................................................................... 223
Captulo 5 MONITORIZAO E ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DA BARRAGEM DO CABRIL 5 MONITORIZAO E ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DA BARRAGEM DO CABRIL.................................................................................................................................................................................................................................................................... 225
5.1 Consideraes iniciais ................................................................................................................................... 225
5.2 Descrio da barragem do Cabril ................................................................................................................ 227
5.3 Ensaios de vibraes e modelao numrica. Anlise preliminar ............................................................. 230
5.3.1 Modelo numrico preliminar. Hiptese de comportamento elstico linear ............................................ 230
5.3.2 Anlise modal operacional ..................................................................................................................... 232
5.3.3 Variao das frequncias naturais em funo do nvel da albufeira ....................................................... 243
5.4 Modelos numricos para apoio interpretao dos ensaios de vibraes ................................................ 244
5.4.1 Alteraes nas configuraes modais devidas fissurao. Modelao numrica da zona fissurada.... 245
5.4.2 Influncia da torre das tomadas de gua. Modelo numrico da torre ..................................................... 246
5.4.3 Efeito das juntas de contraco. Modelao numrica com o MED (3DEC) ........................................ 250
5.5 Anlise dos resultados da observao em contnuo .................................................................................... 255
5.5.1 Vibraes com e sem grupos em funcionamento ................................................................................... 258
5.5.2 Deteco de frequncias naturais da torre das tomadas de gua ............................................................ 259
5.5.3 Apoio s obras de renovao dos grupos ............................................................................................... 259
5.5.4 Deteco de eventos especiais ............................................................................................................... 261
5.6 Variao do comportamento dinmico ao longo do tempo ........................................................................ 265
5.7 Aplicao do mtodo SSI-COV a resultados da observao em contnuo ................................................ 271
5.8 Consideraes finais ...................................................................................................................................... 275
-
xiv
Captulo 6 CONCLUSES E PERSPECTIVAS FUTURAS 6 CONCLUSES E PERSPECTIVAS FUTURAS .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................279
6.1 Sntese do trabalho ........................................................................................................................................ 279
6.2 Contribuies inovadoras ............................................................................................................................. 281
6.3 Apreciao dos resultados obtidos ............................................................................................................... 283
6.4 Perspectivas de desenvolvimentos futuros .................................................................................................. 284
BIBLIOGRAFIA 7 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................287
-
xv
Lista de figuras
Figura 1.1 a) Evoluo do panorama da produo de Energia elctrica, tendo em conta o tipo de combustvel,
entre 1973 e 2005; b) barragens em construo com mais de 60 m de altura (WRI, 2003). ................................ 2
Figura 1.2 Evoluo dos nveis de segurana de uma obra ao longo da sua vida til. Efeito da deteriorao
evolutiva e de acidentes/incidentes (adaptado de (Oliveira, 2000)). .................................................................... 4
Figura 1.3 Vrias fases do desenvolvimento e instalao do sistema de monitorizao em contnuo do
comportamento dinmico da barragem do Cabril. ................................................................................................ 5
Figura 1.4 Esquema representativo do sistema de observao do comportamento dinmico em contnuo e da
utilizao integrada de resultados experimentais e modelos numricos. .............................................................. 6
Figura 1.5 a) Deteco automtica das frequncias naturais, baseada em identificao modal no domnio da
frequncia; b) Utilizao conjunta de modelos de identificao modal no domnio do tempo e da
frequncia; c) Evoluo de uma frequncia natural ao longo do tempo e correspondente variao do nvel
da albufeira. .......................................................................................................................................................... 7
Figura 1.6 Avaliao da amplitude das vibraes e anlise espectral dos registos obtidos, para controlo da
segurana em tempo real. .................................................................................................................................. 8
Figura 2.1 Barragem de Alqueva (altura: 96 m; construo:1997-2002; albufeira: 250 km2, 4150 hm3). Vista
area da barragem, albufeira e estruturas anexas. ............................................................................................... 14
Figura 2.2 Controlo da segurana de sistemas barragem-fundao-albufeira sob aces ssmicas. Observao e
desenvolvimento de modelos de previso da resposta estrutural. ....................................................................... 17
Figura 2.3 Construo da barragem de Xiaowan (2008) barragem abbada com 292 m de altura mxima
acima da fundao (Ren, et al., 2007)................................................................................................................. 19
Figura 2.4 Sistema barragem-fundao-albufeira. Representao das principais superfcies de
descontinuidade, rgos anexos e dispositivos de segurana na fundao (cortinas de impermeabilizao e
drenagem). .......................................................................................................................................................... 20
Figura 2.5 Construo de uma barragem abbada (Alqueva). Vista dos vrios blocos na fase de betonagem do
corpo da obra e pormenor de uma face das juntas de contraco onde se podem ver os encaixes (shear
boxes), neste caso com a forma semi-esfrica. ................................................................................................. 21
Figura 2.6 Linhas de influncia tpicas das frequncias naturais de barragens abbada. ............................................ 22
Figura 2.7 Barragem de Lower Crystal Springs: a) vista da obra; b) corte pela consola central (altura 38,5 m). .... 25
Figura 2.8 Planta, alado e cortes da barragem de Hsinfengkiang, na China, adaptado de (Jansen, 1988). ............ 25
Figura 2.9 Barragem de Koyna, na ndia: a) Vista area; b) Seco transversal. ..................................................... 26
Figura 2.10 Barragem de Pacoima: a) vista geral; b) vista do encontro da margem esquerda; c) corte consola
central. ................................................................................................................................................................ 28
Figura 2.11 Barragem de Rapel, no Chile. ............................................................................................................... 28
Figura 2.12 Barragem de Sefid Rud. ........................................................................................................................ 29
Figura 2.13 Barragem de Sefid Rud aps um sismo violento de magnitude 7,6, com epicentro a cerca de 1 km
da obra: a) mapa das fissuras no contraforte n 15 deslocamento tangencial para jusante, da ordem de 20
-
xvi
mm, da cunha indicada, formada aps o sismo; b) fissurao horizontal no paramento de montante da
barragem; c) sala de controlo da central de produo de energia. Adaptado de (Wieland, 2006). ...................... 30
Figura 2.14 Barragem de Sefid Rud: a) pontas dos cabos de pr-esforo, durante a sua instalao; b) esquema
da disposio dos cabos de pr-esforo (Wieland, 2006). ................................................................................... 30
Figura 2.15 Colapso da Barragem de Shih-Kang, junto margem direita. .............................................................. 31
Figura 2.16 Barragem de ZiPingPu (156 m de altura): a) Imagem de satlite; b) Paramento de jusante, com
inmeros desprendimentos e fissuraes. ............................................................................................................ 32
Figura 2.17 Barragem de Saipai (130 m de altura) aps o sismo de Wenchuan: a) foto area; b) encontros
direito e esquerdo. ............................................................................................................................................... 33
Figura 2.18 Vibradores: a) rotativos de massa excntrica, com motor elctrico (LNEC); b) de translao com
motor servo hidrulico (EMPA). ......................................................................................................................... 34
Figura 2.19 a) Barragem do Alto Lindoso; b) Barragem do Alto Ceira. .................................................................. 35
Figura 2.20 a) Barragem de Contra (altura mxima - 220 m); b) Barragem de Emosson (altura mxima - 180
m). ....................................................................................................................................................................... 36
Figura 2.21 Disposio de acelermetros na 2 galeria (cota 274,5 m) da barragem do Cabril, durante a
realizao de um ensaio de vibrao ambiental. .................................................................................................. 37
Figura 2.22 Localizao dos acelermetros do sistema de observao ssmica da barragem de Pacoima.
Adaptado de (Alves, et al., 2006). ....................................................................................................................... 39
Figura 2.23 Barragem de Mauvoisin: a) Vista geral; b) Disposio dos sensores na monitorizao em
contnuo (galeria cota 1957 m). ........................................................................................................................ 40
Figura 2.24 Linhas de influncia das duas primeiras frequncias naturais identificadas, nas campanhas de
vibrao ambiental e de observao em contnuo [adaptado de (Darbre, et al., 2002)]. ..................................... 40
Figura 2.25 Barragem de Enguri: a) Vista de frente; b) Plano de observao ssmica (GEOSIG, 2009). ................ 42
Figura 2.26 Barragem de Karun III no Iro. ............................................................................................................. 42
Figura 2.27 a) Barragem de Kaore; b) Linha de influncia da variao da primeira frequncia prpria em
funo do nvel da gua na albufeira, [adaptado de (Toyoda, et al., 2002)]. ....................................................... 43
Figura 2.28 Barragem de Hitotsuse, no Japo. ......................................................................................................... 44
Figura 2.29 Observao em contnuo da barragem de Hitotsuse (Okuma, et al., 2008): a) Variao do nvel da
albufeira; b) Variao da temperatura; c) Variao das primeiras frequncias naturais. .................................... 45
Figura 2.30 Barragem de Cahora-Bassa: a)Localizao das estaes sismolgicas E1 a E5 (LNEC, 1971);
b) vista area da obra. .......................................................................................................................................... 46
Figura 2.31 Rede de observao ssmica na barragem (Carvalho, et al., 2008). ....................................................... 47
Figura 2.32 Barragem da Aguieira: a) Vista geral; b) Alado com a localizao dos 3 macro-sismgrafos. ........... 47
Figura 2.33 Barragem de Alqueva: a) vista geral; b) alado com a disposio das 5 estaes ssmicas
instaladas no corpo da barragem; c) estaes ssmicas dispostas ao longo da albufeira adaptado de
(Gomes, et al., 2001). .......................................................................................................................................... 48
Figura 2.34 Barragem de Enguri na Gergia, obras de reabilitao aps a guerra civil. .......................................... 50
Figura 2.35 Barragem da Aguieira e modelo de elementos finitos tridimensional. .................................................. 52
-
xvii
Figura 2.36 Modelo fsico da barragem de Odixere com albufeira (modelo escala 1:40). Estudo dinmico
na mesa ssmica do LNEC (Gomes, 2010). ........................................................................................................ 54
Figura 2.37 Modelo fsico da barragem arco-gravidade de Longyangxia (EERC-IWHR, 2008). ........................... 54
Figura 2.38 Ensaio de uma barragem abbada numa mesa ssmica de 5x5 m2 na China. Exemplo de um
cinto anti-ssmico combinao de armaduras de reforo e amortecedores (Zou, et al., 2006). .................... 55
Figura 2.39 Comparao de mesas ssmicas de diferentes dimenses (Saouma, et al., 2007). ................................ 55
Figura 2.40 Imagens 3D obtidas atravs de tcnicas de fotogrametria para a Barragem do Cabril: ficheiro em
formato 3D PDF que permite aceder interactivamente a um modelo grfico 3D com possiblidade de
visualizar sectorialmente imagens orto-rectificadas com diferentes resolues (Berberan, et al., 2007). .......... 60
Figura 2.41 Sirenes para emisso de alarmes s populaes, em caso de perigo de inundaes (Wieland, et
al., 2009). ............................................................................................................................................................ 61
Figura 2.42 Componentes de um sistema modular: a) unidades de aquisio e digitalizao de dados;
b) concentrador de dados. Adaptado de (http://www.gantner-instruments.com). .............................................. 64
Figura 2.43 Exemplos de solues propostas para medio de aceleraes recorrendo a tecnologia sem fios
(wireless): a) (http://www.techkor.com); b) (http://www.microstrain.com). .................................................. 64
Figura 2.44 Solues para medio de aceleraes recorrendo a tecnologia associada fibra ptica:
a) Unidades de medio; b) Acelermetros. Adaptado de (http://www.fibersensing.com). ............................... 65
Figura 2.45 Prescrio da aco ssmica: a) zonas consideradas no RSAEEP; b) zonas consideradas no EC8;
c) modelos de rotura falha. ................................................................................................................................. 69
Figura 3.1 Tipos de modelos utilizados na anlise do comportamento dinmico de barragens de beto. ................ 75
Figura 3.2 Modelao do comportamento dinmico de barragens de beto: a) barragem abbada - Cahora-
Bassa; b) diferentes tipos de modelos usualmente adoptados na simulao do comportamento dinmico de
sistemas barragem-fundao-albufeira. ............................................................................................................. 78
Figura 3.3 Anlise dinmica de estruturas. Problema directo, inverso e de identificao. ...................................... 79
Figura 3.4 Equaes fundamentais da Mecnica Estrutural: formulaes forte e fraca. Aplicao anlise
dinmica de sistemas barragem-fundao-albufeira. ......................................................................................... 82
Figura 3.5 Elemento finito tridimensional isoparamtrico tipo cubo com 20 pontos nodais. a) Representao
dos eixos locais e expresses com os valores das funes de interpolao para os diferentes ns. b)
Representao das funes de interpolao (vectoriais) associadas a cada grau de liberdade; representao
para os GL dos pontos nodais 1, 2 e 20. ............................................................................................................. 86
Figura 3.6 Barragem abbada discretizada em elementos finitos tridimensionais de 20 ns. .................................. 87
Figura 3.7 Anlise dinmica de estruturas pelo MEF. Formulao em deslocamentos e no espao de estados. ..... 90
Figura 3.8 Modelo fsico de um edifcio de um piso. Perspectiva e representao esquemtica do modelo de 1
GL idealizado para estudar o comportamento dinmico da direco mais flexvel. ........................................... 91
Figura 3.9 Modo natural de vibrao de um modelo de 1 GL, com amortecimento inferior ao valor do
amortecimento crtico crc 2 k m= . .................................................................................................................. 93
Figura 3.10 Aplicao da transformada de Fourier para converter a equao diferencial da dinmica, definida
no domnio do tempo, numa equao algbrica (complexa), definida no domnio da frequncia.
Representao da decomposio em ondas da funo incgnita u(t), definida no intervalo [0,T],
-
xviii
correspondente transformada discreta de Fourier (a transformada contnua de Fourier corresponde a
considerar T). ............................................................................................................................................ 95 Figura 3.11 Modo natural de vibrao de um modelo de 1 GL, com amortecimento. Representao no
domnio do tempo e no espao de estados......................................................................................................... 101
Figura 3.12 Representao de modos de vibrao com componentes complexas. ................................................. 110
Figura 3.13 Discretizao temporal de foras em cada intervalo: a) constante; b) varia linearmente. ................... 116
Figura 3.14 Malha de elementos finitos isoparamtricos de 20 ns do corpo da barragem do Cabril. ................... 117
Figura 3.15 Modos de vibrao e frequncias naturais (MEF_DIN3D). ................................................................ 118
Figura 3.16 Histria de deslocamentos medida no ponto central da abbada, devida a uma aco ssmica
(definida no regulamento portugus) aplicada na base do modelo (MEF_DIN3D). ......................................... 118
Figura 3.17 Resposta ssmica de uma barragem abbada clculo no domnio do tempo com o programa
MEF_DIN3D. Deformao da obra e distribuio das tenses principais (nos pontos de Gauss) em quatro
instantes. ............................................................................................................................................................ 119
Figura 3.18 Tipo de elementos utilizados pelo Mtodo dos Elementos Discretos: a) Malha de blocos
(poliedros) da barragem de Cahora-Bassa; b) Malha de elementos finitos, da barragem de Alqueva, com
alguns elementos discretizados em partculas (esferas)..................................................................................... 120
Figura 3.19 Tipos de elementos discretos. .............................................................................................................. 120
Figura 3.20 Ciclo de clculo nos algoritmos explcitos [adaptado de (Lemos, 1999)]. .......................................... 122
Figura 3.21 Esquema que ilustra o conceito base da identificao modal estocstica. ........................................... 126
Figura 3.22 Vista do tanque utilizado para estudar o comportamento dinmico de uma parede de conteno
de gua, em consola, para diferentes cotas de gua (construdo no Labest ISEL). ........................................ 127
Figura 3.23 a) Malha plana de elementos finitos; b) ensaio de ultra-sons em provete de beto para determinar
experimentalmente o mdulo de elasticidade do beto (mdulo de elasticidade dinmico). ............................ 128
Figura 3.24 Primeiros modos de vibrao obtidos com o modelo de elementos finitos. ........................................ 128
Figura 3.25 a) Esquema representativo dos graus de liberdade de interesse para a caracterizao experimental
plana do modelo fsico; b) acelermetros colocados no modelo. ...................................................................... 129
Figura 3.26 Decomposio de uma srie temporal, de comprimento T (p. ex., srie observada num sensor
colocado numa obra sob excitao ambiental), em ondas sinusoidais (Oliveira, 2007). O comprimento T
do registo determina o espaamento em frequncia das vrias ondas constituintes da srie temporal (para se aumentar a preciso em frequncia necessrio aumentar o comprimento T das sries temporais). .. 130
Figura 3.27 Modelo fsico da estrutura de um edifcio de 3 pisos: a) Representao esquemtica da
decomposio em ondas dos acelerogramas no modelo fsico de um edifcio de 3 pisos (Oliveira, 2007;
Mendes, et al., 2008). Em cada ponto identificam-se trs ondas principais cujas frequncias correspondem
s frequncias naturais de vibrao da estrutura; b) Anlise comparativa das principais ondas identificadas
nos pontos observados, para cada uma das trs frequncias identificadas. ....................................................... 131
Figura 3.28 Esquema exemplificativo da relao entre as sries temporais observadas a matriz das funes de
densidade espectral e a matriz das funes de correlao. ................................................................................ 133
Figura 3.29 Estimativa das funes de densidade espectral de potncia da resposta em acelerao da parede
em consola. Matriz completa considerando as amplitudes e as fases. ............................................................... 135
-
xix
Figura 3.30 Espectro normalizado mdio obtido para o modelo fsico da parede em consola. .............................. 138
Figura 3.31 Estimativa das funes de coerncia, obtidas para o modelo fsico da parede em consola. ............... 139
Figura 3.32 Estimativa das funes de transferncia, obtidas para o modelo fsico da parede em consola. .......... 141
Figura 3.33 (a) Matriz modal escalada; (b) Configuraes modais avaliadas. ....................................................... 141
Figura 3.34 Coeficientes de amortecimento modais estimados com o mtodo da meia potncia. ......................... 142
Figura 3.35 Espectro dos valores singulares da matriz das densidades espectrais de potncia da resposta em
acelerao. ........................................................................................................................................................ 145
Figura 3.36 (a) Matriz modal escalada; (b) Configuraes modais avaliadas. ....................................................... 146
Figura 3.37 Valores do coeficiente MAC. ............................................................................................................. 148
Figura 3.38 Funes de densidade espectral de cada modo de vibrao, obtidas com base no coeficiente
MAC. ................................................................................................................................................................ 148
Figura 3.39 Avaliao do coeficiente de amortecimento e da frequncia do 1 modo de vibrao. ...................... 149
Figura 3.40 Avaliao do coeficiente de amortecimento e da frequncia do 2 modo de vibrao. ...................... 149
Figura 3.41 Avaliao do coeficiente de amortecimento e da frequncia do 1 modo de vibrao. ...................... 150
Figura 3.42 (a) Matriz modal escalada; (b) Configuraes modais avaliadas com base na 1 coluna das
Funes de Transferncia. ................................................................................................................................ 151
Figura 3.43 Representao de estado de um sistema dinmico na perspectiva da identificao das suas
principais caractersticas modais. Esquema ilustrativo das relaes entre as variveis de estado u(t)
e
v(t)
, a excitao f(t)
e a resposta observada y(t)
. ....................................................................................... 154
Figura 3.44 Representao de uma histria de carga f(t) definida por troos constantes. ...................................... 157
Figura 3.45 Diagrama de blocos ilustrativo das variveis e matrizes envolvidas num modelo de identificao
modal determinstico no espao de estados. ..................................................................................................... 161
Figura 3.46 Sntese da metodologia de identificao modal determinstica no espao de estados, com
aplicao de foras impulsivas. ........................................................................................................................ 162
Figura 3.47 Diagrama de blocos ilustrativo das variveis e matrizes envolvidas num modelo de identificao
modal estocstico no espao de estados. Definio da matriz R das funes de correlao da resposta e da
matriz G das funes de covarincia entre o estado e a resposta. ..................................................................... 164
Figura 3.48 Modelo de identificao modal estocstico no espao de estados (SSI-COV). Utilizao da
matriz R das funes de correlao da resposta e da matriz G de covarncia entre o estado e a resposta. .... 167
Figura 3.49 Diagrama de estabilizao utilizando o mtodo SSI-COV. ................................................................ 168
Figura 3.50 Modos complexos. Configuraes modais no instante em que ocorre o mximo no topo da
consola. ............................................................................................................................................................. 168
Figura 3.51 Sistematizao geral dos principais mtodos de identificao modal estocstica (Rodrigues,
2004). ................................................................................................................................................................ 171
Figura 3.52 Disposio dos 8 acelermetros utilizados para identificao dos modos de flexo e de toro. ....... 172
Figura 3.53 Diagramas de estabilizao utilizando o programa IDModal_SSI-COV. ........................................... 173
Figura 3.54 Variao da 1 frequncia natural em funo da cota da gua. Comparao entre resultados
numricos e experimentais (identificao modal com os mtodo BFD e SSI-COV). ...................................... 174
-
xx
Figura 3.55 Esquema da variao do valor da 1 frequncia natural em funo da cota da gua, comparao
entre resultados numricos e experimentais. ..................................................................................................... 175
Figura 3.56 1 Modo de toro. Identificao experimental pelo mtodo SSI-COV, com determinao de
modos com componentes complexas: a) reservatrio vazio; b) reservatrio cheio. Representao do
movimento oscilatrio nos pontos 7 e 8 para anlise da no simultaneidade dos mximos - mais notria na
situao de reservatrio cheio. .......................................................................................................................... 176
Figura 3.57 Esquema de deteco automtica de mximos e seleco de picos modais. ....................................... 178
Figura 3.58 Exemplo de aplicao de um modelo de separao de efeitos anlise da evoluo ao longo do
tempo da frequncia natural de um modo de vibrao de uma barragem. ........................................................ 182
Figura 4.1 Barragem do Cabril: a) fotografia com representao de um modo de vibrao; b) modelo de E. F.
distinguindo a zona fissurada. ........................................................................................................................... 187
Figura 4.2 Esquema de posicionamento dos acelermetros. ................................................................................... 189
Figura 4.3 Acelermetros utilizados no sistema de observao do comportamento dinmico, na barragem do
Cabril: a) acelermetro triaxial; b) acelermetro uniaxial. ................................................................................ 189
Figura 4.4 Componentes do sistema modular: a) Unidades de aquisio e digitalizao ebloxx A1;
b) Concentradores de dados e.pac. ................................................................................................................. 190
Figura 4.5 Esquema da rede de fibra ptica. ........................................................................................................... 191
Figura 4.6 Esquema com as vrias componentes do sistema de observao do comportamento dinmico em
contnuo, instalado na barragem do Cabril. ....................................................................................................... 193
Figura 4.7 Caixas instaladas junto dos transdutores: a) tipo 1; b) tipo 2; tipo 3. .................................................... 194
Figura 4.8 Equipamento em testes no CIC-LNEC. ................................................................................................. 194
Figura 4.9 Trabalhos de instalao da rede de fibra ptica: a) preparao das fibras; b) soldagem das fibras; c)
ligaes dos vrios filamentos dentro de uma caixa. ......................................................................................... 195
Figura 4.10 Trabalhos de abertura de nichos para acondicionamento dos acelermetros. ..................................... 195
Figura 4.11 Aspecto geral dos acelermetros e respectivas caixas instalados em obra. ......................................... 196
Figura 4.12 Computador onde efectuado o controlo do sistema e o armazenamento dos dados, nos
escritrios da central da barragem. .................................................................................................................... 196
Figura 4.13 Esquema de controlo remoto do sistema via internet. ......................................................................... 197
Figura 4.14 Interface do programa de aquisio (Cabril Aquis) desenvolvido no CIC. ......................................... 198
Figura 4.15 Esquema da anlise e gesto de dados do sistema de observao do comportamento dinmico em
contnuo desenvolvido para a barragem do Cabril. ........................................................................................... 201
Figura 4.16 Interface do programa Cabril PRE. ..................................................................................................... 202
Figura 4.17 Interface do programa Cabril Alarme. ................................................................................................. 204
Figura 4.18 Alado da barragem com a numerao dos vrios acelermetros e sua localizao em obra. ............ 206
Figura 4.19 Ajuste de um espectro analtico aos valores estimados para um espectro do 1 valor singular. .......... 207
Figura 4.20 Interface do programa Cabril GEST. ................................................................................................... 210
Figura 4.21 Interface do programa Cabril Acel. ..................................................................................................... 213
Figura 4.22 Interface do programa Cabril IDModal. .............................................................................................. 214
Figura 4.23 Interface do programa Cabril RES. ..................................................................................................... 216
-
xxi
Figura 4.24 Esquema em que se representa alguns espectros de horas consecutivas. ............................................ 217
Figura 4.25 Representao animada da 1 configurao modal com o programa Cabril RES (a animao
fundamental no caso dos denominados modos complexos, em que no h nodos). ......................................... 218
Figura 4.26 Representao do ajuste de um espectro analtico com o programa Cabril RES. ............................... 219
Figura 4.27 Interface do programa Cabril RES, em que se mostra a evoluo das frequncias naturais ao
longo do tempo e sua correlao com o desenvolvimento do nvel da albufeira, tambm ao longo do
tempo. ............................................................................................................................................................... 220
Figura 4.28 Interface do programa Cabril COMPARA, em que se comparam resultados numricos com
experimentais. ................................................................................................................................................... 222
Figura 4.29 Fotografias referentes fase de remodelao dos grupos da central da barragem do Cabril:
a) incio da desmontagem do grupo 2; b) remodelao do grupo 2; c) novo grupo 2. ...................................... 223
Figura 5.1 Barragem do Cabril. .............................................................................................................................. 228
Figura 5.2 Barragem do Cabril. Planta, alado desenvolvido e corte pela consola central. ................................... 228
Figura 5.3 Barragem do Cabril: a) levantamento da fissurao no paramento de jusante efectuado em 1996,
adaptado de (Florentino, et al., 2003); b) anlise dos deslocamentos no topo da consola central, adaptado
de (Oliveira, 2000). ........................................................................................................................................... 229
Figura 5.4 Barragem do Cabril. Malha de elementos finitos de um modelo contnuo (sem juntas) e
homogneo. ...................................................................................................................................................... 231
Figura 5.5 Primeiras quatro configuraes modais determinadas com o modelo numrico preliminar (malha
larga, sem considerar o efeito da fissurao e das juntas). ............................................................................... 232
Figura 5.6 Posicionamento dos sensores no ensaio de vibrao ambiental de 20 de Fevereiro de 2002. .............. 233
Figura 5.7 Registo de aceleraes obtido no topo da consola central (cota 293,5 m) no ensaio de vibrao
ambiental de 20 de Fevereiro de 2002 (nvel da albufeira 267 m), com os grupos em funcionamento, em
dois nveis de potncia, e com os grupos desligados. ....................................................................................... 234
Figura 5.8 Registo de aceleraes obtido na galeria do coroamento (cota 293,5 m) na consola central no
ensaio de vibrao ambiental de 20 de Fevereiro de 2002, com os grupos desligados (valores de
acelerao mximos da ordem de 50 g). ........................................................................................................ 235
Figura 5.9 Espectros de valores singulares da matriz das DEP da resposta em acelerao, obtidos para os
ensaios de vibrao ambiental de Fevereiro de 2002 (nvel da albufeira cota 267,0 m), com os grupos
em funcionamento e com os grupos desligados. ............................................................................................... 236
Figura 5.10 Espectro dos valores singulares da matriz das DEP da resposta em acelerao, obtido para o
ensaio de vibrao ambiental de Fevereiro de 2002, com os grupos em funcionamento. ................................ 238
Figura 5.11 Espectro dos valores singulares da matriz das DEP da resposta em acelerao, obtido para o
ensaio de vibrao ambiental de Fevereiro de 2002, com os grupos desligados. ............................................. 240
Figura 5.12 Primeiras quatro configuraes modais identificadas experimentalmente com o mtodo FDD na
situao de grupos desligados (20 de Fevereiro de 2002; nvel da albufeira 267,0 m). .................................... 241
Figura 5.13 Posicionamento dos sensores nos ensaios de vibrao ambiental de Maio e de Outubro de 2003. .... 242
Figura 5.14 Registo de aceleraes obtido na galeria do coroamento (cota 293,5 m) na consola central no
ensaio de vibrao ambiental de Maio de 2003 (grupos ligados, com diferentes potncias). ........................... 243
-
xxii
Figura 5.15 Linhas de variao das frequncias naturais, em funo do nvel da albufeira. Comparao de
resultados experimentais e numricos (modelo preliminar EF3D, sem juntas). ................................................ 243
Figura 5.16 Barragem do Cabril. Malha de elementos finitos de um modelo contnuo (sem juntas)
considerando na zona da fissurao uma maior deformabilidade na direco vertical. .................................... 245
Figura 5.17 Configurao modal associada fissurao: a) identificada experimentalmente a partir dos
resultados do ensaio de vibrao ambiental de 30 de Maio de 2003 (Mendes, 2005); b) determinada com o
modelo numrico considerando o efeito da fissurao de uma forma simplificada. ......................................... 246
Figura 5.18 Barragem do Cabril e torre da tomada de gua: a) alado de montante; b) corte pela consola
central. ............................................................................................................................................................... 247
Figura 5.19 Torre das tomadas de gua: a) vista do encontro esquerdo; b) Malha de EF 3D. ................................ 247
Figura 5.20 Ensaios de ultra-sons para determinar o mdulo de elasticidade do beto da torre das tomadas de
gua. .................................................................................................................................................................. 248
Figura 5.21 Primeiros trs modos de vibrao do modelo da torre da tomada de gua. ......................................... 248
Figura 5.22 Planta do topo da torre da tomada de gua. ......................................................................................... 249
Figura 5.23 Registos de acelerao medidos nas direces 1 (Margem Esquerda - Margem Direita) e 2
(Montante - Jusante) na torre da tomada de gua. ............................................................................................. 249
Figura 5.24 Espectros obtidos a partir dos registos de acelerao medidos na torre da tomada de gua. ............... 250
Figura 5.25 Modelo 3DEC para estudo do efeito das juntas de contraco na resposta dinmica da obra.
Anlise para vrios nveis da albufeira (clculos dinmicos no lineares). ....................................................... 251
Figura 5.26 Determinao de frequncias naturais e modos de vibrao de um modelo com juntas (3DEC
comportamento dinmico no linear) atravs da utilizao de mtodos de identificao modal (BFD) para
anlise de sries de aceleraes calculadas numericamente. Barragem rigidamente apoiada,
considerando a gua cota 288,71 m (massas de gua associadas). ................................................................. 253
Figura 5.27 Linhas de influncia da frequncia natural do 1 modo de vibrao. Comparao de
resultados experimentais e numricos obtidos com base em modelos com e sem juntas. .......................... 255
Figura 5.28 Acelermetros que compem o sistema de observao do comportamento dinmico em
contnuo na barragem do Cabril. ..................................................................................................................... 256
Figura 5.29 Anlise espectral (DEP) dos registos obtidos em alguns dos 16 canais do sistema de
observao do comportamento dinmico instalado na barragem do Cabril (08-03-2009 16:00-17:00)
e espectro mdio. ............................................................................................................................................. 257
Figura 5.30 Vibraes medidas no acelermetro situado no topo da consola central com e sem os grupos
em funcionamento. ........................................................................................................................................... 258
Figura 5.31 Espectro dos dois primeiros valores singulares da matriz das DEP da resposta em acelerao
medida no corpo da barragem. Identificao dos picos correspondentes aos trs primeiros modos de
vibrao da torre das tomadas de gua. ............................................................................................................. 259
Figura 5.32 Amplitudes mximas obtidas no acelermetro 6 (galeria do coroamento, no bloco MN), em que
se mostra uma reduo das amplitudes aps a desactivao do grupo 1. .......................................................... 260
-
xxiii
Figura 5.33 Espectro de valores singulares da matriz DEP obtido na fase de testes do novo grupo 2, em
que evidente uma largura anormal no pico correspondente operao dos grupos, devido a
dificuldades de estabilizao da sua frequncia de rotao.......................................................................... 261
Figura 5.34 Anlise de um segmento de uma srie temporal horria antes de uma perturbao. .................... 262
Figura 5.35 Anlise de um segmento temporal correspondente a uma hora aps o incio da perturbao. .... 263
Figura 5.36 a) Aspirador para extrair de poeiras sobre o passadio que d acesso torre das tomadas de
gua; b) vista inferior do passadio; c) vistas inferior do encontro do passadio no coroamento da
barragem. .......................................................................................................................................................... 263
Figura 5.37 Aspirador de poeiras e grupos de produo em funcionamento. .................................................... 264
Figura 5.38 O pico na srie temporal s 23:58 UTC (dia 17-07-2007) permite determinar a hora de ocorrncia
de um acto de vandalismo na barragem (arremesso de uma grelha metlica sobre o paramento de
jusante), a partir do coroamento. ...................................................................................................................... 265
Figura 5.39 Primeiros resultados da observao em contnuo: a) variao do nvel da albufeira; b) variao
das quatro primeiras frequncias naturais identificadas automaticamente ao longo do tempo. ................. 266
Figura 5.40 a) Variao do nvel da albufeira; b) Resultados do ajuste de modelos estatsticos de separao
de efeitos aos valores das quatro primeiras frequncias naturais identificadas automaticamente. .................. 268
Figura 5.41 Linhas de influncia do nvel da albufeira referentes s frequncias naturais dos quatro primeiros
modos de vibrao. Comparao dos resultados do modelo de separao de efeitos com resultados
numricos (MEF) . ............................................................................................................................................ 269
Figura 5.42 Aplicao do modelo de separao de efeitos na interpretao das frequncias naturais dos
quatro primeiros modos de vibrao identificados: a) efeito onda trmica anual; b) efeito do tempo. ......... 270
Figura 5.43 Identificao da configurao do 1 modo de vibrao (anti-simtrico). Representao de duas
imagens de uma sequncia animada (Programa Cabril_RES) que mostra a no existncia de um nodo na
zona central (modo complexo). ..................................................................................................................... 271
Figura 5.44 Identificao modal com o mtodo SSI-COV. Diagramas de estabilizao correspondentes
anlise dos registos obtidos em 1 de Setembro de 2009 (10:00 11:00 UTC) e 8 de Outubro de 2009
(14:00 15:00 UTC). ....................................................................................................................................... 272
Figura 5.45 Modos de vibrao identificados com o mtodo SSI-COV em 1 de Setembro de 2009 (10:00
11:00 UTC), com o nvel da albufeira cota 279,2 m. Representao no tempo da oscilao em trs
pontos do coroamento e da configurao modal (em planta, ao nvel do coroamento) para um dado
instante (indicado na representao temporal com uma linha vertical). ........................................................... 273
Figura 5.46 Modos de vibrao identificados com o mtodo SSI-COV em 8 de Outubro de 2009 (14:00
15:00 UTC), com o nvel da albufeira cota 274,8 m. Representao no tempo da oscilao em trs
pontos do coroamento e da configurao modal (em planta, ao nvel do coroamento) para um dado
instante (indicado na representao temporal com uma linha vertical). ........................................................... 275
-
xxiv
-
xxv
Simbologia
Latinas maisculas
A Matriz dos coeficientes de estado (soluo da eq. de estado - frmula recursiva)
( )mckA Matriz de estado que contm as matrizes de massa, amortecimento e rigidez
( )mcA Sub-matriz de estado que contm as matrizes de massa e amortecimento
( )mkA Sub-matriz de estado que contm as matrizes de massa e rigidez
B Matriz dos coeficientes de entrada (soluo da eq. de estado - frmula recursiva)
0SB Matriz de entrada (eq. de estado escrita em termos da matriz de estado)
S0B Matriz de entrada (eq. de estado escrita em termos das sub-matrizes)
B Matriz que contm as derivadas das funes de interpolao ( )NB = L aC Matriz que contm indicao sobre os GL em que se medem aceleraes
vC Matriz que contm indicao sobre os GL em que se medem velocidades
dC Matriz que contm indicao sobre os GL em que se medem deslocamentos
C Matriz que relaciona o vector de estado com as histrias observadas
onC Matriz de controlabilidade estocstica
D Matriz que relaciona as foras aplicadas com as observaes (espao de estados)
D Matriz de elasticidade
G Mdulo de distoro G Matriz de covarincia
yH Matriz de Hankel das sries temporais da resposta
( )y
pf
H Matriz de Hankel das sries temporais da reposta (passado, futuro)
RH Matriz de Hankel das funes de correlao
VK Mdulo de compressibilidade volumtrica
L Matriz dos factores de participao modal
EL Matriz dos factores de participao modal na representao de estado
L Operador diferencial
N Nmero de pontos da discretizao de uma janela temporal
G LN Nmero de graus de liberdade do modelo
N Matriz das funes de interpolao
bsO Matriz de observabilidade
R Matriz das funes de correlao da resposta
S Matriz das funes das funes de densidade espectral de potncia
RT Matriz de Toplitz das funes de correlao
eV Volume de um elemento finito
V Matriz da resposta modal no espao de estados
-
xxvi
Latinas minsculas
Sa
Vector de acelerao ssmico
c Amortecimento especfico
c Amortecimento
c Matriz de amortecimento *c Matriz de amortecimento modal ec Matriz de amortecimento de um elemento finito
f Frequncia circular (Hz)
f
Vector das foras
Gf
Vector das foras nodais equivalentes
f
Vector das foras mssicas ( )1 2 3x ,x ,x ,tf f=
*f
Vector das foras modais
Gf
Vector das foras nodais em todos os graus de liberdade
k Rigidez
k Matriz de rigidez *k Matriz de rigidez modal ek Matriz de rigidez de um elemento finito
m Massa especfica (kg/m3)
m Massa
m Matriz de massa *m Matriz de massa modal em Matriz de massa de um elemento finito
In Nmero de inputs
On Nmero de pontos observados
s Matriz da distribuio espacial das foras pelos vrios graus de liberdade u
Campo de deslocamentos 1 2 3 = (x ,x ,x , t)u u
Vu
Campo de deslocamentos virtuais
u
Vector de deslocamentos eu
Vector de deslocamentos dos pontos nodais de um elemento finito *u
Vector das coordenadas modais dos deslocamentos
u
Vector de velocidades
u
Vector de aceleraes
v
Vector de velocidades na formulao de estado
v
Vector de aceleraes na formulao de estado
x
Vector de estado *x
Vector das coordenadas modais de estado
ny Coordenadas locais dos elementos finitos ( )n , n = 1, 2, 3y
-
xxvii
Gregas maisculas
Matriz modal
E Matriz modal no espao de estados
Gregas minsculas
Constante de amortecimento de Rayleigh Constante de amortecimento de Rayleigh Decremento logartmico
Vector das deformaes
Vector modal
E
Vector modal no espao de estados
Vector dos deslocamentos virtuais 2 Funo de coerncia Valores prprios de um sistema Valores prprios de um sistema no espao de estados
E Matriz diagonal com os valores prprios de um sistema no espao de estados Frequncia angular (rad/s)
Vector das tenses Coeficiente de amortecimento relativo
Abreviaturas (siglas)
BFD Mtodo bsico no domnio da frequncia
DEP Densidade espectral de potncia
EFDD Mtodo melhorado de decomposio no domnio da frequncia
FDD Mtodo de decomposio no domnio da frequncia
FFT Transformada rpida de Fourier
FRF Funo de resposta em frequncia
ICOLD International Commission on Large Dams
LFCV Lema fundamental do Clculo Variacional
MED Mtodo dos Elementos Discretos
MEF Mtodo dos Elementos Finitos
PTV Princpio dos Trabalhos Virtuais
PVI Problema de Valores Iniciais
SSI-COV Mtodo de identificao modal estocstico a partir das co-varincias
SSI-DATA Mtodo de identificao estocstico em subespaos a partir sries da resposta
WCD World Commission on Dams
-
xxviii
-
1
1 INTRODUO
1.1 Justificao e enquadramento do tema
A gua um bem de interesse vital. Desde o aparecimento das primeiras grandes
civilizaes que existem preocupaes em gerir e administrar este importante recurso renovvel.
Os primeiros aproveitamentos hidrulicos, em geral de pequeno porte, tinham como finalidade o
controlo de cheias, bem como o armazenamento de gua para irrigao dos terrenos de cultivo
e/ou para abastecimento das populaes. Posteriormente comearam a ser utilizados como fonte
de energia, na moagem de cereais e azeitonas e, no final do sculo XIX, para produo de
energia elctrica. Actualmente as barragens integram empreendimentos de fins mltiplos que
permitem tambm a gesto da navegabilidade dos rios, o desenvolvimento de empreendimentos
tursticos e a promoo de actividades relacionadas com a piscicultura e a pesca.
No sculo XX, com o crescimento dos grandes centros populacionais e o consequente
aumento da necessidade de gua, iniciou-se um perodo em que se construram milhares de
barragens em todo o mundo, em particular a partir da dcada de 1940. Todavia, em face dos
impactos ambientais que a construo de grandes barragens1 implica, o debate actual sobre estas
1 De acordo com o ICOLD, classificam-se como grandes barragens aquelas que tenham mais de 15 m de altura e/ou armazenem mais de 3106 m3 de gua nas suas albufeiras. Segundo dados recentes (Lemprie, 2006), existem cerca de 50000 grandes barragens em todo mundo, das quais 600 tm mais de 100 m; 2000 tm entre 60 e 100 m;
10000 entre 30 e 60 m. Metade das grandes barragens tem menos de 20 m.
-
2
obras tem-se centrado em grande parte na definio de estratgias que permitam o seu
enquadramento no mbito das modernas polticas de desenvolvimento sustentvel.
Actualmente, organismos internacionais como o WCD (World Comission on Dams) e o
ICOLD (International Comission on Large Dams) vm promovendo o debate sobre o interesse
dos grandes empreendimentos hidroelctricos, salientando a importncia das barragens como
uma extraordinria fonte de energia renovvel, econmica e no poluente, que representa cerca
de 16% da produo mundial de electricidade (ver Figura 1.1 a). Pelo que, os novos projectos de
barragens devero ser irrepreensivelmente bem enquadrados em termos econmicos, sociais e
ambientais e as barragens existentes devem ser modernizadas, de forma a minimizar riscos,
ambientais e estruturais, e a preservar e prolongar ao mximo a sua vida til.
1973 (6 116 TWh) 2005 (18 235 TWh)
a)
b)
Figura 1.1 a) Evoluo do panorama da produo de Energia elctrica, tendo em conta o tipo de combustvel,
entre 1973 e 2005; b) barragens em construo com mais de 60 m de altura (WRI, 2003).
No caso de Portugal, em que os recursos hidrulicos ainda se encontram subaproveitados,
foi lanado recentemente o designado Programa Nacional de Barragens com Elevado Potencial
Hidroelctrico (PNBEPH), que prev a construo de cerca de uma dezena de novas grandes
barragens (PNBEPH, 2007) e o reforo de potncia em vrias obras actualmente em servio.
Mantm-se igualmente um programa de reviso das condies de segurana e explorao das
barragens existentes, no mbito do qual, entre outros objectivos, se promove o
desenvolvimento/aperfeioamento dos sistemas de observao, no sentido da automatizao das
actividades de controlo da segurana estrutural. Desta forma visa-se o desenvolvimento de
-
3
sistemas de monitorizao que permitam acompanhar e analisar em tempo real a evoluo do
comportamento estrutural das obras ao longo do tempo, recorrendo, se possvel, a mdulos
computacionais que permitam a comparao automtica das observaes com resultados de
modelos de simulao, os quais devem permitir ter em conta o efeito de eventuais processos de
deteriorao, o efeito da variao das principais aces (nvel da albufeira e temperatura) e os
efeitos associados a eventos excepcionais como grandes cheias e sismos de elevada intensidade.
Com este trabalho pretende-se precisamente contribuir para o desenvolvimento dos
sistemas de monitorizao do comportamento dinmico de barragens de beto, no apenas na
perspectiva da sua concepo, projecto e instalao em obra mas tambm na perspectiva do
desenvolvimento das metodologias de anlise e interpretao da resposta dinmica observada,
com vista sua utilizao no desenvolvimento e calibrao de modelos de previso do
comportamento, fundamentais para o controlo da segurana.
1.1.1 Utilizao de novas tecnologias no controlo de segurana de barragens
O desenvolvimento de sistemas de recolha automtica de dados (RAD), visando a medio
de grandezas para caracterizao da resposta esttica e dinmica de grandes barragens, permite
melhorar a qualidade dos resultados da observao das obras ao longo do tempo2, e,
consequentemente, permite obter resultados de grande interesse para a elaborao de modelos
numricos adequados para a anlise do comportamento estrutural das obras sob aces estticas
e sob aces dinmicas, nomeadamente sob excitao ambiente ou devida operao dos rgos
de explorao e descarga e sob aces ssmicas.
O tema central deste trabalho precisamente o desenvolvimento de um prottipo de um
sistema de monitorizao em contnuo do comportamento dinmico de grandes barragens, o qual
assenta na experincia obtida em ensaios de vibrao ambiental (Darbre, et al., 2002; Mendes, et
al., 2007; Okuma, et al., 2008), na explorao dos modernos sensores (em geral acelermetros)
utilizados para medir vibraes, nas actuais tecnologias de informao e na implementao
computacional dos mais recentes modelos de identificao modal (Peeters, 2000; Rodrigues,
2004; Cunha, et al., 2006).
Os sistemas de monitorizao do comportamento dinmico em contnuo so fundamentais
no s para melhorar a compreenso dos diversos fenmenos associados ao comportamento
dinmico destas obras, mas tambm para a compreenso dos efeitos de eventuais processos de
2 A instalao de sistemas de observao tecnologicamente evoludos para o acompanhamento de cenrios
especficos de comportamento das obras e para avaliar a sua segurana estrutural ao longo do tempo
reconhecidamente um instrumento de grande valia para o dono de obra, as autoridades de segurana de barragens e
para as reas financeira e seguradora. Atravs da explorao destes sistemas de observao, possvel prognosticar
a fiabilidade, as condies de explorao e a longevidade das obras e caracterizar o risco associado, seja ele
estrutural ou financeiro, com vantagens bvias para o planeamento estratgico tendo em conta os objectivos do
empreendimento e o investimento.
-
4
deteriorao na resposta global das obras. Assim, na prtica, estes sistemas podero contribuir
para uma maior qualidade dos projectos estruturais, para o melhoramento das tecnologias
associadas ao processo construtivo, e para a optimizao dos procedimentos de observao e
monitorizao e para o aperfeioamento das metodologias de verificao do nvel de segurana
das obras ao longo do tempo (Figura 1.2).
Figura 1.2 Evoluo dos nveis de segurana de uma obra ao longo da sua vida til. Efeito da deteriorao
evolutiva e de acidentes/incidentes (adaptado de (Oliveira, 2000)).
Estes sistemas de monitorizao do comportamento dinmico em contnuo devem permitir
a medio da resposta das obras em cenrios de incidente/acidente associados, por exemplo,
ocorrncia de sismos, cumprindo assim a regulamentao portuguesa (NOIB, 1993; RSB, 2007),
que prev, para as obras de maior risco potencial (classe I), a colocao de equipamento para
caracterizar as aces ssmicas e a correspondente resposta estrutural e ainda a eventual
realizao de ensaios dinmicos, baseados na medio de vibraes em obra (com o sistema que
se prope as vibraes passam a ser medidas em permanncia).
Este tipo de sistemas de monitorizao dinmica em contnuo corresponde, portanto, a uma
soluo inovadora, que, para alm de assegurar o cumprimento das disposies regulamentares
relativas ao comportamento sob aces ssmicas e outras aces dinmicas, pode tambm
permitir a caracterizao de eventuais processos de deteriorao evolutiva atravs da deteco de
alteraes ao longo do tempo dos parmetros modais.
1.2 Objectivos
A compreenso do comportamento estrutural de grandes barragens, sob aces estticas e
dinmicas, constitui actualmente um dos maiores desafios da engenharia de estruturas (Uchita, et
al., 2005; Chen, 2007). A complexidade da geometria destas obras, a presena de diferentes tipos
de descontinuidades, os fenmenos de interaco gua-estrutura-fundao, a influncia das
variaes do nvel da albufeira e das variaes trmicas, o desenvolvimento de eventuais
Nvelde
Segurana
t0 Construo Sismo Reparao Galgamento
Nvel de seguranamnimo aceitvel
-
5
processos de deteriorao ao longo do tempo e a possibilidade de ocorrncia de eventos
excepcionais, como o caso de grandes cheias ou de sismos intensos, tornam o controlo da
segurana estrutural de grandes barragens uma actividade que exige uma permanente
actualizao dos meios envolvidos, quer em termos de equipamentos (de medio, aquisio,
transmisso, e armazenamento de dados), quer em termos de aplicaes computacionais para
apoio ao processo de automatizao de recolha, tratamento, anlise e gesto de toda a
informao necessria ao controlo da segurana.
Neste enquadramento, foi definido como principal objectivo do presente trabalho o
desenvolvimento e a implementao de um sistema para a monitorizao em contnuo do
comportamento dinmico de barragens3 atravs do desenvolvimento de um prottipo a instalar
na maior barragem portuguesa - a barragem do Cabril (ver Figura 1.3). Com este sistema
pretende-se observar a evoluo dos principais parmetros da resposta dinmica da obra ao longo
do tempo - frequncias naturais, modos de vibrao e amortecimentos modais - bem como
registar a resposta dinmica sob aces excepcionais como o caso de aces ssmicas de
elevada intensidade ou aces associadas a grandes cheias.
Figura 1.3 Vrias fases do desenvolvimento e instalao do sistema de monitorizao em contnuo do
comportamento dinmico da barragem do Cabri
top related