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This paper aims at compiling the most relevant information concerning the use of cement-based mortars and concretes in the rehabilitation, retrofitting, and strengthening of hydraulic structures, namely concrete dams. The most important properties of cementbased mortars and concretes as repair materials are addressed, with a special focus on its compatibility with the concrete substrate. After a brief allusion to generic preparatory works, some of the most common practices are described. The main topics are mortar and concrete toppings, i.e., patches and overlays and thickening of the dam section. Among overlays, shotcrete and underwater works are addressed in detail. Littlerock, Oberems, and Storfinnforsen dam interventions are briefly described as successful rehabilitations involving the shotcrete method, whereas the Albbruck-Dogern dam intervention is given as an example of effective underwater repair works. As for dam section modifications, Kölnbrein, Olef, and Sasanagare dams are presented as conventional mass concrete placements within rehabilitation operations, while Les Toules, Gibraltar, Santa Cruz, and Littlerock dams are references for roller compacted concrete strengthening.

Injecting discontinuities is a recurrent procedure for the rehabilitation of concrete hydraulicstructures, namely repairing cracked dam bodies and deteriorated lift and contraction joints.Within this scope, a relatively detailed description of the most important cement injectiongrouts features is presented, including the main advantages and drawbacks compared toalternatives. The cement-based grouts are among the most utilised materials in these contexts.Economic and environmental related aspects are among the main advantages ofcement-based grouts, although some technical features of these grouting materials are alsofavourable. The equipment utilised for the preparation and for the application of cementitiousgrouts is also mentioned. This document also addresses aspects related to the assessment ofconcrete dams

Evaluation of the sliding stability of concrete dams requires the use of numerical tools notonly able to simulate the coupled hydromechanical behavior but also able to adequately represent thefoundation discontinuities and the specific features of dam foundations. The formulation of a threedimensional (3D) small displacement finite element model based on interface elements to simulatethe discontinuities is presented. In this model, the hydraulic behavior is simulated assuming that thewater flow occurs only along channels located at the edges of the triangular interface elements thatsimulate the discontinuities. The model is used to perform coupled hydromechanical analysis of alarge arch-gravity dam and to assess safety against dam base sliding, assuming different constitutivemodels at the dam/foundation interface and two different approaches: (i) strength reduction methodand (ii) amplification of the hydrostatic pressure, assuming an increase in the reservoir level. Thepresent study shows that consistent results are obtained with the proposed numerical model andthat stability analysis should preferably be carried out using the method of increasing the hydrostaticpressure and the corresponding uplift pressures, as this methodology leads to significantly lowersafety factors.

The main aim of structural safety control is the multiple assessments of the expected dam behaviour based on models and the measurements and parameters that characterise the dam’s response and condition. In recent years, there is an increase in the use of data-based models for the analysis and interpretation of the structural behaviour of dams. Multiple Linear Regression is the conventional, widely used approach in dam engineering, although interesting results have been published based on machine learning algorithms such as artificial neural networks, support vector machines, random forest, and boosted regression trees. However, these models need to be carefully developed and properly assessed before their application in practice. This is even more relevant when an increase in users of machine learning models is expected. For this reason, this paper presents extensive work regarding the verification and validation of data-based models for the analysis and interpretation of observed dam’s behaviour. This is presented by means of the development of several machine learning models to interpret horizontal displacements in an arch dam in operation. Several validation techniques are applied, including historical data validation, sensitivity analysis, and predictive validation. The results are discussed and conclusions are drawn regarding the practical application of data-based models.

Some successful rehabilitation schemes involving the use of cement-based grouts for the repair of cracks in concrete dams are described. The author reviews the advantages and drawbacks of using cement-based materials in the context of the four main types of concrete dams (gravity, buttress, arch and multiple arch-buttress structures). These and other successful case studies can serve as guidance for future rehabilitation schemes.

The lifetime of a geothermal well is strongly dependent on the long-term performance of the cement used for its construction. The critical zones in well cements are the outermost layers, where the cement encounters either the steel casing or the rock formation. The current paper presents a study of the changes in the interfacial transition zone that forms between geothermal cements and volcanic rocks, after hydrothermal treatment at 290°C. Cement slurries were poured into cavities drilled into ignimbrite blocks and allowed to set at 90°C. The assemblages were autoclaved under typical geothermal conditions, both with and without a carbon dioxide overpressure at 290°C. The addition of silica to the cement dictates the phases that form in cement. When exposed to carbon dioxide, these calcium silicate hydrate phases carbonate, at distinct carbonation rates. The rate at which these phases form and/or carbonate affects the reaction extent of the cement with the rock and, eventually, the cement durability.

The limited durability of the cement in acidic fluids is one of the main issues controlling the lifetime of a geothermal well. The most critical region is the outermost layer of the cement adjacent to the formation.This paper provides insight into the way in which well cementing formulations interact with a common rock formation in geothermal environments, at 150

Detailed models of concrete mesostructure can be used to understand the interactions between its components and predict complex deterioration scenarios. The discrete or distinct element method (DEM) is currently being used for modeling the fracture process of quasibrittle materials, such as rock and concrete. An explicit formulation of a DEM contact model that includes aging viscoelastic behavior based on the solidification theory is proposed, allowing the DEM particle model to be applied to delayed concrete analysis. Because of thetimestep constraints of the DEM, a fast numerical procedure for the analysis of long-term aging viscoelastic behavior of concrete is also proposed. A calibration procedure for the aging viscoelastic contact model parameters is presented, including new expressions for the delayed deformability macro properties. The presented validation tests using a one-contact particle assembly show good agreement between the fast numerical procedure, the fully explicit DEM procedure with small timestep, and the creep compliance analytical solution. The contact aging model validation tests using larger regular and random particle assemblies show that the fast numerical procedure significantly reduces the computational costs by introducing large timesteps in which the solution is computed while giving the same accuracy as the fully explicit procedure. The DEM aging concrete model is validated using a B3 model fit to Ward et al.

Temperature plays a significant part in the cracking phenomenon of mass concrete structures, and thereforethermal analysis is of major importance, especially during construction, due to the heat of hydration of thecement. A transient coupled 3D finite element analysis of the thermal behaviour of Alqueva dam during con-struction is presented in this paper. The method used for the thermal analysis is described in detail, along with the simulation of the different actions. The thermal state of the dam is affected not only by climatic actions but also by concrete

The rock type plays a key role in the way in which the outermost layer of the cement interacts with the formation, in wells under geothermal environments. The penetration of cement into the rock is controlled by the porosity of the rock which also regulates the amount of CO2 enriched brine that can contact the cement.Samples were prepared by drilling holes into rock blocks, pouring in a cement slurry and hydrothermally treating the whole assembly at 150 °C under typical geothermal environments. The changes in the interfacialtransition zone (ITZ) that forms between geothermal cements and volcanic rocks were examined.Both porosity and the volcanic glass content of the rock have a considerable impact on the way in which thecement and the formation interact and, ultimately, affect the bond between these materials. The porosity has a major influence on the durability of the cement in carbonated brine.

This paper presents the main characteristics of the automated monitoring system of Feiticeiro damand addresses a proposal for the definition of thresholds for the physical quantities measured throughthe use of an automated data acquisition systems (ADAS) for concrete dams.Feiticeiro is 45m high concrete gravity dam, designed, constructed and explored by EDP, located inPortugal in Sabor river (a tributary of Douro river).The defined thresholds for the physical quantities will be linked to an Internal Early Warning ControlSystem (IEWCS) of the dam, allowing the early identification and notification of potential abnormalsituations to the entities responsible for the dam safety.In operation since August 2016, the ADAS of the Feiticeiro dam defined by EDP allows themeasurement of several quantities used for the safety control, analysis and interpretation of the dambehaviour, such as: horizontal and vertical displacements, movements of joints, strain, uplift pressure,foundation displacements, seepage, concrete and air temperatures, and reservoir water level, amongothers.The measurements, obtained through the use of the ADAS developed and installed by ProintegaIngeneria, are sent to the gestBarragens system

The Fagilde dam is affected by concrete swelling reactions, of the ISR type, which induced serious damage in the dam

The concrete arch dam proposed for the 14th International Benchmark Workshop on Numerical Analysis (theme A) was numerically studied using computational codes purposely developed by the authors for dam analysis. Given that the codes use 2nd order 20-node brick elements, the concrete arch dam finite element mesh given as input by the organizing committee had to be adapted. The arch dam geometry follows closely the given input node coordinates. In order to ease the generation process, the foundation finite element mesh was totally redefined. The thermal analysis was done using a transient analysis model. A linear mechanical analysis including the gravity load, the hydrostatic pressure and the extreme temperature variations resulting from the thermal analysis was carried out. Then, a nonlinear model was considered at the dam/foundation interface in order to better simulate its behaviour, given that the arch dam is excavated into the rock where the support is made to act like a hinge. Finally, a nonlinear finite element analysis was carried out with a two scalar damage model at the brick finite elements representing the arch dam body. In this latter nonlinear analysis, a smeared reinforcement model was adopted at the upstream and downstream arch dam faces, following a linear elastic model. A discrete crack model was also analysed. Results of both thermal and mechanical analyses are presented and discussed.

Neste trabalho apresenta-se a aplicação de um modelo hidromecânico em pequenos deslocamentos desenvolvido para análise de fundações de barragens de betão. O modelo baseia-se numa formulação de elementos finitos de interface e requer um esquema de pré-processamento robusto, de modo a garantir que os contactos entre os diversos blocos que representam o maciço rochoso de fundação e a barragem são somente aresta/aresta. A parte mecânica do modelo permite uma representação rigorosa da distribuição de tensões ao longo das juntas, representadas por elementos de interface, e é perfeitamente compatível com a parte hidráulica. Apresentam-se os resultados da análise de estabilidade de um perfil gravidade sob ações estáticas e dinâmicas. Os resultados são comparados com os obtidos com um modelo em grandes deslocamentos. Conclui-se que é possível avaliar a segurança ao deslizamento de barragens gravidade recorrendo a modelos de interação em pequenos deslocamentos.

The safety control of large concrete dams, involving monitoring data and numerical modelling, is an important challenge being faced by all stakeholders involved in the exploration and safety of these structures with high social and economic value. In this context, the main concern is the detection of possible malfunctions as early as possible so as to ensure the real-time assessment of the structural behaviour under operation conditions. The structural response observed in large concrete dams is generated by the combination of the effects imposed mainly by the hydrostatic loading and by the temperature variations. Theassessment of the observed structural responses, like displacements, is usually performed through its comparison with values obtained by statistical models, also known as quantitative interpretation models, or by numerical models, composed of finite elements or other. The purpose of the research work presented herein is the development of a new methodology, coupled with a computational application, capable of properly assessing the structural behaviour of large concrete dams. This methodology is based on computing quantitative interpretation models and wavelet transforms from monitoring data obtained on site and in relating this type of information, extracted from variables related to the actions

Apresenta-se, nesta primeira parte do estudo de avaliação dos efeitos do processo de deterioração do betão da barragem de Fagilde, a caracterização do estado atual da obra, considerando os resultados de ensaios laboratoriais (petrográficos, químicos e físicos) para avaliação do processo expansivo e afetação das propriedades do betão, os resultados do levantamento da fendilhação efetuada em 2004 e os resultados fornecidos pelo sistema de observação no que respeita às principais ações e efeitos estruturais e hidráulicos. Trata-se de uma barragem construída entre 1982 e 1983, cujo betão está sujeito a um processo de deterioração devido ao desenvolvimento de reações expansivas, que já alcançou deformações irreversíveis de valor muito significativo. O primeiro registo da existência de um número significativo de fendas foi feito na inspeção anual de janeiro de 2001, contudo os resultados da observação já indiciavam a existência de um processo de deterioração do betão pela ocorrência de deslocamentos horizontais progressivos para montante e de empolamento do coroamento.Na segunda parte do presente estudo apresenta-se a análise e interpretação dos deslocamentos observados ao longo do tempo, com vista à obtenção de estimativas das deformações estruturais induzidas pelo processo expansivo do betão, e tecem-se algumas considerações sobre as medidas futuras de mitigação desta patologia.

Na segunda parte do estudo de avaliação dos efeitos do processo de deterioração do betão da barragem de Fagilde apresentam-se os resultados da análise do comportamento, considerando a utilização de um modelo estatístico de interpretação quantitativa dos deslocamentos observados. Apresentam-se as funções adotadas para representar as respostas estruturais e faz-se a análise dos resultados da monitorização contínua da obra entre 1985 e 2015, por métodos geodésicos. Avalia-se o estado atual do processo de deterioração nos diferentes elementos de obra, bem como a velocidade com que se processou. Estimam-se os efeitos acumulados das expansões, indicam-se as atuais taxas anuais de expansão nos diferentes elementos e apresentam-se recomendações para mitigar o desenvolvimento do processo de deterioração do betão.

As grandes infraestruturas de engenharia civil, como são as pontes e as barragens de betão, têm um grande valor monetário e estratégico para o país. No caso das barragens, importa referir que uma das diretrizes da política energética nacional e comunitária reside no aproveitamento dos recursos endógenos, nomeadamente através das energias renováveis e não poluentes. O valor deste tipo de obras e as potenciais consequências associadas a possíveis danos estruturais está na origem da grande importância que é dada ao controlo da segurança estrutural nas suas três vertentes de atuação: i) observação do comportamento, ii) análise e interpretação do comportamento observado e iii) tomada de decisões para evitar ou minimizar as consequências resultantes de um eventual acidente ou incidente. A evolução e o desenvolvimento de sistemas de monitorização da integridade estrutural possibilitam o acompanhamento preciso da resposta estrutural, devido às condições de carga a que está sujeita e em tempo real, e a detecção (localização e natureza) de danos na estrutura. Em diversas áreas da engenharia, incluindo a mecânica e a aeroespacial, tem havido uma intensa investigação para o desenvolvimento de algoritmos de detecção de dano com base na alteração do comportamento dinâmico da estrutura. Neste âmbito, as transformadas wavelet têm vindo a ganhar relevância e demostrado a sua aplicabilidade em diversas aplicações de engenharia, sendo notória a capacidade de superar muitas das limitações existentes nas Transformadas de Fourier, já que permitem a obtenção de informação no domínio da frequência e do tempo. A análise do comportamento dinâmico é usualmente efetuado no domínio das altas frequências, havendo um reduzido número de referências de aplicação no domínio das baixas frequências. O presente trabalho pretende ilustrar as potencialidades das transformadas wavelet na caraterização e na análise de deslocamentos observados no fio de prumo de uma barragem de betão (Fig. 1a e 1b), no domínio das baixas frequências. Nas barragens de betão, as ações mais importantes são as gravíticas (pesos próprios) e as que se relacionam com as variações do nível da água a montante e a jusante, e com as variações de temperatura do ar e da água, entre outras, Fig. 1c. As ações devidas à temperatura do ar podem ser aproximadas por funções periódicas de períodos anual e diário. No que diz respeito aos deslocamentos observados na estrutura, uma componente da resposta estrutural é normalmente proporcional à ação térmica a que está sujeita, se a obra apresentar um comportamento que cumpra os critérios de segurança. A metodologia desenvolvida no âmbito deste trabalho tem como objetivo a caraterização do comportamento observado através do recurso a modelos de interpretação quantitativa (IQ) e de transformadas wavelets. Os modelos IQ são amplamente utilizados na engenharia de barragens, existindo uma vasta bibliografia sobre este tipo de modelos. A utilização mais popular dos modelos IQ permite a caraterização do efeito hidrostático, do efeito térmico devido à onda térmica anual, e dos outros efeitos não reversíveis que são função do tempo de vida da obra. Existe sempre uma parcela, designada de resíduos, que contém a parte da observação que não é explicada pelo modelo IQ. A proposta de valor que apresentamos consiste na caracterização do efeito da variação da temperatura diária através da aplicação de transformadas wavelets sobre os resíduos do modelo IQ.

Esta comunicação apresenta os principais resultados obtidos na verificação do funcionamento de dispositivos de resistência elétrica tipo Carlson, aplicados em barragens de betão, utilizando uma prensa desenvolvida para esse efeito em 2012. A prensa permite a imposição de incrementos de deslocamentos aos dispositivos de resistência elétrica (extensómetros e medidores de movimentos de junta), de alongamento e encurtamento, que são comparados com os resultados obtidos através das leituras numa unidade específica que converte as variações de resistência em extensões e deslocamentos relativos. Para além de verificar o funcionamento e linearidade da resposta dos dispositivos em gamas pré-definidas de extensão e deslocamento, comparam-se também, sistematicamente, as constantes características dos dispositivos (as de fabrico e as obtidas na verificação).A prensa tem sido utilizada desde 2012 na verificação dos dispositivos aplicados em quatro novas grandes barragens de betão, tendo-se obtido resultados excelentes em centenas de dispositivos testados.

A presente comunicação descreve as características gerais das instalações experimentais in situ para a determinação da deformabilidade do betão de barragens, habitualmente designadas por células de fluência, e os melhoramentos realizados nos últimos anos no seu projeto e instalação.As células de fluência são provetes de betão embebidos no corpo das barragens para a execução de ensaios de determinação do módulo de elasticidade ao longo do tempo e da função de fluência nas condições termo-higrométricas da obra.Nos últimos anos têm sido feitos vários desenvolvimentos no projeto e instalação deste tipo de dispositivos, com aplicação nas barragens do Baixo Sabor, em 2012, Ribeiradio, em 2013, e Foz Tua, em 2014.

Nowadays, organizations are embracing digital transformation, investingin the integration of information and communication technology (ICT) toolsand solutions. Advanced ICT technologies converge with operations technologies(OT), allowing machines, processes, employees, and products to be part ofa single data framework, from data collection to analysis, interpretation, and assessment,which are the foundation for informed decision-making. Industry 4.0takes advantage of emergent ICT to make the right decisions, at the right time,optimizing processes, minimizing risks and improving value chains. The mainaim of the structural safety assessment and control of critical infrastructures, suchas dams and bridges, is to protect people, property and the environment fromharmful effects of failure or misoperation of infrastructures. This goal is achievedthrough Structural Health Monitoring and Control (SHMC) activities to monitorand track the life-cycle of critical infrastructures in such a way that it can providesufficient information for long- and short-term decisions regarding structuralsafety assessment. The objective of this work is to present a reflection of the impactof the industry 4.0 trends on the structural safety assessment of critical infrastructuresand, more specifically, to understand the level of maturity and toshow how the leveraging of enabling technologies such as augmented reality,Internet of Things (IoT), additive manufacturing, cloud computing, big data andanalytics are impacting the SHMC activities on critical infrastructures, which aretraditional cyber-physical systems with complex sensor networks used to assessand control structural safety and health.

As atividades de controlo de segurança de barragens de betão têm um caráter preventivo, com o intuito de facilitar a tomada de decisões de forma atempada para evitar ou minimizar as consequências resultantes de um acidente ou incidente de uma barragem. No controlo de segurança de barragens com sistemas de monitorização automática, a análise de uma grande quantidade de dados ainda pode tornar-se uma tarefa difícil. Por um lado, pretende-se garantir o controlo de segurança, em tempo real, mas, por outro lado, a capacidade humana de processar a informação de dados é limitado. No entanto, os desenvolvimentos tecnológicos em termos de capacidade de processamento de informação têm permitido o desenvolvimento de ferramentas para a análise de grandes quantidades de dados. A necessidade de rever os procedimentos de análise de dados adequados para a extração de informação tornou-se um aspeto importante para a tomada de decisão em tempo útil. Por estas razões, é fundamental proporcionar às entidades responsáveis pela segurança das barragens um sistema de apoio à gestão da informação que facilite o acesso aos dados, a interpretação da informação e a tomada de decisão, de forma atempada. Neste contexto, o principal objetivo desta dissertação é a definição de metodologias para: i) melhorar a qualidade das grandezas medidas pelo sistema recolha automática de dados, através da implementação de procedimentos para o controlo da sua qualidade e para a validação dos resultados, tendo em conta a incerteza de medição dos sistemas de medição; ii) melhorar os procedimentos relacionadas com a análise de dados e a sua interpretação, através de uma abordagem baseada nos dados da observação, a fim de apoiar a decisão de quais as grandezas que devem ser incluídas na sistemas de recolha automática de dados, quantificar o efeito da onda térmica diária na resposta da estrutura e reconhecer padrões de comportamento da barragem; iii) a definição de avisos relacionados com a identificação de comportamento anómalo, e de potenciais cenários de rotura. A aplicação das metodologias propostas num sistema de apoio à gestão da informação será um passo sólido para a melhoria dos processos de controlo de segurança em tempo real.

Apresenta-se um estudo sobre o comportamento de fundações de barragens de betão na fase de exploração normal das obras desenvolvido com o objectivo de validar e fundamentar a aplicação de modelos numéricos de análise do comportamento hidromecânico de maciços rochosos, tendo em vista generalizar a sua utilização e tornar mais eficaz a observação e controlo de segurança destas obras. Foi estudada a representação em modelos numéricos da cortina de impermeabilização e do sistema de drenagem e das condições geológico-geotécnicas concretas das zonas de fundação analisadas, tendo em conta, nomeadamente, os problemas computacionais associados a modelos tridimensionais. Foram realizados ensaios de afluência de água em duas grandes barragens portuguesas, uma gravidade e uma abóbada, que se verificou serem fundamentais para caracterizar o escoamento no maciço, complementando a informação obtida com o sistema de observação. Desenvolveram-se modelos hidráulicos e hidromecânicos do comportamento das fundações destas barragens, que no caso da barragem gravidade foram utilizados no estudo de cenários de rotura. Apresentam-se conclusões sobre a adequação e limitação dos modelos numéricos utilizados, sobre os parâmetros essenciais para calibrar e aplicar esses modelos, e propõem-se métodos de planeamento e utilização dos sistemas de observação de fundações de barragens, de modo a melhorar o controlo de segurança.

O presente trabalho pretende contribuir para o aperfeiçoamento dos modelospara análise do comportamento de barragens de betão ao longo do tempo, submetidasa processos expansivos devidos a reacções químicas de origem interna. Odesenvolvimento destas reacções expansivas, determinado pela composição do betãoe influenciado pelos campos térmico, higrométrico e de tensões, pode provocarfissuração e contribuir para a deterioração precoce das obras.O trabalho aborda, na parte inicial, a fenomenologia dos processos expansivos,salientando-se os factores de natureza física e química que mais os influenciam. Deseguida apresentam-se os aspectos relacionados com a identificação e acaracterização das reacções expansivas, no que respeita às evidências físicas e aosseus efeitos estruturais. Analisam-se, entre outras obras, as barragens portuguesasafectadas por esta patologia.A influência dos factores que regulam o desenvolvimento do processoexpansivo (composição do betão, temperatura, humidade e estado de tensão) équantificada com base num modelo de interacção químico-mecânico, permitindo umaestimativa das expansões à escala das obras de engenharia. Este modelo foiintegrado num código computacional de elementos finitos que considera ocomportamento diferido do betão, através de um modelo viscoelástico com maturação,e o surgimento e propagação da fendilhação, por meio de uma formulação de dano.Utiliza-se uma técnica incremental na discretização das acções que permite simular aevolução do comportamento ao longo do tempo, tendo em conta os fenómenosdiferidos e o progressivo desenvolvimento da fissuração.Apresentam-se dois estudos de aplicação a barragens portuguesas afectadaspor processos expansivos. O primeiro estudo refere-se à barragem de Santa Luzia,uma abóbada construída entre 1939 e 1943, em que a magnitude das expansões émoderada. O segundo estudo reporta-se à barragem de Pracana, uma obra decontrafortes cuja albufeira foi mantida vazia durante mais de uma década após trintaanos de exploração, devido à fendilhação generalizada da sua estrutura provocada porgrandes expansões diferenciais, que depois foi reabilitada, encontrando-se desdeentão em exploração normal há cerca de quinze anos. Os resultados destes estudosdemonstram o interesse e as potencialidades das metodologias desenvolvidas naquantificação do processo expansivo, na interpretação do comportamento observado ena avaliação das condições de segurança das obras.

This work deals with the estimation of the parameters of mixtures of beta variables. The work is organized in four main sections preceded by an introduction and succeeded by conclusions. The second section summarizes the properties of the beta distribution and describes two methods to estimate its parameters from observed samples, the method of moments and the maximum likelihood method. The third section presents the general concept of a mixture of random variables, presents the likelihood function of a sample of a beta mixture, finally, describes the EMA