Atividade

Planos plurianuais do LNEC

Caraterização experimental e modelação numérica das propriedades reológicas do betão de barragens.

A exploração dos recursos hídricos, nas suas vertentes de captação de água para abastecimento público e rega e para produção de energia, continua a ter uma grande importância nos países desenvolvidos e em vias de desenvolvimento. A esta exploração estão, em numerosos casos, associadas barragens, que muitas vezes também se destinam ao controlo de cheias. As barragens desempenham assim um papel importante na garantia da qualidade de vida das sociedades e novas estruturas têm vindo a ser construídas, principalmente nos países em vias de desenvolvimento. Destes factos surgem duas necessidades: a manutenção, reabilitação e controlo de segurança das estruturas existentes, tendo muitas delas dezenas de anos; e o desenvolvimento de soluções técnicas, produtos e processos construtivos adequados às novas exigências impostas pelas obras em projeto e construção. O trabalho a desenvolver neste projeto pretende dar resposta às principais questões sobre o comportamento do betão de barragens, nas fases de projeto, construção e exploração. Pretende-se dar um contributo na caraterização experimental, laboratorial e in situ, e na simulação numérica, usando modelos de partículas, do comportamento de provetes de betão de barragens, integral e crivado, para a determinação dos parâmetros que caracterizam as suas propriedades reológicas, por forma a compreender e quantificar as principais grandezas do âmbito da engenharia dos materiais e usá-las, à escala das estruturas, nas atividades de apoio à observação e ao controlo de segurança das obras.

Modelação termo-químico-mecânica do betão jovem

A investigação e a prática têm demonstrado que a durabilidade e a funcionalidade das estruturas de betão dependem grandemente das condições em que se processa a cura e o endurecimento do betão. Após a betonagem, inicia-se a hidratação do cimento, que se desenvolve com base numa reação química exotérmica e termoativada, o que significa que a cinética da reação é alterada em função da temperatura da massa de betão aquecida que ela própria altera.

O betão, nesta fase, sofre alterações volumétricas rápidas e complexas, devidas a fenómenos de retração autógenea e a variações de temperatura, que conduzem a um rápido aparecimento de tensões de tração no material. Simultaneamente, a resistência e a rigidez do material vão aumentando à medida que avança o processo de hidratação. Estabelece-se, assim, um desenvolvimento paralelo de tensões de tração no betão e da resistência do material, sendo necessário verificar se, em todos os instantes, as tensões de tração não ultrapassam a resistência do material, de modo a evitar o aparecimento de fendilhação.

Este fenómeno é tradicionalmente controlado na construção de estruturas maciças de betão (sapatas e maciços de encabeçamento de grandes dimensões, blocos de amarração de cabos, barragens, etc.) mediante a colocação de camadas sucessivas a um ritmo controlado, por forma a limitar as temperaturas e a minorar os efeitos de retração associados ao processo de cura e endurecimento do betão. Assim, um sistema de simulação numérica do comportamento termo-químico-mecânico do betão que contribua para a previsão e redução do risco de fendilhação prematura de betões jovens é uma ferramenta extremamente útil na tomada de decisões no processo construtivo de estruturas importantes.

No domínio específico das barragens de betão portuguesas, o estudo do comportamento do betão jovem é uma área de grande interesse, dado o número de barragens de betão de grande altura que deverão ser construídas nos próximos anos.

O estudo visa, como objetivo último, a implementação de um modelo numérico bi e tri-dimensional, baseado no método dos elementos finitos, que permita o cálculo dos campos térmicos, de hidratação e de tensões em estruturas de betão, incluindo a representação dos seguintes fenómenos:

(i) reação de hidratação do cimento (modelo termoquímico);

(ii) incremento da rigidez e da resistência como consequência da hidratação do betão e retração autógenea (modelo termoquímico e elastoplástico);

(iii) fluência (modelo termoquímico e viscoelastoplástico) e

(iv) microfissuração (modelo termoquímico e viscoelastoplástico com dano).

Deterioração e reabilitação de barragens de betão e alvenaria

Este estudo tem como objetivo contribuir para a compreensão e modelação dos processos de deterioração que ocorrem nas barragens de betão e de alvenaria, com vista à interpretação do comportamento e avaliação da segurança e à seleção e melhoria das técnicas de reabilitação.

Os objetivos específicos são:

• estudo dos processos de deterioração e envelhecimento dos materiais e das técnicas de reabilitação de barragens de betão e alvenaria;
• estudo e modelação, ao longo do tempo, da alterabilidade físico-química e da evolução das propriedades dos materiais, nomeadamente a resistência, a deformabilidade e o dano;
• estudo da influência do processo construtivo no comportamento de barragens de betão, em particular nas obras construídas com betão compactado com cilindros;
• modelação dos efeitos dos processos de deterioração, nomeadamente os devidos a reações químicas expansivas de origem interna do betão, com vista à interpretação do comportamento observado e à previsão do comportamento futuro de barragens de betão sujeitas a este tipo de patologia, bem como à avaliação da sua funcionalidade e segurança;
• observação do comportamento de obras danificadas e reabilitadas.

Modelação do comportamento e controlo de segurança de fundações de barragens de betão

O principal objetivo deste estudo é contribuir para melhorar a capacidade de análise dos dados da observação do comportamento das fundações de barragens de betão, de modo a tornar mais eficaz o controlo de segurança deste tipo de obras.

A análise do comportamento das barragens, em particular da fundação, e a avaliação da segurança ganha muito em eficácia se os resultados da observação forem confrontados com resultados de previsão obtidos por meio de modelos. Embora se disponha de modelos adequados à análise de maciços rochosos, a sua utilização na interpretação do comportamento das obras não tem sido corrente.

O estudo visa contribuir para uma maior utilização dos modelos numéricos, através da exploração e validação de programas que atualmente existem, desenvolvidos especificamente para a análise dos maciços rochosos.

Os objetivos específicos do estudo são:

•  verificação de módulos computacionais de análise mecânica e hidromecânica de maciços rochosos;
•  validação das hipóteses dos modelos por comparação com dados experimentais;
•  verificação das adequações e limitações dos modelos matemáticos;
•  desenvolvimento de metodologias de calibração dos modelos para as condições geológicas-geotécnicas de uma dada obra;
•  melhoramento do planeamento dos sistemas de observação das fundações.

Sistemas de apoio à decisão no controlo de segurança de barragens

As atividades de controlo de segurança de barragens de betão têm um caráter preventivo, com o intuito de facilitar e informar a tomada atempada de decisões de forma a evitar ou a minimizar as consequências resultantes de incidentes e de acidentes que coloquem em risco as obras e, principalmente, vidas e bens no vale a jusante.

Em particular, o controlo de segurança estrutural de barragens de betão faz parte de um processo iterativo, baseado nos seguintes grupos de atividades:

i) a observação das obras;

ii) a análise de dados e resultados da observação e a interpretação do comportamento da estrutura;

iii) a avaliação das condições de segurança e a tomada de decisões.

A atividade de monitorização envolve a definição e implementação de sistemas de observação, a realização de inspeções visuais e de ensaios de caraterização das propriedades dos materiais e a medição de grandezas físicas relevantes para a caraterização das solicitações das estruturas e das suas respostas. A análise de dados e resultados da observação e a interpretação do comportamento estrutural têm como objetivo a explicação do comportamento através do estabelecimento de relações entre as grandezas observadas e da comparação entre elas e os correspondentes valores calculados com modelos representativos desse comportamento. A avaliação das condições de segurança da obra baseia-se na análise e interpretação do comportamento, tendo em conta eventuais fenómenos de deterioração das propriedades dos materiais e a evolução previsível do comportamento. Usualmente a tomada de decisões resume-se apenas à continuação do processo de observação, mas, nos casos em que existem anomalias, pode exigir o reforço das observações, implicar restrições à exploração do aproveitamento ou a realização de trabalhos de reabilitação que melhorem as suas condições de segurança, ou, nos casos extremos em que não é possível evitar a ocorrência de um acidente, o alerta das autoridades de proteção civil de modo a minimizar as perdas de vidas e de bens a jusante.

Neste contexto, duas linhas de atuação têm-se revelado da maior importância:

i) o desenvolvimento de metodologias para a observação de obras com sistemas de recolha automática de dados (RAD), incluindo a definição e a implementação, bem como a realização de testes e a exploração de instrumentos específicos que permitem a realização de campanhas de observação de uma forma praticamente contínua; e

ii) o desenvolvimento de sistemas de informação preparados para o arquivo e processamento automático de volumes de informação importantes e que possam, em função das grandezas observadas, emitir alertas automáticos.