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A Review on Cement-Based Materials and Practices for Rehabilitation, Retrofitting, and Strengthening of Hydraulic Structures
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.
Ano: 2022
Autor(es): Silva, J.; Serra, C.
Revista: Practice Periodical on Structural Design and Construction
Editor: ASCE
Volume:
Volume 27 / Issue 3.
Keywords: Concrete; Mortar; Strengthening; Retroffiting; Rehabilitation; Concrete dams
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Injection of discontinuities in concrete dams with cement-based grouts
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
Ano: 2022
Número Páginas:
252-264pp..
Autor(es): Serra, C.; Conde Silva, J.
Revista: Journal of Structural Integrity and Maintenance
Editor: Taylor & Francis
Volume:
VOL. 7, NO. 4.
Keywords: Grouting; Cement; Rehabilitation; Maintenance; Hydraulic structures
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Sliding stability assessmento of concrete dams using a 3D discontinuum hydromechanical model following a discrete crack approach
Evaluation of the sliding stability of concrete dams requires the use of numerical tools not only able to simulate the coupled hydromechanical behavior but also able to adequately represent the foundation discontinuities and the specific features of dam foundations. The formulation of a threedimensional (3D) small displacement finite element model based on interface elements to simulate the discontinuities is presented. In this model, the hydraulic behavior is simulated assuming that the water flow occurs only along channels located at the edges of the triangular interface elements that simulate the discontinuities. The model is used to perform coupled hydromechanical analysis of a large arch-gravity dam and to assess safety against dam base sliding, assuming different constitutive models at the dam/foundation interface and two different approaches: (i) strength reduction method and (ii) amplification of the hydrostatic pressure, assuming an increase in the reservoir level. The present study shows that consistent results are obtained with the proposed numerical model and that stability analysis should preferably be carried out using the method of increasing the hydrostatic pressure and the corresponding uplift pressures, as this methodology leads to significantly lower safety factors.
Ano: 2022
Autor(es): Braga Farinha, M. L.; Azevedo, N.; Leitão, N. S.; Rocha de Almeida, J.; Oliveira, S.
Revista: Geotechnics
Editor: MDPI
Volume:
2(1).
Keywords: sliding stability; softening; three-dimensional numerical modeling; hydromechanical behavior; rock foundations; concrete dam foundations
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Validation of Machine Learning Models for Structural Dam Behaviour Interpretation and Prediction
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 dams 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 dams 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.
Ano: 2021
Número Páginas:
27.
Autor(es): Mata, J.; Salazar, F.; Barateiro, J.; Antunes, A.
Revista: Soft Computing and Machine Learning in Dam Engineering
Editor: MDPI
Volume:
13.
Keywords: Model validation; Sensitivity analysis; Structural behaviour; Machine learning methods; Concrete dam
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Repairing concrete dams with cement-based grouts: Case histories
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.
Ano: 2019
Número Páginas:
50-54pp..
Autor(es): Silva, J.
Revista: The International Journal on Hydropower & Dams
Editor: Aqua Media International
Volume:
Issue 5.
Keywords: Cement-based grouts; Crack repair; Concrete dams; Rehabilitation of dams
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Cement/rock interaction in geothermal wells. The effect of silica addition to the cement and the impact of CO2 enriched brine
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?°C in brine, with and without CO2 exposure. The results show that chemical reactions occur in the ITZ, which are driven by Ca2+ and OH? migration from the cement into the rock, which are dependent on the type and amount of silica added to the cement. The presence of CO2 influences the extent of cement/rock interaction which is dependent on the cement formulation. The current work indicates that the carbonation in these systems is a very complex set of reactions, where poorly crystalline and amorphous calcium carbonates may form.
Ano: 2018
Número Páginas:
16-31pp..
Autor(es): Silva, J.
Revista: Geothermics
Editor: Elsevier
Volume:
Volume 73.
Keywords: Well cement; Cement paste; Carbonation; Interfacial transition zone; Temperature
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Cementrock interaction in geothermal wells at high temperatures
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.
Ano: 2018
Número Páginas:
15p.
Autor(es): Silva, J.
Revista: Advances in Cement Research
Editor: ICE Publishing
Volume:
Volume 31, Issue 5.
Keywords: Well cements; Temperature; Hydrothermal conditions
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FEA model for the simulation of the hydration process and temperature evolution during the concreting of an arch dam
Temperature plays a significant part in the cracking phenomenon of mass concrete structures, and therefore thermal analysis is of major importance, especially during construction, due to the heat of hydration of the cement. 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 concretes constituent materials and by the construction methods. The chemo-thermal problem is solved using a heat transfer model. An exponential function was calibrated taking into account the heat of hydration of the cement at 3, 7 and 28 days and the function obtained was then used to establish the chemical affinity relationship. The temperatures predicted using the numerical model are compared with the actual temperatures recorded in situ. Despite the uncertainties characteristic of this type of problem, results lead to the conclusion that the methodology applied in this paper can be effectively used for the chemo-thermal analysis of concrete arch dams, which is particularly relevant during the construction phase.
Ano: 2018
Número Páginas:
165177pp.
Autor(es): Santos, E.; Leitão, N. S.; Tiago, C.; Braga Farinha, M. L.
Revista: Engineering Structures
Editor: ELSEVIER
Volume:
174.
Keywords: Solar radiation; Construction phase; Hydration heat; Concrete arch dam; Finite element chemo-thermal analysis
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The effect of the rock type on the degradation of well cements in CO2 enriched geothermal environments
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 interfacial transition 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 the cement 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.
Ano: 2018
Número Páginas:
235-248pp..
Autor(es): Silva, J.
Revista: Geothermics
Editor: Elsevier
Volume:
75.
Keywords: Carbon dioxide; Interfacial transition zone; Volcanic rock; Geothermal cement
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Prediction of dam concrete compressive and splitting tensile strength based on wet-screened concrete test results
The mechanical property characterization of dam concrete is a challenging task mainly due to the use of large aggregate sizes. The properties of dam concrete are often evaluated from wet-screened concrete tests using standard specimen sizes. A physically-based relationship between dam concrete and wet-screened concrete strength properties is currently unavailable. A prediction methodology is proposed which can be used to obtain the compressive and the splitting tensile strength of dam concrete by taking into account the wet-screened strength results, the effect of the specimen dimensions and the effect of the maximum size of aggregate. The predicted results are compared with test results available in the literature and with test results recently obtained during the construction of the Baixo Sabor dam. It is shown that the proposed prediction tool can be used to obtain accurate estimates of dam concrete strength.
Ano: 2017
Número Páginas:
10p.
Autor(es): Serra, C.; Batista, A. L.; Azevedo, N.; Custódio, J.
Revista: Journal of Materials for Civil Engineering
Editor: American Society of Civil Engineers
Volume:
vol. 29 ; nº10.
Keywords: Extended Abrams law; Size effect; Splitting tensile strength; Compressive strength; Wet-screened concrete; Dam concrete
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Análise e interpretação do comportamento observado da barragem de Rebordelo durante o primeiro enchimento da albufeira e primeiro período de exploração
Apresentam-se os aspetos relevantes da análise e interpretação do comportamento observado da barragem de Rebordelo, no rio Rabaçal, em Trás-os-Montes, durante o primeiro enchimento controlado da albufeira, ocorrido no início de 2005, e nos primeiros anos de exploração, com base na observação das ações e das respostas, bem como na utilização de modelos matemáticos para resolução dos problemas térmico e estrutural. Nas análises térmica e estrutural consideraram-se: i) um modelo tridimensional da barragem e do maciço rochoso de fundação, resolvido pelo método dos elementos finitos; ii) o comportamento viscoelástico do betão; e iii) a variação das ações da água sobre o paramento de montante e das ações térmicas no corpo da barragem. As grandezas observadas e os resultados numéricos apresentaram uma boa concordância, atestando a adequabilidade dos modelos de comportamento utilizados e o bom desempenho da obra.
Ano: 2014
Número Páginas:
16p.
Autor(es): Batista, A. L.; Pereira, R.; Serra, C.
Keywords: Análise estrutural; Análise térmica; Observação; Método dos elementos finitos; Comportamento viscoelástico do betão; Primeiro período de exploração; Primeiro enchimento da albufeira; Barragem de betão
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Análise integrada dos resultados dos ensaios de deformabilidade do betão de grandes barragens portuguesas
A caracterização das propriedades dos materiais estruturais através de ensaios é prática corrente em obras onde as deformações e tensões são elevadas, como pontes de grande vão, centrais nucleares, edifícios altos e grandes barragens. Neste trabalho apresentam-se alguns estudos de avaliação da correlação entre a composição e as propriedades de deformabilidade dos betões integral e crivado utilizados na construção de barragens. Para isso compilaram-se os elementos relativos à composição e aos principais resultados dos ensaios de deformabilidade do betão de diversas barragens portuguesas, efetuados pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil desde 1951. Foi possível estabelecer correlações entre alguns dados de composição e os resultados experimentais e entre os coeficientes de fluência do betão crivado e do betão integral, considerando os resultados dos ensaios realizados em laboratório e in situ.
Ano: 2014
Número Páginas:
16p.
Autor(es): Serra, C.; Batista, A. L.; Azevedo, N.
Keywords: Correlação entre propriedades mecânicas; Ensaios in situ e em laboratório; Deformabilidade do betão; Betão de barragens
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Avaliação das medições dos sistemas de recolha automática de dados de barragens de betão em Portugal
No âmbito da automatização das atividades relacionadas com o controlo de segurança de grandes barragens de betão, o LNEC promoveu, em 2004, o desenvolvimento do sistema GestBarragens1. Tendo em conta a confiança adquirida ao longo de várias décadas nos instrumentos de recolha manual, cujo funcionamento se baseia em princípios físicos relativamente simples, a validação das medições efetuadas com os sistemas de recolha automática de dados (RAD) tem-se baseado na comparação das suas medições com as efetuadas com instrumentos de recolha manual instalados em paralelo. Atualmente essa comparação pode ser efetuada, considerando longos períodos de tempo, a partir dos registos existentes na base de dados do sistema GestBarragens e tirando partido de funcionalidades específicas implementadas neste sistema.
Ano: 2014
Número Páginas:
14p.
Autor(es): Tavares de Castro, A.; Mata, J.
Editor: Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas 2014
Keywords: Avaliação de medições.; Recolha automática de dados; Monitorização; Barragens de betão
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Estudos de avaliação da deformabilidade do betão da barragem de montante do Baixo Sabor
Os estudos de caracterização da deformabilidade dos materiais estruturais através de ensaios são prática corrente em grandes barragens. A caracterização do comportamento do betão em condições in situ, através de ensaios em células de fluência, pode ajudar na interpretação dos resultados obtidos em laboratório, para melhorar o conhecimento das propriedades do betão em condições de obra e a interpretação do comportamento observado das estruturas. Neste trabalho apresentam-se as técnicas de ensaio utilizadas na avaliação da deformabilidade do betão da barragem de montante do Baixo Sabor, dando especial relevo aos ensaios de fluência in situ, realizados em células de fluência instaladas no corpo da obra. O plano de ensaios incluiu a determinação do módulo de elasticidade em várias idades e das extensões de fluência do betão crivado, em laboratório, e do betão integral e do betão crivado, in situ. Procedeu-se ainda à análise dos resultados obtidos e a um ajuste preliminar da função de fluência de Baant e Panula.
Ano: 2014
Número Páginas:
16p.
Autor(es): Serra, C.; Batista, A. L.; Azevedo, N.
Keywords: Função de fluência; Barragem de montante do baixo sabor; Ensaios in situ e em laboratório; Deformabilidade do betão; Betão de barragens
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Estudos de repetibilidade e reprodutibilidade na análise do sistema de observação da barragem do Alto Lindoso
O sistema de observação de uma barragem de betão inclui o conjunto de dispositivos instalados para medição das grandezas selecionadas para o controlo de segurança da obra. Ao resultado da medição de uma grandeza, produto final de todo um processo experimental e analítico para a obtenção de um valor atribuível a essa grandeza, está sempre associado um grau de incerteza dependente de diversos fatores (instrumentos, operadores, meio ambiente, etc.). Neste trabalho apresenta-se uma metodologia que visa obter uma indicação acerca da qualidade dos resultados fornecidos por um sistema de observação, tendo-se adotado como exemplo a medição de deslocamentos radiais em bases de fios de prumo da barragem do Alto Lindoso.
Ano: 2014
Número Páginas:
16p.
Autor(es): Mata, J.; Tavares de Castro, A.
Editor: Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas 2014
Keywords: Reprodutibilidade.; Repetibilidade; Incerteza de medição; Monitorização; Barragens de betão
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Modelação numérica de ensaios de propagação de ondas ultrassónicas em estruturas de betão como ferramenta da sua validação
Os ensaios não destrutivos são cada vez mais utilizados na caraterização de estruturas. A precisão dos resultados destes ensaios é importante na verificação do estado de conservação e na tomada de decisão na reabilitação de estruturas. Neste trabalho aborda--se os ensaios de ultrassons que são correntemente utilizados na caraterização de estruturas em betão, nomeadamente para obter informações sobre a homogeneidade, o estado de conservação e caracterizar os defeitos. São apresentados com particular detalhe os métodos empíricos que permitem estimar a profundidade de fendas superficiais em estruturas de betão pela medição do tempo de propagação de ondas ultrassónicas. Com o objetivo de compreender melhor as trajetórias de propagação daquelas ondas e avaliar a aplicabilidade destes métodos experimentais, os autores desenvolveram modelos numéricos de diferenças finitas no domínio do tempo para simulação da propagação de ondas ultrassónicas recorrendo ao programa SimSonic (2D). Este modelo permitiu simular ensaios em provetes prismáticos de betão e aferir a qualidade das interpretações de base experimental.
Ano: 2014
Número Páginas:
15p.
Autor(es): Ribeiro, J.; Braga Farinha, M. L.; Bilé Serra, J.
Editor: LNEC
Keywords: modelação numérica; ensaios de ultrassons; estruturas de betão
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Enquadramento dos relatórios de análise do comportamento observado no âmbito das atividades de controlo da segurança de barragens. Exemplo da barragem da Lagoa Comprida, em Portugal
A regulamentação portuguesa de segurança de barragens define um conjunto de atividades a desenvolver com o objetivo de prevenir ou detetar atempadamente comportamentos anómalos ou processos de deterioração que possam colocar em causa a operacionalidade e segurança das estruturas. No que diz respeito à fase de serviço das obras, é de importância relevante a elaboração periódica de relatórios de análise do comportamento observado e de avaliação da segurança estrutural. Nestes estudos são estabelecidos os parâmetros definidores do comportamento da obra, que poderão ser utilizados na previsão do comportamento no período subsequente e em caso de ocorrências excecionais. Neste trabalho é apresentado o exemplo da barragem da Lagoa Comprida, uma obra de alvenaria de pedra granítica com cerca de 100 anos de idade, que sofreu várias intervenções ao longo da sua vida, e para a qual foi elaborado recentemente um relatório de análise do comportamento observado e da avaliação da segurança estrutural.
Ano: 2013
Número Páginas:
20.
Autor(es): Bretas, E. M.; Batista, A. L.
Editor: Comité Brasileiro de Barragens
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Influence of water pressure field on foundation displacements of Alqueva arch dam - A numerical approach
A global three-dimensional model of a large concrete arch dam and foundation was developed, with which it is possible to perform both mechanical and hydraulic analyses. Joint water pressures are a relevant factor in the safety of this type of structure. This paper presents a study of the influence of different fields of water pressures within the foundation rock mass on both dam behaviour and foundation displacements. The model simulates various discontinuities, such as the dam/foundation interface, the dam contraction joints, and three of the five main foundation sets of discontinuities. In this model, both the grout and drainage curtains are represented. Analysis is done using the discrete element method (DEM) and the code 3DEC, and applying a methodology which has been used to assess the safety of arch dams regarding ultimate limit states involving the dam foundation. Results analysis showed that the orientation of rock mass discontinuities ensures that failure is very unlikely. The main objective of the study was to analyse the influence of different ways of modelling the water pressure field within the foundation rock mass on calculated displacements. Strength characteristics of the foundation discontinuities were gradually reduced to very low values, and it was this situation which showed that for very high water pressures the largest displacements are observed in a rock mass wedge located at around mid-height of the right bank, immediately downstream from the dam. The influence of the water pressure within the foundation on the stability of this rock wedge is assessed by comparing the results obtained without uplift pressures with those obtained using the hydraulic model or assuming simplified water pressure fields, defined in terms of a water table compatible with the water levels upstream and downstream from the dam and the valley slopes.
Ano: 2013
Número Páginas:
10p.
Autor(es): Braga Farinha, M. L.; Lemos, J. V.; Maranha das Neves, E.
Editor: ITCOLD - Italian Committee on Large Dams
Keywords: Water pressure field; Failure analysis; Hydromechanical behaviour; Rock foundation; Concrete arch dam
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The Effect of CO2 Exposure and Curing Time on the Cement-Rock Interaction in Geothermal Wells
The current study is focused on the interactions between well cements and one of the most common types of rocks found in geothermal environments, under hydrothermal conditions. Holes were drilled in blocks of ignimbrite rock and slurries of API class G cement with 0, 20 and 40% added silica flour (SF), were poured into the cavities. The whole assemblage was autoclaved under typical geothermal conditions at 150°C for 84 days. The results show that chemical reactions occur in the intertransition zone (ITZ) which are dependent on both carbon dioxide (CO2) exposure and the curing time. By comparing results with those of only 28 days curing it is clear that ongoing reactions continue to occur but at a slower rate than in the first 28 days. When exposed to CO2, the cement-rock interaction is very dependent on the amount of added quartz. When 20% of SF is added to the cement mix, the CO2 presence seems to exacerbate the reaction between the cement and the rock, when compared with neat cement. On the other hand, 40% addition of SF seems to slow the migration of Ca2+ and OH- ions and formation of cementing compounds in the rock, compared to 0% and 20% SF addition. Work is ongoing in order to investigate the effect of these and other variables such as drilling fluid, temperature, rock type and cement mixture.
Ano: 2013
Número Páginas:
75-82pp..
Autor(es): Silva, J.; Milestone, N.; Johnston, J.
Editor: Geothermal Resources Council
Volume:
Volume 37.
Keywords: Ignimbrite; Well cements; Geothermal; Curing time; Curing time; CO2; Cement-rock interaction; Bonding
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Analysis of Peti dam swelling process
Several large concrete dams built during the first half of the 20th century, when the knowledge about the deterioration processes on the concrete was limited, are yet in service, although presenting, in some cases, signs of severe deterioration due to chemical internal reactions. When these structures have significant economic importance and its replacement is not easy or is very expensive, studies carried out in order to understand and characterize the deterioration processes are of utmost importance to extend the life of these structures with adequate safety conditions. In this paper an overall view of the studies performed to a Brazilian arch dam, Peti dam, are presented. This dam, whose construction was finished in 1945, is submitted to a swelling process due to alkali-aggregate reactions (AAR). Since the detection of its abnormal behaviour, in the 60s of the last century, mainly through the observation of the development of significant cracks, several studies had been carried out involving the experimental evaluation of the concrete properties. A monitoring system was implemented in 1997 allowing the analysis and interpretation of the observed structural behaviour of dam. In the last year, CEMIG and LNEC have been cooperating in order to analyse the safety conditions of Peti dam through experimental and numerical studies. This paper presents a methodology to determine the free swelling history in the concrete covering the 66 years life of the dam with base on the environmental conditions. These results will be used as prescribed deformations in a chemo-viscoelastic-damage model in order to predict the long term behaviour of the dam. The characterization of the swelling action was based on the data collected from the monitoring system and on laboratorial tests results.
Ano: 2012
Número Páginas:
16.
Autor(es): Tavares de Castro, A.; Piteira Gomes, J.; Ribeiro, A. C.; Divino , P.; Melo, A.; Carim , A
Editor: IBRACON
Keywords: Alkali-silika reaction; Concrete swelling; Concrete dam
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Capítulos de Livros
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Using emergent technologies on the structural health monitoring and control of critical infrastructures
Nowadays, organizations are embracing digital transformation, investing in the integration of information and communication technology (ICT) tools and solutions. Advanced ICT technologies converge with operations technologies (OT), allowing machines, processes, employees, and products to be part of a single data framework, from data collection to analysis, interpretation, and assessment, which are the foundation for informed decision-making. Industry 4.0 takes advantage of emergent ICT to make the right decisions, at the right time, optimizing processes, minimizing risks and improving value chains. The main aim of the structural safety assessment and control of critical infrastructures, such as dams and bridges, is to protect people, property and the environment from harmful effects of failure or misoperation of infrastructures. This goal is achieved through Structural Health Monitoring and Control (SHMC) activities to monitor and track the life-cycle of critical infrastructures in such a way that it can provide sufficient information for long- and short-term decisions regarding structural safety assessment. The objective of this work is to present a reflection of the impact of the industry 4.0 trends on the structural safety assessment of critical infrastructures and, more specifically, to understand the level of maturity and to show how the leveraging of enabling technologies such as augmented reality, Internet of Things (IoT), additive manufacturing, cloud computing, big data and analytics are impacting the SHMC activities on critical infrastructures, which are traditional cyber-physical systems with complex sensor networks used to assess and control structural safety and health.
Ano: 2022
Número Páginas:
27.
Autor(es): Mata, J.; Santos, J.; Barateiro, J.
Revista: Industry 4.0 for the Built Environment. Structural Integrity
Editor: Springer Nature Switzerland AG
Volume:
20.
Keywords: Digital Industry Technologies; Cyber-Physical Systems; Industry 4.0; Critical Infrastructures; Structural Health Monitoring and Control
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Teses de Doutoramento
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Structural safety control of concrete dams aided by automated monitoring systems
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.
Ano: 2013
Autor(es): Mata, J.
Keywords: Barragens de betão; Sistema de apoio à decisão; Sistema de recolha automática de dados; Controlo de segurança estrutural; Monitorização
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Hydromechanical behaviour of concrete dam foundations. In situ tests and numerical modelling
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.
Ano: 2010
Número Páginas:
475p.
Autor(es): Braga Farinha, M. L.
Keywords: Controlo/avaliação da segurança; Comportamento hidromecânico; Modelação numérica; Ensaios de afluência de água; Fundações rochosas; Barragens de betão
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Modelação do comportamento estrutural de barragens de betão sujeitas a reacções expansivas
O presente trabalho pretende contribuir para o aperfeiçoamento dos modelos para análise do comportamento de barragens de betão ao longo do tempo, submetidas a processos expansivos devidos a reacções químicas de origem interna. O desenvolvimento destas reacções expansivas, determinado pela composição do betão e influenciado pelos campos térmico, higrométrico e de tensões, pode provocar fissuração 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. De seguida apresentam-se os aspectos relacionados com a identificação e a caracterização das reacções expansivas, no que respeita às evidências físicas e aos seus efeitos estruturais. Analisam-se, entre outras obras, as barragens portuguesas afectadas por esta patologia. A influência dos factores que regulam o desenvolvimento do processo expansivo (composição do betão, temperatura, humidade e estado de tensão) é quantificada com base num modelo de interacção químico-mecânico, permitindo uma estimativa das expansões à escala das obras de engenharia. Este modelo foi integrado num código computacional de elementos finitos que considera o comportamento 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 a evolução do comportamento ao longo do tempo, tendo em conta os fenómenos diferidos e o progressivo desenvolvimento da fissuração. Apresentam-se dois estudos de aplicação a barragens portuguesas afectadas por 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 é moderada. O segundo estudo reporta-se à barragem de Pracana, uma obra de contrafortes cuja albufeira foi mantida vazia durante mais de uma década após trinta anos de exploração, devido à fendilhação generalizada da sua estrutura provocada por grandes expansões diferenciais, que depois foi reabilitada, encontrando-se desde então em exploração normal há cerca de quinze anos. Os resultados destes estudos demonstram o interesse e as potencialidades das metodologias desenvolvidas na quantificação do processo expansivo, na interpretação do comportamento observado e na avaliação das condições de segurança das obras.
Ano: 2008
Autor(es): Piteira Gomes, J.
Keywords: Agregados reactivos; Microestrutura do betão; Avaliação das condições de funcionalidade; Controlo da segurança; Mitigação; Reacções álcalis-agregado
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Dissertações de Mestrado
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Aplicação de redes neuronais ao controlo de segurança de barragens de betão
O objectivo principal do controlo de segurança estrutural de uma barragem de betão consiste na garantia de que a estrutura cumpra satisfatoriamente as funções para que foi construída, mantendo a funcionalidade e a integridade estrutural. Esta actividade é suportada pela observação da obra e apoia-se em modelos de comportamento. A avaliação das condições de segurança e funcionalidade da estrutura apoia-se na utilização de modelos. Em termos práticos, quando se dispõe de um número significativo de resultados da observação, podem ser definidos modelos que permitem caracterizar o comportamento normal das estruturas sem recorrer explicitamente aos princípios da Mecânica, como por exemplo, os métodos de interpretação quantitativa e/ou, ainda, com os modelos de redes de neuronais artificiais, objecto de investigação deste trabalho. Estes modelos são elaborados e calibrados a partir do conhecimento do comportamento da estrutura a solicitações passadas. A partir da resposta do modelo para uma dada grandeza observada, para as solicitações a que a estrutura está sujeita, é possível avaliar se a evolução de uma grandeza se mantém satisfatória ou se existe alguma alteração no comportamento que justifique um estudo mais aprofundado. As redes neuronais artificiais vêm sendo objecto de intensa pesquisa e desenvolvimento recente, dada a sua capacidade de tratamento de um grande número de informações e a adaptação a sistemas e processos de natureza diversificada e complexa. O principal objectivo deste trabalho é investigar as potencialidades da utilização de modelos para interpretação do comportamento de barragens de betão a partir de redes neuronais artificiais do tipo Perceptrão Multicamada, nomeadamente para a análise de algumas grandezas que são observadas com carácter sistemático nas barragens portuguesas. Seleccionou-se para caso de estudo a barragem do Alto Rabagão. Algumas das grandezas mais representativas do comportamento da obra foram analisadas com recurso aos modelos de redes neuronais. Os resultados obtidos foram comparados directamente com os resultados dos modelos de interpretação quantitativa, avaliando-se o seu desempenho relativamente aos valores observados.
Ano: 2007
Autor(es): Mata, J.
Keywords: Perceptrão multicamada; Redes neuronais artificiais; Observação de barragens; Controlo de segurança; Barragem de betão
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Informações Científicas e Técnicas
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Parametric inference in the context of beta mixtures
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 EMAs adaptation to the estimation of the mixtures parameters. The fourth section is a study case based on two pseudo-random beta successions and compares the estimation of the mixtures maximum likelihood parameters using a grid and using the EMA. The fifth section is also a study case based on two random beta successions consisting of data resulting from piezometric observation of the drainage systems of several concrete dams, and also compares the estimation of the mixtures maximum likelihood parameters using a grid and using the EMA.
Ano: 2017
Autor(es): Casaca, J. M.; Pereira, R.
Keywords: Likelihood; Statistical inference; Statistical distribution
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Memórias
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Deterioração e reabilitação de barragens de betão
Os acidentes e incidentes em barragens têm causas estruturais, hidráulicas ou operacionais. Abordaremos fundamentalmente os aspectos estruturais, referindo-nos apenas tangencialmente a alguns aspectos hidráulicos. Após a apresentação de alguns conceitos básicos, e de alguns acidentes históricos sempre presentes na nossa memória colectiva, apresentaremos os principais cenários de deterioração da fundação e do corpo das barragens de betão. Seguidamente, referiremos a importância da detecção precoce das deteriorações e os meios para tal hoje utilizados, tornando clara a importância de uma observação do comportamento estrutural e hidráulico-operacional das barragens bem planificada e bem executada. Finalmente, referiremos diversos casos de deterioração de barragens portuguesas, entre as quais as barragens do Cabril, Pracana, Fagilde e Alto Ceira, bem como as medidas de reabilitação adoptadas.
Ano: 2008
Número Páginas:
32pp.
Autor(es): Mora Ramos, J.
Editor: LNEC
Keywords: Degradação de materiais de construção; Acidentes de barragens; Observação de barragens; Reabilitação de estruturas
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