Publications

The goal of this paper is to simulate the interaction of stress waves and rock fractures in a particle micromechanical model. Stress waves travelling in fractured rock masses are slowed down and attenuated by natural heterogeneities, voids, microcracks and, above all, by faults and fractures. Considerable laboratory and theoretical investigation have uncovered the major aspects of this phenomenon, but models that cover the core mechanisms of the wave propagation in rock masses are necessary to investigate aspects of wave

O método dos elementos discretos adoptando partículas para discretização dodomínio tem sido utilizado no estudo do fenómeno da fractura em meios nãohomogéneos, como o betão e a rocha. Neste artigo, é proposto um modelo de análisepara o betão armado no qual as armaduras são modeladas com elementos rígidosunidimensionais ligados por molas. Os elementos rígidos interagem com o betão,modelado por partículas circulares, através de uma interface de contacto. O modelo évalidado com base em ensaios de flexão em viga a três pontos e a quatro pontos,sem armaduras de esforço transverso. No ensaio de flexão a 3 pontos o modelo dáuma boa aproximação do comportamento real em termos do processo de evolução dafractura e da relação carga-deslocamento. No ensaio de flexão a 4 pontos, verifica-seuma boa correlação com os resultados experimentais, nomeadamente o valor dacarga última, o efeito de escala e a evolução do processo de fractura.

The overcoring method for measuring in situ stresses is frequently used in rock engineering projects. Most models for its interpretation assume that the rock is homogeneous, linear elastic and isotropic. The elastic constants are determined by various methods, namely by biaxial tests on the recovered core.A three-dimensional finite element model was developed, which allows to compute the stress state from the strain measurements obtained during overcoring, assuming a transversely-isotropic behaviour of the rock mass. Different testing methodologies for elastic constants determination of anisotropic rocks are introduced and discussed. Several numerical tests were performed to analyse the influence of the weakness planes that sometimes occur in the rock core owing to the tensile strains that are generated during the biaxial test. To avoid the tensile strains in the biaxial test, a new triaxial testing procedure of the overcored rock sample with the cell was developed. The effect of the degree of rock anisotropy on in situ stress determination and the error involved in neglecting rock anisotropy are analysed. Differences on the principal stresses and principal directions calculated considering the usual isotropic model and the developed numerical model for a real case of anisotropic rock are presented.

Ao longo dos últimos anos, têm sido desenvolvidos no LNEC técnicas para a realização deensaios de vibração em barragens de betão inseridos em metodologias de determinação daspropriedades dinâmicas destas obras. Inicialmente o objectivo destes ensaios era apenascontribuir para a avaliação da segurança das barragens de betão relativamente a acçõessísmicas. Mais recentemente, estes ensaios são também encarados como ensaios de carga derealização fácil e económica. De facto, as frequências naturais de cada estrutura dependemdas suas características, em particular, da sua deformabilidade, pelo que a realização destetipo de ensaio, em épocas distintas da vida útil das obras, permite determinar a evolução notempo da sua deformabilidade média e, eventualmente, detectar e quantificar a evolução deum processo de deterioração dos materiais.O ensaio de vibração forçada consiste na aplicação a uma estrutura de uma força com umavariação no tempo sinusoidal perfeitamente conhecida, materializada através de um vibradorde massa excêntrica. Esta acção provoca nas estruturas, em regra, um movimentovibratório forçado com a mesma frequência de variação no tempo da força aplicada (emboradesfasada) e com amplitudes que, para além da intensidade da força, dependem da suafrequência de aplicação e das frequências naturais da estrutura. Tirando partido do facto de severificar um significativo aumento da amplitude da resposta da estrutura quando a frequênciada acção se encontra na vizinhança das frequências naturais da estrutura, a medição daresposta da estrutura sob a acção de uma força com uma variação sinusoidal no tempo,aplicada com diversas frequências, permite identificar as frequências naturais da estrutura(aquelas para as quais se verificarão os picos de amplitude), bem como o respectivoamortecimento.

In this work the finite element implementation of thermal analysis of concrete dams is described. The different temperature boundary conditions are properly represented. For the exposed face of the dam both convection/radiation heat transfer and solar radiation are implemented. The model is validated by calculating the response of a concrete arch dam and comparing the results of the monitoring system values.

Mechanical properties of soft rocks such as marls are strongly affected by suction, directly connected with wetting and dryingcycles resulting from climate actions. An extensive experimental programme was carried out in order to characterize the physicaland mechanical properties of Abadia marls, used in the A10 motorway near Arruda dos Vinhos (Portugal). The experimentalprogramme consisted of laboratory unconfined compression and Brazilian splitting tests, oedometric tests and triaxial tests, all ofthem performed under controlled suction.

Large flat jack tests are used to assess rock mass deformability in the design stages of large projects. This testconsists in cutting a thin slot in the rock mass in which a flat jack with large dimensions is inserted; oil pressure inside thejack loads the slot walls while the rock mass deformation is measured by displacement gauges located inside the jack and atthe surface. The main difficulty regarding interpretation of large flat jack tests has to do with the effect of the tension crackthat may develop in the rock mass during the tests. A three-dimensional numerical model was developed for theinterpretation of large flat jack test results. The model was used to establish the relations between the in situ stressperpendicular to the slots, the rock mass tensile strength, the applied pressures and the crack depth.

Large flat jack tests are one of the field techniques used to assess rock mass deformability. The paper introduces a methodology for interpretation of these tests. A three-dimensional numerical model was developed, which simulates the test with the actually applied loading and allows assessing the evolution of the displacements in the location of the transducers. The depth of the tension crack that may develop in the rock mass during the test is assessed at each test stage. The paper presents the calculations that were performed for simulation of an actual large flat jack test protocol with four loading and unloading cycles.

ABSTRACT: The Distinct Element Method was proposed by Cundall in 1971 as a numerical technique to study rock mechanics problems, based on the representation of a rock mass as a system of blocks or particles. In recent years, the concepts underlying such

A segurança de barragens continua a ser uma preocupação actual da comunidade científica,designadamente pelo elevado risco potencial que em regra é inerente a estas obras e pelanecessidade constante do prolongamento da sua vida útil. Para verificação do cumprimentodas exigências de segurança das barragens, tanto relativamente à funcionalidade (cenárioscorrentes), como em relação à segurança ao colapso (cenários de rotura), é essencial utilizarmodelos de simulação ou de interpretação (no caso de obras existentes) do seucomportamento. Estes modelos são idealizações (simplificações) da realidade, tanto no quediz respeito às acções (modelos das acções), como no que respeita à componente estrutural(modelos estruturais). A solução destes modelos, através de adequados métodos de análise,quantifica parâmetros da resposta das estruturas que permitem avaliar a sua segurança,utilizando critérios de segurança previamente definidos. A validação destes modelos pode serfeita, no caso de cenários correntes, através da sua comparação com os resultados daobservação do comportamento de barragens.Com este objectivo, foi implementado pela primeira vez, um sistema de observação sísmica(SOS), numa grande barragem portuguesa. O SOS tem o duplo objectivo da localização deeventos sísmicos e registo da reposta estrutural da barragem a este tipo de solicitação. Para acaracterização da acção sísmica foram implantadas três estações remotas a formarem umtriângulo com cerca de 15km de lado a montante da barragem, adicionalmente foi instaladauma quarta estação a jusante da barragem (fig. 1). O comportamento estrutural é observadoatravés de cinco sismómetros localizados no corpo da barragem (fig. 2). Todos ossismómetros são compostos por acelerómetros tridimensionais, com digitalizadores de 18 bitsligados em rede, e geridos a partir de uma unidade central. As estações remotas comunicamcom a central de comando por transmissão via wireless. Os sismómetros colocados nabarragem estão ligados por cabo de fibra óptica a uma unidade que concentra os dados paradepois os enviar por wireless para a unidade central.Este sistema está em fase experimental de funcionamento, estando a iniciar-se a exploraçãodos registos gerados pelo sistema.Nesta comunicação será descrito o sistema de observação instalado, a sua exploração e análisedos resultados. Os valores observados provenientes deste sistema serão comparados commodelos matemáticos adequados. O modelo matemático da barragem será desenvolvido comelementos finitos representando a abóbada e as juntas de contracção existentes no protótipo,podendo considerar-se o comportamento não linear do material e das juntas.

The most relevant action in the design of underground projects is often the release of the in situ stresses that occurs during the construction stage. Several different field methods are available to measure the in situ state of stress. Some allow the evaluation of the complete state of stress at a given point, while others only supply a single stress component. Interpretation of test results is seldom straightforward. The paper presents a global methodology for the evaluation of the most likely natural stress field given a set of in situ test results. Some case histories are presented as application examples. The first example deals with the case of an underground powerhouse where high horizontal stresses were determined by overcoring tests, which were later confirmed by flat jack tests performed during the construction of access adits. A second one considers the analysis of a testing programme where overcoring and flat jack tests were both performed at different locations during the initial testing programme. The last one refers to the results of overcoring tests in the vicinity of existing underground caverns, which have to be adequately considered in order to estimate the natural state of stress. Global interpretation models are required to transform a set of point wise test results into a comprehensive stress field to be used in design analysis.

Abstract. Portugal is presently facing a new hydroelectricity era, with theimplementation of a large development program including not only the power upgrade ofexisting large hydro schemes, but also the construction of several new ones, almost all ofthem considered in the

Hard soils/ soft rocks (HSSR) are natural materials where the bonds between particles have important contributionto their strength and stiffness. Progressive rupture of these bonds affects irreversibly the hydro-mechanical behaviorof these materials. Most of the existing models follow the idea that bond degradation depends on accumulatedplastic strains. Such is the case of the model used to describe the mechanical behavior observed in oedometer andisotropic compression tests performed on marls.

Masonry is a combination of units such as stones, bricks or blocks usually laid in a cementitious or limemortar. It is probably the oldest material used in construction and has proven to be both simple to buildand durable. Over the years, existing masonry constructions have inevitably suffered damage with time.Earthquakes, soil settlements, material degradation and lack of maintenance are the main reasons forthat. Careful and periodic assessment of such structures is necessary in order to evaluate their structuralcapacity and safety levels. However, performing the structural analysis of masonry construction is notan easy task. A review is presented of the main models based on the discrete element method and the available related numerical techniques that have been proposed for the analysis of masonry. The essential assumptions adopted by these models and numerical implementation issues are discussed. Differences between available models are illustrated by applications to various masonry problems including static and dynamic analysis of masonry arch bridges, walls, vaults, domes and ancient colonnades.This book is composed of 17 chapters authored/co-authored by 25 outstanding researchers from 11countries (Canada, France, Greece, Hungary, Iran,Italy, Mexico, Norway, Portugal, UK, USA), whichwere reviewed by 60 referees.

N/A

This chapter consists of two parts. First a general overview is given: the exact definition of the Discrete Element Method is provided, and the main types of existing models are introduced; then the theoretical fundaments of the most important approaches available today for masonry analysis are given. The second part of the chapter focuses on 3DEC, the most widespread commercial DEM code for masonry analysis. This second part begins with a theoretical overview. Application issues for masonry structures are then considered (block material behaviour, contact representation, structural elements like cables or bars etc.). Among the practical examples arches, barrel vaults, walls, coloumns and complete structures (like houses) are presented, including the issues of quasi-static versus dynamic analysis and of block fracture as well. The readers can find helpful advice on how to simulate their own problems most effectively.

N/A

Discrete element models have become a major tool for masonry analysis, allowing a suitable representation of its discontinuous nature and marked nonlinear behaviour. The chapter reviews the fundamental assumptions of the main DEM formulations available. It focuses more specifically on the widely used UDEC and 3DEC codes, explaining their relation with the other approaches, and the most relevant issues arising in their application to masonry. Applications to the main types of structures are reviewed, considering both static and dynamic analyses. Recent research providing comparisons of the numerical models with experimental and field data is particularly covered. The discussion of the different examples is aimed at clarifying the key capabilities of DEM and demonstrating the most effective ways of using it in a variety of masonry analysis situations.

This chapter is focused on the Portuguese experience on the developmentand exploration of systems for continuously monitoring dam vibrations, usingaccelerometers. The pioneer system for seismic and structural health monitoring(SSHM) installed in Cabril dam (the highest Portuguese arch dam: 132 m high) isdescribed in detail. The design of this system was the result of a long-term LNECresearch program, still ongoing. These monitoring systems should include softwaredeveloped to automatically perform the analysis of collected data, including theautomatic comparison with numerical results from 3DFE models. In view of thegood results obtained with the system in operation in Cabril dam since 2008, similarsystems have been installed in other large dams in Portugal, particularly in recentlybuilt dams. Finally, Baixo Sabor dam is presented as an example of a new Portuguesedam with a complete SSHM system, in operation since 2015. Themain experimentalresults obtained for both dams are shown, namely the evolution of natural frequenciesover time, mode shapes and the measured seismic response to earthquake events.

Para verificação do cumprimento das exigências de segurança das barragens,tanto relativamente à funcionalidade (cenários correntes), como em relação àsegurança ao colapso (cenários de rotura), é essencial utilizar modelos de simulação oude interpretação (no caso de obras existentes) do seu comportamento. Estes modelossão idealizações (simplificações) da realidade, tanto no que diz respeito às acções(modelos das acções), como no que respeita à componente estrutural (modelos estruturais).A solução destes modelos, através de adequados métodos de análise, quantificaparâmetros da resposta das estruturas que permitem avaliar a sua segurança, utilizandocritérios de segurança previamente definidos.A validação destes modelos pode ser feita, no caso de cenários correntes,através da sua comparação com os resultados da observação do comportamento debarragens. No caso de cenários de rotura, não existe muita experiência de comparaçãodestes resultados com situações reais: é pequeno o número de acidentes ocorrido e,mesmo nestes, o volume de informação é reduzido. Desta forma, o recurso a métodosexperimentais, para o estudo de cenários de rotura, tem uma importância acrescida.Assim o principal objectivo deste trabalho é contribuir para melhorar a capacidade deavaliação da segurança de barragens de betão envolvendo cenários de rotura pela fundação.Neste trabalho desenvolveram-se dois ensaios experimentais em modelosfísicos: um primeiro envolvendo uma barragem abóbada, para o estudo de cenários derotura da fundação para acções estáticas; e um segundo de uma barragem gravidadeensaiado em mesa sísmica, com vista a estudar a rotura pela fundação para acçõesdinâmicas.A previsão e interpretação dos ensaios foram efectuadas com modelosmatemáticos adequados, que permitiram a sua validação e posterior utilização no estudode outros cenários.

A brief description of the phenomena and problems associated with underground structures in hydraulic projects is presented, namely in what concerns the powerhouses, surge chambers and pressure tunnels and shafts. An analysis of the calculation methodologies followed in the structural design of this works is presented, as well as of the numerical models usually adopted, namely finite and boundary element models. Finally, some applications of computational mechanics are presented. First, a parameter study for underground powerhouses, with special emphasis in the definition of shapes, existence of several caverns,and in the tridimensional equilibria is described. Afterwards, examples of application to some hydraulic projects are illustrated: a large underground powerhouse in Mozambique, the Alto Lindoso hydroelectric power scheme in construction in the north of Portugal, and the Castelo do Bode tunnel, in operation, integrated in the water supply system to Lisbon.

O presente trabalho aborda a origem do estado de tensão interna dos maciços rochosos e apresenta os factores que o influenciam. Apresentam-se as técnicas e a aparelhagem correntemente utiiizada na determinação do estado de tensão, bem como a interpretação dos ensaios mais comuns, dando-se maior relevo aos ensaios com macacos planos pequenos (S F J) e com o extensómetro tridimensional (S T T),efectuados correntemente pelo LNEC.

Descreve-se sucintamente uma técnica para amostragem linear de descontinuidades em faces expostas de maciços rochosos e referem-se métodos para tratamento dos dados de campo com vista à definição defamílias de descontinuidades e caracterização de uma forma estatística da sua orientação, espaçamento e extensão. Apresentam-se os resultados obtidos para o caso de uma galeria subterrânea no aproveitamentohidroeléctrico do Alto Lindoso. Para as famílias de descontinuidade identificadas apresenta-se um estudo dos blocos tetraédricos que se poderão formar nas diferentes faces de rocha e analisam-se as suas condições de estabilidade.

N/A

Apresentam-se, neste relatório, modelos numéricos baseados no método dos elementos da fronteira, desenvolvidos no LNEC para análise de estruturas subterrâneas. Tecem-se algumas considerações sobre o método dos elementos de fronteira, descrevem-se os modelos desenvolvidos para equilíbrios planos e tridimensionais e apresentam-se alguns exemplos de aplicação.

N/A

N/A

N/A

This document presents a back analysis procedure for identification of the elastic parameters of transversely isotropic rock cores, containing an overcoring triaxial strain probe, from the strains measured during a biaxial test. A three-dimensional finite element model was developed to simulate the biaxial test on the overcored rock specimen and to compute the strains at the location of the strain gauges. Different optimisation algorithms were tested and the most suitable one was selected. The back analysis procedure was tested for identification of the five elastic parameters and the two orientation angles that characterise a transversely isotropic rock core. In spite that, with the developed methodology, convergence was reached and all those parameters could be identified, sensitivity analyses demonstrated that the results obtained were not stable and therefore they were not reliable. By introducing constrains based on common practice and previous experience, a stable and robust methodology was achieved: the three elastic parameters, E1, E2 and ?2, are reliably identified using the value of G2 calculated with Saint-Venant’s expression and a fixed value of ?1, while the orientation parameters are obtained from observation of overcored rock. Analysis of the results shows that application of this methodology represents an enormous step forward when compared with the traditional use of isotropy. Besides, the methodology is general and can also be used with other types of overcoring equipment. The five elastic parameters and the two orientation angles obtained can then be used, together with the overcoring strains, to compute the complete in situ state of stress.

This document presents the work developed by the PhD student Margarida Espada in the scope of the course unit Risk Analysis in Geotechnical Works of the Doctoral Program in Civil Engineering of the Faculty of Engineering of the University of Porto (FEUP). This work presents a reliability analysis, using the response surface method (RSM), for the case study of the left bank excavation slopes of the Baihetan arch dam foundation, which is one of the case studies of Margarida Espada's PhD thesis. The aim was to approximate an implicit limit state function by computing safety factors, using a discrete element model of the Baihetan left bank developed in 3DEC software, where the shear strength parameters of two important rock discontinuities were considered as random variables. The probability of failure was then obtained through an iterative process, using approximation methods. This work presents the 3DEC model developed to analyse the stability conditions in the Baihetan left bank and the results of the reliability analysis.

O problema da solução das equações de Navier Stokes é abordado neste trabalhopropondo-se uma técnica de representação das incógnitas deslocamentos e pressõesvariáveis no espaço e no tempo em série de Delta de Dirac e suas derivadas no tempocujos coeficientes se determinam com base na solução de sistemas de equaçõesdiferenciais definidos no espaço (problema com três variáveis espaciais independentesque pode ser estudado pelo método de Monge).

Neste relatório apresentam-se as equações básicas da elastodinâmica linear, as soluçõesfundamentais e o teorema da representação no domínio de tempo e de frequência.Para movimentos finitos de casca formula-se o teorema dos trabalhos virtuais e a suaimplementação pelo método dos elementos finitos.

Neste relatório apresentam-se os principais aspectos da modelação sísmica de barragensabóbada. Assim propõe-se: modelos numéricos de geração de sismos por uma falha; aforma como o sismo actua na barragem; modelos para estudar a influência da albufeirana vibração do conjunto; métodos para solução das equações do movimento; e novasformulações de elementos finitos para o problema estrutural.

In pressure tunnels and shafts, in addition to the mechanical effect that excavation has on the rock mass and the disturbance that it introduces in the water flow, also the contained water can interact from the mechanical and hydraulic points of view with the rock mass. Seepage in fractured rock masses is dominated by the flow that takes place through the joints, and this is highly d(;pendent on their properties, namely aperture and roughness. Joint aperture, in tum, i::; very sensitive to stress changes. Special attention must therefore be paid to the joints in hydromechanical analyses. In this report are presented some studies that were carried out for the hydromechanical characterization of joints of the Alto Lindoso rock mass and numerical simulations of the hydromechanical behaviour of two selected sections of the high pressure circuit.