Publications

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.

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.

The explicit formulation of a small displacementmodel for the coupled hydro-mechanical analysis of concretegravity dam foundations based on joint finite elementsis presented. The proposed coupled model requires athorough pre-processing stage in order to ensure that theinteraction between the various blocks which representboth the rock mass foundation and the dam is always edgeto edge. The mechanical part of the model, though limitedto small displacements, has the advantage of allowing anaccurate representation of the stress distribution along theinterfaces, such as rock mass joints. The hydraulic part andthe mechanical part of the model are fully compatible. Thecoupled model is validated using a real case of a dam inoperation, by comparison of the results with those obtainedwith a large displacement discrete model. It is shown that itis possible to assess the sliding stability of concrete gravitydams using small displacement models under both staticand dynamic conditions.

This paper proposes a methodology for the prediction of the compressive creep strains of dam concrete based on wet-screened experimental results at constant elevated temperature conditions measured in situ. Due to its large aggregate dimensions, the experimental characterization of dam concrete has particular constraints. The wet-screened concrete, obtained by sieving the aggregates larger than a given dimension, after mixing, is used to cast standard specimens and to embed monitoring devices. An experimental in situ installation using creep cells was used to obtain the compressive creep strain development over time for the maturing conditions of the dam core. The study of the effect of wet-screening procedure on creep in compression considers three types of concrete, dam concrete and two wet-screened concretes tested at three loading ages, 28, 90 and 365 days. The comparison between different types of concrete at different maturing conditions requires the definition of a reference state given by the maturity method, using the equivalent age, and relies on the fit of compressive creep strains to the RILEM recommended model B3. To take into account the effect of the aggregate content on the deformability properties of dam concrete, an equivalent two-phase composite model was applied. The equivalent composite model considered the equivalent matrix as the wet-screened concrete and the inclusions as the larger aggregates that are removed during the wet-screening procedure. Predictions obtained with the composite model are close to the dam concrete experimental results, for the tested loading ages.

This paper proposes the use of the maturity method and of a two-phase composite models for the prediction of dam concrete modulus of elasticity.The methodology was validated with test results obtained from experimental in situ setup using creep cells placed in the dam's body, subjected to variable environmental conditions. It is shown that composite models can be used to predict the modulus of elasticity of in situ dam concrete based on the modulus of elasticity of the wet-screened concrete.

The reduced lifetime of geothermal wells is one of the main issues facing the geothermal industry, with cement durability being one of the main causes for shortening of a well's life. While most wells are cemented with American Petroleum Institute (API) class cements, alternative cementing systems are currently being considered. In this paper, the interactions of two alternative cement formulations with a typical geothermal rock formation are compared with a class A cement. This allows understanding of the most critical zone in the geothermal cement, which is the outermost layer where the cement encounters and, consequently, interacts with the exterior harsh environment, including the volcanic formation and brine. The faster setting of white cement and high-alumina cement compared with the well Portland cement seems to reduce the reaction extent with the rock. For all the cements tested, both the increased curing temperature (from 150°C to 290°C) and the use of bentonite as drilling mud significantly decreased the bond between the cement and the rock.

The New Alto Ceira Dam is a concrete arch dam, 41 m high and 133 m long at the crest, located in the middle region of Portugal. Its objective is the replacement of the existing dam located about 200 m upstream, which is highly deteriorated due to swelling phenomena.The dam is actually under construction and its monitoring safety plan is in accordance with the Portuguese Safety Regulations on Dams. The instrumentation embedded into the concrete is based on traditional electrical devices developed several decades ago and with proved durability characteristics.Considering the recent improvements in fiber optic based instruments for structural monitoring, benefiting of multiplexing technique, great reliability and accuracy, it was decided, in an experimental frame, to develop and to install in the New Alto Ceira Dam a set of fiber optic devices.Assuming the instruments embedded into the concrete mass as those exposed to the most aggressiveness of the construction methodologies, strain meters, thermometers and joint meters were selected to the development and implementation of fiber Bragg grating based transducers in order to appraise their performance, reliability, and installation requirements. After laboratory testing and validation, a limited number of these type of transducers were installed in the New Alto Ceira Dam.In this paper, the results from calibration tests are presented, and then a comparison of performance between new fiber optic sensors and the traditional electric sensors is made under controlled conditions, in laboratory. Some preliminary results of the experimental monitoring of the dam are also illustrated.

The current study has investigated the interactions betweenwell cements and one of the most common types of rocks foundin geothermal environments, under hydrothermal conditions.Holes were drilled in blocks of ignimbrite rock and API classG cement with 0, 20 and 40% added silica flour, was poured intothe cavities. The whole assemblage was autoclaved, under typicalgeothermal conditions at 150° and 300°C for 28 days.The results show that chemical reactions occur in the intertransition zone, which are dependent on both drilling fluid andtemperature. The use of bentonite as a drilling fluid and the exposure to higher temperatures (300°C) when compared to 150°C,seem to exacerbate the reactions occurring in the ITZ. Consequently, there is formation of new crystalline products, whichhave worse performance when the physical bonding between thecement and the rock is considered.The effect of other variables such as CO2 exposure, the hydrothermal alteration of the rock and the curing time are currentlybeing investigated within this research project.

Dam safety control activities require an accurate knowledge of each specific dam, with the purpose ofdefining and justifying the judgment about its safety. This task is mainly supported by the cross validationbetween simulation models, measurements provided by the monitoring systems, and the parameters thatcharacterize the dam's behaviour. The main issue is the assessment of the actual structural behaviour in realconditions, which can be used to detect any anomaly and/or malfunction in advance.Over the years, we can verify a significant evolution in the process of interpreting the physical quantitiesprovided by dam monitoring systems. Nowadays, automated data acquisition systems have become a realityin several dams. These systems can be used to support the analysis for dam safety assessment in real time,but also lead to the increase of requirements related to the management, processing and analysis of largeamounts of data.With the development of information systems to support the activities related to dam safety control,particularly the management of a large quantity of information, new challenges related to the managementand analysis of information in real time are raised.The implementation of an Internal Early Warning System (IEWS) based on the automatic analysis of a largequantity of data in real time allows the early identification and notification of potential abnormal situations andmakes the person responsible able to focus on other activities related with the dam safety control of dams.This paper addresses a proposal for an IEWS able to generate warnings in real time when non-accordancebetween observed and predicted values is verified. Subjects related to the definition of the thresholds forquantities measured by the monitoring system, as well as the notification process to the person responsiblefor the dam's safety control, are also discussed.This paper presents the actual Portuguese experience. Aspects related with the requirements for the IEWSare approached. Threshold definition with quantitative interpretation models based on statistical methods,such as multiple linear regression models, and artificial neural network models, is discussed.

This paper presents the most relevant monitoring data and the interpretation of the structural behaviour of Alqueva dam during the first filling of the reservoir, which took place between February 2002 and January 2010.The safety control and the interpretation of the dam

This paper presents the application of a methodology which can be used to assess arch dam foundation stability, using the discrete element method (DEM) and the code 3DEC. A global three-dimensional model of a dam foundation was developed, in which some discontinuities were simulated and both the grout and drainage curtains were represented. The model, calibrated taking into account recorded data, was used to carry out non-linear mechanical analysis. The same model was employed to perform a hydraulic analysis, based on equivalent continuum concepts, which allowed the water pressure pattern within the foundation to be obtained. These water pressures were applied on discontinuities involved in the possible sliding mechanism along the dam/foundation interface, and the safety of the dam/foundation system was evaluated using a process of reduction of strength characteristics, with the aim of calculating the minimum safety factors that ensure stability. Results were compared with those obtained with the usual bi-linear uplift pressure distribution at the base of the dam, commonly used in concrete dam design. The relevance of carrying out hydraulic analysis in arch dam foundation failure studies is highlighted.

This paper presents a study focused on the viability of using simplified statistical methods of quantitative interpretation in the analysis and prediction of foundation behaviour. The shape of the curve which represents the influence that changes in reservoir level have on discharges in a concrete dam foundation was established using a hydromechanical numerical model. Discharges recorded in both single drains and seepage measuring weirs of two large Portuguese dams were analysed. The study carried out highlights the difficulties in interpreting recorded discharges, as they are not the sum of a series of structural responses which can be clearly identified. Conclusions are drawn regarding the accuracy of these methods when used in the analysis of the hydraulic behaviour.

Na sequência de um conjunto de estudos, realizados entre 2005 e 2008 pelo LNEC, sobre o estado da obra e do sistema de observação da barragem da Chicamba, uma estrutura de betão com 75 m de altura, constituída por duas abóbadas, explorada pelaElectricidade de Moçambique (EDM), procedeu-se à revisão do seu plano de observação, no sentido de a dotar de um sistema de observação e de critérios da sua exploração que possibilitassem o acompanhamento continuado do seu desempenho térmico, estrutural e hidráulico, com vista ao controlo da sua funcionalidade e segurança. O reforço do sistema de observação incluiu a instalação de: i) piezómetros na fundação; ii) um fio de prumo invertido na fundação, em ligação com um fio de prumo direito existente na zona central; iii) extensómetros de fundação; iv) bases tridimensionais para medição do movimento de juntas; e v) um novo sistema de observação de deslocamentos por métodos geodésicos, com uma componente planimétrica materializada por uma rede de triangulação e uma componentealtimétrica, a levar a efeito por meio de nivelamentos geométricos de precisão.

Na engenharia de barragens, nomeadamente no âmbito do controlo de segurança destas obras, a quantidade e a diversidade de dados produzidos no percurso de vida da obra são extraordinárias. De facto, para assegurar o controlo de segurança das barragens de forma eficiente e eficaz, os técnicos responsáveis por esta actividade recorrem constantemente não só aos dados fornecidos pela exploração dos sistemas de observação implementados nas obras, mas também ao conhecimento adquirido ao longo dos anos de prática profissional, conhecimento este com uma componente heurística muito marcante. Assim, apenas através da racionalização das actividades subjacentes ao controlo de segurança e o recurso aos sistemas inteligentes de apoio à decisão é possível alcançar níveis de eficácia satisfatórios. Este trabalho aborda algumas questões relacionadas com a utilização dos sistemas inteligentes de apoio à decisão na engenharia de barragens.

O presente trabalho, realizado no âmbito de uma dissertação de mestrado, teve como objectivo o estudo dos métodos simplificados de análise dos efeitos de segunda ordem em pilares de betão armado e a avaliação da aplicabilidade dos métodos propostos no Eurocódigo 2 (EC2) na verificação da segurança de pilares de pontes.Começou-se com uma revisão dos métodos gerais de análise dos efeitos de segunda ordem em pilares e dos métodos de verificação da segurança de pilares de betão armado propostos no EC2. A discussão da adequabilidade destes últimos ao caso de pontes foi realizada através da comparação com os resultados obtidos através de métodos de análise física e geometricamente não lineares. Desta comparação resultou uma proposta de adaptação dos métodos do EC2, que se designou por técnica de análise global ponderada, que permitiu obter uma melhoria significativa dos resultados.Os trabalhos foram desenvolvidos através da análise de um conjunto de casos de estudo. Na comunicação apresentam-se os resultados relativos a um viaduto corrente com quatro vãos, com pilares de secção oca, considerando as hipóteses de pilares com alturas pouco diferenciadas e com alturas substancialmente diferentes. Os resultados obtidos permitem avaliar as consequências e a justeza das diferentes abordagens possíveis.

Neste trabalho apresenta-se um modelo hidromecânico descontínuo da fundação de uma barragem gravidade, que foi desenvolvido com o objectivo de avaliar a segurança da obra para cenários de rotura envolvendo a fundação. Os cálculos são efectuados com o programa UDEC. Consideram-se os casos de modelo com interacção hidromecânica e de abertura constante das descontinuidades, e ainda a hipótese de o sistema de drenagem se encontrar obstruído. O método de redução das resistências é usado para estimar a estabilidade do sistema barragem/fundação para diferentes cenários de rotura, e os resultados são comparados com os obtidos com o método simplificado de equilíbrio limite. Salienta-se a importância da aplicação dos modelos descontínuos nos estudos de avaliação da segurança de barragens de betão.

As inspeções visuais constituem uma atividade importante do controlo de segurança de barragens. O registo continuado de anomalias e ocorrências permite ao dono de obra acompanhar e manter o estado da obra e do sistema de observação e planear eventuais reparações e processos de reabilitação.Atualmente, é prática corrente recorrer a fichas de inspeção visual para o registo das ocorrências em cada elemento estrutural da obra e elaborar relatórios técnicos em que se descreve a evolução do estado de conservação desde a última inspeção.Este trabalho apresenta uma proposta para a implementação BIM a inspeções visuais de barragens de betão com o objetivo de sistematizar e digitalizar a informação proveniente das fichas de inspeção para um modelo BIM tridimensional. Pretende-se que o modelo BIM seja utiliza-do para melhorar a visualização das ocorrências ao longo do tempo.Este trabalho constitui o primeiro passo com vista à criação do sistema integrado BIM de análise de dados gerados automaticamente e de inspeções visuais.Apresenta-se uma proposta de utilização de formulários digitais pré-definidos para o registo das ocorrências e para exportação sistematizada da informação para o modelo BIM tridimensional. Propõem-se as regras de modelação da barragem para a fase de exploração da obra e a definição e classificação de objetos BIM para a estrutura, para as ocorrências e para os instrumentos, incluindo a definição das propriedades para o registo da informação.

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