Publicações

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.

A barragem da Cahora-Bassa localiza-se na zona norte de Moçambique inserida numa zona sísmica de risco elevado devido à influência do

The paper presents contributions to the statistical study of the parameters of the Mohr-Coulomb and Hoek-Brown strength criteria, in order to assess the characteristic failure envelopes for intact rock, based on the results of several sets of triaxial tests performed by LNEC.

O ensaio de vibração forçada consiste na aplicação a uma estrutura de uma força com uma variação no tempo sinusoidal perfeitamente conhecida, materializada através de um vibrador de massa excêntrica. Tirando partido do facto de se verificar um significativo aumento da amplitude da resposta da estrutura quando a frequência da ação se encontra na vizinhança das frequências naturais da estrutura, a medição da resposta da estrutura sob a ação 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 respetivo amortecimento e as configurações modais. Nesta comunicação descreve-se a metodologia de ensaio e apresentam-se os resultados de caracterização do comportamento dinâmico da barragem de Cahora Bassa com base na realização de um ensaio de vibração forçada e o desenvolvimento de um modelo matemático calibrado com os resultados experimentais.

A determinação do comportamento dinâmico das obras e o acompanhamento da sua evolução durante as várias fases da vida é muito importante, e está inserido nas atividades do controle de segurança estrutural. A realização dos ensaios de vibração forçada em barragens para a determinação do comportamento dinâmico continua a ser uma das técnicas mais fiáveis nesta área. Nesta comunicação descreve-se a metodologia de ensaio, incluindo os desenvolvimentos recentemente efetuados, e como exemplo de aplicação, apresentam-se os resultados relativos a um ensaio realizado para caraterização do comportamento dinâmico da barragem de Cahora Bassa, incluindo o modelo matemático desenvolvido para a sua interpretação.

The paper introduces and presents instances of application of methodologies foranalysis of the stress field obtained from the results of in situ stress measurements using the overcoring, hydraulic fracturing and flat jacks methods. These methodologies integrate all stress measurements, and use numerical models of the rock mass that represent the ground topographyand the underground excavations, so that the most likely stress field in the zone of interest for the design of several large underground structures is obtained.

Os processos de fratura, que penetram de forma profunda no corpo de uma barragem debetão, podem afetar seriamente a sua segurança estrutural. Devido ao potencial catastróficoassociado à rotura de grandes barragens, é fundamental dispor de modelos numéricoscapazes de prever realisticamente o eventual desenvolvimento de fissuras bem como aresistência estrutural última associada aos mecanismos de colapso estrutural.Neste trabalho estuda-se o problema de propagação de fraturas (por tração) em barragensde betão do tipo gravidade usando algumas técnicas numéricas desenvolvidas e propostasrecentemente:

Os ensaios de medição de tensões in situ são necessariamente executados num número limitado de locais e a representatividade dos resultados obtidos é questionável quando se pretende conhecer o estado de tensão existente num grande volume de maciço rochoso. Assim, é importante utilizar modelos interpretativos globais, que possam integrar os resultados de todos os ensaios, realizados em diferentes locais, de preferência utilizando mais de um método de ensaio, para estimar o estado de tensão instalado no maciço rochoso interessado pelas obras de engenharia a construir. Neste trabalho apresenta-se o modelo numérico tridimensional do maciço rochoso desenvolvido, bem como a metodologia inversa utilizada para avaliar o estado de tensão na zona da nova caverna da central subterrânea do reforço de potência de Salamonde, no rio Cávado, com base nos resultados dos ensaios de sobrecarotagem e de almofadas planas de pequena área realizados. Com o objetivo de avaliar a influência dos efeitos diferidos ao longo do tempo no estado de tensão in situ, foi também realizada uma análise gravitacional visco-elástica utilizando o mesmo modelo numérico.

A análise de cenários de rotura em barragens de gravidade em betão requer ferramentas computacionais que sejam capazes de lidar com o fenómeno da fendilhação. Neste trabalho adota-se um modelo detalhado de partículas (MP) nas zonas em que se espera que esta ocorra. É proposto um modelo MP híbrido, no qual, a rigidez de cada elemento finito onde se prevê que ocorra um comportamento não linear é substituída pela rigidez do sistema de partículas adotado na discretização do seu interior. Por razões computacionais, o tamanho adotado para as partículas é superior ao tamanho máximo do agregado incorporado no betão de barragens. Os resultados obtidos, estáticos e dinâmicos, com o modelo MP proposto são comparados com os resultados obtidos com um modelo de dano de duas variáveis e com um modelo MP global.

Frequently, numerical models of masonry dams disregard the discontinuous nature of the material. In some cases, those discontinuities control the structural and hydraulic behaviour of the masonry dam. The masonry proprieties are influenced by the quality of the material and the laying scheme of the stones on the external faces as well as in the inner material. The Discrete Element Method (DEM) has been used on analyses of gravity masonry dams. The capacity to model the discontinuities explicitly and the ability to perform coupled analyses are two significant benefits of the DEM. The DEM application used in this paper is presented, stressing the description of the calculation cycle. Seven examples of numerical analyses of gravity masonry dams are presented. Three of them consider the discontinuous nature of the dam body, in order to study the loss of cohesion scenario, the crack propagation scenario and the seismic performance of a masonry dam. The remainder four examples are aimed at stress analysis, global stability, hydromechanical analysis and the permanent sliding resulting from a seismic event.

The application of discontinuum idealizations to the analysis of dam foundations is addressed.The options for the representation of the rock mass discontinuities are discussed, from the perspective of assessingfailure modes involving the rock mass. An example of concrete gravity dam analysis is presented, consideringvarious patterns of rock mass jointing. Issues involved in modeling rock bridges in non-persistent joint setsare examined. The study of arch dam foundations with discrete element block models is discussed, reviewingmethods and choices available for building efficient models. Several practical cases exemplify the informationthese analyses provide about the structural and rock mass behavior.

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.

Neste relatório apresenta-se, de forma sucinta, a descrição da atividade de investigação realizada no âmbito do projeto DEMRock6m do P2I/LNEC 2013-2020. Os resultados da atividade desenvolvida são analisados e avaliados em face dos objetivos inicialmente previstos.

Neste relatório apresenta-se, de forma sucinta, a descrição da atividade de investigação realizada no âmbito do projeto MEBAD do P2I/LNEC 2013-2020, no período 2016-2023. Os resultados da atividade são analisados e avaliados, em face dos objetivos previstos.

Neste relatório apresenta-se, de forma sucinta, a descrição da atividade de investigação realizada no âmbito do projeto RockGeoStat do P2I/LNEC 2013-2020. Os resultados da atividade desenvolvida são analisados e avaliados em face dos objetivos inicialmente previstos.

The main goal of this report is to present DamDamage3D1.0, a 3D finite element-based program for non-linear static analysis of arch dams, developed using MATLAB. The non-linear simulations are performed using a damage law and an iterative numerical method based on the stress-transfer technique, considering the redistribution of unbalanced forces in each iteration due to material damage. The concrete

The main goal of this report is to present DamDamage3D1.0, a 3D finite element-based program for non-linear static analysis of arch dams, developed using MATLAB. The non-linear simulations are performed using a damage law and an iterative numerical method based on the stress-transfer technique, considering the redistribution of unbalanced forces in each iteration due to material damage. The concrete

In this work we present the version 1.0 of the GDams2D 1.0 program developed for 2D analysis of gravity dams using the finite element method. This initial version of the program is prepared to analyze the structural behavior of gravity dams for static loads, considering linear-elastic behavior, and using Lagrange finite elements of 4 sides, with 9 nodal points. The GDams2D 1.0 program, developed in MATLAB, includes a module for automatic generation of meshes with a great level of refinement (generated from coarse meshes of quadrilaterals, with 4 nodal points at the vertices) and is designed for easy adaptation to non-linear analyzes, using stress-transfer modules such as those recently developed for the DamSlide3D and DamDamage3D programs. After a brief reference to the fundamentals of solid mechanics and to the simplified hypotheses of plane elasticity, the Fundamentals of the Finite Element Method (FEM) are presented, referring in particular the formulation of the four-node, linear and isoparametric, finite element (FE4nos), with two translation d.o.f per node, and the quadrangular FEs of 9 nodes (FE9nos) used in GDams2D 1.0. Based on some examples of application to simple 2D structures whose response is knownanalytically, the advantages of FEs are emphasized in relation to FE4nos and the verification and operability of GDams2D 1.0 is made using various discretizations. Finally, the case of a gravity dam (25 m high) is presented. The dam

The main objective of this work is the development and presentation of a three-dimensional finite element program, DamSlide3D, to study the behavior of gravity dams for scenarios of sliding through the dam-foundation interface. The DamSlide3D, developed using MATLAB, includes cube-type finite elements with 20 nodal points ("serendipity") and finite interface elements with 16 nodal points (joint elements). Initially, we present the fundamental equations of Solid Mechanics, referring to the main simplified hypotheses considered in the computationally implemented formulation, which is presented mathematically as a problem of boundary values using a displacement formulation. For the structure body and for the foundation, the hypothesis of isotropic materials with linear elastic behavior is assumed and for the interfaces the hypothesis of non-linear behavior is considered using the Mohr- Coulomb criterion. The DamSlide3D input data is provided in an excel file and includes structure geometry data, material properties, support conditions and load parameters. As output, the program graphically displays the stress field (principal stresses) and the displacement field (deformed structure). The program was verified throughout three numerical tests with known theoretical solutions. In these tests a simple structure was used, composed by a column discretized in 3DFE. At the contact surface between the column and the base (horizontal surface) it was considered an interface discretized using joint finite elements. A plane surface that crosses the column with a given slope is also considered, discretized using the same type of joint finite elements. In the first test, the field of elastic stresses at the base, due to self-weight (SW) and hydrostatic pressure (HP), was compared with the theoretical results. In the second test the nonlinear column response was studied for different values of thefriction angle at the inclined interface (in this test the structure is only submitted to SW). In the third test, for the main SW + HP loads, the stability of the column is studied for a variation of the friction angle, and for a variation of the water level. In these three numerical tests the results were always consistent with the theoretical solutions. Finally, as an example of application, a gravity dam structural behavior was analyzed considering the non-linear behavior in the dam-foundation interface. The dam was subjected to self-weight and hydrostatic pressure. A parametric study was developed in order to study the dam stability for differentvalues of water level and friction angle.

Neste relatório apresenta-se, de forma sucinta, a descrição da atividade de investigação realizada no âmbito do projeto CoMatFail até ao final de 2017. É feita a apreciação da atividade desenvolvida, nomeadamente quanto ao grau de cumprimento do plano de trabalhos, bem como dos objetivos específicos e dos indicadores de desempenho propostos na ficha de projeto. São ainda referidas as aplicações dos resultados da investigação em trabalhos contratados ao LNEC e as candidaturas a financiamento externo desenvolvidas no âmbito do projeto. Inclui-se em anexo a ficha do projeto atualizada, que contempla a revisão do plano de trabalhos.

Neste relatório apresenta-se de forma sucinta a descrição da atividade de investigação realizada no âmbito do projeto DEMRock6m no período 2016-2017. Os resultados da atividade são analisados e avaliados em face dos objetivos inicialmente previstos, sendo proposta uma revisão do plano de atividades para os próximos três anos.

Neste relatório apresenta-se, de forma sucinta, a descrição da atividade de investigação realizada no âmbito do projeto RockGeoStat no período 2016-2017. Os resultados da atividade são analisados e avaliados em face dos objetivos inicialmente previstos, sendo proposto um prolongamento do projeto até ao final de 2018.

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.