Estudo do comportamento estrutural de barragens arco-gravidade afetadas por expansões do betão. Aplicação à barragem da Bemposta

As barragens estão associadas ao Homem há milhares de anos, tendo um papel importante no desenvolvimento das sociedades, não só ao nível económico, como também ambiental e social. No último século, por apresentarem elevados riscos potenciais, foram implementados nas grandes barragens sistemas de observação que permitem acompanhar a resposta destas estruturas e avaliar a sua segurança. Nos últimos 50 anos têm-se verificado processos de deterioração progressiva em algumas barragens de betão, que se veio a constatar serem provocados por expansões no betão, devidas a reações de origem interna, principalmente reações álcalis-agregado e reações sulfáticas. As ex pansões são consequência das reações entre os minerais presentes nos agregados e os produtos existentes na pasta de cimento, que dão origem aos geles sílico-alcalinos ou à etringite retardada, que expandem ao absorverem água. Esta expansão provoca, em fases avançadas do processo, a fendilhação do betão e a degradação estrutural. Em Portugal têm sido estudadas várias barragens, do tipo gravidade e do tipo abóbada, afetadas por esta patologia, mas o conhecimento do comportamento de barragens do tipo arco gravidade é mais escasso. Foi esta a razão que motivou a realização desta dissertação, em que se usou, como caso de estudo, a barragem da Bemposta, uma estrutura do tipo arco-gravidade dotada de um grande vazamento no trecho inferior, cujo betão está afetado por reações expansivas mo deradas, do tipo álcalis-sílica. Para interpretação do comportamento observado da barragem, incluindo os efeitos das re ações expansivas, foi elaborado um modelo estrutural que considerou a evolução das propriedades do betão, nomeadamente da fluência e da relaxação, e a evolução das principais ações, designadamente da pressão hidrostática, das variações de temperatura e das expansões. As variações de temperaturas no corpo da barragem foram calculadas com um modelo térmico, que teve em consideração as temperaturas do ar e da água nas superfícies exteriores da barragem e os efeitos da radiação solar. Foi obtido um ajuste notável entre resultados da observação e da modelação estrutural, o que permitiu validar os modelos numéricos. Os resultados obtidos evidenciam que os efeitos das expansões são já dominantes no comportamento da obra, em termos dos deslocamentos horizontais e verticais e das tensões. Com base nos modelos desenvolvidos, foi realizada uma previsão do comportamento futuro da obra, considerando duas estimativas de evolução futura das expansões, uma otimista, em que as expansões estabilizam a curto prazo, com valores finais moderados, e uma pessimista, com um potencial remanescente de expansão significativo. Os resultados obtidos nestes dois cenários poderão contribuir para a balizagem do comportamento da obra num horizonte temporal de 20 anos.Dams have been associated with humankind for thousands of years, playing an important role in the development of societies, not only at the economic level, but also at the environmental and human levels. Since they present high potential risks, in the last century observation systems have been implemented in large dams to monitor the response of these structures and to assess its safety conditions. In the last 50 years, progressive deterioration processes have been detected in some dams, caused by concrete swelling mainly due to alkali-aggregate and sulphate reactions. The swelling occurs due to the reaction between the minerals of the aggregates and the chemical products from the cement, that give rise to silico-alkaline gels or delayed etringite, that expand in the presence of water leading to the cracking of the dam’s concrete. In Portugal, several gravity and arch dams affected by this pathology have been studied, but the knowledge of the behavior of arch-gravity dams is much scarcer. In fact, this issue has motivated the preparation of this thesis, in which a the Bemposta Dam, an arch-gravity dam with a big gallery on the lower part, whose concrete is affected by moderate expansive alkali-silica reactions, is used as a study case. To interpret the dam behavior and the effects of the expansive reactions, a structural model was prepared considering the evolution of the concrete properties, namely creep and relaxation, and the evolution of the main actions, namely the hydrostatic pressure, the temperature variations and the expansions. The temperature variations in the dam’s body were computed using a thermal model, which considered the air and the water temperatures on the external surfaces of the dam and the effects of the solar radiation. A remarkable adjustment was obtained between the structural model and the observed results, which allowed to validate the numerical models. The obtained results show that the swelling effects are already dominant on the dam behavior, both in terms of the horizontal and vertical displacements and in terms of the stress fields.Based on the developed models and on two estimates for the expansion’s evolution, an optimistic one, in which the expansions stabilize in the short term, and a pessimistic one, in which the remaining potential for expansion is still significant, two scenarios were established that enclose the behavior of the dam for the next 20 years