Analytic-numerical and experimental study of dynamic fluidstructure interaction problems with application to concrete dams and locks

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Faculdade de Tecnologia, 2022.As barragens e eclusas de gravidade em concreto são estruturas, quase sempre de grande porte, as quais possuem acentuada variedade de uso, conforme a necessidade de cada região, onde são implantadas. Na engenharia dessas estruturas é imprescindível a garantia das mínimas condições de segurança, uma vez que o rompimento delas, pode gerar verdadeiras catástrofes tanto no âmbito econômico quanto no social e ambiental. Decorrente disso, este trabalho aborda um estudo analítico-numérico e experimental de problemas de interação dinâmica fluido-estrutura, com aplicação em barragens e eclusas de gravidade em concreto. A princípio, uma metodologia analítica simplificada, denominada Artifício do Campo de Pressão Prescrito (ACPP), foi feita para determinar as frequências naturais desacopladas e acopladas fluido-estrutura associadas aos modos dominantes de massa adicional em um regime incompressível. O ACPP abrange estruturas com inércia constante ou linearmente variável, bem como possibilita obter as frequências associadas as pressões hidrodinâmicas impulsivas para diferentes modos de vibração em um problema acoplado barragemreservatório e eclusa-reservatório. Os resultados obtidos pelo ACPP foram confrontados com o Método dos Elementos Finitos (MEF) por meio do software ANSYS®, com o Método Pseudo-dinâmico, com o Método da Matriz de Transferência Modificado (MMTM) e com resultados disponíveis na literatura. Os estudos comparativos foram aplicados em diversas geometrias de barragens e eclusas. As respostas das frequências foram satisfatórias e demonstraram diferenças percentuais inferiores a 5% no regime incompressível. No regime compressível as diferenças percentuais são maiores (em torno de 10 a 20%). O ACPP também foi aplicado na determinação das frequências na barragem de Pina Flat, barragem de Tsuruda e barragem de Koyna. Um estudo paramétrico avaliando a influência de parâmetros atrelados as dimensões geométricas do reservatório acoplado a barragens e eclusas foi apresentado. Além disso, na análise da interação eclusa-reservatório, um estudo foi feito para investigar as frequências naturais e modos de vibração associados as ondas de superfície livre sloshing com aplicação na eclusa de Tucuruí. Por fim, para complementar o estudo do sloshing, o trabalho contempla uma abordagem experimental. Uma mesa vibratória harmônica foi construída e utilizada para estudar os efeitos de superfície livre sloshing em reservatório com fronteiras rígidas. Nessa perspectiva, a Técnica de Captura de Movimento por Vídeo (TCMV) foi utilizada para aquisição dos resultados experimentais. Os estudos comparativos nas frequências naturais e pressões convectivas (sloshing) obtidas analiticamente, numericamente e experimentalmente apresentaram diferenças percentuais máximas de 7,32%. Portanto, este trabalho contribui em diversos aspectos relacionados à interação fluido-estrutura em barragens e eclusas.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).Concrete gravity dams and locks are structures, almost always large in size, which have a wide variety of uses, according to the needs of each region where they are implemented. In the engineering of these structures, it is essential to guarantee minimum safety conditions, once their rupture can generate real catastrophes both economically and socially and environmentally. As a result, this paper addresses an analytical-numerical and experimental study of dynamic fluid-structure interaction problems, with application to concrete gravity dams and locks. At first, a simplified analytical methodology, called the Prescribed Pressure Field Artifice (PPFA), was made to determine the decoupled and fluid-structure coupled natural frequencies associated with the additional mass dominant modes in an incompressible regime. The PPFA covers structures with constant or linearly varying inertia, and makes it possible to obtain the frequencies associated with impulsive hydrodynamic pressures for different vibration modes in a dam-reservoir and lock-reservoir coupled problem. The results obtained by PPAF were compared with the Finite Element Method (FEM), using ANSYS® software, with the Pseudo-dynamic Method, with the Modified Transfer Matrix Method (MTMM) and with literature results. The comparative studies were applied to several dam and lock geometries. The responses were satisfactory and showed percentage differences of less than 5% in the incompressible regime. In the compressible regime the percentage differences were larger (around 10 to 20%). The PPAF was also applied in determining frequencies at Pina Flat Dam, Tsuruda Dam and Koyna Dam. A parametric study evaluating the influence of parameters related to the geometric dimensions of the reservoir coupled with dams and locks was presented. Furthermore, in the analysis of lock-reservoir interaction, a study was done to investigate the natural frequencies and vibration modes associated with free surface sloshing waves with application to Tucuruí lock. Finally, to complement the study of sloshing, the work includes an experimental approach. A harmonic vibrating table was built and used to study the free surface sloshing effects in a reservoir with rigid boundaries. In this perspective, the Motion Capture by Video Technique (MCVT) was used to acquire the experimental results. The comparative studies on natural frequencies and convective (sloshing) pressures obtained analytically, numerically and experimentally showed maximum percentage differences of 7.32%. Therefore, this work contributes to several aspects related to fluid-structure interaction in dams and locks