Estudo analítico-numérico e experimental de problemas de interação dinâmica fluido-estrutura com aplicação a barragens e eclusas de concreto

Abstract

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.