Interação fluido/estrutura utilizando uma formulação de Lagrange na discretização dos elementos de fluido

Abstract

Neste trabalho avalia-se o desempenho de uma formulação de Lagrange de elementos finitos em deslocamentos na modelação da interação hidrodinâmica que ocorre entre a albufeira e o conjunto barragem-fundação. Utiliza-se o módulo computacional Parmac3D-Fflow que permite a análise da interação hidrodinâmica com base em algoritmos de solução de natureza explícita (método das diferenças centrais) e implícita (método de Newmark). Apresentam-se os fundamentos necessários para a compreensão do comportamento hidrodinâmico de barragens gravidade e abóbada e dos modelos de cálculo adotados. É analisada a interação barragem-albufeira considerando que o corpo da barragem apresenta uma aceleração constante no tempo. São analisadas duas barragens gravidade genéricas, uma com o paramento de montante vertical e outra com o paramento de montante inclinado, para diferentes valores de inclinação, e uma barragem abóbada. Neste estudo procurou-se avaliar a importância de diversos parâmetros. As distribuições de pressão hidrodinâmicas obtidas no paramento de montante são comparadas com a solução proposta por Westergaard, para os casos da barragem gravidade de paramento vertical e da barragem abóbada, e com a solução proposta por Zangar para o caso da barragem gravidade de paramento inclinado. Por fim, foram desenvolvidos dois modelos numéricos da barragem gravidade de Pine Flat e três modelos numéricos da barragem abóbada do Alto Lindoso, de forma a avaliar o comportamento dos elementos finitos adotados sob vibração forçada. Para a barragem do Alto Lindoso foi analisada a influência de diversos parâmetros. Os resultados apresentados mostram que é possível aplicar modelos de fluido com base em deslocamentos no estudo dinâmico de barragens gravidade e que em barragens abóbada é necessário considerar uma malha muito refinada na zona junto ao paramento de montante. Verifica-se ainda que o termo de penalização deverá ser adotado com algum cuidado.

This work evaluates the performance of a Lagrange formulation of finite elements in displacements for modeling the hydrodynamic interaction that occurs between the reservoir and the assembly dam-foundation. The study is developed using the Parmac3D-Fflow computational module which allows the analysis of hydrodynamic interaction based on algorithms of explicit nature solution (method of centered differences) and implicit (Newmark method). The fundamentals for understanding the hydrodynamic behavior of gravity and arch dams and the calculation models adopted are presented. The dam-reservoir interaction is analyzed considering that the body of the dam presents a constant acceleration over time. Two generic gravity dams are analyzed, one with a vertical upstream face and the other with an inclined upstream face, for different slope values. An arch dam is also considered. This study aimed to evaluate the importance of several parameters. The hydrodynamic pressure distributions obtained at the upstream face of the dam are compared with the solution proposed by Westergaard, for the cases of the gravity dam with a vertical upstream face and the arch dam, and with the solution proposed by Zangar for the case of the gravity dam with an inclined upstream face. Finally, two numerical models of the Pine Flat gravity dam and three numerical models of the Alto Lindoso arch dam were developed in order to evaluate the behavior of the adopted finite elements under forced vibration. For the Alto Lindoso dam, the influence of several parameters was also analyzed. The results presented show that it is possible to apply fluid models based on displacements in the dynamic analysis of gravity dams and that in arch dams it is necessary to consider a very refined mesh close to the upstream face of the dam. It is also verified that special care must be taken with the penalty term adopted.