Orientador : Prof. Dr. José Marques Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Construção Civil. Defesa: Curitiba, 31/08/2015 / Inclui referências : f. 173-184 / Area de concentração : Materiais e estruturas / Resumo: A demanda por energia, água e outros serviços vêm aumentando continuamente para sustentar o desenvolvimento econômico e melhorar as condições de vida das pessoas. As barragens são vitais para que a população tenha acesso aos insumos básicos fundamentais, entretanto são estruturas que apresentam um risco potencial elevado, motivo pelo qual os regulamentos de segurança, além das recomendações de projeto, prescrevem atividades de acompanhamento e observação, por instrumentação, inspeção visual ou ensaios específicos. Por sua importância e pelo aumento ainda significativo da população mundial, é necessário que continuem os estudos dos materiais e novas técnicas de construção para empreendimentos hidráulicos em busca da solução mais sustentável possível. Dentre as várias soluções possíveis de barragem, as barragens de concreto à gravidade foram muito utilizadas no passado, e com o advento a técnica construtiva do Concreto Compactado com Rolo tornaram-se atrativas nas últimas duas décadas. Geralmente, os critérios usuais de projeto de barragens de concreto à gravidade indicam que uma solução analítica, considerando um modelo bidimensional, com distribuição linear de tensões na base, é suficiente para análise da segurança da estrutura. Como consequência desse processo simplificado, como barragens são estruturas tridimensionais, verifica-se que os protótipos em operação apresentam comportamentos muito diferentes daqueles assumidos nas análises simplificadas 2D, com peculiaridades que acabam sendo negligenciadas. Grosseiramente, as análises como corpo rígido pelo processo de equilíbrio limite desprezam as tensões tangenciais geradas pela declividade das ombreiras, além da óbvia diferença de distribuição de tensões. Sabendo da complexidade de um projeto civil de uma barragem, por ser um projeto multidisciplinar, envolvendo diversas áreas de conhecimento, e das inúmeras simplificações que são feitas no dimensionamento, a avaliação de barragens via Método dos Elementos Finitos através de modelos tridimensionais é uma ferramenta interessante que permite análises mais completas, e uma análise crítica dos critérios de projeto. O objetivo do presente trabalho é avaliar os Critérios de Projetos e de Estabilidade nas ombreiras de Barragens de Concreto à Gravidade, avaliando os efeitos dos parâmetros da interface entre concreto e rocha, evidenciando a necessidade de investigações adequadas da fundação e do concreto. Foram utilizados modelos tridimensionais no programa SAP 2000, para uma barragem com altura de 50 metros, parametrizando os estudos em função da declividade da ombreira e dos parâmetros físicos do concreto e da rocha da fundação. Após a apresentação dos conceitos, apresenta-se uma análise de sensibilidade da estabilidade global variando as características dos materiais, baseadas em valores reais utilizados em barragens de concreto disponíveis na literatura; e variações nos ângulos médios das ombreiras de 0º, 10º, 20º e 30º. Os resultados foram validades através da comparação com os critérios preconizados pelo Manual de Viabilidade da Eletrobrás, 2003, e com modelos de elementos finitos bidimensionais com a mesma geometria. Mostra-se claramente a importância da avaliação adequado dos parâmetros de fundação. Também se evidencia a influência da inclinação das ombreiras nos cálculos, onde o aumento da inclinação degrada significativamente os parâmetros de segurança ao deslizamento, com necessidade de presença de coesão significativa nos modelos mais inclinados. Durante os estudos, verifica-se que as tensões de tração obtidas no modelo com inclinação de 30º são superiores aos limites recomendados. Também foi feita uma análise dos deslocamentos da estrutura, que são significativamente inferiores a alguns processos de execução de juntas, e no caso estudado a hipótese de haver contato entre os blocos mostra ser inadequada. Palavras Chave: barragens, concreto, estabilidade, ombreiras, análise tridimensional / Abstract: The human needs for water and energy are continuously growing in order to permit the economic growth and to improve life quality. Dams are necessary to furnish the basic water resources, but their structures need and special safety analysis because failure could lead to a catastrophic situation. Consequently, several dam regulations indicate the necessity of continuous dams safety monitoring and instrumentation. In order to attend the water resources necessities, it is very important to study new techniques and solutions, using sustainability approaches. Usually, the global stability analysis used in dam design considers very simple 2D models, considering stress linear distribution in the dam horizontal base. Obviously, this approach do not represents the actual dam behavior, mainly in the abutments. In order to improve the solution, the Finite Element Method (FEM) could be a useful tool to analyze and study dams. This dissertation purpose is to evaluate the frequently used gravity dams design criteria throughout FEM analysis, in order to verify abutm ent blocks safety. The study proposed a sensitivity analysis varying rock and concrete mechanical parameters, and the dam rock interface envelopes. Keywords: dams, concrete, stability analysis, concrete gravity dam

Orientador : Profª. Drª. Liliana Madalena Gramani / Co-orientador : Prof. Dr. Eloy Kaviski / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 04/05/2016 / Inclui referências : f. 114-119 / Área de concentração : Programação matemática / Resumo: Barragens de concreto respondem a diversos tipos de carregamentos, sejam eles provenientes da força da gravidade, pressão hidrostática da água ou variação térmica sazonal. Dentre estes, diversos trabalhos presentes na literatura destacam a importância de se avaliar os efeitos da temperatura no desempenho estrutural de barragens. Altos índices de variação de temperatura podem afetar o desempenho, resistência e durabilidade das estruturas, de modo que a correta avaliação do campo de temperaturas é essencial para que uma futura análise e determinação das tensões de origem térmica possa ser realizada. Através de um estudo de caso na Barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu (UHI), é proposto um esquema numérico via elementos finitos para calibrar e validar os parâmetros térmicos do concreto (condutividade térmica, calor e massa específica) de um bloco de contraforte quando este está sujeito à variação térmica sazonal. Devido ao advento das aplicações do Cálculo Fracionário (que se trata de uma abordagem generalizada do Cálculo Tradicional, onde derivadas e integrais sucessivas podem ser de ordem não inteira) esta tese traz como inovação a modelagem térmica em barragem de contrafortes através de Equações Diferenciais Fracionárias. As soluções de um modelo via Cálculo Tradicional e via Cálculo Fracionário foram analisadas comparativamente aos dados observados por meio do MAPE (Erro Percentual Absoluto Médio). Para o caso da barragem da UHI, com geometria, condições de contorno e propriedades do concreto bem definidas, o modelo térmico fracionário apresentou um resultado mais próximo à realidade do bloco em estudo ao verificar que o maior MAPE nos pontos de prova foi de 3.23%. O objetivo assim é instigar futuras aplicações do Cálculo Fracionário no âmbito de barragens. Palavras-chaves: Modelagem Térmica. ANSYS. Equação do Calor Fracionária. Métodos Aproximados. / Abstract: Concrete dams respond to various types of loads, whether from the force of gravity, hydrostatic water pressure or seasonal thermal variation. Among these, several studies in the literature highlight the importance of evaluating the effects of temperature on the structural performance of dams. High temperature change rates may affect the performance, strength and durability of the structures, so that the correct evaluation of the temperature field is essential for future analysis and determination of the thermal stress can be performed. Through a case study in Itaipu Hydroelectric Power Plant dam (UHI), a numerical scheme is proposed via finite element to calibrate and validate the thermal parameters of concrete (thermal conductivity, heat and density) of a buttress block when this it is subject to seasonal thermal variation. Due to the advent of applications of Fractional Calculus (which is a generalized approach to the traditional calculation, where derivatives and successive integrals can be no integer order) this thesis brings as innovation thermal modeling in buttresses dam through Fractional Differential Equations. The solutions of a model via traditional calculation and via Fractional Calculus were analyzed in comparison to the observed data through MAPE (Mean Absolute Percent Error). In the case of UHI dam, with geometry, boundary conditions and concrete properties well defined, the fractional thermal model presented closer to reality block in study results to check the biggest MAPE in test points was 3.23%. The purpose is to instigate so future applications of fractional calculus under dams. Key-words: Thermal Modeling. ANSYS. Fractional Heat Equation. Approximate methods

Orientador : Prof. Dr. Anselmo Chaves Neto / Co-orientador : Prof. Dr. Luiz Albino Teixeira Júnior / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 21/12/2015 / Inclui referências : f.123-128 / Área de concentração: Programação matemática / Resumo: A proposta deste trabalho é apresentar uma nova metodologia híbrida WARIMAX-GARCH Neural para a previsão pontual e intervalar de séries temporais estocásticas. Fundamentalmente, é aplicada a decomposição Wavelet em séries históricas compostas por registros de monitoramento de barragens e suas componentes de aproximação e detalhe, as quais são modeladas, individualmente, via ARIMA-GARCH e Redes Neurais Artificiais (RNA). A partir de então, são realizadas as previsões pontuais fora da amostra pelas técnicas de modelagem e os resultados são combinados linearmente. As componentes de aproximação e detalhe são completadas com as previsões combinadas e passam a ser utilizadas como variáveis de entrada (exógenas híbridas) na modelagem da série em estudo. Em cada série temporal é aplicada a metodologia WARIMAX-GARCH Neural e são realizadas as previsões pontuais e intervalares, sob a suposição de inovações gaussianas. As séries temporais utilizadas neste trabalho de tese foram as séries temporais dos deslocamentos horizontais de blocos da barragem principal da Usina Hidrelétrica de Itaipu, aferidas pelos pêndulos diretos automatizados. Os desempenhos preditivos alcançados pela metodologia proposta, em relação aos resultados obtidos pelas modelagens tradicionais ARIMA-GARCH e RNA, foram consideravelmente vantajosos. Nas comparações dos resultados obtidos através do modelo WARIMAX-GARCH Neural com métodos tradicionais, a redução do erro preditivo chegou a 91%. Palavras-chave: Monitoramento de Barragens, Previsão de Séries Temporais, Modelos ARIMA, Modelos GARCH, Redes Neurais Artificiais, Decomposição Wavelet. / Abstract: This research proposes a new WARIMAX-GARCH Neural hybrid methodology for point and interval prediction of stochastic time series. Fundamentally, it is applied the wavelet decomposition on the time series made of monitoring data and its approximation and detail components were modeled by ARIMA-GARCH and Artificial Neural Networks (ANN). Thereafter, the point forecasts are performed out the sample by both modeling techniques and these results are combined linearly. The approximation and detail components are completed with the combined forecasts and are used as input variables (hybrid exogenous) in the modeling time series under study. In each time series is applied the WARIMAX-GARCH Neural methodology and are made the point and interval forecast, under the assumption of Gaussian innovations. The time series used in this research were the time series of horizontal displacements of the main dam blocks of Itaipu hydroelectric plant, measured by automated direct pendulums. The predictive performances achieved by the proposed method compared to the results obtained by traditional modeling ARIMA-GARCH and RNA were considerably advantageous. Comparing the results obtained by WARIMAX-GARCH Neural model to traditional methods there was a reduction of up to 91% of the predictive error. Keywords: Dams Monitoring, Forecast Time Series, ARIMA Models, GARCH Models, Artificial Neural Networks, Wavelet Decomposition.

Orientador : Prof. Dr. Arinei Carlos Lindbeck da Silva / Co-orientador : Prof. Dr. Luiz Albino Teixeira Júnior / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia. Defesa: Curitiba, 22/12/2015 / Inclui referências : f.82-93 / Resumo: Nesta tese de Doutorado é apresentado um novo método preditivo híbrido, formado basicamente pela combinação dos métodos SARIMA, Support Vector Regression e Wavelet, denominado como SARIMA Support Vector Regression Wavelet de Múltiplos Núcleos (SSVRWMN), para a predição de valores de leitura de instrumentos de barragens de concreto de usinas hidroelétricas. Tendo as previsões pontuais, estimase o intervalo de confiança por meio da técnica Bootstrap. O método SSVRWMN Bootstrap contempla as seguintes abordagens: os modelos SARIMA (para mapear estruturas de autodependência lineares sazonais e simples); a decomposição Wavelet integrada com modelos Support Vector Regression (SVRs) (que mapeiam estruturas de autodependência não lineares e da frequência espectral inerente aos dados); a programação não linear (utilizada no ajuste numérico dos parâmetros associados às combinações de previsões) e a técnica Bootstrap aplicada aos resíduos do modelo SSVRWMN com a finalidade de se estimar o intervalo de confiança Bootstrap. O objetivo é produzir previsões para as séries temporais provenientes de instrumentos de barragens, agregadoras de informações estocásticas distintas capturadas por diferentes métodos. A fim de avaliar a eficiência do método preditivo SSVRWMN, este foi aplicado a algumas séries temporais provenientes da aferição de instrumentos situados no bloco-chave I10 da barragem de Itaipu (as quais são utilizadas na análise probabilística de risco de tombamento dos blocos no sentido montante-jusante). O desempenho preditivo alcançado pelo método SSVRWMN, em relação aos métodos preditivos SARIMA, SVR e composto SARIMA-SVR, foi notadamente superior, na presente tese. Palavras-chave: Séries temporais, Instrumentação de barragens, SARIMA, Wavelet, Support Vector Regression, Programação matemática, Técnica Bootstrap. / Abstract: In this doctoral thesis is presented a new hybrid predictive method, formed by the combination of the methods SARIMA, Support Vector Regression and Wavelet referred as: SARIMA Support Vector Regression Wavelet of multiple kernels (SSVRWMN), for the prediction of reading values of concrete dams of hydroelectric plants. With the forecasts, it is estimated the confidence interval by Bootstrap technique. The method SSVRWMN Bootstrap includes the following approaches: SARIMA models (to map linear auto-dependence structures simple and seasonal); Wavelet decomposition integrated with Support Vector Regression models (SVR) (which map non-linear auto-dependence structures and spectral frequency inherent to data); nonlinear programming (used in the numerical adjustment of the parameters associated with combinations of forecasts) and the Bootstrap residual technique applied to residue the model SSVRWMN in order to estimate the Bootstrap confidence interval. The goal is to produce forecasts for the time series from instruments of dams that are aggregators of distinctive stochastic information captured by different methods. In order to evaluate the efficiency of method SSVRWMN predictive , this was applied to some time series from instruments located in block-key I10, of Itaipu Dam (which are used in probabilistic analysis tipover risk of blocks in the downstreamupstream direction). The predictive performance achieved by SSVRWMN concerning the traditional approaches SARIMA, SVR and composed SARIMA-SVR, have been remarkable superior. Keywords: Time series, dam Instrumentation, SARIMA, Wavelet, Support Vector Regression, Mathematical programming, Bootstrap Technique.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / A Barragem CastanhÃo em Alto Santo, CearÃ, necessita de operaÃÃo e monitoramento constantes, a fim de se acompanhar o seu comportamento e desempenho e verificar se estes estÃo de acordo com as hipÃteses formuladas no projeto e dentro das condiÃÃes de seguranÃa estabelecidas. Este trabalho tem como objetivo principal a anÃlise dos resultados das mediÃÃes periÃdicas obtidas nos piezÃmetros e drenos de fundaÃÃo instalados na barragem, alÃm da comparaÃÃo das vazÃes de fundaÃÃo atravÃs de simulaÃÃes de fluxo. Foi realizada uma anÃlise do comportamento das subpressÃes, plotando-se em diagramas as subpressÃes de projeto e as medidas com relaÃÃo aos furos de drenagem onde foram estudadas as vazÃes de infiltraÃÃes, realizando-se comparaÃÃes entre a literatura existente e as simulaÃÃes executadas com a aplicaÃÃo do programa GEOSLOPE (SEEP/W). Os dados utilizados nesta pesquisa sÃo referentes Ãs leituras de 16 piezÃmetros do tipo Casagrande e de 151 furos de drenagem, aos coeficientes de permeabilidade do solo de fundaÃÃo, Ãs cotas dos nÃveis dâÃgua do reservatÃrio e à jusante da barragem. A partir destes dados foram traÃados os diagramas de subpressÃes e estruturada a modelagem para as simulaÃÃes de fluxo pela fundaÃÃo. No que concerne Ãs subpressÃes, a barragem mostrou comportamento satisfatÃrio, apresentando um caso extremo, porÃm ainda dentro dos limites de seguranÃa do projeto. Com relaÃÃo Ãs vazÃes de infiltraÃÃo, em geral, mostraram-se dentro dos limites aceitÃveis, porÃm o furo de drenagem 111 apresentou vazÃo acima deste limite, o que deve manter em estado de alerta a equipe de monitoramento. Foram propostos cinco cenÃrios para as simulaÃÃes, em que a variÃvel principal foi o coeficiente de permeabilidade e onde as vazÃes calculadas foram comparados com as reais. Constatou-se que em 50% dos casos ocorreram diferenÃas nestes valores de 0,5 a 1,5, o que deve-se a generalizaÃÃo do coeficiente de permeabilidade adotado. / The CastanhÃo Dam, located in the Alto Santo District in the State of CearÃ, requires continuous performance and monitoring ,in order to monitor its behavior and performance and check if these meet with design assumptions and are inside of the acceptable safety conditions. The main objective of this research is to analyze the results of the periodic measurements in piezometers and foundation drains installed in the concrete dam, and comparison of foundation flow with of flow simulations. An analysis of the uplift behavior was performers by plotting design uplift distributions and the resulting seepage flow drainage holes, by make comparisons between the existing literature and the simulations were made using the software GEOSLOPE(SEEP/W). The data used in this work were based upon readings from 16 Casagrande piezometers and 151 drainage holes that measured: the coefficient of permeability of foundation soils and the height of the water level upstream and downstream of the reservoir. From this data the uplift distributions were drawn and the foundation flow simulated. With respect to the uplift, the dam showed satisfactory behavior, with one extreme case that was still inside the projectâs safety limits. The infiltration flow, in general, was showed inside acceptable limits, however drainage hole 111 exhibited flow above the limits, therefore the monitoring team should be always in state of alert. Five sceneries were proposed for the simulations, where the principal variable was the value of the coefficient of permeability. Four of these five sceneries can be compared with the real data of seepage, however in 50% of the cases, differences in theses values from 0,5 to 1,5 due to generalization of the adopted coefficient of permeability.

Este trabalho aborda a temática de segurança de barragens de gravidade e apresenta uma metodologia para análise por instrumentação colocada no maciço destas estruturas. Como estudo de caso, utilizou-se a barragem da Usina Hidrelétrica de Dona Francisca, construída no final do ano de 2000, no Rio Jacuí, na região central do Estado do Rio Grande do Sul, Brasil. Sua estrutura é de concreto compactado com rolo e possui cerca de 63 metros de altura máxima e 660 metros de comprimento. As condições geológico-geotécnicas da fundação da UHE Dona Francisca remetem às rochas da Formação Caturrita, constituídas principalmente por arenitos e níveis de siltito e argilito intercalados. Devido à preocupação com o comportamento deste tipo de fundação em relação à estabilidade das estruturas, a UHE Dona Francisca foi contemplada com um amplo plano de instrumentação, composto principalmente por medidores de vazão, piezômetros, pêndulos diretos, extensômetros e medidores triortogonais de junta. Esta dissertação apresenta e analisa os dados destes dispositivos. Os objetivos principais foram avaliar a evolução dos registros ao longo do tempo e frente às variações de carregamento e condições ambientais, além de comparar as leituras com as previsões de projeto e com os dados de instrumentação de outras barragens. Observou-se que a maioria da instrumentação é sensível à variação do nível do reservatório e, portanto, o mesmo foi tomado como referencial nas apresentações das leituras dos instrumentos. De um modo geral, a barragem esteve estável durante o período auscultado de 17 anos. As poropressões foram controladas satisfatoriamente pelo sistema de drenagem. Na maioria das vezes, os deslocamentos, as deformações na fundação e vazões foram superiores aos registros de outras barragens de maior porte. Entretanto, essas grandezas tenderam a reduzir ou se estabilizar ao longo dos anos. Atualmente, alguns instrumentos exigem atenção visto que suas leituras não estão estáveis ou não correspondem às previsões de comportamento estabelecidas durante a fase de projeto. A metodologia para análise adotada neste trabalho mostrou-se eficaz e permitiu a definição das tendências atuais de leituras de cada instrumento. / This work deals with the safety of gravity dams and presents a methodology for analysis by instrumentation inserted in the massif of these structures. The Dona Francisca Hydroelectric dam was used as a case study. This dam was built in the end of 2000, on the Jacuí River, in the central region of the Rio Grande do Sul State, Southern Brazil. Its structure is made of rolled concrete and has approximately 63 meters of maximum height and 660 meters in length. The geological and geotechnical conditions of the Dona Francisca HPP foundation refer to the Caturrita Formation rocks, made up mainly of sandstones and intercalated levels of siltstone and claystone. Due to the concern about the behavior of this type of foundation in relation to the stability of the structures, the Dona Francisca HPP was contemplated with a broad instrumentation plan, composed mainly of flow meters, piezometers, direct pendulums, extensometers and triorthogonal meters. This dissertation presents and analyzes the data of these devices. The goals were to evaluate the evolution of these registers over time and in relation to loading variations and environmental conditions, moreover, compare the readings with the project forecasts and the instrumentation data from other dams. It was observed that most of the instrumentation is sensitive to variation of the reservoir level and, therefore, it was taken as reference in the presentations of the instruments readings. In general, the dam of the Dona Francisca HPP was stable during this auscultated period of 17 years. The pore water pressures were successfully controlled by the drainage system. Most of the time, the displacements, the deformations in the foundation and flows were higher to the records of other larger dams. However, these magnitudes have tended to decrease or stabilize over the years. Nowadays, some auscultation devices require attention because their readings are not stable or do not match the behavior predictions established during the design stage. The analysis methodology adopted in this study proved to be effective and allowed the definition of each instrument reading trends.

O presente trabalho se propõe a estabelecer uma comparação entre os resultados de ensaios em modelo físico da Caixa Espiral de uma turbina tipo Kaplan, caso da Barragem Nova Avanhandava, e os resultados de auscultação do protótipo, através de uma comparação intermediária com modelos numéricos, baseados no Método dos Elementos Finitos. São mostrados os procedimentos seguidos na construção e ensaios do modelo físico, os métodos utilizados na coleta e análise de dados de auscultação da barragem, e as modelagens plana e tridimensional para processamento numérico. / This work aims to establish a comparison between the results of tests on a physical model of the spiral box of a turbine Kaplan type (that is the case of Nova Avanhandava Power Plant), and the results of auscultation of the prototype by means of an intermediary comparison using numeric models based on the Finite Element Method. It is presented the proceedings followed in the construction and tests of the physical model, the methods used in the collection and analysis of data of the auscultation of the dam, and the plane and tridimensional modelling for numeric processing.

O presente trabalho se propõe a estabelecer uma comparação entre os resultados de ensaios em modelo físico da Caixa Espiral de uma turbina tipo Kaplan, caso da Barragem Nova Avanhandava, e os resultados de auscultação do protótipo, através de uma comparação intermediária com modelos numéricos, baseados no Método dos Elementos Finitos. São mostrados os procedimentos seguidos na construção e ensaios do modelo físico, os métodos utilizados na coleta e análise de dados de auscultação da barragem, e as modelagens plana e tridimensional para processamento numérico. / This work aims to establish a comparison between the results of tests on a physical model of the spiral box of a turbine Kaplan type (that is the case of Nova Avanhandava Power Plant), and the results of auscultation of the prototype by means of an intermediary comparison using numeric models based on the Finite Element Method. It is presented the proceedings followed in the construction and tests of the physical model, the methods used in the collection and analysis of data of the auscultation of the dam, and the plane and tridimensional modelling for numeric processing.