Safety of dams can be evaluated based on the risk analysis methodologies that accounts for estimation of the risks associated to the dam-reservoir system. For this purpose it is important to estimate the probability of load events and probability of failure for several failure modes. The following thesis emphasises on estimation of the probability of one specific failure mode, i.e. “sliding failure” for a concrete gravity dam. The main idea behind this thesis was to analyse the estimation of the probability of sliding failure of an existing dam by obtaining the relationships among the different load events, factors of safety associated to those events and the probability of failure estimated using numerical simulation techniques together with different reliability methods. The analysed dam is taken from theme C of the eleventh ICOLD Benchmark workshop on numerical analysis of dams. The thesis covers the methodology for estimating the probability of failure of a given concrete gravity dam with five water levels, considering the sliding failure mode along the dam-foundation interface along with the estimation of factors of safety for each water level and with two different drainage conditions. First order second moment Taylor’s Series Approximation is being used as Level 2 reliability method and Monte Carlo simulation as Level 3 reliability method to estimate the probability of failure against sliding of the dam. Conclusions are drawn in the end by comparing the results obtained from factor of safety estimation and probability of failure for each water level and drainage condition, followed by suggestions for further research in the context of sliding stability of concrete dams.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Estudos de fundações de obras de arte, como barragens de concreto-gravidade e barragens de terra, devem contemplar todos os esforços atuantes no maciço de fundação, principalmente as tensões e as deformações esperadas durante todo o processo construtivo e no período pós-construtivo. Quando essas estruturas são apoiadas sobre rochas de boa sanidade, a escolha do barramento geralmente favorece a implantação de barragens de concreto. Entretanto, quando os maciços de fundação são formados por solos, a opção técnica geralmente mais bem aceita é quanto à utilização de barragens de terra. Em ambos os casos, as análises de estabilidade e de deformação são desenvolvidas por métodos analíticos bem consolidados na prática. Nas condições mais adversas de fundação, seja em rochas ou em solos com marcante anisotropia e estruturas reliquiares herdadas da rocha-mãe, a utilização de modelos constitutivos anisotrópicos em análises por elementos finitos propicia simulações mais realistas dessas feições estruturais, contribuindo para o seu melhor conhecimento. O presente trabalho teve por objetivo demonstrar a utilização de um modelo constitutivo anisotrópico no estudo da fundação da Barragem San Juan, localizada na República Dominicana, que foi concebida como uma estrutura tipo concreto-gravidade apoiada sobre solos residuais jovens altamente anisotrópicos. Nessa obra, apesar de sua pequena altura, a presença marcante de descontinuidades ensejou um estudo mais detalhado do comportamento tensão-deformação da fundação, levando em conta o levantamento detalhado da atitude das descontinuidades presentes no maciço e os resultados de ensaios de resistência em planos paralelos e normais às descontinuidades. Para a estimativa de deformações, os respectivos módulos de Young (Es) foram estimados com base em correlações com a resistência à penetração SPT desenvolvidas nesta dissertação, a partir de um estudo estatístico baseado em várias publicações disponíveis na literatura. As análises numéricas por elementos finitos foram desenvolvidas através do programa Plaxis 2D, utilizando-se como modelo constitutivo aquele denominado The Jointed Rock Model, que é particularmente recomendado para análises de estabilidade e deformação de materiais anisotrópicos. Os resultados das análises numéricas foram comparados com as análises de equilíbrio limite elaboradas para o projeto executivo da referida barragem, pelo programa Slope, utilizando o método rigoroso de Morgenstern e Price, que se mostrou conservador. Os resultados das análises numéricas mostraram sua inequívoca versatilidade para a escolha de opções de reforço da fundação, através de dentes que objetivavam o aumento das condições de estabilidade da barragem.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Estudos de fundações de obras de arte, como barragens de concreto-gravidade e barragens de terra, devem contemplar todos os esforços atuantes no maciço de fundação, principalmente as tensões e as deformações esperadas durante todo o processo construtivo e no período pós-construtivo. Quando essas estruturas são apoiadas sobre rochas de boa sanidade, a escolha do barramento geralmente favorece a implantação de barragens de concreto. Entretanto, quando os maciços de fundação são formados por solos, a opção técnica geralmente mais bem aceita é quanto à utilização de barragens de terra. Em ambos os casos, as análises de estabilidade e de deformação são desenvolvidas por métodos analíticos bem consolidados na prática. Nas condições mais adversas de fundação, seja em rochas ou em solos com marcante anisotropia e estruturas reliquiares herdadas da rocha-mãe, a utilização de modelos constitutivos anisotrópicos em análises por elementos finitos propicia simulações mais realistas dessas feições estruturais, contribuindo para o seu melhor conhecimento. O presente trabalho teve por objetivo demonstrar a utilização de um modelo constitutivo anisotrópico no estudo da fundação da Barragem San Juan, localizada na República Dominicana, que foi concebida como uma estrutura tipo concreto-gravidade apoiada sobre solos residuais jovens altamente anisotrópicos. Nessa obra, apesar de sua pequena altura, a presença marcante de descontinuidades ensejou um estudo mais detalhado do comportamento tensão-deformação da fundação, levando em conta o levantamento detalhado da atitude das descontinuidades presentes no maciço e os resultados de ensaios de resistência em planos paralelos e normais às descontinuidades. Para a estimativa de deformações, os respectivos módulos de Young (Es) foram estimados com base em correlações com a resistência à penetração SPT desenvolvidas nesta dissertação, a partir de um estudo estatístico baseado em várias publicações disponíveis na literatura. As análises numéricas por elementos finitos foram desenvolvidas através do programa Plaxis 2D, utilizando-se como modelo constitutivo aquele denominado The Jointed Rock Model, que é particularmente recomendado para análises de estabilidade e deformação de materiais anisotrópicos. Os resultados das análises numéricas foram comparados com as análises de equilíbrio limite elaboradas para o projeto executivo da referida barragem, pelo programa Slope, utilizando o método rigoroso de Morgenstern e Price, que se mostrou conservador. Os resultados das análises numéricas mostraram sua inequívoca versatilidade para a escolha de opções de reforço da fundação, através de dentes que objetivavam o aumento das condições de estabilidade da barragem.

Evaluating the safety of unreinforced concrete structures, such as concrete dams, requires an accurate prediction of cracking. Developing a suitable constitutive material model and a reliable computational procedure for analysing cracking processes in concrete has been a challenging and demanding task. Although many analytical methods based on fracture mechanics have been proposed for concrete dams in the last few decades, they have not yet become part of standard design procedures. Few of the current research findings are being implemented by practising engineers when evaluating dam safety. This research is focused on the development of a suitable crack modelling and analysis method for the prediction and study of fracturing in concrete gravity dams, and consequently, for the evaluation of dam safety against cracking. The research aims to contribute to the continuing research efforts into mastering the mechanics of cracking in concrete dams. An analytical method for the purpose of establishing a crack constitutive model and implementing the model for the fracture analysis of concrete structures, in particular massive concrete gravity dams under static loading conditions, has been developed, verified and applied in the safety evaluation of a concrete gravity dam. The constitutive material model is based on non-linear fracture mechanics and assumes a bilinear softening response. The crack model has various improved features: (1) an enhanced mode I bilinear strain-softening approach has been put forward; (2) a new formula for bilinear softening parameters has been developed and their relation with linear softening has been outlined; (3) the influence of bilinear softening parameters on the cracking response has been studied; and (4) an enhanced modification to the shear retention factor which depends on the crack normal strain is included. The material model has been incorporated into a finite element analysis using a smeared crack approach. A sub-program was specially coded for this research. The validity of the proposed cracking model and the computational procedure developed for the purpose of analyzing the tensile fracture behaviour of concrete structures has been confirmed by verification on various concrete structures, including beams, a dam model and actual gravity dams. The crack modelling technique developed was successfully used in evaluating the safety of an existing concrete gravity dam in South Africa and adequately predicted the cracking response of the dam structure under static loadings. The main conclusions drawn are as follows: <ul><li>Both mode I and mode II fracture have been modelled successfully.</li> <li>The proposed bilinear softening model remains relatively simple to implement but significantly improves on predicting the softening response of “small-scale” concrete structures.</li> <li>Both plane stress and plane strain crack analyses have been considered and can be confidently adopted in two-dimensional applications.</li> <li>The proposed method is mesh objective.</li> <li>The crack modelling method developed can correctly predict the crack propagation trajectory and the structural behaviour with regard to fracturing in concrete structures.</li> <li>If not considering shear stress concentration near the tip of a crack, constitutive crack analysis normally indicates a higher safety factor and a higher Imminent Failure Flood (IFF) than the classical methods in the analysis of concrete gravity dams for safety evaluation.</li></ul> / Thesis (PhD(Civil Engineering))--University of Pretoria, 2007. / Civil Engineering / PhD / unrestricted

La modélisation des problèmes d'interactions sol-structure et fluide-structure couvre plusieurs domaines de recherche très actifs qui traitent une multitude d'aspects tels que la géométrie non bornée du sol et dans certains cas du fluide stocké, les effets dissipatifs visqueux et radiatifs, l'application du chargement sismique, le choix des variables de base, les propriétés algébriques des systèmes d'équations résultant du couplage,... etc. Dans le présent travail, différents modèles numériques de couplage sol-structure et fluide-structure ont été examinés. Les limites de troncature géométrique du sol et du fluide on été traitées avec des éléments infinis dont les performances ont été comparées à celles des conditions de radiations. Le problème de vibrations libres couplées des systèmes fluide-structure a été résolu en introduisant de nouvelles techniques de symétrisation efficaces. De plus, une nouvelle formulation symétrique en éléments de frontière a été proposée. Cette formulation permet de produire une matrice symétrique définie positive et aboutit ainsi à un système algébrique similaire à celui qui découle de la discrétisation en éléments finis. La matrice bâtie dite "raideur équivalente" peut facilement être assemblée ou couplée avec les matrices de la formulation en éléments finis. Toutes les applications qui ont servi soit à comparer des modèles soit à valider les programmes développés, ont été effectué es dans le cas des barrages poids en béton. Ce cas constitue un problème de couplage fluide-sol-structure typique / Modeling fluid-structure and soil-structure interaction problems covers several research fields dealing with multiple aspects such as : unbounded geometry of soil media and in some cases of retained fluid, viscous and radiation dissipative effects, application of seismic loading, choice of the basic variables, algebraic properties of the resulting coupled system, ... etc. In this work, different numerical models of soil-structure and fluid-structure coupling have been studied. The truncation boundaries of the soil and of the fluid domains have been considered by using infinite elements whose performances were compared to those of radiation conditions. The problem of the free coupled vibrations of the fluid-structure systems has been solved by introducing efficient symmetrization techniques. In addition, a new symmetric boundary element formulation is proposed. It allows to produce a positive definite and symmetric matrix and therefore to conduct to an algebraic system similar to the one obtained from finite element discretization. The produced matrix called "equivalent stiffness matrix" can easily be assembled or coupled to finite element matrices. All of the applications which have been done in order to compare models or to validate the developed programs were built in the case of concrete gravity dams, which constitute typical coupled fluid- soil-structure problems