Análise da variação térmica sazonal em barragem de contrafortes com uso de cálculo fracionário

Abstract

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