Análisis numérico de presas de hormigón bajo acciones expansivas
Authors:   , Moura André Campos de 
Published: July 2023

The main objective of this thesis is to study the mechanical behavior of a dam concrete under internal expansive phenomena in both the macro-structural and the meso-structural level. An important contribution of this work is the diffusion-reaction model proposed for the internal sulfate attack (ISA), which simulates the oxygen diffusion into the concrete and its consumption in the iron sulfides oxidation in the aggregates. This model allows obtaining the volume increments over time caused by the chemical reactions involved in the process.
The mechanical analysis was conducted in the macro-structural and the meso-structural levels. The latter takes into account the expansions due to delayed ettringite formation in conventional concrete considering the explicit representation of the first level internal structure or meso-structure. The numerical results obtained were validated with experimental data from the literature. Then, the effects of the ISA in conventional concrete and in a dam concrete were analyzed, yielding a prediction of the young modulus and the tensile strength degradation depending on the degree of expansion of concrete. Furthermore, this dissertation shows the evolution of cracking and fracture energy dissipation, both of which were correlated with the degree of expansion and the variation of mechanical parameters. The results obtained illustrate the potential of the meso-structural model for analyzing different expansive processes in concrete.
In the macro-structural level, real cases of dams affected by expansive problems were analyzed. The dams studied were Mequinenza, Paso Nuevo and Graus. The case of Mequinenza focused on the behavior of block 13-14 that presented pronounced non-recoverable displacements. A 2D model was used, including horizontal joints with non-linear behavior located where cracks had been observed. The numerical results show how the formation, evolution and opening of a series of horizontal cracks cause much of the displacements measured, thus realistically explaining the behavior of the dam.
For the case of Paso Nuevo (an arch gravity dam affected by internal expansive problems), a 3D model was used to adjust the calculated displacement with the measured one. A hyperbolic strength criterion was used to assess the global behavior of the dam. Then, the left abutment zone was analyzed using a continuum non-linear damage model.
Finally, the case of Graus was studied with linear models (2D and 3D). Then the analysis of block 5 was performed using a 2D model that included non-linear joints located where cracks and casting joints were present.
The results obtained throughout this study reproduce satisfactorily the evolution of the expansive process in the macro-structural and meso-structural levels. They explain with good accuracy the anomalous behavior observed in the real cases studied and show the potential of the tools and methodology used in this work.

El objetivo principal de esta tesis es el estudio del comportamiento mecánico del
hormigón de presas bajo la acción de fenómenos expansivos de origen interno, tanto en el
nivel mesoestructural como en el macroestructural. Un importante aporte de este trabajo
es el modelo de difusión-reacción propuesto para el ataque sulfático interno (ASI), que
permite simular la difusión de oxígeno hacia el interior del hormigón y su consumo en la
oxidación de los sulfuros de hierro presentes en los áridos, y con ello obtener los
incrementos de volumen a lo largo del tiempo que pueden producir las reacciones
involucradas en el proceso.
El análisis mecánico se ha abordado en dos niveles: el mesoestructural y el
macroestructural. En el análisis mesoestructural (en que se representa explícitamente la
estructura interna de primer nivel o meso-estructura) se analizan expansiones debidas a
formación tardía de etringita en hormigón convencional contrastando los resultados
numéricos obtenidos con experimentales existentes en la bibliografía. Luego, se analizan
los efectos del ASI, en primer lugar, en un hormigón convencional y posteriormente, en un
hormigón de presa. Se han obtenido curvas de la degradación del módulo de elasticidad y
de la resistencia a tracción en función del grado de expansión. También se muestran
aspectos de la fisuración y de la energía disipada, que se correlacionan con el nivel de
expansión y la evolución de los parámetros mecánicos.
En el análisis macroestructural, se estudian casos reales de presas afectadas por
problemas expansivos. Las presas estudiadas son: Mequinenza, Paso Nuevo y Graus. En el
caso de Mequinenza se analiza el comportamiento del bloque 13-14 que presenta unos
elevados desplazamientos no recuperables. Para ello se utiliza una modelización 2D en el
que se incluyen juntas horizontales (con un comportamiento no-lineal) donde se ubican
fisuras observadas en la estructura. Los resultados numéricos obtenidos muestran cómo la
formación, evolución y apertura de una serie de fisuras horizontales aportan gran parte de
los desplazamientos observados en la estructura y permiten explicar de forma consistente
el comportamiento diferenciado detectado en la presa.
En el caso de la presa de Paso Nuevo (de tipo arco gravedad), afectada por
problemas expansivos internos, se utiliza una modelización 3D con la que se ajustan los
desplazamientos calculados con los medidos, y se evalúa el comportamiento global de la
presa empleando un criterio hiperbólico de resistencia. Posteriormente, se realiza un
análisis no-lineal de la zona cercana al estribo izquierdo utilizando para ello un modelo de
daño no-lineal en el medio continuo.
Finalmente, se estudia el comportamiento de la presa de Graus, inicialmente
mediante modelos lineales (2D y 3D) y posteriormente se analiza la sección transversal
del bloque 5 mediante una modelización 2D, en la que se incluyen juntas no-lineales donde
se ubican las juntas de hormigonado y algunas fisuras observadas en la presa.