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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-22102021-094317
Document
Author
Full name
Adrian Torrico Siacara
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2021
Supervisor
Committee
Futai, Marcos Massao (President)
Assis, André Pacheco de
Beck, André Teófilo
Caldeira, Laura Maria Mello Saraiva
Marques Filho, José
Title in English
Reliability-based design of an earth and concrete dam.
Keywords in English
Concrete dam
Direct coupling
Earth dam
RBDO
Reliability analysis
Abstract in English
In geotechnical engineering, the use of classical deterministic approaches is part of the normal practice. Most laws and standards are based on engineers' experience and deterministic assumptions. In the last four decades, the uncertainties and uncertainty inherent in geotechnical properties have caught the attention of engineers. They have found that a single factor of safety (FS) calculated by traditional deterministic analysis methods can not exactly represent the stability. Recently, to provide a more rational mathematical framework to incorporate different types of uncertainties in the stability estimation, different types of commercial software, which include basic probabilistic and deterministic methods, have been widely extended. The failure probability calculated is a kind of complement to the safety factor. In this doctoral thesis, reliability concepts have been reviewed first, and some advanced reliability methods, including Mean Value First-Order Second Moment (MVFOSM), FirstOrder Reliability Method (FORM), Second-Order Reliability Method (SORM), Monte Carlo Simulation (MCS), and importance Monte Carlo Simulation (IMCS), have been described and successfully applied to the dam stability analyses based on a direct coupling (DC) geotechnical software with a reliability solver. An advanced literature review on Reliability-Based Design Optimization (RBDO) was presented to show how accurate and efficient RBDO analyses of a concrete dam can be performed by using a Mono-level method as a Single-Loop Approach (SLA). Numerical methods help understand the behaviors of geotechnical installations. However, the computational cost may sometimes become prohibitive when structural reliability analysis is performed, due to repetitive calls to the deterministic solver. In this thesis, we show how accurate and efficient reliability analyses of geotechnical installations can be performed by directly coupling geotechnical software with a reliability solver. A dam is used as the study object under different operating conditions over time. The limit equilibrium method of Morgenstern-Price is used to calculate factors of safety and to find the critical slip surface. The commercial software packages Seep/W and Slope/W are coupled with StRAnD structural reliability software. Initial analysis in long term steady-state conditions shows close results of the FORM and SORM, as well as by ISMC simulation. By means of sensitivity analysis, the effective friction angle (?´) is found to be the most relevant uncertain geotechnical parameter. The correlations between different geotechnical properties are shown to be relevant in terms of equilibrium reliability indices. Finally, a critical slip surface, identified in terms of the minimum FS, isshown not to be the critical surface in terms of reliability index.Considerable variation between results of commercial software and DC software is found. FORM, SMC, and MVFOSM are evaluated. The computational cost is very high in commercial software. The angle of the contribution to the shearing resistance due to the matric suction (?b) has a considerable incidence in reliability analysis.In transient conditions, seepage analysis with limit equilibrium analysis is performed to investigate the safety of an earth dam over time, considering different initial conditions, rainfall intensities, rapid drawdown, and normal operating conditions (NOC). FORM is employed in reliability analysis. Sensitivity analyses reveal that saturated hydraulic conductivity (ks), friction angle (?´), and cohesion (c´) are the random parameters with the greatest contribution. The cumulative effect of random saturated hydraulic conductivity (mainly) makes critical times and critical slip surfaces different in the probabilistic and deterministic analyses.In an existing old earth dam, the FORM method is employed in reliability analysis. Sensitivityanalyses reveal the most important geotechnical parameters. A range of values of the relationship between the reliability index (?) and the factor of safety (FS) was found for all probabilistic and deterministic results. The differences in terms of pore water pressure betweendeterministic and probabilistic approaches are presented. Finally, a critical slip surface, identified in terms of minimum FS, is shown here not to be the critical surface in terms of the minimum reliability index.Finally, we show how accurate and efficient RBDO analyses of a concrete dam can be performed by using a Mono-level method as SLA. A concrete dam is used as the study object under different conditions of the target reliability index (?T) and heights of the dam. By means of sensitivity analysis, the most important geotechnical parameters are pointed out. Finally, for the lower ?T values considered herein, we found the eccentricity limit state function of the active constraint at the optimum solution. For larger ?T values, the sliding limit state is the active constraint.
Title in Portuguese
Projeto baseado em confiabilidade de uma barragem de terra e concreto.
Keywords in Portuguese
Acoplamento direito
Analises de confiabilidade
Barragem de concreto
Barragem de terra
Barragens
RBDO
Abstract in Portuguese
Na engenharia geotécnica, o uso de abordagens determinísticas clássicas faz parte da prática comum. A maioria das leis e normas são baseadas na experiência do engenheiro e em suposições determinísticas. Nas últimas quatro décadas, as incertezas e incertezas inerentes às propriedades geotécnicas têm chamado a atenção dos engenheiros. Descobriu-se que um único fator de segurança (FS) calculado por métodos de análises determinísticas tradicionais pode não representar exatamente a estabilidade. Recentemente, a fim de fornecer um embasamento matemático mais racional para incorporar diferentes tipos de incertezas na estimativa de estabilidade, diferentes softwares comerciais, que incluem métodos probabilísticos básicos e determinísticos, foram amplamente desenvolvidos. Nesta tese de doutorado, os conceitos de confiabilidade foram revisados primeiro e alguns métodos avançados de confiabilidade, incluindo Valor médio, segundo momento de primeira ordem (MVFOSM), Método de confiabilidade de primeira ordem (FORM), Método de confiabilidade de segunda ordem (SORM), Simulação de Monte Carlo (MCS) e Simulação de Monte Carlo por importância (iMCS), foram descritos e aplicados com sucesso às análises de estabilidade de barragens com base em um software geotécnico de acoplamento direto (DC) com um solucionador de confiabilidade. Uma revisão de literatura avançada sobre Otimização de Projeto Baseada em Confiabilidade (RBDO) foi apresentada para mostrar como análises RBDO precisas e eficientes de uma barragem de concreto podem ser realizadas usando um método de nível único como uma abordagem de circuito único (SLA). Os métodos numéricos são úteis para a compreensão do comportamento das estruturas geotécnicas. No entanto, o custo computacional às vezes pode se tornar impeditivo quando a análise de confiabilidade estrutural é realizada, devido a chamadas repetitivas do solucionador determinístico. Nesta tese, mostramos como análises de confiabilidade precisas e eficientes de estruturas geotécnicas podem ser realizadas por meio do acoplamento direto de software geotécnico a um solucionador de confiabilidade. Uma barragem de terra é usada como objeto de estudo. O método de equilíbrio limite de Morgenstern-Price é usado para calcular fatores de segurança e encontrar a superfície de ruptura crítica. Os pacotes de software comercial Seep/W e Slope/W são acoplados ao software de confiabilidade estrutural StRAnD. A análise inicial em regime permanente mostra resultados próximos do FORM e SORM, bem como por simulação ISMC. Por meio da análise de sensibilidade, o ângulo de atrito efetivo (?´) é considerado o parâmetro mais relevante. As correlações entre diferentes propriedades geotécnicas mostram-se relevantes. Por fim, mostra-se que uma superfície crítica de ruptura, identificada em termos de FS mínimo, não é a superfície crítica em termos de índice de confiabilidade. São encontradas variações consideráveis entre os resultados do software comercial e do software DC. FORM, MCS e MVFOSM são avaliados. O custo computacional é muito elevado no software comercial. O ângulo de contribuição para a resistência ao cisalhamento devido à sucção matricial (? b ) tem uma incidência considerável na análise de confiabilidade. Em condições transientes, análises de infiltração com de equilíbrio limite são realizadas para investigar a segurança de uma barragem de terra ao longo do tempo. O FORM é empregado na análise de confiabilidade. As análises de sensibilidade revelam que a condutividade hidráulica saturada (ks), o ângulo de atrito (?´) e a coesão (c´) efetivos são os parâmetros aleatórios com maior influência. Além disso, o efeito cumulativo principalmente da condutividade hidráulica saturada aleatória torna os tempos críticos e as superfícies de ruptura críticas diferentes nas análises probabilística e determinística. Em uma barragem de terra antiga existente, o método FORM é empregado na análise de confiabilidade. As análises de sensibilidade revelam os parâmetros geotécnicos mais importantes. Uma faixa de valores da relação entre o índice de confiabilidade (?) e o FS foi encontrada para todos os resultados probabilísticos e determinísticos. São apresentadas as diferenças em termos de poropressão. Finalmente, uma superfície crítica de ruptura, identificada em termos de FS mínimo, é diferente em relação à superfície crítica em termos de índice de confiabilidade mínimo. Por fim, mostramos como análises precisas e eficientes de RBDO de uma barragem de concreto podem ser realizadas usando o método de nível único como SLA. Uma barragem de concreto é usada como objeto de estudo sob diferentes condições do índice de confiabilidade alvo (?T) e alturas da barragem. Finalmente, para os menores valores de ?T mais baixos aqui considerados, encontramos a função do estado limite de excentricidade da restrição ativa na solução ótima. Para valores ?T maiores, o estado limite de deslizamento é a restrição ativa.
 
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Publishing Date
2021-10-22
 
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