Numerical modeling of dam-reservoir interaction seismic response using the Hybrid Frequency–Time Domain (HFTD) method

Abstract

This research work studies the fundamentals of the Hybrid Frequency-Time Domain (HFTD) method for dynamic analysis of structures, applied to the seismic analysis of dam-reservoir interaction systems. The theoretical consistency and accuracy of the HFTD method, based on the frequency domain Fourier analysis, is demonstrated through all the parts of the thesis, but particularly in Chapter 5 for linear and highly non-linear single degree of freedom (SDOF) models subject to several types of loading, and in Chapter 7 for a 2D dam-reservoir interaction finite element model subject to an earthquake ground acceleration loading. On the other hand, a Finite Element Method (FEM) formulation of dam-reservoir interaction problems is presented, being demonstrated the frequency-dependence nature of this type of systems. The fluid compressibility and boundary conditions of the reservoir are analytically identified as the frequency dependent properties of the system. In this context, the HFTD method is proposed as an ideal method for the dynamic analysis of frequency dependent systems with non-linear behavior, being the dam-reservoir interaction problem taken as a case study to prove this hypothesis.

El trabajo de investigación estudia los fundamentos del método híbrido frecuencia-dominio del tiempo (HFTD) para el análisis dinámico de estructuras, aplicado al análisis sísmico de sistemas de interacción presa-embalse. La consistencia y precisión teórica del método HFTD, basado en el análisis de Fourier en el dominio de la frecuencia, se demuestra a lo largo de todas las partes de la tesis, pero particularmente en el Capítulo 5 para modelos lineales y altamente no lineales de un solo grado de libertad (SDOF) sometidos a varios tipos de carga, y en el Capítulo 7 para un modelo de elementos finitos de interacción presa-embalse 2D sometido a una carga sísmica de aceleración del terreno. Por otro lado, se presenta una formulación por el Método de los Elementos Finitos (MEF) de los problemas de interacción presa-embalse, quedando demostrada la naturaleza frecuencial de este tipo de sistemas. La compresibilidad del fluido y las condiciones de contorno del embalse se identifican analíticamente como las propiedades dependientes de la frecuencia del sistema. En este contexto, el método HFTD se propone como un método ideal para el análisis dinámico de sistemas dependientes de la frecuencia con comportamiento no lineal, tomándose el problema de interacción presa-embalse como caso de estudio para demostrar esta hipótesis.