Orientador: Felippe Bevilacqua Prado / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de Piracicaba / Made available in DSpace on 2018-08-24T15:43:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Matoso_RodrigoIvo_M.pdf: 5791267 bytes, checksum: 01cfe26513615d72227501ff1a54a3c2 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Armas de fogo podem causar feridas fatais e serem identificadas pelos vestígios deixados no corpo ou em torno deste. Entretanto, há casos em que nem projétil e nem arma do delito estão dispostos no local de crime. Estudos balísticos envolvendo modelos de elementos finitos podem reproduzir condições biomecânicas computacionais, sem ferir princípios bioéticos, pois não ocorrem testes diretos em animais ou em seres humanos. O objetivo deste estudo é comparar as morfologias de orifícios de entrada causados por projéteis calibre .40 Smith & Wesson (S&W), calibre .380 e calibre 9x19 mm Luger. Um projétil .40 S&W encamisado total, um projétil .380 encamisado total e um projétil 9x19 mm Luger encamisado total foram computacionalmente disparados contra região de glabela do modelo de elementos finitos, à distância de 10 cm, com incidência perpendicular ao ponto do alvo. Os resultados apresentam diferentes morfologias nos orifícios de entrada produzidos pelos três projéteis, utilizando-se o mesmo modelo de crânio e na mesma distância de tiro. Os resultados e as características dos orifícios de entrada foram discutidos. Modelos de elementos finitos permitem pesquisas balísticas computacionais praticáveis, que podem ser úteis para peritos forenses quando da comparação e análise de dados relacionados a feridas por arma de fogo na região frontal do crânio / Abstract: Firearms can cause fatal wounds, which can be identified by traces on or around the body. However, there are cases where neither the bullet nor gun is found at the crime scene. Ballistic research involving finite element models can reproduce computational biomechanical conditions, without compromising bioethics, as they involve no direct tests on animals or humans. This study aims to compare the morphologies of gunshot entrance holes caused by .40-caliber Smith & Wesson (S&W), .380-caliber, and 9x19-mm Luger bullets. A fully metal-jacketed .40 S&W projectile, a fully metal-jacketed .380 projectile, and a fully metal-jacketed 9x19-mm Luger projectile were computationally fired at the glabellar region of the finite element model from a distance of 10 cm, at perpendicular incidence. The results show different morphologies in the entrance holes produced by the three bullets, using the same skull at the same shot distance. The results and traits of the entrance holes are discussed. Finite element models allow feasible computational ballistic research, which may be useful to forensic experts when comparing and analyzing data related to gunshot wounds in the forehead / Mestrado / Odontologia Legal e Deontologia / Mestre em Biologia Buco-Dental

Orientador: Paulo Jose Rocha de Albuquerque / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-27T16:49:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Garcia_JeanRodrigo_D.pdf: 14218038 bytes, checksum: cdf7e3c252a38593da86399a1b22a73a (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Nesta pesquisa, analisou-se o comportamento de quatro radiers estaqueados, executados a partir de conjuntos de blocos compostos por estacas mecanicamente escavadas a trado, com 5 m de comprimento e 0,25 m de diâmetro (D), executados em solo de diabásio da região de Campinas/SP. Para tanto, foram executados blocos de fundação tipo radier estaqueado, compostos de uma, duas, três e quatro estacas, espaçadas de 5D. Esses blocos de fundação foram ensaiados a partir de provas de carga do tipo estática e lenta (SML), seguindo as prescrições da NBR12131/2006. As estacas foram instrumentadas em profundidade com strain-gages posicionados no topo e na ponta, com a finalidade de avaliar o mecanismo de distribuição de carga em profundidade, assim como avaliar as parcelas de contribuição de cada elemento (estaca e radier) na capacidade do radier estaqueado. Para melhor entender o comportamento desse tipo de fundação utilizou-se de análises tridimensionais (3D) por elementos finitos, por meio do software LCPC-Cesar. O modelo constitutivo utilizado foi de Mohr-Coulomb, que leva em consideração o comportamento elastoplástico do solo. Os resultados experimentais apontaram uma contribuição média devido ao contato radier-solo de 21% e 79% devido às estacas (lateral + ponta), em relação à capacidade total delas. Os resultados numéricos, justificados pela dificuldade em representar o efeito de escorregamento do contato entre o elemento de fundação e o solo, demonstraram maior participação pelo contato (36%) e menor parcela devido às estacas (64%). As análises numéricas de grupos de estacas, comparadas aos radiers estaqueados, demonstraram que a maior participação da resistência de ponta é gerada em função da existência do efeito de contato / Abstract: This research analyzed the behavior of four piled rafts executed from sets of blocks composed by mechanically augered piles. The piles, with 5m long, 0.25m diameter (D) were executed in diabase soil from the region of Campinas/SP. With this purpose, foundation blocks comprising one, two, three and four piles with spacing of 5D were executed in contact with the soil. These foundation blocks underwent slow maintained load tests (SML) per prescriptions of NBR12131/2006. The piles were instrumented at depth with strain-gages placed at the top and at the tip in order to assess the mechanism of load distribution in depth, and also to asses the percentage of contribution of each element (pile and radier) on the capacity of the piled rafts. To get a better understanding of this type of foundation, three-dimensional (3D) finite element analyses were made by means of the LCPC-Cesar software program. The constitutive model used was the Mohr-Coulomb, which takes the elastoplastic behavior of the soil in consideration. The experimental results indicated a mean contribution via contact of 21% and 79% due to the piles (lateral + tip) in comparison to their total capacity. The numerical results, justified by the difficulty to represent the effect of 'breaking' the contact between the foundation element and the soil, demonstrated greater participation of the contact (36%) and a smaller percentage due to the piles (64%). In comparison with the foundation blocks with contact, the numerical analyses from which the contact was eliminated demonstrated that the greater participation of tip resistance is generated as a function of the existence of the contact effect / Doutorado / Estruturas e Geotécnica / Doutor em Engenharia Civil

A voz é a principal ferramenta de comunicação da espécie humana e quase 70% da população economicamente ativa dos países desenvolvidos dependem direta ou indiretamente dela em sua profissão. Sua produção deve-se ao funcionamento harmônico de sistemas fisiológicos distintos, nos quais a laringe desempenha um importante papel. É nela que as funções de deglutição, respiração e fonação se encontram e também onde o pulso glotal é formado durante a passagem do ar pelas pregas vocais. Se os nervos e músculos da região por alguma razão são lesionados, o funcionamento dessas funções é prejudicado, causando sérios danos à qualidade de vida do indivíduo. Em virtude disso, diversas pesquisas tem sido realizadas visando adquirir informações que auxiliem as tomadas de decisões clínicas e cirúrgicas. Embora diversos avanços tenham sido realizados no campo de modelagens das pregas vocais e nos estudos da laringe, modelos baseados em geometrias de pacientes específicos que possam colaborar mais ativamente no planejamento cirúrgico, permanecem um desafio. Nesse sentido, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo computacional tridimensional, com base em imagens de tomografia computacional. Tendo por objetivo impulsionar a modelagem das características fisiológicas de pacientes reais e assim proporcionar maiores informações para tomadas de decisões. Esse modelo foi utilizado em simulações de escoamento de fluido solucionadas por elementos finitos, apresentando possibilidades satisfatórias de contribuir para avanços na modelagem de pacientes com patologias e em abordagens interativas, tal como interferências nos modelos virtuais por interfaces hápticas e simulações virtuais de cirurgia da laringe. / The voice is the main instrument for communication of human beings and almost 70% of the economically active population in the developed countries depends, directly or indirectly, on it for their profession. Its production is due to the harmonious interaction of different physiological systems, in which the larynx plays an important role. The larynx is involved in the deglutition, breathing and phonation functions and it is where the glottal pulse is formed during airflow through the vocal folds. If the nerves and muscles in this region for some reason are injured, this functions are adversely affected, causing serious damages to the individuals quality of life. As a result, several researches have been carried out, aiming at acquiring information that help in the clinical and surgical decision making. Although many progresses had been reached in the field of vocal folds modeling and in larynx studies, patientspecific geometry modeling that may take an active part in the surgical planning are still a challenge. In this regard, this work presents the development of a threedimensional computational model, based on images from computed tomography (CT) scans. This model was used in fluid flow simulations, solved by finite element analysis, showing satisfactory possibilities for contributions to progresses in the modeling of patients with lesions and in interactive approaches, such as interferences in the models with haptic interface and virtual surgery of the larynx.

Orientador: Fernando de Azevedo Silva / Banca: José Elias Tomazini / Banca: Rosinei Batista Ribeiro / Resumo: O objetivo geral deste trabalho é a análise de estabilidade global de torres metálicas treliçadas de transmissão de energia utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF). Todo estudo foi baseado nas normativas da NBR-8800/2007 em que sugere-se uma análise de deslocabilidade da estrutura por meio dos parâmetros B2 e consequentemente a aplicação do MAES (método de amplificação de esforços), processo simplificado para análise dos efeitos globais de segunda ordem. Abordou-se o sistema elétrico brasileiro, descrição bem detalhada sobre tipos e modelos de torres, acidentes envolvendo torres de transmissão, treliças espaciais, método de análise estrutural, MEF, análise de estabilidade de estruturas, MAES e abordagem atualizada sobre o estado da arte em diversas universidades do mundo, em especial da China e Canadá, em que a grande preocupação é como simular nos projetos de torres de transmissão sobre efeitos climáticos como terremotos, tornados e furações por meio de modelos reduzidos em laboratório. Visando oferecer uma contribuição científica para o setor, desenvolveu-se uma planilha eletrônica no software Excel, devido a sua facilidade de utilização, acesso e capacidade de resolver cálculos matriciais facilitando a aplicação do MEF. A mesma foi validada com um software específico e consagrado na área de MEF, o SAP2000 e um software comercial de dimensionamento de estruturas metálicas usado em vários escritórios de projeto e consultoria estrutural, o METÁLICA 3D. A planilha cont... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The main objective of this project is the analysis of the global stability of the lattice towers of energy transmission using the FEM (finite element method). The whole study was based on NBR-8800/2007, normative where suggest a displaceability's analysis of the structures thought the B2 parameters and consequently the application of MAES' method, a simplified procedure for the analysis of second-order's global effects. In this project was approached the Brazilian electric system, a detail description of types and model of towers, accident involving transmission towers, space trusses, structural analysis' method, FEM, structure stability analysis, MAES' method. Also in this project, an updated approach the increase knowledge at this area in several universities all around the world, in special China and Canada, where the major concern is how to simulate at The transmission tower's project some climate effects such as earthquakes, tornadoes and hurricanes through reduced laboratory models. In order to offer a scientific contribution to this sector, a spreadsheet was developed in Excel software due to it facility of use, access and ability to solve matrix calculations, which facilitates the use of FEM. The same one was valid with a specific and consecrated software in the FEM area: The SAP2000; and commercial metal structural design software used in various design and structural consulting offices: the METÁLICA 3D. The spreadsheet contemplates pre-dimensioning of conductor cabl... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Advanced aerospace materials, including fibre reinforced polymer and ceramic matrix composites, are increasingly being used in critical and demanding applications, challenging not only the current damage prediction, detection, and quantification methodologies, but also the residual life of the structure. The main objective of this work consists of developing theoretical and experimental studies about residual strength for composite structures, which are damaged by impact loading, aided by a SHM system, which combines different methods. For this, it is necessary: to identify, and to localize damage, as well as to calculate the severity of the damage and to predict the residual strength of the composite structure. To achieve these goals, the research methodology should consider three methods: (1) Vibration Based Method (VBM); (2) Shearography Speckle (SS) and (3) Flexural After Impact (FAI). Composite plates, made of epoxy resin reinforced by carbon or glass fibre, are evaluated. Firstly, VBM provide Frequency Response Functions to be analysed by suitable metrics (including a new metric), which are compared in terms of their capability for damage identification and global location. Afterwards, the extension of impact damage is determined by using shearography speckle. This technique has demonstrated great potential for damage detection in composite laminated structures. The identification of the damage from the measurements performed with the SS technique is based on the analysis of disturbances in the speed field caused because of the different properties of the material. These abnormal deformations can be verified as typical strains in damaged structures. SS is a laser interferometry method sensitive to displacement gradient in a surface direction out of the plane. Under the action of a smaller load, the structure is deformed and the presence of damage is shown through local peculiarities of surface deformation observed field. Finally, a flexure after impact (FAI) test is used to evaluate its limitations and potentialities as a damage tolerance technique. The residual flexural strength of damaged specimens is evaluated by quasi-static four-point bending test. A new criterion based on a relationship between damage metric from VBM and FAI analysis is presented and discussed. Thus, these results are normalized by using the maximum load and the metrics for damage analyses, i.e. if there is no damage in the structure, then the metric returns zero value. If the structure is partially damaged then the metric returns a number between one and zero. In addition, if the structure is totally damaged (i.e. residual strength is lower than specified in design), then the metric returns a value equal one. Finally, it is discussed the advantages and limitations of this combination into the context of SHM system (Structural Health Monitoring System). / Materiais compósitos estão cada vez mais sendo usados em aplicações críticas e exigentes, desafiando não apenas as metodologias atuais de previsão de dano, detecção, quantificação, mas também da vida residual da estrutura. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de estudos teóricos e experimentais sobre a resistência residual de estruturas de compósito, que são danificadas pelo carregamento de impacto, auxiliado por um sistema SHM, que combina diferentes métodos. Para isso, é necessário: identificar, localizar danos, bem como determinar a severidade dos danos e estimar a resistência residual da estrutura. Para atingir esses objetivos, a metodologia de pesquisa considerou três métodos: (1) Método baseado em vibração; (2) Shearography Speckle (SS) e (3) Flexão após Impacto (FAI). Placas de compósito, fabricadas em resina epóxi reforçada por fibra de carbono ou de vidro, são avaliadas. Em primeiro lugar, o método baseado em vibração produz Funções de Resposta em Frequência, que são analisadas através de métricas adequadas (incluindo uma nova métrica), que são comparadas em termos de sua capacidade de identificação de danos e de localização global. Depois disso, a extensão de danos causados pelo impacto é determinada empregando SS. Esta técnica tem demonstrado grande potencial na detecção de dano em estruturas laminadas compósito. A identificação do dano a partir das medidas realizadas com a técnica SS tem por base a análise das perturbações no campo de curvaturas causada devido à heterogeneidade das propriedades do material. Estas deformações anormais podem ser verificadas como deformações típicas de estruturas danificadas. A SS é um método de interferometria laser sensível ao gradiente de deslocamento de uma superfície na direção fora do plano. Sob a ação de um pequeno carregamento, a estrutura é deformada e a presença de danos é revelada através de singularidades locais do campo de deformação observado na superfície. Finalmente, teste de flexão após o impacto (FAI) é usado para avaliar suas limitações e potencialidades como uma técnica de tolerância ao dano. A resistência à flexão das amostras intactas e danificadas é avaliada por ensaio de flexão em quatro-pontos quase-estático. Um novo critério baseado em uma relação entre a métrica de dano prevista pelos métodos de vibração e a análise via FAI é apresentado e discutido. Assim, estes resultados são normalizados utilizando a carga máxima e as métricas de dano, ou seja, se não houver nenhum dano na estrutura, a métrica retorna valor igual a zero. Se a estrutura é parcialmente danificada, a métrica retorna um valor entre um e zero. Além disso, se a estrutura está totalmente danificada (ou seja, a resistência residual está abaixo do especificado em projeto), a métrica retorna um valor igual a um. Por fim, discutem-se as vantagens e limitações desta combinação para o contexto de sistema SHM (Sistema de Monitoramento da Integridade Estrutural).

Grande parte dos componentes mecânicos e estruturas são solicitados por carregamentos que variam com o tempo e frequentemente falham por fadiga. Neste sentido, é indubitável que o modo de falha por fadiga seja considerado no projeto mecânico de componentes, equipamentos e estruturas sujeitas a carregamentos cíclicos. Os livros de projetos de máquinas ainda são os mais utilizados na indústria como referência teórica e prática ao dimensionamento contra a fadiga de produtos. Entretanto, muitos deles ainda não incluem as últimas descobertas e metodologias mais modernas para o cálculo de durabilidade de estruturas. Adicionalmente, de uma maneira geral, grande parte dos livros especializados em fadiga também não trazem informações detalhadas sobre a previsão de vida em fadiga sob a ótica do projeto mecânico, como a análise utilizando critérios de Fadiga Multiaxial e a análise de fadiga baseada em Elementos Finitos (FE-Based Fatigue Analysis). Baseado neste cenário, este trabalho tem o objetivo de propor um procedimento para avaliar a vida em fadiga de componentes e estruturas reunindo os métodos mais recentes utilizados nesta área. Dentre os vários assuntos incluídos no procedimento proposto, destacam-se: as importantes contribuições propostas pelo Conselho Alemão de Pesquisa em Engenharia (FKM-Guideline); a utilização de Análise por Elementos Finitos (FEA) na previsão de vida em fadiga; o cálculo do fator de tensão média utilizando pseudo tensões provenientes de FEA; a contabilização do efeito de entalhe em componentes com geometria complexa utilizando o Método do Gradiente de Tensão Relativo em conjunto com FEA, que pode ser aplicado tanto em carregamento uniaxial quanto em carregamento multiaxial; a contabilização do dano por fadiga em carregamento multiaxial de amplitude variável; a densidade da malha de elementos finitos adequada para utilizar em fadiga computacional; e a aplicação da teoria e dos critérios de Fadiga Multiaxial, principalmente em FE-Based Fatigue Analyses, cuja utilização é imprescindível em estruturas sujeitas a tensões cíclicas em mais de uma direção (x,y,z). / Most of mechanical components and structures are subjected to time varying loading and therefore often present fatigue failure. Therefore, it is essential to consider the fatigue failure mode in the project of components, machines and structures under cyclic loading. Design of Machine Elements books are still the most used in industry as theoretical and practical reference for designing products against fatigue. However, many of them still do not include the latest findings and methodologies used in fatigue life assessment of structures. Additionally, overall, most of the specialized fatigue books also do not include detailed information about fatigue life assessment in a mechanical project view, as the fatigue analysis using Multiaxial Fatigue criteria and the fatigue life prediction using the Finite Element Method (FE-Based Fatigue Analysis). Based on this fact, this thesis proposes a procedure for predicting component and structures fatigue life, gathering together the most recent methods used in the fatigue area. Among the several subjects included in this procedure, we can highlight: the important contributions of the German Engineering Research Council (FKM-Guideline); the use of Finite Element Analysis (FEA) in the fatigue life assessment; the calculation of the mean stress factor using the pseudo stresses from FEA; the computation of the notch eect in geometrically complex components using the Relative Stress Gradient Method in conjunction with FEA, method which can be applied both in uniaxial loading and multiaxial loading; the estimation of the fatigue damage in structures under variable amplitude multiaxial fatigue loading; the selection of an adequate Finite Element mesh density to use in computational fatigue; and the aplication of the Multiaxial Fatigue theory and criteria, specially in FE-Based Fatigue Analyses, of which use is essential in structures under ciclic stresses in 2 or 3 directions (x,y,z).

A restauração de dentes com grande destruição tecidual e endodonticamente tratados ainda representa um desafio para o cirurgião-dentista. A falha mais crítica após este tipo de tratamento é a fratura radicular, com maior incidência no grupo dos pré-molares superiores. O achatamento mésio-distal dos canais destes dentes e o descolamanto do pino oval têm sido apontados como os principais fatores predisponentes para este tipo de fratura. A hipótese deste trabalho é que a presença do pino aumenta o risco de fratura quando ocorre concomitantemente descolamento na interface pino/cimento. Este risco seria maior nos casos em que o pino acompanha o formato oval característico do canal do segundo pré-molar superior. O objetivo deste trabalho foi comparar, por análise de elementos finitos, as respostas de tensão máxima principal (smax) em modelos que simularam pinos de seção transversal circular ou oval, aderidos ou descolados e em modelos de dentes hígidos com canal de seção transversal circular ou oval. Foi avaliado também o risco de descolamento da interface pino/cimento. Foram construídos dois modelos 3D de segundo pré-molar superior hígido, um com canal oval (Ho) e outro com canal circular (Hc). A partir dos modelos dos dentes hígidos foram construídos modelos com pino intra-radicular de fibra de vidro e com núcleo metálico fundido. Para os casos de canais ovais (Co), os pinos poderiam apresentar seções transversais circular (Pc) ou oval (Po), enquanto para os canais circulares (Cc) foram simulados apenas pinos circulares. Todos os materiais foram considerados homogêneos, lineares e isotrópicos, com exceção do pino de fibra de vidro que foi considerado ortotrópico. Para cada modelo foi simulada uma condição de perfeita adesão (A) e outra de total descolamento (D) entre pino e cimento resinoso. Uma carga de 300 N foi aplicada a 45° na aresta central-interna da cúspide vestibular (carregamento cêntrico) ou desviada 1,4 mm para a mesial (carregamento excêntrico). Os diferentes modelos foram comparados quanto à distribuição da smax e magnitude, localização e orientação dos vetores dos picos de smax na dentina. Foi analisado também o risco de descolamento da interface pino/cimento, e os riscos de fratura do pino, núcleo e cimento. O pico de tração para os casos D foi de até 4,7 vezes maior que o encontrado nos dentes hígidos e nos casos A. Nos casos D, os pinos circulares chegam a apresentar tensão 1,7 vezes maior que os ovais. Ainda para os casos D, as raízes de seção transversal circular tiveram smax 1,3 vezes maior que as de seção transversal oval, mantendo o pino sempre circular. Já para os casos A, os valores foram muito semelhantes (embora, em geral, um pouco maiores) aos do dente hígido. O maior risco de descolamento foi detectado entre pino metálico fundido e cimento. O risco de fraturar a raiz foi maior em pinos descolados com pino metálico. Em raízes restauradas com pino de fibra, o maior risco de fratura ocorreu no núcleo e no pino, embora o valor do índice de risco de fratura seja muito mais alto que para os dentes restaurados com pino metálico. / The restoration of teeth with a large tissue destruction and endodontic treatment still presents a challenge for clinicians. The most critical failure after this type of treatment is the root fracture, with more incidence for upper premolars. The mesial-distal flattening of the root canal of these teeth and the detachment of the oval post have been pointed out as main factors predisposed to this type of fracture. The hypothesis of this study is that the presence of posts increases the risk of failure when this happens concomitantly to its detachment at the post/cement interface. This risk would be greater for cases in which the post follows the typical oval shape of the upper second premolar root canal. The objective of this study was to compare, by finite element analysis, the reply of the maximum principal stress (smax) for models which simulated posts with circular or oval cross-section, bonded or detached and for intact teeth models with circular or oval root canal. The risk of post/cement interface detachment was also evaluated. Two 3D models of an intact upper premolar, one with an oval canal (Ho) and other with a circular one (Hc) were obtained. From these models, other ones were obtained with glass fiber intra-radicular post and with cast core. For oval canals (Co), posts could presented circular (Pc) or oval (Po) crosssections, while for circular ones (Cc), only circular posts were simulated. All materials were considered homogeneous, linear and isotropic, except the glass fiber post which was considered orthotropic. For each model, a perfect bonding condition was simulated (A) and another with total detachment (D) between the post and the cement. A 300 N load was applied at 45° on the central-internal edge of the buccal cusp (centric loading) or diverted from 1,4 mm through the mesial (excentric loading). All different models were compared on stress distribution of smax and magnitude, and also smax peak vectors localization, and orientation at the dentin. The post/cement interface risk of detachment and the risk of fracture for posts, core and cement were analyzed. The tension peak for D cases was up to 4,7 times greater than that found for intact teeth and for A cases. For D cases, circular posts sometimes presented up to 1,7 times greater than oval ones. Further for D cases, roots with circular crosssectional had the smax 1,3 times greater than those with oval cross-sectional, with the post always circular. For A cases, values were however much similar (even though, in general, they were a little greater) to intact ones. The major risk of detachment was detected between the metallic post and the cement. The risk of root fracture is greater for detached posts with metallic posts. For restored roots with fiber posts, the major risk of fracture occurs to the core and the post, even the risk of fracture index is much greater than for restored teeth with metallic post.

Advanced aerospace materials, including fibre reinforced polymer and ceramic matrix composites, are increasingly being used in critical and demanding applications, challenging not only the current damage prediction, detection, and quantification methodologies, but also the residual life of the structure. The main objective of this work consists of developing theoretical and experimental studies about residual strength for composite structures, which are damaged by impact loading, aided by a SHM system, which combines different methods. For this, it is necessary: to identify, and to localize damage, as well as to calculate the severity of the damage and to predict the residual strength of the composite structure. To achieve these goals, the research methodology should consider three methods: (1) Vibration Based Method (VBM); (2) Shearography Speckle (SS) and (3) Flexural After Impact (FAI). Composite plates, made of epoxy resin reinforced by carbon or glass fibre, are evaluated. Firstly, VBM provide Frequency Response Functions to be analysed by suitable metrics (including a new metric), which are compared in terms of their capability for damage identification and global location. Afterwards, the extension of impact damage is determined by using shearography speckle. This technique has demonstrated great potential for damage detection in composite laminated structures. The identification of the damage from the measurements performed with the SS technique is based on the analysis of disturbances in the speed field caused because of the different properties of the material. These abnormal deformations can be verified as typical strains in damaged structures. SS is a laser interferometry method sensitive to displacement gradient in a surface direction out of the plane. Under the action of a smaller load, the structure is deformed and the presence of damage is shown through local peculiarities of surface deformation observed field. Finally, a flexure after impact (FAI) test is used to evaluate its limitations and potentialities as a damage tolerance technique. The residual flexural strength of damaged specimens is evaluated by quasi-static four-point bending test. A new criterion based on a relationship between damage metric from VBM and FAI analysis is presented and discussed. Thus, these results are normalized by using the maximum load and the metrics for damage analyses, i.e. if there is no damage in the structure, then the metric returns zero value. If the structure is partially damaged then the metric returns a number between one and zero. In addition, if the structure is totally damaged (i.e. residual strength is lower than specified in design), then the metric returns a value equal one. Finally, it is discussed the advantages and limitations of this combination into the context of SHM system (Structural Health Monitoring System). / Materiais compósitos estão cada vez mais sendo usados em aplicações críticas e exigentes, desafiando não apenas as metodologias atuais de previsão de dano, detecção, quantificação, mas também da vida residual da estrutura. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de estudos teóricos e experimentais sobre a resistência residual de estruturas de compósito, que são danificadas pelo carregamento de impacto, auxiliado por um sistema SHM, que combina diferentes métodos. Para isso, é necessário: identificar, localizar danos, bem como determinar a severidade dos danos e estimar a resistência residual da estrutura. Para atingir esses objetivos, a metodologia de pesquisa considerou três métodos: (1) Método baseado em vibração; (2) Shearography Speckle (SS) e (3) Flexão após Impacto (FAI). Placas de compósito, fabricadas em resina epóxi reforçada por fibra de carbono ou de vidro, são avaliadas. Em primeiro lugar, o método baseado em vibração produz Funções de Resposta em Frequência, que são analisadas através de métricas adequadas (incluindo uma nova métrica), que são comparadas em termos de sua capacidade de identificação de danos e de localização global. Depois disso, a extensão de danos causados pelo impacto é determinada empregando SS. Esta técnica tem demonstrado grande potencial na detecção de dano em estruturas laminadas compósito. A identificação do dano a partir das medidas realizadas com a técnica SS tem por base a análise das perturbações no campo de curvaturas causada devido à heterogeneidade das propriedades do material. Estas deformações anormais podem ser verificadas como deformações típicas de estruturas danificadas. A SS é um método de interferometria laser sensível ao gradiente de deslocamento de uma superfície na direção fora do plano. Sob a ação de um pequeno carregamento, a estrutura é deformada e a presença de danos é revelada através de singularidades locais do campo de deformação observado na superfície. Finalmente, teste de flexão após o impacto (FAI) é usado para avaliar suas limitações e potencialidades como uma técnica de tolerância ao dano. A resistência à flexão das amostras intactas e danificadas é avaliada por ensaio de flexão em quatro-pontos quase-estático. Um novo critério baseado em uma relação entre a métrica de dano prevista pelos métodos de vibração e a análise via FAI é apresentado e discutido. Assim, estes resultados são normalizados utilizando a carga máxima e as métricas de dano, ou seja, se não houver nenhum dano na estrutura, a métrica retorna valor igual a zero. Se a estrutura é parcialmente danificada, a métrica retorna um valor entre um e zero. Além disso, se a estrutura está totalmente danificada (ou seja, a resistência residual está abaixo do especificado em projeto), a métrica retorna um valor igual a um. Por fim, discutem-se as vantagens e limitações desta combinação para o contexto de sistema SHM (Sistema de Monitoramento da Integridade Estrutural).

The present document covers the studies over Structural Health Monitoring systems via vibration based methods. The topic is organized in two parallel studies. The first one analyzes the integrity of metal-composite single lap bonded joints. The second one approaches similar analyses for sandwich structures. The monitoring was made by investigating the dynamic response both computationally and experimentally to verify the reliability of applying vibration based SHM procedures, specifically with the objective of identifying the presence of debonding damage. The dynamic responses were obtained via accelerometers and piezoelectric sensors placed on top of the investigated structures (on the outward surface). The purpose for the accelerometers is to provide reference data for the analyses involving the piezoelectric sensors. Different metrics of damage identification were investigated, all working over a determined frequency range. They quantify the damage by analyzing either the magnitudes or phase angles of the dynamic responses among the undamaged and damage structures. This present work proposed modifications to some methodologies of damage quantification found in the literature and compared the results. The new metrics offered more reliable values for the damage quantification on several of the analyses. It was verified that the metrics are valid for the scenarios observed in the present study. The experimental analyses showed also the influence on the dynamic response due to the position of small elastomeric elements. In regards to the finite element analyses, the computational models showed similar results to the experimental data, the more accurate ones being the models for the bonded joints. For the computational models, improvements can be applied into the piezoelectric sensor (e.g. by using new finite element formulations), as well as the region of debonding (e.g. by using contact algorithms). It is important to highlight that the elastic properties of the skins for the sandwich structure were obtained by the literature, so the model can be improved in the future by applying properties obtained experimentally. / Esta dissertação aborda os estudos realizados no campo de Sistemas de Monitoramento da Integridade Estrutural por meio de métodos baseados em vibrações. O tópico abordado é organizado em dois estudos paralelos. O primeiro é relativo ao monitoramento da integridade de juntas coladas metal-compósito. O segundo versa sobre análises semelhantes em estruturas sanduíche. O monitoramento foi executado através das análises das assinaturas dinâmicas das estruturas, tanto computacionalmente quanto experimentalmente, visando avaliar a capacidade de metodologias vibracionais de SHM em detectar dano de descolamento. As respostas dinâmicas foram obtidas por meio de acelerômetros e sensores piezelétricos dispostos sobre a superfície das estruturas avaliadas. Os acelerômetros fornecem dados de referência para as análises realizadas com base nas respostas do sensor piezelétrico. Diferentes métricas de identificação de dano são abordadas, sendo que todas estão baseadas em análise no domínio da frequência, utilizando parâmetros de magnitude ou ângulo de fase das estruturas danificadas e intactas. O presente trabalho propôs alterações em algumas das metodologias encontradas na literatura e comparou os resultados das métricas originais com as modificadas. As métricas modificadas apresentaram resultados mais consistentes em vários cenários de análise. Constatou-se também que as métricas abordadas mostram-se válidas para os casos observados no presente estudo. As análises experimentais também evidenciaram a influência na assinatura dinâmica da estrutura sanduíche causada pelo posicionamento de pequenos elementos elastoméricos. Com relação às análises via elementos finitos, os modelos computacionais apresentaram resultados similares aos obtidos experimentalmente, sendo os da junta colada os mais precisos. Tais modelos computacionais podem ser melhorados no futuro por meio de uma modelagem mais detalhada dos elementos piezelétricos (por exemplo: por meio de novas formulações), como também da região de descolamento (por exemplo: por meio da implementação de algoritmos de contato). Deve-se ressaltar também que as propriedades elásticas das lâminas externas da estrutura sanduíche foram obtidas da literatura, assim sendo, o modelo poderá ser melhorado em estudos futuros por meio do emprego de propriedades obtidas experimentalmente.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Para reabilitar a ausência de um elemento dentário posterior, as próteses parciais fixas (PPF) com retentores intracoronários são uma alternativa aos implantes osseointegrados. O objetivo deste estudo foi avaliar a distribuição de tensões nessas próteses com três combinações de materiais: cerâmica de zircônia parcialmente estabilizada por ítria (ZPEI) revestida por cerâmica de fluorapatita (α), cerâmica de dissilicato de lítio (β) ou compósito fibrorreforçado (γ). Na composição α, foram analisadas a presença ou ausência da cerâmica de revestimento na parede cervical das caixas proximais e três variações na área total da seção transversal dos conectores (4 mm de largura x 3,2, 4,2 ou 5,2 mm de altura). Em 8 modelos bidimensionais de elementos finitos, uma carga vertical de 500 N foi aplicada na fossa central do pôntico e as tensões principais máximas (tração) e mínimas (compressão) foram apontadas em MPa. Inicialmente foram avaliados os 6 modelos com PPF de ZPEI e suas variações. Os maiores valores das tensões de tração foram encontrados no terço cervical dos conectores. Quando presente nestas regiões, a cerâmica de revestimento recebeu tensões acima do limite de sua resistência à flexão. Na comparação entre os modelos sem cerâmica de revestimento na parede cervical das caixas proximais, mesmo aquele com conectores de 3,2 x 4 mm, cuja infraestrutura apresentava 2,5 x 3 mm, poderia ser recomendado para uso clínico. Altos valores de tensões de compressão foram registrados entre o terço oclusal e médio dos conectores, correspondente à união entre as cerâmicas, o que poderia ocasionar, devido à flexão, falhas adesivas. Posteriormente, o modelo de ZPEI com a cerâmica de fluorapatita ausente da parede cervical das caixas proximais e área total dos conectores de 4,2 x 4 mm foi comparado aos dois outros materiais com conectores de mesma área. Na PPF de dissilicato de lítio, os valores representaram uma provável violação do limite de sua resistência à flexão. A PPF de compósito fibrorreforçado apresentou tensões bem abaixo do limite de resistência à flexão de sua infraestrutura, mas, como no modelo de ZPEI, tensões compressivas se concentraram com alto valor entre o terço oclusal e médio dos conectores, local de união entre a resina composta e a infraestrutura de fibras. Os resultados mostraram que a cerâmica de dissilicato de lítio e a presença da cerâmica de fluorapatita na parede cervical das caixas proximais deveriam ser contraindicadas para a condição proposta. Parece viável uma área de conectores na infraestrutura de ZPEI com no mínimo 2,5 x 3 mm. A PPF de compósito fibrorreforçado apresenta resistência estrutural para a situação estudada, mas, como também aquelas compostas de ZPEI, aparenta ter como pontos fracos a adesão entre a infraestrutura e o material de cobertura e a própria resistência deste último. / Inlay-retained fixed partial dentures (IRFPD) are an alternative to osseointegrated implants to replace a single missing posterior tooth. The aim of this study was to evaluate the stress distribution within these prostheses with three material combinations: yttria-tetragonal zirconia polycrystal (Y-TZP) ceramic veneered with fluorapatite ceramic (α), lithium-disilicate ceramic (β) or fiber-reinforced composite (γ). In composition α, an analysis was conducted on the presence or absence of the veneering ceramic on the cervical wall of the proximal boxes and three variations in the total area of the connectors cross-section (4 mm in width x 3.2, 4.2 or 5.2 mm in height). In 8 two-dimensional finite element models, a vertical load of 500 N was applied on the central fossa of the pontic. Maximum (tension) and minimum (compression) principal stresses were then shown in MPa. First, the 6 models with Y-TZP fixed partial dentures (FPD) and their variations were evaluated. The highest values of tensile stresses were found at the cervical third of the connectors. When present in these regions, the veneering ceramic received stresses beyond its flexural strength limit. In the comparison among models without veneering ceramic on the cervical wall of the proximal boxes, even the model with connectors of 3.2 x 4 mm, whose framework presented 2.5 x 3 mm, could be recommended for clinical use. High values of compressive stresses were recorded between the middle and occlusal thirds of the connectors, corresponding to the juncture of the ceramics. Owing to flexure, these stresses might lead to adhesive failures. Then, the Y-TZP model without fluorapatite ceramic on the cervical wall of the proximal boxes and total connector area of 4.2 x 4 mm was compared to the other two materials with connectors of the same area. For the lithium-disilicate FPD, the observed values would probably exceed its flexural strength limit. The fiber-reinforced composite FPD presented stresses far below the flexural strength limit of its framework, but, as observed in the Y-TZP model, high values of compressive stresses were concentrated between the middle and occlusal thirds of the connectors, where the juncture of the composite and the fiber framework is located. The results showed that the use of lithium-disilicate ceramics and the presence of fluorapatite ceramics on the cervical wall of the proximal boxes should be contraindicated for the condition proposed. A minimum of 2.5 x 3 mm for the connector area of the Y-TZP framework seems viable. The fiber-reinforced composite FPD presented structural resistance for the situation studied but, as was also the case of the Y-TZP fixed partial dentures, its weak points seem to be the adhesion between the framework and the veneering material, as well as the resistance of the veneering material itself.