O presente trabalho consiste basicamente no desenvolvimento de um programa de engenharia denominado SAJ (sistema de análise de juntas) capaz de realizar uma análise detalhada do comportamento de dois dos diversos tipos de juntas coladas existentes, a junta simples colada (\"single lap joint\") e a junta dupla colada (\"double lap joint\"). Sendo que foram analisadas juntas coladas com aderentes de material compósito ou, então, compostas de aderentes de compósitos e metal. O programa de engenharia desenvolvido possibilita o cálculo das tensões, dos esforços e dos deslocamentos nessas juntas. Para validar o referido programa, os resultados obtidos do mesmo foram confrontados com os resultados obtidos para condições semelhantes utilizando \"softwares\" comerciais de elementos finitos e de cálculo de juntas. Após a validação do programa, são apresentados alguns estudos de fatores que influenciam na resistência da junta colada, verificando a influência do comprimento de \"overlap\" (sobreposição), a rigidez do adesivo e a espessura da camada adesiva. Também é apresentada uma análise de falha dos aderentes de compósito evidenciando assim, as potencialidades e limitações desta ferramenta computacional para a área de desenvolvimento de produto. / This work consists on the development of software called SAJ which can analyze a bonded joint behavior in detail, not only for single lap joint, but also, for double lap joint. These joints could be made of composite/composite materials or metal/composite as adherentes. The software developed can calculate the joints stresses, loads and displacements. The results obtained are compared to the results obtained using commercial software and the same problems proposed. After the validation of SAJ, some studies were performed in order to determine how some characteristics affect the joint stresses distribution as overlap length, adhesive elastic modulus, adhesive thickness and a failure analysis of composite adherents showing the potential and limitation of this computational tool for the product development area.

O presente trabalho consiste basicamente no desenvolvimento de um programa de engenharia denominado SAJ (sistema de análise de juntas) capaz de realizar uma análise detalhada do comportamento de dois dos diversos tipos de juntas coladas existentes, a junta simples colada (\"single lap joint\") e a junta dupla colada (\"double lap joint\"). Sendo que foram analisadas juntas coladas com aderentes de material compósito ou, então, compostas de aderentes de compósitos e metal. O programa de engenharia desenvolvido possibilita o cálculo das tensões, dos esforços e dos deslocamentos nessas juntas. Para validar o referido programa, os resultados obtidos do mesmo foram confrontados com os resultados obtidos para condições semelhantes utilizando \"softwares\" comerciais de elementos finitos e de cálculo de juntas. Após a validação do programa, são apresentados alguns estudos de fatores que influenciam na resistência da junta colada, verificando a influência do comprimento de \"overlap\" (sobreposição), a rigidez do adesivo e a espessura da camada adesiva. Também é apresentada uma análise de falha dos aderentes de compósito evidenciando assim, as potencialidades e limitações desta ferramenta computacional para a área de desenvolvimento de produto. / This work consists on the development of software called SAJ which can analyze a bonded joint behavior in detail, not only for single lap joint, but also, for double lap joint. These joints could be made of composite/composite materials or metal/composite as adherentes. The software developed can calculate the joints stresses, loads and displacements. The results obtained are compared to the results obtained using commercial software and the same problems proposed. After the validation of SAJ, some studies were performed in order to determine how some characteristics affect the joint stresses distribution as overlap length, adhesive elastic modulus, adhesive thickness and a failure analysis of composite adherents showing the potential and limitation of this computational tool for the product development area.

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).

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.

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.