[pt] O conhecimento do comportamento de solos residuais é de grande importância para projetos geotécnicos no Brasil e, em particular, na região do Rio de Janeiro, tendo em vista que o clima tropical e as características geológicas favorecem a ocorrência de mantos residuais de grande espessura. O presente trabalho trata do estudo do comportamento tensão-deformação de um solo residual proveniente de um perfil de alteração de rocha gnáissica do maciço da Tijuca, Rio de Janeiro. Como os solos residuais gnáissicos preservam as foliações herdadas da rocha matriz, investigou-se em particular a relevância de se considerar a ocorrência de anisotropia nas características de resistência e deformabilidade destes solos. No estudo foi utilizado o equipamento triaxial cúbico desenvolvido na PUC-Rio. Este equipamento possibilita o controle independente das três tensões principais, sendo mais adequado para a reprodução das trajetórias de tensões tridimensionais, usualmente associadas com obras geotécnicas no campo, e em particular, para estudos sobre as características de anisotropia de solos. O programa experimental constou de ensaios de compressão axial e hidrostática, sob condições drenadas de carregamento, utilizando o equipamento triaxial cúbico. Foram realizados também ensaios oedométricos convencionais, de modo a se obter as características de compressibilidade do solo. Foram moldados corpos de prova a partir de blocos indeformados, paralelos e perpendiculares à foliação observada no solo, o que possibilitou a análise dos resultados para direções distintas de carregamento. Para efeito de comparação sobre a relevância do arranjo estrutural dos grãos do solo, foram ensaiados também corpos de prova compactados dos mesmos materiais. A análise dos resultados permitiu a obtenção dos módulos de deformabilidade e dos parâmetros de resistência do solo residual. Em particular, foram verificados os efeitos da direção de carregamento dos corpos de prova, do nível das tensões de confinamento, do grau de intemperismo, do arranjo estrutural dos grãos e dos efeitos do grau de saturação. Pode-se concluir que os solos estudados não apresentaram efeitos marcantes de anisotropia nas características de resistência. No entanto, quanto à deformabilidade, pode-se considerar que o solo residual jovem apresentou características anisotrópicas. / [en] The knowledge of the mechanical behaviour of residual soils is of great importance in geotechnical projects, because of its abundance in tropical regions, such as Brazil and particularly in the area of Rio de Janeiro. The present work presents a study on the fundamental stress-strain behaviour of a residual soil resulting from a profile of a gneiss rock in Rio de Janeiro. As the gneiss residual soils preservethe bedding planes from the parent rock, the relevance of considering anisotropy in the stress- strain characteristics of these soils was investigated. The cubic triaxial equipment developed at PUC-Rio was used in this research. This equipment allows the independent control of the three principal stresses, allowing the reprodution of three-dimensional stress paths, usually associated with geotechnical works in the field. The experimental program consisted of axial and hidrostatic tests, under drained loading conditions, using the cubic triaxial equipment. One- dimensional oedometer tests were also performed, in order to obtain the compressibility characteristics of the residual soil. Undisturbed specimens were prepared with the bedding planes parallel or perpendicular to the loading direction. Analysis of the test results showed the effects of load direction, confining stress level, weathering degree, structural soil fabric and saturation degree. It may be concluded that the gneiss residual soils which were selected for this research do not present significant effects of anisotropy in the strength characteristics. In the stress- strain characteristics, however, it may be concluded that the young residual soil showed effects of anisotropy. / [es] EL conocimiento sobre el comportamiento de suelos residuales resulta de gran importancia para los proyectos geotécnicos en Brasil y, en particular, en la región de Rio de Janeiro, considerando que el clima tropical y las características geológicas favorecen la existencia de mantos residuales de gran espesor. El presente trabajo estudia el comportamiento tensión-deformación de un suelo residual proveniente de un perfil de alteración de roca gnáisica del macizo de la Tijuca, Rio de Janeiro. Como los suelos residuales gnáisicos preservan las foliaciones heredadas de la roca matriz, fue necesario estudiar si resultaba relevante considerar la aparición de anisotropía en las características de resistencia y deformabilidad de estos suelos. En el estudio se utilizó el equipo triaxial cúbico desarrollado en la PUC-Rio. Este equipo permite el control independente de las tres tensiones principales, siendo más adecuado para la reproducción de las trayectorias de tensiones tridimensionales, usualmente asociadas a obras geotécnicas en el campo, y en particular, para estudios sobre las características de anisotropía de suelos. El programa experimental incluyó ensayos de compresión axial e hidrostática, sobre condiciones drenadas de carga, utilizando el equipo triaxial cúbico. Fueron realizados también ensayos oedométricos convencionales, con el objetivo de obtener las características de compresibilidad del suelo. Fueron moldados cuerpos de prueba a partir de bloques no deformados, paralelos y perpendiculares a la foliación observada en el suelo, lo que permitió el análisis de los resultados para distintas direcciones de carga. Para efecto de comparación sobre la relevancia del arreglo extructural de los granos del suelo, se realizaron ensayos con cuerpos de prueba compactados de los mismos materiales. El análisis de los resultados permitió la obtención de los módulos de deformabilidad y de los parámetros de resistencia del suelo residual. En particular, se verificaron los efectos de la dirección de carga de los cuerpos de prueba, del nível de las tensiones de contensión, del grado de intemperización, de la disposición extructural de los granos y de los efectos del grado de saturación. Se puede concluir que los suelos estudiados no presentaran efectos marcantes de anisotropía en las características de resistencia. Sin embargo, con respecto a la deformabilidad, se puede considerar que el suelo residual joven presentó características anisotrópicas.

[pt] A técnica de correlação digital de imagens (Digital Image Correlation, DIC) é uma técnica óptica de campo global que consiste na análise de imagens da superfície de um espécime antes e após seu carregamento para determinação de campos de deslocamentos e deformações. Neste trabalho foram usados um sistema DIC estereoscópico convencional 3D, para aplicações em campos de visão (macro) da ordem de 200mmx200mm, e um sistema DIC estereomicroscópico 3D, para aplicações em áreas tão pequenas quanto 1mm quadrado. Para a análise de deformações em campos com dimensões tão diferentes precisou-se desenvolver uma metodologia para controlar parâmetros da técnica DIC, tais como dimensões de pontos (speckles) impressos no espécime e tamanhos de subsets e steps usados para a correlação das imagens captadas. A seleção dos problemas estruturais para aplicação da técnica levou em conta não só a diversidade destes, como também o pioneirismo das aplicações de DIC a problemas nos quais podem ser gerados resultados que melhor ajudem na compreensão de suas facetas específicas. Assim, a técnica foi aplicada à medição de deformações em tubos com defeitos por suas vantagens de medição de grandes deformações e de visualização de regiões de interesse, sob a forma de campos globais de deformações. Na área de determinações de propriedades mecânicas de materiais compósitos, foram realizadas medições em espécimes não convencionais de resina epóxi reforçados por fibras de carbono ou fibras de vidro para determinação de suas propriedades elásticas. Por fim, foram realizadas medições em um espécime Compact Tension Specimen CTS de aço grau API 5LX60 contendo uma trinca e em espécimes com entalhes profundos (concentrações de tensões) constituídos por materiais distintos (policarbonato e alumínio), para obtenção de campos de deslocamentos e de deformações elastoplásticas. Nestas aplicações os resultados obtidos com a técnica DIC foram comparados com aqueles obtidos com modelos de elementos finitos (EF), com medições com extensômetros de resistência elétrica (strain gages) e com resultados analíticos publicados na literatura. Levando-se em conta as comparações feitas, a grande maioria dos experimentos realizados pode ser considerada satisfatória. Ao longo da tese foram descritas as adaptações, considerações e boas práticas consideradas necessárias para obtenção de bons resultados nas diferentes medições e para os diferentes aparatos experimentais utilizados. Estas recomendações serão bastante úteis para medições futuras ou mesmo para auxiliar na avaliação de confiabilidade de alguns resultados apresentados na literatura especializada. / [en] The digital image correlation (DIC) technique is a global field optical technique that consists in the analysis of images taken from the surface of a specimen before and after being subjected to a load, in order to determine displacement and strain fields. In the current work, both conventional 3D stereoscopic and micro-stereoscopic DIC systems were used, the former for applications in macroscopic fields of view (of the order of 200mm x 200mm), and the latter for applications in surface areas as small as 1mm square. For strain analysis in fields with such varied dimensions, the development of a methodology to control some parameters of the technique was required. Among the parameters to be controlled were dimensions of speckles printed on the specimen and size of the subsets and steps used in the image correlation procedure. The selection of structural problems to be analyzed by the DIC technique took into account not only diversity, but also the pioneering aspect in terms of DIC application to problems which can generate results that lead to a better comprehension of its specific issues. Hence, the technique was applied to the measurement of global strain fields in defective tubes, due to the advantages in measuring large strains and visualizing the regions of interest in such cases. For determination of the mechanical properties of composite materials, measurements were performed in non-conventional specimens made of epoxy resin and reinforced by carbon or glass fibers for evaluation of its elastic properties. Finally, measurements in a cracked Compact Tension Specimen (CTS) with degree of steel API 5LX60 and in specimens with deep notches (stress concentration) consisting of different materials (polycarbonate and aluminum) were carried out for estimation of displacement fields and elastoplastic strains. For those applications, the results were compared with those obtained from finite element models, from strain gages, and also with analytical results from the literature. Taking into account such comparisons, it can be said that the great majority of the experimental measurements was satisfactory. Throughout the current manuscript, the required adaptations, good practices needed to achieve reliable results from the different types of measurement and experimental apparatus, as well as other considerations, were carefully described. These recommendations will be quite useful for future measurements, or even to assist in the evaluation of the reliability of certain results presented in the specialized literature.

[pt] Nesta dissertação foram discutidos os resultados obtidos com um interferômetro Fabry-Perot intrínseco (FPI) a fibra óptica, para sensoriamento de deformação longitudinal, temperatura e campo magnético. O FPI foi construído através da emenda de uma fibra capilar entre dois pedaços de fibra padrão de telecomunicação, formando uma cavidade de ar retangular. Esta cavidade, quando atua como um sensor de deformação longitudinal, possui uma sensibilidade nove vezes maior que uma típica rede de Bragg (FBG). Porém, quando atua como sensor de temperatura, a sensibilidade é bem menor que a de uma rede de Bragg, tornando-se bastante útil para diversas aplicações. O sensor de campo magnético foi construído através da colagem da cavidade de ar num material magnetostrictivo, para que este convertesse as mudanças causadas em seu comprimento, devido à aplicação do campo magnético, em deformação longitudinal. Este sensor apresentou uma sensibilidade ao campo magnético quatro vezes maior do que quando o mesmo é construído com uma rede de Bragg. / [en] This thesis discusses the results obtained with an intrinsic Fabry-Perot interferometer (FPI) fiber, for sensing longitudinal strain, temperature and magnetic field. The FPI was constructed by splicing a capillary fiber between two pieces of standard telecommunication fiber, forming a rectangular air cavity. This cavity, when acting as a longitudinal deformation sensor has a sensitivity nine times greater than a typical Bragg grating (FBG). However, when it acts as a temperature sensor, the sensitivity is much smaller than a Bragg grating, making it useful for various applications. The magnetic field sensor was built placing the air cavity on a magnetostrictive material, so that it converted the changes brought in its length due to the application of the magnetic field in longitudinal deformation. The sensor showed a sensitivity to the magnetic field four times higher than when it is built with a Bragg grating.

[pt] Os sensores de deformação convencionais, por exemplo, os strain gages resistivos e ópticos, consagrados pelo mercado, são empregados em diferentes ambientes e estruturas, oferecendo um nível de flexibilidade que permite sua integração a vários tipos de sistemas de medição. No entanto, requerem uma fonte de energia elétrica local ou não podem funcionar sem cabos, limitando o seu uso em alguns cenários, como em partes móveis de máquinas. Os dispositivos SAW (Surface Acoustic Wave) podem ser usados como sensores de deformação piezoelétricos, pois possuem sensibilidade à deformação e podem operar de forma passiva por meio de antenas, podendo ser integrados a sistemas de monitoramento sem fio. Seu funcionamento é baseado em ondas de superfície geradas em um meio piezoelétrico. O estado de tensão na superfície do meio altera as características dessas ondas e induz mudanças na frequência de operação. O presente trabalho analisou a sensibilidade à deformação de dispositivos SAW ressonadores feitos de quartzo ST-X com frequência central de 433,92 MHz colados com diferentes adesivos, e testou sua operação como sensores passivos sem fio. A metodologia incluiu testes de tração não destrutivos em diferentes temperaturas e também simulações com elementos finitos. Os resultados experimentais mostraram relação linear entre a variação de frequência dos ressonadores e as deformações aplicadas, concordando com a literatura. A interrogação sem fio foi bem sucedida, confirmando o grande potencial dessa tecnologia. Os resultados numéricos, combinados a um modelo teórico, foram próximos aos experimentais, validando o modelo numérico. / [en] The conventional strain sensors, e.g., resistive and optical strain gages, established in the market, are deployed in different environments and structures, providing the flexibility of integration with different measurement systems. However, they require a local energy source to work or cables, limiting their use in some scenarios such as moving parts of machines. The SAW (Surface Acoustic Wave) devices can be used as piezoelectric strain sensors since they have sensitivity to strain, can operate passively by antennas and can be integrated to wireless monitoring systems. Its working principle is based on surface acoustic waves generated on piezolectric medium. The stress state of the medium changes the characteristics of these waves and induces changes in the operating frequency. The present work analyzed the strain sensitivity of SAW resonators made of ST-X cut quartz operating at a central frequency of 433,92 MHz, bonded with different adhesives, and tested their operation as passive wirelesss sensors. The methodology included non-destructive tensile testing at different temperature, and also finite elements simulations. The experimental results showed linear relation between the frequency change and the applied strain, agreeing with the literature. The wireless interrogations was successful, confirming the great potential of this technology. The numerical results, combined to a theoretical model, matched well the experiments, validating the model.

[pt] Dentre as diversas metodologias de detecção de danos, destacam-se os métodos de identificação de danos baseados na resposta da vibração (Vibration-based damage identification - VBDI), uma vez que a deterioração presente em elementos estruturais influencia diretamente na resposta dinâmica global e local da estrutura ocasionando alterações nos parâmetros dinâmicos. As diferentes abordagens encontradas na revisão de literatura para detecção dinâmica de danos focam principalmente em estruturas unidimensionais ou retas, que, por sua vez, podem não representar o comportamento dinâmico real de estruturas arrojadas como pontes e passarelas com geometria diferenciada. Alguns índices modais, nomeadamente curvatura modal, flexibilidade modal e energia de deformação modal, foram avaliados para uma passarela de aço com geometria curva. Para isso utilizou-se um modelo de elementos finitos da mesma, de onde foram extraídos os modos de vibração tridimensionais. Além disso, um índice recentemente proposto, denominado vetor resultante, que incorpora coordenadas modais tridimensionais, também é avaliado e comparado aos índices mencionados anteriormente. Os resultados mostram que a precisão dos índices na localização de danos está correlacionada com a região da estrutura onde o dano se encontra. Conclui-se então que para detecção de dano em uma estrutura real, é necessário que se utilize mais de um índice de dano. O impacto da magnitude do dano na acurácia dos índices é também estudado. A influência do dano nas vigas adjacentes e como isso se reflete nos índices também é investigada, a fim de evitar ambiguidade na localização de danos, e para direcionar corretamente programas de inspeção e monitoramento da integridade estrutural. / [en] Among the various damage detection methodologies, the Vibration-based damage identification (VBDI) methods stand out, since the deterioration present in structural elements directly influences the global and local dynamic response of the structure, causing changes in the dynamic parameters. The different approaches found in the literature review for dynamic damage detection focus mainly on one-dimensional or straight structures, which in turn may not represent the actual dynamic behavior of bold structures such as bridges and footbridges with different geometry. Some modal indices, namely modal curvature, modal flexibility, and modal strain energy were evaluated for a steel footbridge with curved geometry. For this purpose, a finite element model of it was used, from which the three-dimensional mode shapes were extracted. In addition, a recently proposed index, called resultant vector, which incorporates three-dimensional modal coordinates, is also evaluated and compared to the aforementioned ones. The results show that the accuracy of the indices for damage localization is correlated with the region of the structure where the damage is located. It is then concluded that for damage detection in a real structure, it is necessary to use more than one damage index. The impact of the damage magnitude on the accuracy of the indices is also studied. The influence of damage in adjacent beams and how this is reflected in the indices is also investigated in order to avoid ambiguity in damage location, and to correctly direct inspections and structural integrity monitoring programs.