A tomografia ultrassônica é um método não destrutivo que possibilita o mapeamento de uma seção interna do objeto estudado a partir de múltiplas projeções de resultados de ensaios de ultrassom a fim de identificar algumas de suas propriedades físicas, descontinuidades e/ou defeitos. Este trabalho consiste em estudar o método da tomografia ultrassônica aplicada na detecção de não homogeneidades em elementos de concreto. Para tal fim, realizaram-se diversos ensaios experimentais em prismas de concreto variando-se parâmetros como a qualidade do concreto, presença de vazios e armaduras, o arranjo dos transdutores, a frequência e a polarização das ondas ultrassônicas. Além dos ensaios, foi desenvolvida uma aplicação computacional que permitisse gerar imagens tomográficas de várias seções do elemento estudado, em diferentes planos e profundidades simultaneamente, a partir das velocidades de propagação dos pulsos de ultrassom. Como resultado conseguiu-se determinar as condições mais confiáveis nos procedimentos de medição, avaliar o grau de homogeneidade de prismas com diferentes resistências e avaliar a sensibilidade dos ensaios de ultrassom na presença de não homogeneidades como vazios, fissuras e aço de reforço. Finalmente, como conclusão desta pesquisa confirma-se o grande potencial que possui a técnica de tomografia ultrassônica aplicada em estruturas de concreto na detecção de não homogeneidades. / Ultrasonic tomography is a non-destructive method that enables the mapping of an internal section of the object studied from multiple projections of results of ultrasound tests to identify some of their physical properties, discontinuities and/or defects. This work is to study the method of ultrasonic tomography applied to the detection of inhomogeneities in concrete elements. To this end, there have been several experimental tests on concrete prisms varying parameters such as the concrete quality, the presence of voids and reinforcement, the arrangement of the transducers, the frequency and polarization of the ultrasonic waves. In addition to the tests, a computer application was developed that allows to generate tomographic images of various sections of the study element and depths in different planes simultaneously from the propagation speed of the ultrasonic pulses. It was possible to determine the most reliable conditions in the measuring procedures to assess the degree of homogeneity of prisms having different resistances and to evaluate the sensitivity of ultrasound tests in the presence of inhomogeneities such as voids, cracks and reinforcing steel. Finally, as a conclusion of this research confirms the great potential that has the ultrasonic tomography technique applied in concrete structures in the detection of inhomogeneities.

Nesta tese doutoral estudam-se formas de resolver o problema de detecção de dano em estruturas a partir da aplicação de técnicas de inteligência computacional e da resposta dinâmica da estrutura. Duas opções para a formulação do problema são consideradas. Primeiro, um problema de otimização é estabelecido a partir da minimização da diferença entre os parâmetros dinâmicos experimentais da estrutura na condição com dano e aqueles calculados utilizando um modelo de elementos finitos que representa tal condição. Diferentes técnicas metaheurísticas (algoritmos genéticos, particle swarm optimization, evolução diferencial), algumas em versões com adaptação de parâmetros, são empregadas. Estuda-se, ainda, a formulação do problema de otimização como um com múltiplos objetivos. Uma nova forma de avaliar o desempenho de uma metodologia de detecção de dano é proposta, que está baseada na capacidade da metodologia para obter um nível determinado de exatidão no cálculo da extensão do dano e na presença de falso-negativos e falso-positivos nos resultados. Segundo, aplicam-se redes neurais para determinar o mapeamento entre os parâmetros dinâmicos experimentais da condição atual da estrutura e a extensão ou posição do dano nesta. Estruturas do tipo viga e treliça foram submetidas a diferentes cenários de dano com o intuito de determinar o desempenho das metodologias propostas. Resultados mostram a habilidade de técnicas de inteligência computacional para detecção de cenários de dano com uns poucos elementos danificados; porém não é possível garantir que as metodologias terão sucesso para o 100% dos casos. Recomenda-se a utilização de técnicas de busca local para melhorar a solução encontrada pelos algoritmos globais. Finalmente, observou-se que se requer da determinação da quantidade mínima de informação a ser utilizada, uma função objetivo adequada e uma alta qualidade nas medições para garantir uma detecção de dano confiável. / This research aims at studying how to solve the damage detection problem by using computational intelligence techniques and the dynamic response of the structure. Two different ways for formulating the solution to the problem are implemented. In first place, an optimization problem is formulated as the minimization of the difference between the experimental dynamic parameters for the current structure and those from a finite element model that represent the damaged condition. Several metaheuristics (genetic algorithms, particle swarm optimization and differential evolution) are used to solve the optimization problem, where most of them present adaptive configurations. The implication of a multi-objective approach is also studied. A new scheme to determine the algorithm´s performance is proposed, which computes three error indicators concerning differences between the real and computed damage extents and the presence of false-positives and false-negatives. In second place, artificial neural networks are used to determine the mapping between the experimental dynamic parameters and either the damage extension (quantification) or the damage position (localization). Different damage scenarios were simulated in beam and truss structures to verify the performance of the proposed methodologies. Results show the ability of computational intelligence techniques to detect damage scenarios with a few damaged elements; however, it is not possible to guarantee a 100% of success. It is suggested to use local search techniques to improve the solution found by the different proposed algorithms. Three main conclusions are the followings: i) it is necessary to determine the minimum quantity of modal data that permits guarantying a reliable damage detection, ii) objective functions plays a very important role to the success of the algorithms and iii) noise prejudice the damage identification process.

Submitted by EVERALDO SILVA DE FREITAS null (everaldo.freitas@gmail.com) on 2016-07-03T18:42:32Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Mestrado_Everaldo_Freitas_2016_final.pdf: 3897384 bytes, checksum: 5c9536e39331c3a9d0ddfa1752cc723a (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-07-07T16:33:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 freitas_es_me_bauru.pdf: 3897384 bytes, checksum: 5c9536e39331c3a9d0ddfa1752cc723a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-07T16:33:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 freitas_es_me_bauru.pdf: 3897384 bytes, checksum: 5c9536e39331c3a9d0ddfa1752cc723a (MD5) Previous issue date: 2016-05-30 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Esta dissertação de mestrado apresenta uma análise experimental da viabilidade do uso dos diafragmas piezelétricos comerciais de baixo custo (comumente conhecidos como buzzers) em sistemas de monitoramento de integridade estrutural (SHM – Structural Health Monitoring) baseados na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Esse tipo de aplicação tem recebido uma atenção especial nas últimas décadas por se basear no uso de transdutores piezelétricos pequenos e leves que operam simultaneamente como sensores e atuadores. Foram realizados vários testes em barras de alumínio utilizando diafragmas de diversos tamanhos; as assinaturas de impedância elétrica e os índices de dano foram comparados com os obtidos usando uma cerâmica convencional de PZT (Pb-lead Zirconate Titanate – titanato zirconato de chumbo), que é o transdutor mais comumente utilizado nessa aplicação. Os danos estruturais foram simulados utilizando-se massas metálicas (porcas de parafuso), as quais foram fixadas nas barras com cola a base de cianoacrilato. Quatro tipos de experimentos foram realizados para fins de comparação: estimação da sensibilidade dos transdutores utilizando método da quebra do grafite (PLB – Pencil Lead Break – quebra do grafite); comparação dos índices de dano RMSD (root mean square deviation – desvio da raiz média quadrática) e CCDM (correlation coefficient deviation metric – métrica do desvio do coeficiente de correlação), calculados a partir das assinaturas de impedância; avaliação dos efeitos da temperatura; e a avaliação da reprodutibilidade dos resultados a longo prazo. Os resultados indicaram que a cerâmica convencional de PZT e um diafragma de tamanho semelhante apresentam características bem próximas em relação à reprodutibilidade dos resultados, sensibilidade ao dano e aos efeitos de temperatura, o que leva a conclusão de que os diafragmas são viáveis para sistemas de SHM baseados na impedância E/M. / This dissertation presents an experimental analysis of the viability of low-cost commercial piezoelectric diaphragms (commonly known as buzzers) in structural health monitoring (SHM) systems based on the electromechanical impedance (EMI) technique. This application has received special attention in recent decades because it is based on the use of small, lightweight piezoelectric transducers operating as both sensors and actuators. Several tests were carried out on aluminum bars using diaphragms of different sizes; the electrical impedance signatures and damage indices were compared with those obtained using a conventional PZT (Pb-Lead Zirconate Titanate) ceramic, which is the most commonly employed transducer in this application. Structural damage was simulated using metallic bolts (steel nut), which were fixed in the bars using cyanoacrylate glue. Four types of experiments were carried out for comparison between the two transducers: sensitivity estimation using the pencil lead break (PLB) method, analysis of the feasibility to detect structural damage using conventional impedance signatures and damage indices, analysis of temperature effects, and determination of the long-term reproducibility of the results. The results indicated that conventional PZT ceramics and diaphragms with similar size exhibit very close characteristics in relation to reproducibility, sensitivity to damage and temperature effects, which leads to the conclusion that the piezoelectric diaphragms are feasible in SHM systems based on the EMI method. / FAPESP: 2015/02500-6

Nesta tese doutoral estudam-se formas de resolver o problema de detecção de dano em estruturas a partir da aplicação de técnicas de inteligência computacional e da resposta dinâmica da estrutura. Duas opções para a formulação do problema são consideradas. Primeiro, um problema de otimização é estabelecido a partir da minimização da diferença entre os parâmetros dinâmicos experimentais da estrutura na condição com dano e aqueles calculados utilizando um modelo de elementos finitos que representa tal condição. Diferentes técnicas metaheurísticas (algoritmos genéticos, particle swarm optimization, evolução diferencial), algumas em versões com adaptação de parâmetros, são empregadas. Estuda-se, ainda, a formulação do problema de otimização como um com múltiplos objetivos. Uma nova forma de avaliar o desempenho de uma metodologia de detecção de dano é proposta, que está baseada na capacidade da metodologia para obter um nível determinado de exatidão no cálculo da extensão do dano e na presença de falso-negativos e falso-positivos nos resultados. Segundo, aplicam-se redes neurais para determinar o mapeamento entre os parâmetros dinâmicos experimentais da condição atual da estrutura e a extensão ou posição do dano nesta. Estruturas do tipo viga e treliça foram submetidas a diferentes cenários de dano com o intuito de determinar o desempenho das metodologias propostas. Resultados mostram a habilidade de técnicas de inteligência computacional para detecção de cenários de dano com uns poucos elementos danificados; porém não é possível garantir que as metodologias terão sucesso para o 100% dos casos. Recomenda-se a utilização de técnicas de busca local para melhorar a solução encontrada pelos algoritmos globais. Finalmente, observou-se que se requer da determinação da quantidade mínima de informação a ser utilizada, uma função objetivo adequada e uma alta qualidade nas medições para garantir uma detecção de dano confiável. / This research aims at studying how to solve the damage detection problem by using computational intelligence techniques and the dynamic response of the structure. Two different ways for formulating the solution to the problem are implemented. In first place, an optimization problem is formulated as the minimization of the difference between the experimental dynamic parameters for the current structure and those from a finite element model that represent the damaged condition. Several metaheuristics (genetic algorithms, particle swarm optimization and differential evolution) are used to solve the optimization problem, where most of them present adaptive configurations. The implication of a multi-objective approach is also studied. A new scheme to determine the algorithm´s performance is proposed, which computes three error indicators concerning differences between the real and computed damage extents and the presence of false-positives and false-negatives. In second place, artificial neural networks are used to determine the mapping between the experimental dynamic parameters and either the damage extension (quantification) or the damage position (localization). Different damage scenarios were simulated in beam and truss structures to verify the performance of the proposed methodologies. Results show the ability of computational intelligence techniques to detect damage scenarios with a few damaged elements; however, it is not possible to guarantee a 100% of success. It is suggested to use local search techniques to improve the solution found by the different proposed algorithms. Three main conclusions are the followings: i) it is necessary to determine the minimum quantity of modal data that permits guarantying a reliable damage detection, ii) objective functions plays a very important role to the success of the algorithms and iii) noise prejudice the damage identification process.

A tomografia ultrassônica é um método não destrutivo que possibilita o mapeamento de uma seção interna do objeto estudado a partir de múltiplas projeções de resultados de ensaios de ultrassom a fim de identificar algumas de suas propriedades físicas, descontinuidades e/ou defeitos. Este trabalho consiste em estudar o método da tomografia ultrassônica aplicada na detecção de não homogeneidades em elementos de concreto. Para tal fim, realizaram-se diversos ensaios experimentais em prismas de concreto variando-se parâmetros como a qualidade do concreto, presença de vazios e armaduras, o arranjo dos transdutores, a frequência e a polarização das ondas ultrassônicas. Além dos ensaios, foi desenvolvida uma aplicação computacional que permitisse gerar imagens tomográficas de várias seções do elemento estudado, em diferentes planos e profundidades simultaneamente, a partir das velocidades de propagação dos pulsos de ultrassom. Como resultado conseguiu-se determinar as condições mais confiáveis nos procedimentos de medição, avaliar o grau de homogeneidade de prismas com diferentes resistências e avaliar a sensibilidade dos ensaios de ultrassom na presença de não homogeneidades como vazios, fissuras e aço de reforço. Finalmente, como conclusão desta pesquisa confirma-se o grande potencial que possui a técnica de tomografia ultrassônica aplicada em estruturas de concreto na detecção de não homogeneidades. / Ultrasonic tomography is a non-destructive method that enables the mapping of an internal section of the object studied from multiple projections of results of ultrasound tests to identify some of their physical properties, discontinuities and/or defects. This work is to study the method of ultrasonic tomography applied to the detection of inhomogeneities in concrete elements. To this end, there have been several experimental tests on concrete prisms varying parameters such as the concrete quality, the presence of voids and reinforcement, the arrangement of the transducers, the frequency and polarization of the ultrasonic waves. In addition to the tests, a computer application was developed that allows to generate tomographic images of various sections of the study element and depths in different planes simultaneously from the propagation speed of the ultrasonic pulses. It was possible to determine the most reliable conditions in the measuring procedures to assess the degree of homogeneity of prisms having different resistances and to evaluate the sensitivity of ultrasound tests in the presence of inhomogeneities such as voids, cracks and reinforcing steel. Finally, as a conclusion of this research confirms the great potential that has the ultrasonic tomography technique applied in concrete structures in the detection of inhomogeneities.

A avaliação do estado das estruturas é um tema de pesquisa muito importante para diversos campos da engenharia e, por isso, estão sendo desenvolvidas metodologias que permitem detectar dano em uma estrutura. O presente trabalho tem como objetivo verificar a aplicabilidade dos algoritmos genéticos (AG) na detecção de dano a partir das mudanças ocorridas, entre as condições com e sem dano, dos parâmetros dinâmicos da estrutura. Três tipos de AGs (binário, real e redundante implícita) são implementados com a finalidade de comparação do desempenho. Os parâmetros dinâmicos da estrutura, sadia e danificada, são determinados a partir do modelo de elementos finitos da estrutura. Medições incompletas e ruidosas foram consideradas visando simular as características da informação obtida por meio de um ensaio dinâmico real. Os AGs implementados são aplicados em estruturas de tipo viga, treliça e pórtico sob diferentes cenários de dano. Resultados mostram o bom desempenho dos AGs para detectar dano em uma estrutura. / The assessment of structural health is an important research topic in many engineering fields and, for that reason, damage detection methodologies are being developed. The goal of this dissertation is to verify the applicability of genetic algorithms (GAs) for detecting damage using dynamic parameters changes between undamaged and damaged condition of the structure. Three different GAs are implemented in order to compare the performance of the algorithms. Undamaged and damaged dynamic parameters are computed using the finite element model of the structure. Incomplete and noisy measurements are considered with the objective of simulating the real condition of the information in a real dynamic test. GAs are applied in some different structures: beam, truss and frame. The results indicate the good performance of the GAs for detecting damage in a structure.

A avaliação do estado das estruturas é um tema de pesquisa muito importante para diversos campos da engenharia e, por isso, estão sendo desenvolvidas metodologias que permitem detectar dano em uma estrutura. O presente trabalho tem como objetivo verificar a aplicabilidade dos algoritmos genéticos (AG) na detecção de dano a partir das mudanças ocorridas, entre as condições com e sem dano, dos parâmetros dinâmicos da estrutura. Três tipos de AGs (binário, real e redundante implícita) são implementados com a finalidade de comparação do desempenho. Os parâmetros dinâmicos da estrutura, sadia e danificada, são determinados a partir do modelo de elementos finitos da estrutura. Medições incompletas e ruidosas foram consideradas visando simular as características da informação obtida por meio de um ensaio dinâmico real. Os AGs implementados são aplicados em estruturas de tipo viga, treliça e pórtico sob diferentes cenários de dano. Resultados mostram o bom desempenho dos AGs para detectar dano em uma estrutura. / The assessment of structural health is an important research topic in many engineering fields and, for that reason, damage detection methodologies are being developed. The goal of this dissertation is to verify the applicability of genetic algorithms (GAs) for detecting damage using dynamic parameters changes between undamaged and damaged condition of the structure. Three different GAs are implemented in order to compare the performance of the algorithms. Undamaged and damaged dynamic parameters are computed using the finite element model of the structure. Incomplete and noisy measurements are considered with the objective of simulating the real condition of the information in a real dynamic test. GAs are applied in some different structures: beam, truss and frame. The results indicate the good performance of the GAs for detecting damage in a structure.

O objetivo deste trabalho é estudar métodos dinâmicos de detecção de dano em vigas, em especial os métodos baseados na variação da flexibilidade medida dinamicamente. Os métodos revisados formam parte das técnicas de Detecção de Dano Não Destrutivas (DDND). Nas técnicas DDND o dano é localizado por comparação entre o estado sadio e o danificado da estrutura. Neste trabalho, o problema de vibração inverso é apresentado e a matriz de flexibilidade estática da estrutura é determinada a partir de seus parâmetros modais. Com ajuda de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são mostrados os diferentes padrões de variação da matriz de flexibilidade produzidos pela presença do dano. Baseando-se nestes padrões é possível identificar a posição do dano dentro da estrutura, como indicado pelos diversos exemplos apresentados. / The purpose of this work is to study dynamic methods for damage detection in beam structures. The attention is devoted to the methods based on dynamically measured flexibility. The reviewed methods are part of Nondestructive Damage Detection techniques (NDD). In the NDD techniques the damage is determined through the comparison between the undamaged and damaged state of the structure. In this work the inverse vibration problem is presented and the structure\'s flexibility matrix calculated from his modal parameters. The Finite Elements Model (FEM) is employed to show that a clear pattern exist for the changes in the flexibility matrix produced due to the presence of damage. The flexibility matrix changes is used to identify and locate damage as indicated by the several examples presented.

O processo de calibração de parâmetros é uma importante tarefa que pode consumir bastante tempo no desenvolvimento de projetos e pesquisas. A calibração manual é um processo lento, exige experiência e, muitas vezes, não alcança a precisão desejada. Neste sentido, o presente trabalho propõe uma metodologia de calibração automática, baseada em parâmetros modais, com o intuito de tornar o processo de calibração mais eficaz e preciso. Nesta metodologia, o modelo numérico é desenvolvido em elementos finitos e os parâmetros modais experimentais são identificados por meio de ensaios dinâmicos. Com base nesses parâmetros, o modelo inicial em elementos finitos é atualizado automaticamente por meio de algoritmos de otimização até a convergência. O modelo numérico foi elaborado no software Abaqus e os algoritmos de otimização foram implementados em linguagem Python. A metodologia desenvolvida foi aplicada inicialmente na detecção de dano, sendo dano definido como uma degradação estrutural que resulta em perda parcial de rigidez de um ou vários elementos estruturais. Foram estudados exemplos numéricos e experimentais. Após a calibração da malha, das dimensões da seção transversal, das propriedades mecânicas e das rigidezes das molas, os danos foram corretamente detectados. Outra aplicação foi na investigação da anisotropia do concreto, os parâmetros modais foram obtidos por ensaio de ressonância acústica de amostras de concreto com diferentes traços (pobre, médio e rico) e direções de concretagem (horizontal e vertical). Os resultados mostraram uma clara tendência de comportamento, as amostras concretadas na horizontal foram melhor representadas por material ortotrópico e as concretadas na vertical por material isotrópico transversal no plano de concretagem. A metodologia desenvolvida obteve bons resultados nas aplicações estudadas, indicando seu potencial na calibração de estruturas reais por meio de respostas dinâmicas experimentais. / The process of parameter calibration is an important task that can be time-consuming in the development of projects and research. Manual calibration is a slow process, requires experience, and often does not achieve the desired accuracy. In this sense, the present work proposes a methodology of automatic calibration, based on modal parameters, in order to make the calibration process more efficient and accurate. In this methodology, the numerical model is developed in finite elements and the modal experimental parameters are identified by means of dynamic tests. Based on these parameters, the initial finite element model is automatically updated through optimization algorithms to convergence. The numerical model was elaborated in the software Abaqus and the algorithms of optimization were implemented in Python language. The methodology developed was initially applied in the detection of damage, being damage defined as a structural degradation that results in partial loss of rigidity of one or several structural elements. Numerical and experimental examples have been studied. After the mesh calibration, the cross-sectional dimensions, the mechanical properties and the stiffness of the springs, the damages were correctly detected. Another application was to investigate the anisotropy of concrete, the modal parameters were obtained by acoustic resonance test of concrete samples with different mixes (poor, medium and rich) and directions of concrete placement and compaction (horizontal and vertical). The results showed a clear trend of behavior, the horizontal specimens were better represented by orthotropic material and those concreted vertically by transverse isotropic material in the concreting plane. The developed methodology obtained good results in the studied applications, showing its potential in the calibration of real structures through experimental dynamic responses.

O objetivo deste trabalho é estudar métodos dinâmicos de detecção de dano em vigas, em especial os métodos baseados na variação da flexibilidade medida dinamicamente. Os métodos revisados formam parte das técnicas de Detecção de Dano Não Destrutivas (DDND). Nas técnicas DDND o dano é localizado por comparação entre o estado sadio e o danificado da estrutura. Neste trabalho, o problema de vibração inverso é apresentado e a matriz de flexibilidade estática da estrutura é determinada a partir de seus parâmetros modais. Com ajuda de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são mostrados os diferentes padrões de variação da matriz de flexibilidade produzidos pela presença do dano. Baseando-se nestes padrões é possível identificar a posição do dano dentro da estrutura, como indicado pelos diversos exemplos apresentados. / The purpose of this work is to study dynamic methods for damage detection in beam structures. The attention is devoted to the methods based on dynamically measured flexibility. The reviewed methods are part of Nondestructive Damage Detection techniques (NDD). In the NDD techniques the damage is determined through the comparison between the undamaged and damaged state of the structure. In this work the inverse vibration problem is presented and the structure\'s flexibility matrix calculated from his modal parameters. The Finite Elements Model (FEM) is employed to show that a clear pattern exist for the changes in the flexibility matrix produced due to the presence of damage. The flexibility matrix changes is used to identify and locate damage as indicated by the several examples presented.