Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Orientador: Jozué Vieira Filho / Resumo: As técnicas de detecção de danos baseadas na Impedância Eletromecânica (EMI) baseiam-se na capacidade dos materiais piezoeléctricos em atuar como sensores e atuadores e contribuem para o desenvolvimento de sistemas de Structural Health Monitoring (SHM). As técnicas clássicas baseadas na EMI utilizam um transdutor Pb-Lead Zirconate Titanite (PZT ) ligado à estrutura monitorada e medem a assinatura de impedância do PZT. No entanto, as técnicas baseadas na EMI dependem de diferentes fatores, como faixa de frequência, número de PZT, temperatura ambiente, tipo de estrutura, entre outros. Assim, para demonstrar a eficácia dos métodos baseados na EMI, faz-se necessário realizar experimentos práticos, o que não é uma tarefa trivial, considerando tais fatores. Portanto, neste trabalho são estudados e propostos procedimentos para criar modelos numéricos, usando elementos finitos (FE), de técnicas baseadas na EMI usando o software PZFlex®. Além disso, os modelos desenvolvidos são usados para propor uma técnica inovadora de compensação de temperatura em sistemas baseados na EMI. Foram modeladas, simuladas e analisadas algumas estruturas clássicas como placa-de-alumínio/PZT e tubo-de-aço/PZT. Os resultados das simulações foram comparados com os equivalentes obtidos com modelos experimentais reais e mostraram-se fortemente correlacionados, indicando que o modelo proposto pode ser uma ferramenta poderosa para o desenvolvimento de técnicas de SHM baseadas na EMI. Foram realizadas simulações ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The damage detection techniques based on the Electromechanical Impedance (EMI) rely on the ability of piezoelectric materials in acting as sensors and actuators and contribute to the development of Structural Health Monitoring (SHM) systems. The classical EMI-based techniques use a Pb-Lead Zirconate Titanite (PZT) transducer bonded to the monitored structure and measure the impedance signature of the PZT. However, the techniques based on EMI depend on different factors, such as frequency range, number of PZTs, environmental temperature, type of structure, among others. Thus, to demonstrate the effectiveness of EMI-based methods, it is necessary to carry out practical experiments, which is not a trivial task considering such factors. Therefore, in this work, it is studied and proposed procedures to create numerical models of techniques based on the EMI, using finite elements (FE) and the PZFlex® software. In addition, the developed models are used to propose an innovative temperature compensation technique for EMI-based systems. Some classical structures were modelled, simulated and analyzed, such as aluminum plate/PZT and steel pipe/PZT. The results of the simulations were compared with the equivalents obtained by experimental models and showed to be strongly correlated, indicating that the proposed model can be a powerful tool for the development of EMI-based SHM techniques. Simulations were performed to analyze the behavior of the signatures under the effect of temperature,... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Resumo: Prever a dispersão das ondas incidentes em uma seção danificada de uma estrutura é importante para o monitoramento da saúde estrutural e técnicas de testes não destrutivas a fim de se detectar danos. Nesses casos, ondas de alta frequência são geralmente envolvidas e modelos simples, que não conseguem capturar o comportamento dinâmico das guias de onda, podem resultar em falha experimental ou má interpretação dos resultados. Além disso, os danos geralmente não são simétricos em relação ao eixo neutro da estrutura, resultando na conversão do modo de onda e diferentes ondas refletidas e transmitidas se propagando com diferentes velocidades. O objetivo deste trabalho é investigar a reflexão e transmissão de ondas em uma guia de onda unidimensional devido a descontinuidades assimétricas. Estes podem ser tubos contendo fluido, placas, vigas ou estruturas em geral os quais estejam sujeitas a propagação de ondas em uma única direção, com mudanças na área da seção transversal, que podem ser interpretadas como danos estruturais. Essas podem ser alterações de área de seção transversal pontuais ou de tamanho finito e também podem ser simétricas ou assimétricas com relação à linha neutra da guia de onda. Múltiplos tipos de modos de ondas são considerados e conversão de onda devido às interações com descontinuidades são investigadas para altas frequências (frequências a cima da frequência de corte do segundo modo de Lamb simétrico, S2). Neste trabalho, a análise de propagação de onda em gu... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Predicting the scattering from waves that are incident on a damaged section of a structure is of importance in structural health monitoring and non-destructive testing techniques to detect damage. High-frequency waves are generally involved, and simple models, which cannot capture the dynamic behaviour of the waveguides at high frequency, can result in experimental failure and misinterpretation of the results. Moreover, the damage can be non-symmetrical with respect to the neutral axis of the structure, resulting in wavemode conversion and different reflected and transmitted waves propagating with different velocities. The aim of this work is to investigate wave reflection and transmission due to symmetric and non-symmetric discontinuities in one-dimensional waveguides. These can be fluid-filled pipes, plates, beams, or more generally structures involving wave propagation in one direction, with a change of cross-section, which can be seen as a structural damage. In particular, wave scattering from changes of cross-sectional area in a beam/plate are numerically studied. These can be point or finite length changes of area and they can be symmetric or non-symmetric with respect to the axis of the waveguide. Multiple wave modes are considered and conversion due to interaction with the discontinuity are investigated up to high frequency (above the cut-off of the second symmetric Lamb wave mode, S2).The Wave Finite Element method is applied to the structure for studying the wave pr... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-22T13:41:04Z No. of bitstreams: 1 rafaellepiazzarolifinottiamaral.pdf: 17493907 bytes, checksum: 1adeaaa1aa2fea27421c90402c88531e (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-22T17:36:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rafaellepiazzarolifinottiamaral.pdf: 17493907 bytes, checksum: 1adeaaa1aa2fea27421c90402c88531e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-22T17:36:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rafaellepiazzarolifinottiamaral.pdf: 17493907 bytes, checksum: 1adeaaa1aa2fea27421c90402c88531e (MD5) Previous issue date: 2017-03-07 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O desafio de se detectar danos e/ou alterações estruturais através de dados vibracionais tem levado ao desenvolvimento de diversas técnicas nas últimas décadas. Grande parte desses métodos busca associar variações de frequências naturais, modos de vibração e taxas de amortecimento em uma estrutura ao surgimento de danos localizados. Em vista disso, surgiram métodos como: o índice MAC (Modal Assurance Criterion), métodos baseados em energia de deformação, métodos baseados em variação de curvatura, análise da matriz de flexibilidade, dentre outros. Apesar de se mostrarem bastante eficazes na detecção de danos em modelos numéricos, salvo em raras exceções, os métodos supracitados apresentam dificuldades quando se trata de problemas práticos com dados obtidos de experimentos reais. Entretanto, abordagens envolvendo técnicas de inteligência computacional vêm sendo apontadas como uma linha de pesquisa promissora nesta área. Dessa forma, o presente trabalho avalia o uso das Redes Neurais Artificiais (ANN - Artificial Neural Networks) e Máquinas de Vetor Suporte (SVM - Support Vector Machines) na detecção de alterações estruturais baseadas na análise da evolução das respostas dinâmicas. Tanto as características modais quanto indicadores estatísticos extraídos diretamente dos sinais temporais são utilizados como parâmetros de entrada dos modelos de inteligência computacional. Além disso, apresenta-se ainda uma nova metodologia desenvolvida com base no histórico de variação das frequências naturais e temperatura, na qual é possível detectar mudanças no comportamento estrutural e apontar o momento em que elas ocorrem a partir de um classificador SVM. A eficiência da metodologia proposta é analisada através de dados obtidos em um modelo numérico de viga biapoiada e dados oriundos de um monitoramento contínuo da Torre de Gabbia, na Itália. / Structural damage detection using dynamic measurements has led to the development of several techniques in the last decades. Most of these methods associate variations of natural frequencies, mode shapes and damping ratios to damage, like the Modal Assurance Criterion (MAC), methods based on strain energy deviation, methods based on curvature mode shapes, flexibility matrix analysis, among others. Although these aforementioned techniques are mostly efficient to identify structural alterations in numerical models, they have difficulties in practical applications with experimental data. Thus, approaches involving computational intelligence to identify structural damage can be a promising field of research. This work evaluates the Artificial Neural Networks (ANN) and Support Vector Machine (SVM) to detect structural changes based on evolution of dynamic responses. The modal characteristics and statistical indicators extracted directly from raw dynamic measurements are used as inputs to computational intelligence models. Furthermore, a new methodology based on the time history of natural frequencies and temperature records is presented. The technique consists in detecting structural changes and when they occur by using a SVM algorithm. The efficiency of the proposed methodology is analyzed through data from a numerical model of a supported beam and from a continuous monitoring of the Gabbia Tower, in Italy.

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: As metodologias de monitoramento da integridade estrutural baseadas em observadores de estado, em sua grande maioria, utilizam o resíduo obtido a partir da diferença entre a medida e a estimativa de dada resposta dinâmica do sistema para o processo de detecção de danos. Contudo, em determinadas situações, tem-se interesse em realizar o monitoramento através de certa resposta dinâmica que não pode ser medida diretamente. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é propor uma metodologia de detecção de danos para sistemas mecânicos, cujo resíduo é obtido a partir da diferença entre as estimativas do comportamento dinâmico de determinada região do sistema. Estas estimativas são geradas por dois observadores de estado de ordem plena em paralelo, ambos projetados a partir do modelo físico-matemático do sistema em monitoramento sem danos, cujos os ganhos ótimos são determinados pelo método LQR, do inglês Linear Quadratic Regulator. A diferença entre os observadores consiste em serem baseados em conjuntos de medidas distintos. Simulações computacionais são apresentadas para demonstrar a aplicação desta metodologia, de maneira que são discutidas as vantagens e desvantagens em monitorar o sistema utilizando diferentes tipos de força de excitação. Os resultados obtidos são satisfatórios para a detecção dos tipos de dano considerados neste trabalho. / Abstract: Structural health monitoring methodologies based on state observers, for the most part, use the residual obtained from the di erence between the measurement and the estimate of the given dynamic response of the system to the damage detection process. However, in certain situations, it is interesting to carry out the monitoring through a certain dynamic response that can not be measured directly. In this way, the main contribution of this work is to propose a methodology of damage detection for mechanical systems, whose residue is obtained from the di erence between the estimates of the dynamic behavior of a certain region of the system. These estimates are generated by two parallel full-order state observers, both designed from the physical-mathematical model of the monitoring system without damages, whose optimal gains are determined by the LQR (Linear Quadratic Regulator) method. The di erence between observers is that they are based on di erent sets of measures. Computational simulations are presented to demonstrate the application of this methodology, so that the advantages and disadvantages of monitoring the system using di erent types of excitation force are discussed. The results obtained are satisfactory for the detection of the types of damage considered in this work. / Mestre

A estabilidade genômica é condição essencial à sobrevivência e ao funcionamento dos organismos vivos. No entanto, várias situações podem provocar danos no DNA. Por exemplo, cerca de 104 lesões podem ocorrer no material genético de uma célula de mamífero a cada dia. No intuito de preservar a integridade genômica e contornar os efeitos deletérios destas modificações, uma maquinaria constituída de proteínas especializadas em reconhecer e reparar estes danos foi selecionada ao longo do curso evolutivo. Defeitos em proteínas destas maquinarias causam instabilidade genômica e pode resultar em elevada taxa de mutações e quebras do DNA que resultam em eventos de amplificação gênica, como em células cancerosas. De uma maneira aparentemente contrária ao requerimento de estabilidade genômica como condição primordial para a perpetuação da vida, Leishmania apresenta um genoma notavelmente maleável e explora a amplificação gênica como recurso de sobrevivência. Ainda que a plasticidade genômica em Leishmania seja facilmente demonstrada, nós não conhecemos os mecanismos precisos pelos quais este parasita coordena a ação da maquinaria de detecção de danos no DNA e a consumação dos eventos de amplificação gênica. No intuito de contribuir para a compreensão deste processo, nós identificamos proteínas homólogas do complexo 9-1-1 (Rad9-Hus1-Rad1) em Leishmania major. As proteínas LmHus1 e LmRad9 apresentam marcada divergência estrutural em relação aos seus homólogos em outros eucariotos e nenhuma proteína obviamente homóloga a Rad1 foi identificada neste parasita. Análises filogenéticas indicam que LmHus1 e LmRad9 são relacionadas ao complexos heterotriméricos envolvidos na detecção de danos no DNA. Em acordo com isso, nossos experimentos demonstram que alteração nos níveis destas proteínas interfere na capacidade do parasita em lidar com estresse genotóxico. LmHus1 localiza-se no núcleo, é requerida para o crescimento normal deste parasita e a diminuição de sua expressão compromete mecanismos de controle de ciclo celular e manutenção de telômeros. LmRad9 também localiza-se no núcleo e sua superexpressão causa defeito de crescimento e de resposta ao estresse genotóxico em L. major. Nós observamos que LmHus1 e LmRad9 formam um complexo responsivo ao dano no DNA in vivo, uma forte indicação de que o complexo 9-1-1 tenha sido conservado em L. major. As peculiaridades estruturais destas proteínas sugerem que o complexo 9-1-1 de L. major possua uma arquitetura distinta em comparação aos eucariotos superiores. Em adição a isto, outras proteínas, tais como a LmRpa1, também apresentam uma marcante divergência estrutural. Isso sugere que a via de sinalização de danos no DNA envolvendo o complexo 9-1-1 e Rpa1 de L. major possua mecanismos peculiares de ação. Estas observações podem permitir entender como ocorreu o processo evolutivo da sinalização mediada pelo complexo 9-1-1 nos eucariotos, além de ajudar para o entendimento das bases moleculares de como este parasito conduz os eventos de amplificação gênica. / Genome stability is a essential condition for survival and proper functioning of living organisms. However, a broad range of elements may lead to DNA damage. For instance, about 104 DNA lesions may be inflicted upon any given mammalian cell everyday. In order to maintain the genome integrity and circumvent the deleterious effects of these lesions, a molecular machinery composed of proteins specialized in detecting and repairing DNA damage has been selected in evolution. Defects of the proteins that constitute such machineries may result not only in a high mutation rate, but also in breaks in the DNA structure that can mediate gene amplification as observed in cancer cells. In an apparent opposition to such requirement for stability as an essential condition to life, the protozoan Leishmania presents a highly malleable genome and explores genome amplification as a survival and adaptation tool. Despite of the fact that the Leishmania genome plasticity can be easily demonstrated, the precise mechanisms that coordinate the molecular machineries involved in the detection and signaling of DNA damage, and in the regulation of gene amplification is still largely unknown. In order to contribute to a better understanding of these processes, we identified and studied the Leishmania major proteins that are homologues of those proteins that compose the 9-1-1 complex (Rad9-Hus1-Rad1). The proteins LmHus1 and LmRad9 present a high structural divergence when compared to its homologues from other eukaryotes and no obvious homologue of Rad1 was identified in the parasite genome. Phylogeny analysis indicated that LmHus1 and LmRad9 are closely related to heterotrimeric complexes involved in the detection of DNA damage. In accordance to that, our experiments demonstrated that altered levels of these proteins interfere with the parasite ability to deal with genotoxic stress. Moreover, LmHus1 was localized to the parasite nucleus and is a required protein for normal parasite proliferation. Besides, we showed that decreased levels of LmHus1 compromise cell cycle regulation and the maintenance of telomeres. LmRad9 was also shown to be localized to the cell nucleus and its overexpression led to growth defects and affected the L. major response to genotoxic stress. We also observed that LmHus1 and LmRad9 interact with each other to for a protein complex that is responsive to DNA damage in vivo, which strongly suggested that the 9-1-1 complex was conserved in L. major. The structural peculiarities of these proteins indicate that the possible L. major 9-1-1 complex has a different architecture when compared to the complex found in higher eukaryotes. In addition to that, other proteins, such as LmRpa1, also present a marked structural divergence. Altogether, these findings suggest that the DNA damage signaling pathway involving the 9-1-1 complex and LmRpa1 in L. major, may present a peculiar mode of action. These observations may contribute to a better understanding not only of the evolution of the signaling pathway mediated by the 9-1-1 complex in eukaryotes, but also of the molecular basis of the genome plasticity and the gene amplification phenomenon.

A estabilidade genômica é condição essencial à sobrevivência e ao funcionamento dos organismos vivos. No entanto, várias situações podem provocar danos no DNA. Por exemplo, cerca de 104 lesões podem ocorrer no material genético de uma célula de mamífero a cada dia. No intuito de preservar a integridade genômica e contornar os efeitos deletérios destas modificações, uma maquinaria constituída de proteínas especializadas em reconhecer e reparar estes danos foi selecionada ao longo do curso evolutivo. Defeitos em proteínas destas maquinarias causam instabilidade genômica e pode resultar em elevada taxa de mutações e quebras do DNA que resultam em eventos de amplificação gênica, como em células cancerosas. De uma maneira aparentemente contrária ao requerimento de estabilidade genômica como condição primordial para a perpetuação da vida, Leishmania apresenta um genoma notavelmente maleável e explora a amplificação gênica como recurso de sobrevivência. Ainda que a plasticidade genômica em Leishmania seja facilmente demonstrada, nós não conhecemos os mecanismos precisos pelos quais este parasita coordena a ação da maquinaria de detecção de danos no DNA e a consumação dos eventos de amplificação gênica. No intuito de contribuir para a compreensão deste processo, nós identificamos proteínas homólogas do complexo 9-1-1 (Rad9-Hus1-Rad1) em Leishmania major. As proteínas LmHus1 e LmRad9 apresentam marcada divergência estrutural em relação aos seus homólogos em outros eucariotos e nenhuma proteína obviamente homóloga a Rad1 foi identificada neste parasita. Análises filogenéticas indicam que LmHus1 e LmRad9 são relacionadas ao complexos heterotriméricos envolvidos na detecção de danos no DNA. Em acordo com isso, nossos experimentos demonstram que alteração nos níveis destas proteínas interfere na capacidade do parasita em lidar com estresse genotóxico. LmHus1 localiza-se no núcleo, é requerida para o crescimento normal deste parasita e a diminuição de sua expressão compromete mecanismos de controle de ciclo celular e manutenção de telômeros. LmRad9 também localiza-se no núcleo e sua superexpressão causa defeito de crescimento e de resposta ao estresse genotóxico em L. major. Nós observamos que LmHus1 e LmRad9 formam um complexo responsivo ao dano no DNA in vivo, uma forte indicação de que o complexo 9-1-1 tenha sido conservado em L. major. As peculiaridades estruturais destas proteínas sugerem que o complexo 9-1-1 de L. major possua uma arquitetura distinta em comparação aos eucariotos superiores. Em adição a isto, outras proteínas, tais como a LmRpa1, também apresentam uma marcante divergência estrutural. Isso sugere que a via de sinalização de danos no DNA envolvendo o complexo 9-1-1 e Rpa1 de L. major possua mecanismos peculiares de ação. Estas observações podem permitir entender como ocorreu o processo evolutivo da sinalização mediada pelo complexo 9-1-1 nos eucariotos, além de ajudar para o entendimento das bases moleculares de como este parasito conduz os eventos de amplificação gênica. / Genome stability is a essential condition for survival and proper functioning of living organisms. However, a broad range of elements may lead to DNA damage. For instance, about 104 DNA lesions may be inflicted upon any given mammalian cell everyday. In order to maintain the genome integrity and circumvent the deleterious effects of these lesions, a molecular machinery composed of proteins specialized in detecting and repairing DNA damage has been selected in evolution. Defects of the proteins that constitute such machineries may result not only in a high mutation rate, but also in breaks in the DNA structure that can mediate gene amplification as observed in cancer cells. In an apparent opposition to such requirement for stability as an essential condition to life, the protozoan Leishmania presents a highly malleable genome and explores genome amplification as a survival and adaptation tool. Despite of the fact that the Leishmania genome plasticity can be easily demonstrated, the precise mechanisms that coordinate the molecular machineries involved in the detection and signaling of DNA damage, and in the regulation of gene amplification is still largely unknown. In order to contribute to a better understanding of these processes, we identified and studied the Leishmania major proteins that are homologues of those proteins that compose the 9-1-1 complex (Rad9-Hus1-Rad1). The proteins LmHus1 and LmRad9 present a high structural divergence when compared to its homologues from other eukaryotes and no obvious homologue of Rad1 was identified in the parasite genome. Phylogeny analysis indicated that LmHus1 and LmRad9 are closely related to heterotrimeric complexes involved in the detection of DNA damage. In accordance to that, our experiments demonstrated that altered levels of these proteins interfere with the parasite ability to deal with genotoxic stress. Moreover, LmHus1 was localized to the parasite nucleus and is a required protein for normal parasite proliferation. Besides, we showed that decreased levels of LmHus1 compromise cell cycle regulation and the maintenance of telomeres. LmRad9 was also shown to be localized to the cell nucleus and its overexpression led to growth defects and affected the L. major response to genotoxic stress. We also observed that LmHus1 and LmRad9 interact with each other to for a protein complex that is responsive to DNA damage in vivo, which strongly suggested that the 9-1-1 complex was conserved in L. major. The structural peculiarities of these proteins indicate that the possible L. major 9-1-1 complex has a different architecture when compared to the complex found in higher eukaryotes. In addition to that, other proteins, such as LmRpa1, also present a marked structural divergence. Altogether, these findings suggest that the DNA damage signaling pathway involving the 9-1-1 complex and LmRpa1 in L. major, may present a peculiar mode of action. These observations may contribute to a better understanding not only of the evolution of the signaling pathway mediated by the 9-1-1 complex in eukaryotes, but also of the molecular basis of the genome plasticity and the gene amplification phenomenon.