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.

Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-09-04T16:05:28Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_Output-onlyMethodsDamage.pdf: 9035056 bytes, checksum: bae01c1b0f9a48193d6d0b3c0fb688cf (MD5) / Approved for entry into archive by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2017-09-13T12:17:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_Output-onlyMethodsDamage.pdf: 9035056 bytes, checksum: bae01c1b0f9a48193d6d0b3c0fb688cf (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-13T12:17:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_Output-onlyMethodsDamage.pdf: 9035056 bytes, checksum: bae01c1b0f9a48193d6d0b3c0fb688cf (MD5) Previous issue date: 2017-04-27 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / No campo da monitorização de integridade estrutural (SHM), a identificação de dano baseada em vibração tem se tornado uma área de pesquisa crucial devido a sua potencial aplicação em estruturas de engenharia do mundo real. Assumindo que os sinais de vibração podem ser medidos pelo emprego de diferentes tipos de sistemas de monitorização, quando aplica-se o tratamento de dados adequado, as características sensíveis a dano podem ser extraídas e usadas para avaliar dano estrutural incipiente ou progressivo. Entretanto, as estruturas do mundo real estão sujeitas às mudanças regulares nas condições operacionais e ambientais (e.g., temperatura, umidade relativa, massa de tráfego e outros), as quais impõem dificuldades na identificação do dano estrutural uma vez que essas mudanças influenciam diferentes características de forma distinta. Nesta tese por agregação de artigos, a fim de superar essa limitação, novos métodos output-only são propostos para detectar e quantificar dano em estruturas sob influências operacionais e ambientais não medidas. Os métodos são baseados nos campos de aprendizagem de máquina e inteligência artificial e podem ser classificados como técnicas baseadas em kernel e clusterização. Quando os novos métodos são comparados àqueles do estado da arte, os resultados demonstraram que os primeiros possuem melhor performance de detecção de dano em termos de indicações de dano falso-positivas (variando entre 3,6Ű5,4%) e falso-negativas (variando entre 0Ű2,6%), sugerindo potencial aplicabilidade em soluções práticas de SHM. Se os métodos propostos são comparados entre si, aqueles baseados em clusterização, nomeadamente as abordagens de expectância-maximização global via algoritmos meméticos, provaram ser as melhores técnicas para aprender a condição estrutural normal, sem perda de informação ou sensibilidade aos parâmetros iniciais, e para detectar dano (erros totais iguais a 4,4%). / In the structural health monitoring (SHM) field, vibration-based damage identification has become a crucial research area due to its potential to be applied in real-world engineering structures. Assuming that the vibration signals can be measured by employing different types of monitoring systems, when one applies appropriate data treatment, damage-sensitive features can be extracted and used to assess early and progressive structural damage. However, real-world structures are subjected to regular changes in operational and environmental conditions (e.g., temperature, relative humidity, traffic loading and so on) which impose difficulties to identify structural damage as these changes influence different features in a distinguish manner. In this thesis by papers, to overcome this drawback, novel output-only methods are proposed for detecting and quantifying damage on structures under unmeasured operational and environmental influences. The methods are based on the machine learning and artificial intelligence fields and can be classified as kernel- and cluster-based techniques. When the novel methods are compared to the state-of-the-art ones, the results demonstrated that the former ones have better damage detection performance in terms of false-positive (ranging between 3.65.4%) and false-negative (ranging between 0-2.6%) indications of damage, suggesting their applicability for real-world SHM solutions. If the proposed methods are compared to each other, the cluster-based ones, namely the global expectation-maximization approaches based on memetic algorithms, proved to be the best techniques to learn the normal structural condition, without loss of information or sensitivity to the initial parameters, and to detect damage (total errors equal to 4.4%).

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-09-21Bitstream added on 2014-06-13T19:35:08Z : No. of bitstreams: 1 marqui_cr_me_ilha.pdf: 2038827 bytes, checksum: 471f672b818089216b3b9afc3b90a230 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de técnicas para o monitoramento da integridade estrutural em sistemas inteligentes com sensores e atuadores piezelétricos acoplados. Os índices de sensibilidade estudados e utilizados no monitoramento da estrutura são: índice de falha métrica, calculado diretamente do sinal de impedância elétrica dos sensores/atuadores piezelétricos; índices do sensor, calculados com as normas de sistemas ou com as matrizes grammiana de observabilidade e os índices de entrada, calculados com as matrizes grammianas de controlabilidade. Tais índices são utilizados para detectar e localizar as falhas em aplicações numéricas e experimentais. As normas de sistemas e as matrizes grammianas de controlabilidade e observabilidade são obtidas através de um modelo numérico, como por exemplo, Método dos Elementos Finitos; ou um modelo identificado experimentalmente, via o método de realização para autossistemas, mais conhecido como ERA (Eigensytem Realization Algorithm). Em uma segunda etapa do procedimento proposto, as falhas são quantificadas utilizando Redes Neurais Artificiais, que foram treinadas com as normas de sistemas e com as matrizes grammianas. / This work presents the study and development of Structural Health Monitoring techniques for application in intelligent systems with coupled piezoelectric sensors and actuators. The indices of sensitivity for structural monitoring are based on: root-means-square deviation index, directly calculated from electric impedance signal of the piezoelectric sensors/actuators; sensor indices, calculated from system norms or observability grammian matrix, and input index, calculated from controllability grammian matrix. Such indices are used for damage detection and location in numerical and experimental applications. System norms, controllability and observability grammian matrices are obtained through numerical model, as for instance, Finite Element Method; or by experimental identification technique, via Eigensytem Realization Algorithm (ERA). In the second stage of the proposed procedure, damages were quantified using Artificial Neural Networks, that were trained with systems norms and grammian matrices.

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.

O presente trabalho correlacionou diversas funções de respostas em frequência (FRF) de juntas do tipo simples, coladas e fabricadas em titânio-compósito (resina epóxi reforçada por fibra de carbono). As FRFs produzidas foram investigadas (experimental e numericamente) tanto para juntas intactas como para juntas com falha, estas provenientes, por exemplo, do uso em serviço ou então, com resultado do processamento inadequado de um reparo. Com base nessas análises buscou-se, portanto, subsidiar o desenvolvimento de um sistema de monitoramento estrutural a partir da avaliação de seu comportamento dinâmico, medido pelo uso de pastilhas piezelétricas integradas à estrutura. Para que o respectivo objetivo fosse alcançado. Num primeiro momento, a fim de compreender os fenômenos envolvidos, conduziu-se a atividade de revisão bibliográfica, que baseada na consulta dos trabalhos mais recentes publicados sobre a análise de juntas coladas empregando abordagem numérica, analítica e/ou experimental. Em seguida, foram desenvolvidos modelos computacionais preliminares com solução via Método dos Elementos Finitos (MEF), a fim de se obter as diretrizes mínimas para uma proposta de fabricação das juntas híbridas (metal-compósito). Tal estratégia permitiu reduzir efeitos indesejados, que pudessem comprometer os resultados experimentais. Em posse dos resultados computacionais fabricou-se amostras de juntas metal-compósito com e sem dano. Num primeiro momento, foram realizadas análises numéricas através do desenvolvimento de modelos computacionais (com solução via MEF) das juntas, metal-compósito, monitoradas por transdutores piezelétricos. Em seguida, as juntas híbridas foram submetidas a ensaios experimentais dinâmicos, empregando técnicas de monitoramento com auxílio de transdutores piezelétricos e acelerômetros. Por fim, avaliaram-se potencialidades e limitações dos modelos computacionais desenvolvidos, através de estudos de caso, comparando os resultados experimentais com os resultados numéricos. / The herein proposed research has correlates Frequency Response Functions (FRF) of several hybrid titanium-composite (epoxy resin reinforced with carbon fiber) single lap bonded joints. The FRFs were investigated (numerically and experimentally) for joints with and without failures which may arise as the result of in service events or bad maintenance practices. The result of the dynamic analyses provided by the FRFs has substantiated the proposal of a damage detection method using piezoelectric elements capable which are capable to detect minor alterations on the dynamic behavior of the joint. In order to reach the proposed objective, the first action towards the given objective was study the problem through a bibliographic revision of the research subject, for this purpose the most recent published works related to numerical, analytical and experimental analyses of bonded joints were thoroughly evaluated and segregated. Afterwards, models of the joints were proposed using Finite Element Models (FEM) to obtain a preliminary result of the joints behavior to eventually substantiate the manufacturing processes, reducing the amount of material, time and cost of the experiments. Based upon the results of the FEM the coupons were manufactured with and without damages, using the methods and techniques available on the maintenance field for restoration of composite elements. Before proceed to the comparison between the modeled and experimental results, additional models were proposed using previous work\'s results to get results from the piezoelectric monitored joints. Afterwards, all experimental tests were conducted using accelerometers and piezoelectric elements to provide the means through it the advantages and drawbacks of the proposed monitoring method could be checked, by comparison between the experimental and modeled results.

Neste trabalho são comparados os resultados analíticos de previsão de falha de um vaso nuclear PWR destinado à propulsão naval, contendo oito diferentes tipos de trinca, obtidos segundo a Mecânica da Fratura Elástica-Linear (MFEL) e a correspondente Elasto-Plástica (MFEP). Os resultados são fornecidos em termos da pressão interna e do gradiente de deformações ao longo da espessura da parede do componente estrutural, sendo diretamente aplicáveis às condições impostas e desenvolvidas em ensaios isotérmicos de hidro-pressurização. O elevado nível de conservativismo dos resultados derivados segundo a MFEL, via critério KIC de disparo de clivagem, quando comparados àqueles obtidos por meio da MFEP, através do critério de iniciação de rasgamento dúctil, Ji, e em especial dos critérios J50 e Jinstab.dúctil de falha com base na Teoria da Instabilidade do Rasgamento Dúctil ou Elasto-Plástico (TIRD/TIREP) por intermédio de diagramas J x T (integral-J versus módulo de rasgamento), foi avaliado e quantificado. O intenso efeito das dimensões dos corpos de prova nos resultados obtidos a partir de ambas abordagens, assim como o papel determinante dos entalhes laterais nos ensaios da MFEP foram definitivamente comprovados. Foi também demonstrado o saudável conservativismo das previsões segundo o critério J50 para projeto e serviço seguros de plantas nucleares frente às condições reais em que se verifica analiticamente a instabilidade dúctil do componente trincado, tais como definidas por Jinstab.dúctil, assim como das previsões decorrentes dos processos de extrapolação linear de curvas J-R no espaço J x T quando comparadas às resultantes de extrapolações não-lineares mais frequentemente utilizadas. Com relação aos efeitos exercidos nos resultados de previsão de falha pelo tipo, profundidade e comprimento da trinca contida na parede do vaso de pressão, ficou demonstrado que as trincas de superfície são muito mais críticas que as sub-superficiais de idênticas profundidade e comprimento, assim como que as avaliações de integridade são muito mais sensíveis a mudanças na profundidade da trinca relativamente a alterações no seu comprimento. As aproximações entre os resultados obtidos via J50 e através de Jinstab.dúttil, e entre os resultados obtidos pelos procedimentos de extrapolação linear e não-linear de curvas JMAT-TMAT, são muito mais nítidas para as trincas de superfície menos profundas e, em especial para as embutidas, mesmo aquelas mais críticas. Deste modo, a metodologia aqui aprimorada, destinada em última instância a avaliações de integridade estrutural de vasos PWR em transientes de potência durante a sua vida em serviço, se mostrou absolutamente efetiva no caso das trincas mais prováveis em tais circunstâncias, quais sejam, as de pequenas dimensões e situadas superficialmente na parede do vaso. Ainda, foi verificada a tendência da ocorrência do vazamento do meio pressurizante anteriormente à falha do vaso por instabilidade dúctil nos casos da presença das trincas mais profundas, independentemente de serem elas de superfície ou sub-superficiais e, novamente, de seu comprimento, contribuindo assim para a percepção visual da iminência da falha bem como para eventos de freamento de trinca dúctil, impedindo a falha catastrófica do vaso PWR. Por outro lado, trincas rasas ou meno·s profundas tendem a entrar no regime de instabilidade dúctil muito precocemente, com a essência da propagação se dando de modo instável, causando fratura rápida ou súbita do vaso sem sinal anterior. Finalmente, foi comprovada nesse estudo a aplicabilidade da técnica analítica de normalização linear para o levantamento de curvas J-R, e como consequência JMAT-TMAT, para a avaliação de integridade estrutural de componentes robustos falhando de modo dúctil após considerável, e mensurável, crescimento estável de trinca; também, foi aqui proposto o ajuste logarítmico de dados de curvas J-R, em oposição ao hoje consensualmente utilizado via lei de potência, de modo a computar os efeitos do fenômeno de saturação de J, permitindo assim extrapolações conservativas e seguras para as condições em que se verifica a falha do componente nuclear. / In this work the analytical results related to a nuclear pressure vessel failure conditions as obtained by Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and the Elastic-Plastic Fracture Mechanics (EPFM) were compared for eigth different crack types. The results are supplied in terms of internal pressure and strain gradient through the wall thickness of the structural component, and might be directly applied to isothermal hydrotests experiments. The high conservatism of LEFM approach, by using KIC criterion of cleavage triggering, as compared to results obtained via Ji of ductile crack initiation from EPFM approach, and specially to the J50 and Jduct.instab. criteria based on ductile Tearing Instability Theory through J x T (J-integral x tearing modulus) diagrams, was evaluated and quantified. The overriding effect of specimens size over LEFM and EPFM results were definitely proved, as well as the very strong influence of side-grooving the EPFM specimens. It was demonstrated the healthy conservatism of the predictions following the J50 criterion for safe design and service in the nuclear industry facing the real conditions where ductile instability takes place as analytically defined by Jduct.instab.. In the same way the conservatism of the predictions from the linear extrapolation procedure of J-R curves on J x T space, as compared with the most common non-linear process was proved as well. With respect to the effect exerted by type, depth and length of the crack over the results it was demonstrated that surface cracks are more critical than the embedded ones with identical dimensions, being the analytical evaluation much more sensitive to changes in the crack depth than in its length. The approximations among the results obtained from J50 and Jduct.instab. criteria as well as among the results from the linear and non-linear extrapolation procedure are best verified for the less depth surface cracks and specially for the embedded cracks even the largest ones. So, the methodology here improved, aimed in last instance to structural integrity assessment of PWR vessels on power transients during their service life has been shown to be a powerful tool in evaluating the most expected cracks under such circunstances, that is, those having small dimensions and located on surface wall. Still, it was demonstrated the trend for leak-before-ductile instability in the presence of the deepest surface and internal cracks, allowing the visual perception of the threshold of the vessel failure and the development of crack arrest events avoiding catastrofic rupture of the component. Otherwise, shallow cracks are prone to get very fast in the unstable regime of growth, with the essence of the propagation occuring under this condition, conducting to suddenly fracture of the vessel without any prior evidence. Finally, it was proved in this study the accuracy of the linear normalization technique in deriving J-R curves for the assessment of structural integrity of massive components which fail in a ductile way after undergo large stable crack extensions; it was suggested here the logarithmic fit of J-R data points taking in account more properly the J-saturation phenomena and leading to more safe and conservative extrapolation results when compared to resulting from power-law fit.

[pt] Compreender como analisar trincas é essencial para a indústria petroquímica evitar qualquer incidente de uma forma econômica. Normas de Integridade Estrutural fornecem procedimentos conservadores para avaliar componentes trincados como tubulações e vasos de pressão. Portanto, previsões de cargas criticas foram calculadas assumindo uma placa com trinca passante seguindo procedimentos dos níveis 2 e 3 da API 579. Para comparação, testes experimentais foram realizados para avaliar o conservatismo da norma em falha por rasgamento dúctil. Além disso, a tenacidade à fratura foi medida por meio do JIc e curva J-R. A técnica usada durante o processo de fratura foi o método de flexibilidade elástica com descarregamento e carregamentos sequenciais. Adicionalmente, efeito de geometria e tipo de carregamento, os quais possuem grande influência nas medições de tenacidade, também foram avaliados usando conceitos da mecânica da fratura elastoplástica. O material utilizado nesse trabalho foi o API 5L X80, que é um aço de Alta Resistencia e Baixa Liga (ARBL) bifásico desenvolvido para tubulações aplicáveis em aguas profundas. Os ensaios experimentais de medição de tenacidade usando corpos de prova SE(B), que possuem média-alta restrição plástica, foram testados seguindo procedimentos da ASTM E1820-17. Já os experimentos usando corpos de prova SE(T), que possuem baixa restrição plástica, foram realizados considerando procedimentos da literatura. / [en] Understanding how to analyze cracks is essential for the petrochemical industry to avoid accidents or incidents in a safe and economical way. Structural Integrity standards provide conservative procedures to assess the actual strength of cracked components like pipes and pressure vessels. Therefore, critical loads predictions were computed on a plate with a through-wall crack following level 2 and 3 of the fitness-for-service guide API 579. For comparison, experimental tests were performed to evaluate the standard conservatism on a ductile tearing type of failure. Furthermore, the fracture toughness of the steel was measured through standard JIc tests and material s resistance curves (J-R curve). The technique used during the fracturing process was the elastic compliance method with unloading/reloading sequences. Additionally, the effects of the specimen s geometry and the type of loading, which can significantly change the value of its toughness, were also analyzed using concepts of elastoplastic fracture mechanics. The material used in this work was the API 5L X80, which is a High Strength Low Alloy (HSLA) dual-phase steel developed for deepwater pipelines. The fracture toughness measurement tests using SE(B) specimens, which have a medium-to-high plastic constraint, followed the ASTM E1820-17 procedures. The experiments with SE(T) specimens, which present a low plastic restriction, considered literature procedures.

Submitted by BRUNO ANTONIO SORRIJA null (sorrija.bruno@gmail.com) on 2016-05-19T13:40:17Z No. of bitstreams: 1 Versão Final - Dissertação.pdf: 9391340 bytes, checksum: b297f42192c63f4f572fd0e0e177f47e (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-05-23T16:33:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sorrija_ba_me_guara.pdf: 9391340 bytes, checksum: b297f42192c63f4f572fd0e0e177f47e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-23T16:33:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sorrija_ba_me_guara.pdf: 9391340 bytes, checksum: b297f42192c63f4f572fd0e0e177f47e (MD5) Previous issue date: 2016-04-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Tubos de aço utilizados na exploração e prospecção de petróleo e gás natural estão sujeitos a carregamentos dinâmicos durante o transporte (transit fatigue) e também quando em serviço. Por este motivo é imperativo que os tubos utilizados apresentem excelente integridade estrutural a fim de evitar a ocorrência de falhas prematuras devido à fadiga. Contudo, como o processo de fabricação HFIW, largamente utilizado pela indústria, envolve conformação mecânica seguida de soldagem, defeitos estarão inerentemente presentes nos tubos, notadamente uma interface entre as bordas das chapas soldadas. No presente trabalho foi investigado como a junta soldada de tubos de aço API 5CT N80 tipo Q pode contribuir para redução da vida em fadiga e como o processo como um todo pode levar a anisotropia mecânica dos tubos. Para preservar ao máximo as características originais dos tubos foram realizados ensaios de fadiga axiais utilizando corpos de prova não previstos pelas normas técnicas vigentes, com espessuras iguais as das paredes dos tubos dos quais foram retirados. Foi também desenvolvido e testado um dispositivo para realização de ensaios de fadiga utilizando trechos de tubo, o qual mostrou potencial para a realização de ensaios futuros. Os resultados dos ensaios axiais (realizados de modo a comparar a região da junta soldada como uma posição a 90° dela) indicaram que a junta soldada pode agir como um tipo de concentrador de tensões, contribuindo para a diminuição da resistência à fadiga dos tubos de maneira inversamente proporcional à carga aplicada. Também foi observado que defeitos resultantes do processo de fabricação (muitos deles macroscópicos) podem atuar como pontos para a nucleação de trincas de fadiga e que, portanto, não deveriam estar presentes no produto final. Ensaios de tração, análises metalográfias, fractográficas e de microdureza também foram realizados de modo a complementar os resultados dos ensaios de fadiga. / Steel pipes, used in the oil and gas industry in prospection and exploration activities, are often subjected to cyclic loading during their transportation (transit fatigue) and during their service life. Considering this, these steel pipes must have excellent structural integrity in order to avoid premature failure by fatigue mechanisms. However, the HFIW manufacturing process, widely used by the industry, involves mechanical forming and welding and, therefore, defects are inherently present in the finished products, remarkably an interface between the edges of the steel sheets that are welded into tubes. In this work it has been investigated how the HFIW manufacturing process can reduce the fatigue resistance of API 5CT N80 type Q steel tubes and lead to a mechanical anisotropy of the finished product. To keep the specimens characteristics closer to the real steel pipes, axial fatigue tests have been performed with round specimens which had their thickness equal to the thickness of the walls of the pipes from which they had been taken from. It has been developed also a device and a method to test small length sections of steel tubes, which have shown potential to be used in the future as a new methodology for the study of fatigue in steel pipes. The results of the axial fatigue tests (carried out to compare the welded joint to a position situated 90° from it) indicate that the welded joint can act as a stress raiser and contributes to reduce the fatigue resistance of the steel pipes, in a inversely proportional relationship with the increasing of the applied dynamic loading. It has been observed also that some defects, which result from the manufacturing process, can act as points for the nucleation of fatigue cracks and, for this, they should not be present in the manufactured product. Tensile tests, metallographic analysis, fractography study and microhardness tests had been carried out to complement the fatigue tests results.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The basic concept of impedance-based structure health monitoring is measuring the variation of the electromechanical impedance of the structure as caused by the presence of damage by using patches of piezoelectric material bonded on the surface of the structure (or embedded into). The measured electrical impedance of the PZT patch is directly related to the mechanical impedance of the structure. That is why the presence of damage can be detected by monitoring the variation of the impedance signal. In order to quantify damage, a metric is specially defined, which allows to assign a characteristic scalar value to the fault. This study initially evaluates the influence of environmental conditions in the impedance measurement, such as temperature, magnetic fields and ionic environment. The results show that the magnetic field does not influence the impedance measurement and that the ionic environment influences the results. However, when the sensor is shielded, the effect of the ionic environment is significantly reduced. The influence of the sensor geometry has also been studied. It has been established that the shape of the PZT patch (rectangular or circular) has no influence on the impedance measurement. However, the position of the sensor is an important issue to correctly detect damage. This work presents the development of a low-cost portable system for impedance measuring to automatically measure and store data from 16 PZT patches, without human intervention. One fundamental aspect in the context of this work is to characterize the damage type from the various impedance signals collected. In this sense, the techniques of artificial intelligence known as neural networks and fuzzy cluster analysis were tested for classifying damage of aircraft structures, obtaining satisfactory results. One last contribution of the present work is the study of the performance of the electromechanical impedance-based structural health monitoring technique to detect damage in structures under dynamic loading. Encouraging results were obtained for this aim. / O conceito básico da técnica de integridade estrutural baseada na impedância tem a ver com o monitoramento da variação da impedância eletromecânica da estrutura, causada pela presença alterações estruturais, através de pastilhas de material piezelétrico coladas na superfície da estrutura ou nela incorporadas. A impedância medida se relaciona com a impedância mecânica da estrutura. A partir da variação dos sinais de impedância pode-se concluir pela existência ou não de uma falha. Para quantificar esta falha, métricas de dano são especialmente definidas, permitindo atribuir-lhe um valor escalar característico. Este trabalho pretende inicialmente avaliar a influência de algumas condições ambientais, tais como os campos magnéticos e os meios iônicos na medição de impedância. Os resultados obtidos mostram que os campos magnéticos não tem influência na medição de impedância e que os meios iônicos influenciam os resultados; entretanto, ao blindar o sensor, este efeito se reduz consideravelmente. Também foi estudada a influencia da geometria, ou seja, do formato do PZT e da posição do sensor com respeito ao dano. Verificou-se que o formato do PZT não tem nenhuma influência na medição e que a posição do sensor é importante para detectar corretamente o dano. Neste trabalho se apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição de impedância de baixo custo e portátil que tem a capacidade de medir e armazenar a medição de 16 PZTs sem a necessidade de intervenção humana. Um aspecto de fundamental importância no contexto deste trabalho é a caracterização do dano a partir dos sinais de impedância coletados. Neste sentido, as técnicas de inteligência artificial conhecidas como redes neurais e análises de cluster fuzzy, foram testadas para classificar danos em estruturas aeronáuticas, obtendo resultados satisfatórios para esta tarefa. Uma última contribuição deste trabalho é o estudo do comportamento da técnica de monitoramento de integridade estrutural baseado na impedância eletromecânica na detecção de danos em estruturas submetidas a carregamento dinâmico. Os resultados obtidos mostram que a técnica funciona adequadamente nestes casos. / Doutor em Engenharia Mecânica