O uso de Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) como reforço em estruturas de concreto armado tem evoluído com o avanço das técnicas e com a melhora das fibras, principalmente com um novo método: o Near Surface Mounted (NSM), em que os laminados de fibra são inseridos no cobrimento do concreto. Uma análise da eficiência dos sistemas de reforço ao cisalhamento em vigas de concreto armado foi realizada por meio de ensaios experimentais. As vigas foram reforçadas nas configurações íntegra e com carregamento prévio de 40% e 70% da força máxima. O programa experimental compreende ensaios de flexão em prismas e vigas de concreto armado além de ensaios não destrutivos de análise de vibrações para a determinação das frequências naturais e dos modos de vibração. A análise modal foi realizada com uso de um método de identificação modal estocástica, em que na sua formulação não é usada força de excitação. Nestas, foram analisadas as variações nas frequências naturais e dos modos de vibração, utilizando MAC, COMAC, DCM e ID. Como resultados, todas as vigas com sistemas de reforço obtiveram acréscimos na capacidade de carga, alterando suas formas de ruptura de cisalhamento para destacamento da camada de concreto adjacente aos laminados de CFRP e para ruptura por esmagamento do concreto à flexão, independente da ocorrência de carregamento prévio. Na análise modal foi possível identificar a presença e local do dano nas vigas na maioria dos métodos utilizados, mas a identificação do sistema de reforço não foi significativa. / The use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) in concrete structures has enhanced with the advancement of techniques and the improvement of fiber, especially with the usage of the new method: the Near Surface Mounted (NSM) when the fiber laminates are inserted to cover thickness the concrete. An analysis of the efficiency of these shear reinforcements in reinforced concrete beams was performed by destructive and non-destructive experimental tests. The beams were reinforced intact and preloading of 40% and 70% of maximum load. The experimental program includes flexural tests on reinforced concrete beams as well as non-destructive testing to determine the natural frequencies and vibration modes. The modal analysis was done use of method stochastic modal identification, which in its formulation is not used excitation force. The variations were analyzed in the natural frequencies and vibration modes, using MAC, COMAC, DCM and ID. In the results are obtained increase in load capacity in all beams with reinforcement systems, regardless of the occurrence of preloading, changed the form of shear break for rupture due detachment off cover concrete adjacent to the laminate and crushing of concrete in flexion. In modal analysis, it was possible to identify the presence and local damage in the beams on most of methods used, but the identification of reinforcements systems was not significant.

Cette thèse a pour but didentifier de changements dans le comportement dynamique dun système mécanique par le développement des techniques didentification, de détection et de recalage de modèle. Un endommagement ou une activation de non - linéarité est considéré responsable du changement. Une bien connue classification pour la détection dendommagement dans la littérature est utilisée dans la thèse, qui définit quatre niveaux dans lordre croissant de complexité: - Niveau 1 : Détection dendommagement : inspection de la présence dendommagement dans la structure. - Niveau 2 : Localisation dendommagement : détermination de position de lendommagement. - Niveau 3 : Evaluation de la gravité de lendommagement. - Niveau 4 : Prévision de la durée restant de vie de la structure. Selon la classification décrite ci-dessus, le problème de diagnostic dans cette thèse est abordé pour les trois premiers niveaux, i.e. détection, localisation et évaluation. Lidentification dendommagements ou dactivation de non - linéarité est basée sur une comparaison entre un état actuel et létat de référence (en normal condition). La thèse est organisée comme suit : Chapitre 1 présente une étude bibliographique sur des méthodes dindentification modale et de détection. Cette partie décrit quelques caractéristiques principales de systèmes non - linéaires et également des défis que présente la non - linéarité. Les problèmes de localisation et dévaluation sont discutés ensuite. Chapitres 2, 3 et 4 se concentrent sur la détection de défaut, par exemple lactivation de non linéarité ou lapparition dendommagement par trois méthodes respectivement : la Transformée en ondelettes (Wavelet transform), la Séparation aveugle au second ordre (Second-Order Blind Identification) et lAnalyse en composantes principales à noyau (Kernel Principal component Analysis). Seuls des signaux de sortie sont utilisés pour le traitement. Les deux premières méthodes réalisent la surveillance structurale par un processus didentification modale, tandis que la dernière méthode exerce directement dans des espaces caractéristiques déterminés par une fonction de noyau choisie. La détection peut être réalisée au moyen du concept dangle entre sous-espaces ou basée sur des statistiques. La robustesse des méthodes est illustrée sur une structure de poutre avec une non -linéarité géométrique à un bout ; ce modèle a été étudié dans le cadre dun projet de recherche européenne COST F3. Des autres exemples sont également considérés, tels quune maquette davion avec différents niveaux dendommagement et deux applications industrielles avec le but de contrôle de qualité sur un set dappareils électro - mécaniques et sur des joints de soudure. Chapitre 5 vise à la localisation dendommagement basée sur lanalyse de sensibilité des résultats de lAnalyse en composantes principales dans le domaine fréquentiel. La localisation est exécutée par la comparaison des sensibilités de composantes principales entre létat de référence (saine) et un état endommagé. Seules les réponses mesurées, e.g. réponses en fréquence (FRFs) sont nécessaires pour cet objectif. Après lanalyse de sensibilité au Chapitre 5, Chapitre 6 sadresse à lévaluation de paramètres, par exemple estimation dendommagements. Pour ce but, une procédure de recalage de modèle est exécutée. Cette procédure demande de construire un modèle analytique de la structure. Lanalyse de sensibilité pour la localisation dendommagement est illustrée par des données numériques et expérimentales dans des systèmes de masse - ressort et dans des structures de poutre. Une réelle structure, i.e. le pont I-40 à New Mexico qui a été détruite en 1993 est aussi examinée. Enfin, des conclusions sont retirées basées sur le travail réalisé et quelques perspectives sont proposées pour la continuation de cette recherche.

O uso de Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) como reforço em estruturas de concreto armado tem evoluído com o avanço das técnicas e com a melhora das fibras, principalmente com um novo método: o Near Surface Mounted (NSM), em que os laminados de fibra são inseridos no cobrimento do concreto. Uma análise da eficiência dos sistemas de reforço ao cisalhamento em vigas de concreto armado foi realizada por meio de ensaios experimentais. As vigas foram reforçadas nas configurações íntegra e com carregamento prévio de 40% e 70% da força máxima. O programa experimental compreende ensaios de flexão em prismas e vigas de concreto armado além de ensaios não destrutivos de análise de vibrações para a determinação das frequências naturais e dos modos de vibração. A análise modal foi realizada com uso de um método de identificação modal estocástica, em que na sua formulação não é usada força de excitação. Nestas, foram analisadas as variações nas frequências naturais e dos modos de vibração, utilizando MAC, COMAC, DCM e ID. Como resultados, todas as vigas com sistemas de reforço obtiveram acréscimos na capacidade de carga, alterando suas formas de ruptura de cisalhamento para destacamento da camada de concreto adjacente aos laminados de CFRP e para ruptura por esmagamento do concreto à flexão, independente da ocorrência de carregamento prévio. Na análise modal foi possível identificar a presença e local do dano nas vigas na maioria dos métodos utilizados, mas a identificação do sistema de reforço não foi significativa. / The use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) in concrete structures has enhanced with the advancement of techniques and the improvement of fiber, especially with the usage of the new method: the Near Surface Mounted (NSM) when the fiber laminates are inserted to cover thickness the concrete. An analysis of the efficiency of these shear reinforcements in reinforced concrete beams was performed by destructive and non-destructive experimental tests. The beams were reinforced intact and preloading of 40% and 70% of maximum load. The experimental program includes flexural tests on reinforced concrete beams as well as non-destructive testing to determine the natural frequencies and vibration modes. The modal analysis was done use of method stochastic modal identification, which in its formulation is not used excitation force. The variations were analyzed in the natural frequencies and vibration modes, using MAC, COMAC, DCM and ID. In the results are obtained increase in load capacity in all beams with reinforcement systems, regardless of the occurrence of preloading, changed the form of shear break for rupture due detachment off cover concrete adjacent to the laminate and crushing of concrete in flexion. In modal analysis, it was possible to identify the presence and local damage in the beams on most of methods used, but the identification of reinforcements systems was not significant.

Este trabalho apresenta um novo algoritmo para a estimação de frequências e amortecimentos de vibrações, baseado em aproximantes de Padé, a partir da análise de sinais temporais oriundos de estruturas de grande porte. O algoritmo se baseia nas propriedades de convergência dos aproximantes de Padé, que garantem a existência de pólos que representam corretamente as componentes senoidais do sinal, e numa peculiar distribuição de pólos e zeros espúrios que decorrem da sobre-determinação do aproximante. O comportamento estatístico do algoritmo é estudado através de experimentos numéricos e sua aplicação em um caso real é feita. / This work introduces a novel estimation technique for vibration frequency and damping estimation, based on Padé approximants, and using time series taken from large structures. The algorithm is based on convergence properties of Padé approximants that assures the existence of real poles representing the sinusoidal components of the signal, and a remarkable distribution of stray poles and zeros, resulting from the approximant overdetermination. Its statistical behavior is analyzed through numerical experiments and an application for a real structure is provided as example.

Este trabalho apresenta um novo algoritmo para a estimação de frequências e amortecimentos de vibrações, baseado em aproximantes de Padé, a partir da análise de sinais temporais oriundos de estruturas de grande porte. O algoritmo se baseia nas propriedades de convergência dos aproximantes de Padé, que garantem a existência de pólos que representam corretamente as componentes senoidais do sinal, e numa peculiar distribuição de pólos e zeros espúrios que decorrem da sobre-determinação do aproximante. O comportamento estatístico do algoritmo é estudado através de experimentos numéricos e sua aplicação em um caso real é feita. / This work introduces a novel estimation technique for vibration frequency and damping estimation, based on Padé approximants, and using time series taken from large structures. The algorithm is based on convergence properties of Padé approximants that assures the existence of real poles representing the sinusoidal components of the signal, and a remarkable distribution of stray poles and zeros, resulting from the approximant overdetermination. Its statistical behavior is analyzed through numerical experiments and an application for a real structure is provided as example.

Detecção de dano em estruturas de engenharia de grandes dimensões através da análise de suas características dinâmicas envolve diversos campos de estudo. O primeiro deles trata da identificação dos parâmetros modais da estrutura, uma vez que executar testes de vibração livre em tais estruturas não é uma tarefa simples, necessita-se de um método robusto que seja capaz de identificar os parâmetros modais dessa estrutura a ações ambientais, campo esse chamado de análise modal operacional. Este trabalho trata do problema de detecção de dano em estruturas que possam ser representadas através de modelos em pórticos planos e vigas e que estejam submetidos à ação de vibrações ambientais. A localização do dano é determinada através de um algoritmo de otimização conhecido como Backtracking Search Algorithm (BSA) fazendo uso de uma função objetivo que utiliza as frequências naturais e modos de vibração identificados da estrutura. Simulações e testes são feitos a fim de verificar a concordância da metodologia para ambos os casos. Para as simulações, são utilizados casos mais gerais de carregamentos dinâmicos, e dois níveis de ruído (3% e 5%) são adicionados ao sinal de respostas para que esses ensaios se assemelhem aos ensaios experimentais, onde o ruído é inerente do processo. Já nos ensaios experimentais, apenas testes de vibração livre são executados. Diversos cenários de dano são propostos para as estruturas analisadas a fim de se verificar a robustez da rotina de detecção de dano. Os resultados mostram que a etapa de identificação modal estocástica através do método de identificação estocástica de subespaço (SSI) teve ótimos resultados, possibilitando, assim, a localização da região danificada da estrutura em todos os casos analisados. / Damage detection in large dimensions engineering structures through the analysis of their dynamic characteristics involves several fields. The first one deals with the structure modal identification parameter, since running free vibration tests in such structures is not a simple task, robust methods are needed in order to identify the modal parameters of this structure under ambient vibrations, this field is known as operational modal analysis. This work deals with the problem of damage detection in structures under ambient vibrations that can be represented by FEM using frame and beam elements. The damage location is determined through an optimization algorithm know as Backtracking Search Algorithm (BSA). It uses as objective function the identified natural frequencies and modes of vibration of the structure. Numerical and experimental tests are performed to assess the agreement of the methodology for both cases. For the numerical tests, more general cases of dynamic loads are used, and two noise levels (3% and 5%) are added to the response signal to assessing the robustness of the methodology close to the field conditions, in which noise is inherent of the process. In the experimental tests, only free vibration tests are performed. Several damage scenarios are proposed for the analyzed structures to check the robustness of the damage detection routine. The results show that the stochastic modal identification using the stochastic subspace identification (SSI) method had excellent results, thus allowing the location of the damaged region of the structure in all analyzed cases.

Detecção de dano em estruturas de engenharia de grandes dimensões através da análise de suas características dinâmicas envolve diversos campos de estudo. O primeiro deles trata da identificação dos parâmetros modais da estrutura, uma vez que executar testes de vibração livre em tais estruturas não é uma tarefa simples, necessita-se de um método robusto que seja capaz de identificar os parâmetros modais dessa estrutura a ações ambientais, campo esse chamado de análise modal operacional. Este trabalho trata do problema de detecção de dano em estruturas que possam ser representadas através de modelos em pórticos planos e vigas e que estejam submetidos à ação de vibrações ambientais. A localização do dano é determinada através de um algoritmo de otimização conhecido como Backtracking Search Algorithm (BSA) fazendo uso de uma função objetivo que utiliza as frequências naturais e modos de vibração identificados da estrutura. Simulações e testes são feitos a fim de verificar a concordância da metodologia para ambos os casos. Para as simulações, são utilizados casos mais gerais de carregamentos dinâmicos, e dois níveis de ruído (3% e 5%) são adicionados ao sinal de respostas para que esses ensaios se assemelhem aos ensaios experimentais, onde o ruído é inerente do processo. Já nos ensaios experimentais, apenas testes de vibração livre são executados. Diversos cenários de dano são propostos para as estruturas analisadas a fim de se verificar a robustez da rotina de detecção de dano. Os resultados mostram que a etapa de identificação modal estocástica através do método de identificação estocástica de subespaço (SSI) teve ótimos resultados, possibilitando, assim, a localização da região danificada da estrutura em todos os casos analisados. / Damage detection in large dimensions engineering structures through the analysis of their dynamic characteristics involves several fields. The first one deals with the structure modal identification parameter, since running free vibration tests in such structures is not a simple task, robust methods are needed in order to identify the modal parameters of this structure under ambient vibrations, this field is known as operational modal analysis. This work deals with the problem of damage detection in structures under ambient vibrations that can be represented by FEM using frame and beam elements. The damage location is determined through an optimization algorithm know as Backtracking Search Algorithm (BSA). It uses as objective function the identified natural frequencies and modes of vibration of the structure. Numerical and experimental tests are performed to assess the agreement of the methodology for both cases. For the numerical tests, more general cases of dynamic loads are used, and two noise levels (3% and 5%) are added to the response signal to assessing the robustness of the methodology close to the field conditions, in which noise is inherent of the process. In the experimental tests, only free vibration tests are performed. Several damage scenarios are proposed for the analyzed structures to check the robustness of the damage detection routine. The results show that the stochastic modal identification using the stochastic subspace identification (SSI) method had excellent results, thus allowing the location of the damaged region of the structure in all analyzed cases.

Detecção de dano em estruturas de engenharia de grandes dimensões através da análise de suas características dinâmicas envolve diversos campos de estudo. O primeiro deles trata da identificação dos parâmetros modais da estrutura, uma vez que executar testes de vibração livre em tais estruturas não é uma tarefa simples, necessita-se de um método robusto que seja capaz de identificar os parâmetros modais dessa estrutura a ações ambientais, campo esse chamado de análise modal operacional. Este trabalho trata do problema de detecção de dano em estruturas que possam ser representadas através de modelos em pórticos planos e vigas e que estejam submetidos à ação de vibrações ambientais. A localização do dano é determinada através de um algoritmo de otimização conhecido como Backtracking Search Algorithm (BSA) fazendo uso de uma função objetivo que utiliza as frequências naturais e modos de vibração identificados da estrutura. Simulações e testes são feitos a fim de verificar a concordância da metodologia para ambos os casos. Para as simulações, são utilizados casos mais gerais de carregamentos dinâmicos, e dois níveis de ruído (3% e 5%) são adicionados ao sinal de respostas para que esses ensaios se assemelhem aos ensaios experimentais, onde o ruído é inerente do processo. Já nos ensaios experimentais, apenas testes de vibração livre são executados. Diversos cenários de dano são propostos para as estruturas analisadas a fim de se verificar a robustez da rotina de detecção de dano. Os resultados mostram que a etapa de identificação modal estocástica através do método de identificação estocástica de subespaço (SSI) teve ótimos resultados, possibilitando, assim, a localização da região danificada da estrutura em todos os casos analisados. / Damage detection in large dimensions engineering structures through the analysis of their dynamic characteristics involves several fields. The first one deals with the structure modal identification parameter, since running free vibration tests in such structures is not a simple task, robust methods are needed in order to identify the modal parameters of this structure under ambient vibrations, this field is known as operational modal analysis. This work deals with the problem of damage detection in structures under ambient vibrations that can be represented by FEM using frame and beam elements. The damage location is determined through an optimization algorithm know as Backtracking Search Algorithm (BSA). It uses as objective function the identified natural frequencies and modes of vibration of the structure. Numerical and experimental tests are performed to assess the agreement of the methodology for both cases. For the numerical tests, more general cases of dynamic loads are used, and two noise levels (3% and 5%) are added to the response signal to assessing the robustness of the methodology close to the field conditions, in which noise is inherent of the process. In the experimental tests, only free vibration tests are performed. Several damage scenarios are proposed for the analyzed structures to check the robustness of the damage detection routine. The results show that the stochastic modal identification using the stochastic subspace identification (SSI) method had excellent results, thus allowing the location of the damaged region of the structure in all analyzed cases.

L'évaluation des modifications des caractéristiques d'un système dynamique non-stationnaire est étudiée suivant les modifications des paramètres modaux. Pour cela, nous étudions en premier l'obtention de ces paramètres, à l'aide des méthodes d'identification à partir des réponses vibratoires mesurées. Trois méthodes d'identification sont étudiées: la méthode de Décomposition Orthogonale Propre (POD), la méthode de Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) et la méthode de Décomposition Orthogonale Régularisée (SOD). Ensuite, trois étapes sont considérées pour suivre les changements de masse des systèmes non-stationnaires à partir des variations des paramètres modaux: la localisation de l'instant du changement (étape 1), la détection de la position du changement (étape 2) et la quantification de la valeur du changement (étape 3). Pour l'étape 1, la transformée en ondelettes (TO) qui est une analyse temps-fréquence est appliquée. Ensuite, trois méthodes de détection de la position du changement de la masse sont développées dans l'étape 2. Enfin, la variation relative des fréquences propres est utilisée pour la quantification de la variation relative de la masse dans l'étape 3. Toutes ces méthodes ont été testées numériquement. De plus une maquette simplifiée de bâtiment a été instrumentée sous excitations de choc. Ces essais ont permis de valider les méthodes développées dans cette thèse / Modification of modal parameters is considered the main tool for the evaluation of characteristic changes of a non stationary dynamic system. Therefore, our first interest is to obtain these modal parameters from vibration measures using identification methods. Three methods are discussed here: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Singular Value Decomposition (SVD) and Smooth Orthogonal Decomposition (SOD). Then, in order to evaluate the mass changes in non stationary systems, three steps are proposed: instant localization of mass changes (step 1), determination of geometrical location of the mass changes (step 2) and quantification of mass changes (step 3). The Wavelet transform (WT), considered to be a time-frequency analysis, is indented in step 1. In step 2, three methods for the detection of the position of the mass changes are developed. Finally, the relative variation of the natural frequencies of the system is used to evaluate the relative variation of the mass in step 3. The efficiency of these methods is verified by numerical tests. Moreover a building experimental model, instrumented with accelerometers, is studied in the case of after-shock vibrations. These experimental tests permit to validate the methods proposed in this thesis

Les lanceurs spatiaux sont soumis à un certain nombre d’excitations complexes durant les différentes phases de vie du produit. Ces excitations sont transmises à la charge utile par voie solidienne ou aérienne. Pour assurer la protection de la charge utile, l’architecture du lanceur étant figée au début du projet, l’amélioration des comportements dynamiques passe par l’introduction de systèmes secondaires. La partie essentielle des travaux de thèse est donc consacrée à l’implantation optimale de systèmes capables de diminuer les réponses vibratoires en utilisant des modèles adaptés. C’est pourquoi une méthode de double synthèse modale est mise en place, permettant ainsi de calculer la réponse vibratoire de la structure à l’aide de bases réduites et offrant des performances améliorées par rapport aux méthodes classiques. L’ajout d’un dispositif amortissant local nécessite la prise en compte d’une ou plusieurs modifications structurales dans le modèle, une méthode dédiée est alors développée. Le choix du dissipateur se porte sur un dissipateur frottant. Un prototype est conçu et réalisé. Il est dans un premier temps caractérisé seul et le modèle de comportement identifié est un modèle constitué d’un ressort en série avec un patin ; la loi de frottement adaptée est une loi de Coulomb simple. En parallèle, une maquette représentative du dernier étage d’un lanceur est dimensionnée et réalisée. Le frotteur est alors monté en pied de propulseur de la maquette et permet une diminution significative des vibrations de la charge utile au passage du mode de propulseur. / Space launchers undergo a certain amount of complex excitations during their lifecycle. These excitations are transmitted to the payload in a structure-born or air-born way. To improve the dynamic behaviour and thus ensure the protection of the payload, secondary systems must be added to the launcher – indeed, the architecture of the launcher is fixed at the beginning of the project. The essential part of this thesis work is dedicated to the optimal fitting of a system capable of reducing the vibration response of the payload, using appropriate models. Therefore a double modal synthesis method is implemented, allowing to calculate the vibrational response of the structure with reduced bases and offering improved performances over conventional methods. The addition of a local damping device requires the consideration of one or more structural modifications in the model, a dedicated method is thus developped along with a specific continuation algorithm. A friction damper is retained, a prototype is designed and built. It is first characterized alone ; the identified behaviour is that of a spring in series with a dry friction element, a simple Coulomb friction law enables to reproduce the experimental curves. A scale model of the launcher’s last stage is designed and built. The friction device is then mounted inside the scale model and leads to a significant reduction of the payload vibration levels.