Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: O uso da metodologia de observadores de estado para detecção de dano requer a análise da observabilidade do modelo físico-matemático do sistema e aponta para a necessidade de posicionar sensores de forma otimizada. Visto que plataformas veiculares podem se apresentar como sistemas com amortecimento não proporcional, é apresentada uma metodologia para o cálculo de índices de posicionamento H2 para este tipo de sistema. Para a plataforma veicular analisada com amortecimento proporcional, índices de posicionamento H2 são comparados com índices grammianos, sendo demonstrado que ambos resultam em uma mesma configuração ótima de sensores. A análise da observabilidade é conduzida a partir dos principais modos de vibrar , sendo utilizada a norma H2 para definição de quais modos devem ser retidos no modelo reduzido. Observadores robustos, atuando em paralelo com o sistema, são utilizados para localização e quantificação da severidade do dano. É mostrado que, para plataformas veiculares excitadas pela base com deslocamentos do tipo degrau, um índice de dano que compara as saídas medidas e estimadas permite alcançar este objetivo. / Abstract: The use of state observer's methodology for damage detection requires the observability analysis of the physical-mathematical model of the system and points to the need of positioning sensors optimally. Since vehicle platforms can be presented as systems with non-proportional damping, a methodology for calculating H2 positioning indices for this type of system is presented. For the vehicle platform analyzed with proportional damping, H2 positioning indices are compared with Grammian indices, showing that both result in the same optimal sensor con guration. The observability analysis is conducted from the main modes of vibration, using the H2 norm to define which modes should be retained in the reduced model. Robust observers acting in parallel with the system are used to locate and quantify the severity of the damage. It is shown that, for vehicle platforms stimulated by the base with step-type displacements, a damage index that compares the measured and estimated outputs reaches this goal. / Mestre

[pt] Na engenharia estrutural, um dos critérios de projeto consiste na necessidade de que as estruturas mantenham suas condições de segurança e funcionalidade ao longo da vida útil. Desta forma, diversas metodologias de avaliação da integridade estrutural (SHM) vêm sendo desenvolvidas. Esta avaliação ocorre através do sensoriamento contínuo de estruturas de modo a validar seu comportamento no tempo. A resposta dinâmica pode ser considerada uma metodologia gradualmente explorada como SHM. Estruturas em serviço tendem a sofrer vibrações que geram uma resposta dinâmica. A existência de danos proporciona a degradação de propriedades como massa e rigidez, resultando em variação nos parâmetros modais, como frequências naturais, modos de vibração e amortecimento. Na presente pesquisa, com o auxílio de um modelo de elementos finitos devidamente validado, propõem-se uma metodologia de avaliação de danos através de parâmetros modais experimentais. A proposta será avaliada através da comparação entre respostas numéricas e resultados de ensaios dinâmicos em laje danificada. Objetiva-se estimar a variação de rigidez da estrutura, que corrobora para alteração dos parâmetros dinâmicos. Serão avaliados ainda fenômenos como breathing cracks, fissuras que se encontram abertas ou fechadas em instantes distintos durante a vibração. Além disso, será ponderado o efeito de enrijecimento do concreto na região fissurada. Estes processos afetam consideravelmente a rigidez do elemento fissurado. Desta forma, objetiva-se um modelo robusto de análise de lajes de concreto armado fissuradas a partir da análise do comportamento dinâmico. / [en] In structural engineering, one of the design criteria is the need to maintain structures safety and functionality conditions throughout their useful life. This way, several structural health monitoring methodologies (SHM) have been developed. This evaluation occurs through the continuous sensing of structures in order to validate their behavior over time. Dynamic response can be considered a gradually explored methodology as SHM. In-service structures tend to suffer with vibrations that produce a dynamic response. The existence of structural damage produces a degradation of properties such as mass and stiffness, resulting in variation of modal properties such as natural frequencies, vibration modes and damping. In the present research, with the aid of a duly validated finite element model, it is proposed a damages diagnosis methodology through experimental modal parameters. The proposal will be through the comparison of numerical responses and dynamic tests results made with a damaged slab. The analysis aim to estimate the structure s stiffness variation, which corroborates the alteration of the dynamic parameters. Phenomena such as breathing cracks, where the fissure is open or closed at different times during the vibration, will also be evaluated. In addition, the effect of concrete stiffening around the cracked region will be considered. These processes considerably affect the stiffness of the cracked element. In this way, the objective is a robust model for the analysis of cracked reinforced concrete slabs from the analysis of their dynamic behavior.

[pt] O monitoramento de integridade estrutural tem sido o foco de desenvolvimentos recentes no campo da avaliação baseada em vibração e, mais recentemente, no escopo da internet das coisas à medida que medição e computação se tornam distribuídas. Os dados se tornaram abundantes, embora a transmissão nem sempre seja viável em frequências mais altas especialmente em aplicações remotas. Portanto, é importante conceber fluxos de trabalho de modelo orientados por dados que garantam a melhor relação entre a precisão do modelo para avaliação de condição e os recursos computacionais necessários para soluções incorporadas, tópico que não tem sido amplamente utilizado no contexto de medições baseadas em vibração. Neste contexto, a presente pesquisa propõe abordagens para duas aplicações: na primeira foi proposto um fluxo de trabalho de modelagem capaz de reduzir a dimensão dos parâmetros de modelos autorregressivos usando análise de componentes principais e classificar esses dados usando algumas técnicas de aprendizado de máquina como regressão logística, máquina de vetor de suporte, árvores de decisão, k-vizinhos próximos e floresta aleatória. O exemplo do prédio de três andares foi usado para demonstrar a eficácia do método. No segundo caso, é utilizado um equipamento de teste composto por inércias rotativas onde a solução de monitoramento foi testada em uma plataforma baseada em GPU embarcada. Os modelos implementados para distinguir eficazmente os diferentes estados de atrito foram análise de componentes principais, deep autoencoders e redes neurais artificiais. Modelos rasos têm melhor desempenho em tempo de execução e precisão na detecção de condições de falha. / [en] Structural health monitoring has been the focus of recent developments in vibration-based assessment and, more recently, in the scope of the internet of things as measurement and computation become distributed. Data has become abundant even though the transmission is not always feasible, especially in remote applications. It is thus essential to devise data-driven model workflows that ensure the best compromise between model accuracy for condition assessment and the computational resources needed for embedded solutions. This topic has not been widely used in the context of vibration-based measurements. In this context, the present research proposes two approaches for two applications, a static and a rotating one. In case one, a modeling workflow capable of reducing the dimension of autoregressive model features using principal component analysis and classifying this data using some of the main machine learning techniques such as logistic regression, support vector machines, decision tree classifier, k-nearest neighborhood and random forest classifier was proposed. The three-story building example was used to demonstrate the method s effectiveness, together with ways to assess the best compromise between accuracy and model size. In case two, a test rig composed of rotating inertias and slender connecting rods is used, and the monitoring solution was tested in an embedded GPU-based platform. The models implemented to effectively distinguish between different friction states were principal component analysis, deep autoencoder and artificial neural networks. Shallow models perform better concerning running time and accuracy in detecting faulty conditions.

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).

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.

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.