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.

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