Processos aleatórios de corrosão e fadiga reduzem lentamente a resistência de estruturas e componentes estruturais, provocando um aumento gradual nas probabilidades de falha. A gestão do risco de falha de componentes sujeitos a corrosão e/ou fadiga é feita através de políticas de inspeção, manutenção e substituição, atividades que implicam em custos, mas visam manter a confiabilidade em níveis aceitáveis, enquanto o componente permanecer em operação. Aparentemente, os objetivos economia e segurança competem entre si, no entanto, a redução de recursos para inspeção e manutenção pode levar a maiores e crescentes probabilidades de falha, implicando em maiores custos esperados de falha, ou seja, maior risco. A otimização de risco estrutural é uma formulação que permite equacionar este problema, através do chamado custo esperado total. Nesta Tese, a otimização de risco é utilizada no intuito de encontrar políticas ótimas de inspeção e manutenção, isto é, quantidades de recursos a serem alocadas nestas atividades que levem ao menor custo esperado total possível. Os processos de corrosão e fadiga são representados através de modelos em polinômios de caos, construídos de maneira inédita, com base em dados experimentais ou observados da literatura. Com base nestes modelos, os problemas de otimização de risco envolvendo processos de fadiga e corrosão são resolvidos para diferentes configurações de custos de falha e de inspeções. Verifica-se que as políticas ótimas de inspeção, manutenção e substituição podem ser bastante diferentes para configurações de custo distintas, e que a determinação destas políticas é bastante desafiadora, devido, dentre outros fatores, à grande quantidade de mínimos locais do problema de otimização em questão, causadas por descontinuidades e oscilações da função custo esperado total. / Random corrosion and fatigue processes reduce slowly but gradually the resistance of structures and mechanical components, leading to gradual increase in failure probabilities. Risk management for mechanical components subject to corrosion and fatigue is made by means of policies of inspection, maintenance and substitution. These activities imply costs, but are made to maintain the reliability at acceptable levels, while the component remains in operation. Apparently, economy and safety are competing objectives; however, reduction in inspection and maintenance spending may lead to larger failure probabilities, increasing expected costs of failure (risk). Risk optimization allows one to solve this problem, by means of the so-called total expected cost. In this Thesis, risk optimization is used in order to find the best inspection and maintenance policy, i.e., the proper amount of resources to allocate to such activities in order to obtain minimum total expected cost. Corrosion and fatigue are modeled by means of polynomial chaos expansions, using a novel approach developed herein and experimental or observed data obtained from the literature. These models are employed within two risk optimization problems, solved for different failure and inspection cost configurations. Results show that the optimal policies of inspection, maintenance and replacements can be very different, for different cost configurations, and that the solution of the associated risk optimization problems is a very challenging task, due to the large number of local minima, caused by discontinuities and fluctuations in the total expected costs.

Processos aleatórios de corrosão e fadiga reduzem lentamente a resistência de estruturas e componentes estruturais, provocando um aumento gradual nas probabilidades de falha. A gestão do risco de falha de componentes sujeitos a corrosão e/ou fadiga é feita através de políticas de inspeção, manutenção e substituição, atividades que implicam em custos, mas visam manter a confiabilidade em níveis aceitáveis, enquanto o componente permanecer em operação. Aparentemente, os objetivos economia e segurança competem entre si, no entanto, a redução de recursos para inspeção e manutenção pode levar a maiores e crescentes probabilidades de falha, implicando em maiores custos esperados de falha, ou seja, maior risco. A otimização de risco estrutural é uma formulação que permite equacionar este problema, através do chamado custo esperado total. Nesta Tese, a otimização de risco é utilizada no intuito de encontrar políticas ótimas de inspeção e manutenção, isto é, quantidades de recursos a serem alocadas nestas atividades que levem ao menor custo esperado total possível. Os processos de corrosão e fadiga são representados através de modelos em polinômios de caos, construídos de maneira inédita, com base em dados experimentais ou observados da literatura. Com base nestes modelos, os problemas de otimização de risco envolvendo processos de fadiga e corrosão são resolvidos para diferentes configurações de custos de falha e de inspeções. Verifica-se que as políticas ótimas de inspeção, manutenção e substituição podem ser bastante diferentes para configurações de custo distintas, e que a determinação destas políticas é bastante desafiadora, devido, dentre outros fatores, à grande quantidade de mínimos locais do problema de otimização em questão, causadas por descontinuidades e oscilações da função custo esperado total. / Random corrosion and fatigue processes reduce slowly but gradually the resistance of structures and mechanical components, leading to gradual increase in failure probabilities. Risk management for mechanical components subject to corrosion and fatigue is made by means of policies of inspection, maintenance and substitution. These activities imply costs, but are made to maintain the reliability at acceptable levels, while the component remains in operation. Apparently, economy and safety are competing objectives; however, reduction in inspection and maintenance spending may lead to larger failure probabilities, increasing expected costs of failure (risk). Risk optimization allows one to solve this problem, by means of the so-called total expected cost. In this Thesis, risk optimization is used in order to find the best inspection and maintenance policy, i.e., the proper amount of resources to allocate to such activities in order to obtain minimum total expected cost. Corrosion and fatigue are modeled by means of polynomial chaos expansions, using a novel approach developed herein and experimental or observed data obtained from the literature. These models are employed within two risk optimization problems, solved for different failure and inspection cost configurations. Results show that the optimal policies of inspection, maintenance and replacements can be very different, for different cost configurations, and that the solution of the associated risk optimization problems is a very challenging task, due to the large number of local minima, caused by discontinuities and fluctuations in the total expected costs.

A aplicação de simulações numéricas em problemas de confiabilidade estrutural costuma estar associada a grandes custos computacionais, dada a pequena probabilidade de falha inerente às estruturas. Ainda que diversos casos possam ser endereçados através de técnicas de redução da variância das amostras, a solução de problemas envolvendo grande número de graus de liberdade, respostas dinâmicas, não lineares e problemas de otimização na presença de incertezas são comumente ainda inviáveis de se resolver por esta abordagem. Tais problemas, porém, podem ser resolvidos através de representações analíticas que aproximam a resposta que seria obtida com a utilização de modelos computacionais mais complexos, chamadas chamados meta-modelos. O presente trabalho trata da compilação, assimilação, programação em computador e comparação de técnicas modernas de meta-modelagem no contexto da confiabilidade estrutural, utilizando representações construídas a partir de redes neurais artificiais, expansões em polinômios de caos e através de krigagem. Estas técnicas foram implementadas no programa computacional StRAnD - Structural Reliability Analysis and Design, desenvolvido junto ao Departamento de Engenharia de Estruturas, USP, resultando assim em um benefício permanente para a análise de confiabilidade estrutural junto à Universidade de São Paulo. / The application of numerical simulations to structural reliability problems is often associated with high computational costs, given the small probability of failure inherent to the structures. Although many cases can be addressed using variance reduction techniques, solving problems involving large number of degrees of freedom, nonlinear and dynamic responses, and problems of optimization in the presence of uncertainties are sometimes still infeasible to solve by this approach. Such problems, however, can be solved by analytical representations that approximate the response that would be obtained with the use of more complex computational models, called meta-models. This work deals with the collection, assimilation, computer programming and comparison of modern meta-modeling techniques in the context of structural reliability, using representations constructed from artificial neural networks, polynomial chaos expansions and Kriging. These techniques are implemented in the computer program StRAnD - Structural Reliability Analysis and Design, developed at the Department of Structural Engineering, USP; thus resulting in a permanent benefit to structural reliability analysis at the University of São Paulo.

A aplicação de simulações numéricas em problemas de confiabilidade estrutural costuma estar associada a grandes custos computacionais, dada a pequena probabilidade de falha inerente às estruturas. Ainda que diversos casos possam ser endereçados através de técnicas de redução da variância das amostras, a solução de problemas envolvendo grande número de graus de liberdade, respostas dinâmicas, não lineares e problemas de otimização na presença de incertezas são comumente ainda inviáveis de se resolver por esta abordagem. Tais problemas, porém, podem ser resolvidos através de representações analíticas que aproximam a resposta que seria obtida com a utilização de modelos computacionais mais complexos, chamadas chamados meta-modelos. O presente trabalho trata da compilação, assimilação, programação em computador e comparação de técnicas modernas de meta-modelagem no contexto da confiabilidade estrutural, utilizando representações construídas a partir de redes neurais artificiais, expansões em polinômios de caos e através de krigagem. Estas técnicas foram implementadas no programa computacional StRAnD - Structural Reliability Analysis and Design, desenvolvido junto ao Departamento de Engenharia de Estruturas, USP, resultando assim em um benefício permanente para a análise de confiabilidade estrutural junto à Universidade de São Paulo. / The application of numerical simulations to structural reliability problems is often associated with high computational costs, given the small probability of failure inherent to the structures. Although many cases can be addressed using variance reduction techniques, solving problems involving large number of degrees of freedom, nonlinear and dynamic responses, and problems of optimization in the presence of uncertainties are sometimes still infeasible to solve by this approach. Such problems, however, can be solved by analytical representations that approximate the response that would be obtained with the use of more complex computational models, called meta-models. This work deals with the collection, assimilation, computer programming and comparison of modern meta-modeling techniques in the context of structural reliability, using representations constructed from artificial neural networks, polynomial chaos expansions and Kriging. These techniques are implemented in the computer program StRAnD - Structural Reliability Analysis and Design, developed at the Department of Structural Engineering, USP; thus resulting in a permanent benefit to structural reliability analysis at the University of São Paulo.