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.

Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Mário Francisco Mucheroni / Resumo: Este trabalho apresenta o estudo, a implementação e a aplicação de duas técnicas de identificação de parâmetros modais utilizando apenas as respostas da estrutura, denominadas: Identificação Estocástica de Subespaço (IES) e Decomposição no Domínio da Freqüência (DDF). A IES é baseada na Decomposição em Valores Singulares (DVS) da projeção ortogonal do espaço das linhas das saídas futuras no espaço das linhas das saídas passadas. Uma vez realizada a DVS da projeção ortogonal é possível obter o modelo de espaço de estado da estrutura e os parâmetros modais são estimados diretamente através da decomposição em autovalores e autovetores da matriz dinâmica. A DDF é baseada na DVS da matriz de densidade espectral de potência de saída nas linhas de freqüências correspondentes a região em torno de um modo. O primeiro vetor singular obtido para cada linha de freqüência contém as respectivas informações daquele modo e os correspondentes valores singulares levam a função densidade espectral de um sistema equivalente de um grau de liberdade (1GL), permitindo a obtenção dos parâmetros do respectivo modo. Os métodos são avaliados utilizando dados simulados e experimentais. Os resultados mostram que as técnicas implementadas são capazes de estimar os parâmetros modais de estruturas utilizando apenas as respostas. / Abstract: This work presents the study, implementation and application of the two techniques for the modal parameters identification using only response data: Stochastic Subspace Identification (SSI) and Frequency Domain Decomposition (FDD). The SSI is based on Singular Value Decomposition (SVD) of the orthogonal projection of the future output row space in the past output row space. After the completion of the SVD of the orthogonal projection, is possible to get the state space model of the structure and the modal parameters are estimated directly through the eigenvalues and eigenvectors decomposition of the dynamic matrix. The FDD is based on the SVD of the output power spectral density matrix in the frequencies lines around a mode. The first singular vector obtained for each frequency line contains the respective information about this mode and the corresponding spectral density function leads to an equivalent system of one degree of freedom (1 DOF), allowing the calculation of the parameters of the mode. The methods are evaluated using simulated and experimental data. The results show that the techniques implemented are capable to estimate the modal parameters of structures using only response data. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-07-30Bitstream added on 2014-06-13T19:55:34Z : No. of bitstreams: 1 freitas_tc_me_ilha.pdf: 1484818 bytes, checksum: 9f0ca1d5825d93918e44fc9b31aae513 (MD5) / Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) / Este trabalho apresenta o estudo, a implementação e a aplicação de duas técnicas de identificação de parâmetros modais utilizando apenas as respostas da estrutura, denominadas: Identificação Estocástica de Subespaço (IES) e Decomposição no Domínio da Freqüência (DDF). A IES é baseada na Decomposição em Valores Singulares (DVS) da projeção ortogonal do espaço das linhas das saídas futuras no espaço das linhas das saídas passadas. Uma vez realizada a DVS da projeção ortogonal é possível obter o modelo de espaço de estado da estrutura e os parâmetros modais são estimados diretamente através da decomposição em autovalores e autovetores da matriz dinâmica. A DDF é baseada na DVS da matriz de densidade espectral de potência de saída nas linhas de freqüências correspondentes a região em torno de um modo. O primeiro vetor singular obtido para cada linha de freqüência contém as respectivas informações daquele modo e os correspondentes valores singulares levam a função densidade espectral de um sistema equivalente de um grau de liberdade (1GL), permitindo a obtenção dos parâmetros do respectivo modo. Os métodos são avaliados utilizando dados simulados e experimentais. Os resultados mostram que as técnicas implementadas são capazes de estimar os parâmetros modais de estruturas utilizando apenas as respostas. / This work presents the study, implementation and application of the two techniques for the modal parameters identification using only response data: Stochastic Subspace Identification (SSI) and Frequency Domain Decomposition (FDD). The SSI is based on Singular Value Decomposition (SVD) of the orthogonal projection of the future output row space in the past output row space. After the completion of the SVD of the orthogonal projection, is possible to get the state space model of the structure and the modal parameters are estimated directly through the eigenvalues and eigenvectors decomposition of the dynamic matrix. The FDD is based on the SVD of the output power spectral density matrix in the frequencies lines around a mode. The first singular vector obtained for each frequency line contains the respective information about this mode and the corresponding spectral density function leads to an equivalent system of one degree of freedom (1 DOF), allowing the calculation of the parameters of the mode. The methods are evaluated using simulated and experimental data. The results show that the techniques implemented are capable to estimate the modal parameters of structures using only response data.