Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Sistemas estruturais em suas variadas aplicações incluindo-se veículos espaciais, automóveis e estruturas de engenharia civil tais como prédios, pontes e plataformas off-shore, acumulam dano durante suas vidas úteis. Em muitas situações, tal dano pode não ser visualmente observado. Do ponto de vista da segurança e da performance da estrutura, é desejável monitorar esta possível ocorrência, localizá-la e quantificá-la. Métodos de identificação de sistemas, que em geral, são classificados numa categoria de Técnicas de Avaliação Não-Destrutivas, podem ser utilizados para esta finalidade. Usando dados experimentais tais como frequências naturais, modos de vibração e deslocamentos estáticos, e um modelo analítico estrutural, parâmetros da estrutura podem ser identificados. As propriedades estruturais do modelo analítico são modificadas de modo a minimizar a diferença entre os dados obtidos por aquele modelo e a resposta medida. Isto pode ser definido como um problema inverso onde os parâmetros da estrutura são identificados. O problema inverso, descrito acima, foi resolvido usando métodos globais de otimização devido à provável presença de inúmeros mínimos locais e a não convexidade do espaço de projeto. Neste trabalho o método da Evolução Diferencial (Differential Evolution, DE) foi utilizado como ferramenta principal de otimização. Trata-se de uma meta-heurística inspirada numa população de soluções sucessivamente atualizada por operações aritméticas como mutações, recombinações e critérios de seleção dos melhores indivíduos até que um critério de convergência seja alcançado. O método da Evolução Diferencial foi desenvolvido como uma heurística para minimizar funções não diferenciáveis e foi aplicado a estruturas planas de treliças com diferentes níveis de danos. / Structural systems in a variety of applications including aerospace vehicles, automobiles and civil engineering structures such as tall buildings, bridges and offshore platforms, accumulate damage during their service life. In several situations, such damage may not be visually observable. From the standpoint of both safety and performance, it is desirable to monitor the occurrence, location and extent of such damage.System identification methods, which may be classified in a general category of nondestructive evaluation techniques, can be employed for this purpose. Using experimental data, such as eigenmodes, eigenvectors and static displacements, and an analytical structural model, parameters of the structures can be identified. The approach used in the present work is one where the structural properties of the analytical model are varied to minimize the difference between the analytically predicted and empirically measured response. This is an inverse problem where the structural parameters are identified. In this work a reduced number of vibration modes were used as the measured response. For the damage assessment problem a close analytical model of the structural system is available and the model of the damaged structure will be identified. Damage will be represented by a reduction in the elastic stiffness properties of the structure.The problem described above was solved using global methods of optimization due to the fact that depending on the number of variables or the location of damage the resulting design space is nonconvex presenting several local minima. In the present work, the Differential Evolution Optimization Technique (DE) was used. It is a metaheuristic inspired by a population of solutions that is successively updated by arithmetic operations such as mutation and recombination, until convergence. The approach was applied to simple truss structures with different levels of damage.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Sistemas estruturais em suas variadas aplicações incluindo-se veículos espaciais, automóveis e estruturas de engenharia civil tais como prédios, pontes e plataformas off-shore, acumulam dano durante suas vidas úteis. Em muitas situações, tal dano pode não ser visualmente observado. Do ponto de vista da segurança e da performance da estrutura, é desejável monitorar esta possível ocorrência, localizá-la e quantificá-la. Métodos de identificação de sistemas, que em geral, são classificados numa categoria de Técnicas de Avaliação Não-Destrutivas, podem ser utilizados para esta finalidade. Usando dados experimentais tais como frequências naturais, modos de vibração e deslocamentos estáticos, e um modelo analítico estrutural, parâmetros da estrutura podem ser identificados. As propriedades estruturais do modelo analítico são modificadas de modo a minimizar a diferença entre os dados obtidos por aquele modelo e a resposta medida. Isto pode ser definido como um problema inverso onde os parâmetros da estrutura são identificados. O problema inverso, descrito acima, foi resolvido usando métodos globais de otimização devido à provável presença de inúmeros mínimos locais e a não convexidade do espaço de projeto. Neste trabalho o método da Evolução Diferencial (Differential Evolution, DE) foi utilizado como ferramenta principal de otimização. Trata-se de uma meta-heurística inspirada numa população de soluções sucessivamente atualizada por operações aritméticas como mutações, recombinações e critérios de seleção dos melhores indivíduos até que um critério de convergência seja alcançado. O método da Evolução Diferencial foi desenvolvido como uma heurística para minimizar funções não diferenciáveis e foi aplicado a estruturas planas de treliças com diferentes níveis de danos. / Structural systems in a variety of applications including aerospace vehicles, automobiles and civil engineering structures such as tall buildings, bridges and offshore platforms, accumulate damage during their service life. In several situations, such damage may not be visually observable. From the standpoint of both safety and performance, it is desirable to monitor the occurrence, location and extent of such damage.System identification methods, which may be classified in a general category of nondestructive evaluation techniques, can be employed for this purpose. Using experimental data, such as eigenmodes, eigenvectors and static displacements, and an analytical structural model, parameters of the structures can be identified. The approach used in the present work is one where the structural properties of the analytical model are varied to minimize the difference between the analytically predicted and empirically measured response. This is an inverse problem where the structural parameters are identified. In this work a reduced number of vibration modes were used as the measured response. For the damage assessment problem a close analytical model of the structural system is available and the model of the damaged structure will be identified. Damage will be represented by a reduction in the elastic stiffness properties of the structure.The problem described above was solved using global methods of optimization due to the fact that depending on the number of variables or the location of damage the resulting design space is nonconvex presenting several local minima. In the present work, the Differential Evolution Optimization Technique (DE) was used. It is a metaheuristic inspired by a population of solutions that is successively updated by arithmetic operations such as mutation and recombination, until convergence. The approach was applied to simple truss structures with different levels of damage.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Neste trabalho são utilizados a técnica baseada na propagação de ondas acústicas e o método de otimização estocástica Luus-Jaakola (LJ) para solucionar o problema inverso relacionado à identificação de danos em barras. São apresentados o algoritmo algébrico sequencial (AAS) e o algoritmo algébrico sequencial aperfeiçoado (AASA) que modelam o problema direto de propagação de ondas acústicas em uma barra. O AASA consiste nas modificações introduzidas no AAS. O uso do AASA resolve com vantagens o problema de identificação de danos com variações abruptas de impedância. Neste trabalho são obtidos, usando-se o AAS-LJ e o AASA-LJ, os resultados de identificação de cinco cenários de danos. Três deles com perfil suave de impedância acústica generalizada e os outros dois abruptos. Além disso, com o objetivo de simular sinais reais de um experimento, foram introduzidos variados níveis de ruído. Os resultados alcançados mostram que o uso do AASA-LJ na resolução de problemas de identificação de danos em barras é bastante promissor, superando o AAS-LJ para perfis abruptos de impedância. / In this work the techniques based on the wave propagation approach and the Luus- Jaakola optimization method to solve the inverse problem of damage identification in bars are applied. The sequential algebraic algorithm (SAA) and the improved sequential algebraic algorithm (ISAA) that model the direct problem of acoustic wave propagation in bars are presented. The ISAA consists on modifications of the SAA. The use of the ISAA solves with advantages the problem of damage identification when the generalized acoustical impedance variations are abrupt. In this work the results of identification of five damage scenarios are obtained using the SAA and the ISAA. Three of them are smooth impedance profiles and the other two are rough ones. Moreover, to simulate signals obtained experimentally, different noise levels were introduced. It is shown that using the ISAA-LJ in solving problems of damage identification in bars is quite promising, furnishing better results than the SAA-LJ, specially when the impedance profiles are abrupt.

First principle electronic structure theory is used to describe the effect of crystal binding on radiation detectors, electron transport properties, and structural damage induced by intense irradiation. A large database containing general electronic structure results to which data mining algorithms can be applied in the search for new functional materials, a case study is presented for scintillator detector materials. Inelastic cross sections for the generation of secondary electron cascades through impact ionization are derived from the dielectric response of an electron gas and evolved in time with Molecular Dynamics (MD). Qualitative and quantitive estimates are presented for the excitation and relaxation of a sample irradiated with Free Electron Laser pulses. A study is presented in where the structural damage on covalent bonded crystals following intense irradiation is derived from a Tight Binding approach and evolved in time with MD in where the evolution of the sample is derived from GW theory for the quasiparticle spectra and a dedicated Boltzmann transport equation for the impact ionization.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos. / The present work deals with the damage identification problem in mechanical structures from their impulse response. In the adopted model, the structural integrity is continually described by a cohesion parameter and the finite element model (FEM) is used to spatially discretize both the displacement and cohesion fields. The damage identification problem is then posed as an optimization one, whose objective is to minimize, with respect to the vector of nodal cohesion parameters, a functional based on the difference between the experimentally obtained impulse response and the corresponding one predicted by an FEM of the structure. The damage identification problem built on the time domain presents some advantages, as the applicability in linear systems with high levels of damping an/or closed spaced modes, and in nonlinear systems. Besides, the time domain approaches present high sensitivities to the presence of small damages. Numerical studies were carried out considering a simply supported Euler-Bernoulli beam. Optimal experiment design techniques were considered with the aim at determining the optimal position of the displacement sensor and also the number of points of the impulse response to be considered in the identification process. The Differential Evolution optimization method and the Levenberg-Marquardt method were considered to solve the inverse problem of damage identification. Numerical analysis were carried out in order to assess the influence, on the identification results, of noise in the synthetic experimental data, of the sensor position, and of the number of points retained in the impulse response. The presented results shown the potentiality of the proposed damage identification approach and also the importance of the optimal experiment design for the quality of the identification. al importance for the identification of damage.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A identificação de danos estruturais é uma questão de fundamental importância na engenharia, visto que uma estrutura está sujeita a processos de deterioração e a ocorrência de danos durante a sua vida útil. A presença de danos compromete o desempenho e a integridade estrutural, podendo colocar vidas humanas em risco e resultam em perdas econômicas consideráveis. Técnicas de identificação de danos estruturais e monitoramento de estruturas fundamentadas no ajuste de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são constantes na literatura especializada. No entanto, a obtenção de um problema geralmente mal posto e o elevado custo computacional, inerente a essas técnicas, limitam ou até mesmo inviabilizam a sua aplicabilidade em estruturas que demandam um modelo de ordem elevada. Para contornar essas dificuldades, na formulação do problema de identificação de danos, pode-se utilizar o Modelo de Superfície de Reposta (MSR) em substituição a um MEF da estrutura. No presente trabalho, a identificação de danos estruturais considera o ajuste de um MSR da estrutura, objetivando-se a minimização de uma função de erro definida a partir das frequências naturais experimentais e das correspondentes frequências previstas pelo MSR. Estuda-se o problema de identificação de danos estruturais em uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, considerando as frequências naturais na formulação do problema inverso. O comportamento de uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada na presença de danos é analisado, com intuito de se verificar as regiões onde a identificação dos mesmos pode apresentar maior dificuldade. No processo de identificação de danos, do presente trabalho, são avaliados os tipos de superfícies de resposta, após uma escolha apropriada do tipo de superfície de resposta a ser utilizado, determina-se a superfície de resposta considerando os dados experimentais selecionados a partir do projeto ótimo de experimentos. A utilização do método Evolução Diferencial (ED) no problema inverso de identificação de danos é considerado inerente aos resultados numéricos obtidos, a estratégia adotada mostrou-se capaz de localizar e quantificar os danos com elevada acurácia, mostrando a potencialidade do modelo de identificação de danos proposto. / The identification of structural damage is an issue of fundamental importance in engineering, since a structure is subject to deterioration processes and to the occurrence of damage throughout its useful lifetime. The presence of damage compromises the performance and structural integrity, may put human lives at risk and may result in considerable economic losses. Damage identification and structural health monitoring techniques built on Finite Element Model (FEM) updating are constant in the specialized literature. However, the problem generally rank deficient and the high computational cost, inherent to these techniques, limit or even render their applicability in structures that require a high order model. To circumvent these difficulties, in the formulation of the damage identification problem, one may use a Response Surface Model (RSM) in place of a FEM of the structure. In the present work, the identification of structural damage considers the update of a RSM of the structure, with the aim at minimizing an error function defined from the experimental natural frequencies and the corresponding natural frequencies prescribed by a RSM. The problem of structural damage identification in a simply supported Euler-Bernoulli beam is studied, taking into account the natural frequencies in the inverse problem formulation. The behavior of a simply supported Euler-Bernoulli beam, in the presence of damage, is analyzed, in order to verify the identification of regions where the damage identification may present greater difficulties. In the damage identification process, in the present work, after a suitable choice of the type of the response surface model, the surface model is derived considering the experimental data selected from an optimal design of experiments. The use of the Differential Evolution (DE) method in the inverse problem of damage identification is considered. Considering the numerical results obtained, the strategy adopted proved to be able to locate and quantify the damage with high accuracy, showing the capability of the proposed damage identification model.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos. / The present work deals with the damage identification problem in mechanical structures from their impulse response. In the adopted model, the structural integrity is continually described by a cohesion parameter and the finite element model (FEM) is used to spatially discretize both the displacement and cohesion fields. The damage identification problem is then posed as an optimization one, whose objective is to minimize, with respect to the vector of nodal cohesion parameters, a functional based on the difference between the experimentally obtained impulse response and the corresponding one predicted by an FEM of the structure. The damage identification problem built on the time domain presents some advantages, as the applicability in linear systems with high levels of damping an/or closed spaced modes, and in nonlinear systems. Besides, the time domain approaches present high sensitivities to the presence of small damages. Numerical studies were carried out considering a simply supported Euler-Bernoulli beam. Optimal experiment design techniques were considered with the aim at determining the optimal position of the displacement sensor and also the number of points of the impulse response to be considered in the identification process. The Differential Evolution optimization method and the Levenberg-Marquardt method were considered to solve the inverse problem of damage identification. Numerical analysis were carried out in order to assess the influence, on the identification results, of noise in the synthetic experimental data, of the sensor position, and of the number of points retained in the impulse response. The presented results shown the potentiality of the proposed damage identification approach and also the importance of the optimal experiment design for the quality of the identification. al importance for the identification of damage.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A identificação de danos estruturais é uma questão de fundamental importância na engenharia, visto que uma estrutura está sujeita a processos de deterioração e a ocorrência de danos durante a sua vida útil. A presença de danos compromete o desempenho e a integridade estrutural, podendo colocar vidas humanas em risco e resultam em perdas econômicas consideráveis. Técnicas de identificação de danos estruturais e monitoramento de estruturas fundamentadas no ajuste de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são constantes na literatura especializada. No entanto, a obtenção de um problema geralmente mal posto e o elevado custo computacional, inerente a essas técnicas, limitam ou até mesmo inviabilizam a sua aplicabilidade em estruturas que demandam um modelo de ordem elevada. Para contornar essas dificuldades, na formulação do problema de identificação de danos, pode-se utilizar o Modelo de Superfície de Reposta (MSR) em substituição a um MEF da estrutura. No presente trabalho, a identificação de danos estruturais considera o ajuste de um MSR da estrutura, objetivando-se a minimização de uma função de erro definida a partir das frequências naturais experimentais e das correspondentes frequências previstas pelo MSR. Estuda-se o problema de identificação de danos estruturais em uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, considerando as frequências naturais na formulação do problema inverso. O comportamento de uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada na presença de danos é analisado, com intuito de se verificar as regiões onde a identificação dos mesmos pode apresentar maior dificuldade. No processo de identificação de danos, do presente trabalho, são avaliados os tipos de superfícies de resposta, após uma escolha apropriada do tipo de superfície de resposta a ser utilizado, determina-se a superfície de resposta considerando os dados experimentais selecionados a partir do projeto ótimo de experimentos. A utilização do método Evolução Diferencial (ED) no problema inverso de identificação de danos é considerado inerente aos resultados numéricos obtidos, a estratégia adotada mostrou-se capaz de localizar e quantificar os danos com elevada acurácia, mostrando a potencialidade do modelo de identificação de danos proposto. / The identification of structural damage is an issue of fundamental importance in engineering, since a structure is subject to deterioration processes and to the occurrence of damage throughout its useful lifetime. The presence of damage compromises the performance and structural integrity, may put human lives at risk and may result in considerable economic losses. Damage identification and structural health monitoring techniques built on Finite Element Model (FEM) updating are constant in the specialized literature. However, the problem generally rank deficient and the high computational cost, inherent to these techniques, limit or even render their applicability in structures that require a high order model. To circumvent these difficulties, in the formulation of the damage identification problem, one may use a Response Surface Model (RSM) in place of a FEM of the structure. In the present work, the identification of structural damage considers the update of a RSM of the structure, with the aim at minimizing an error function defined from the experimental natural frequencies and the corresponding natural frequencies prescribed by a RSM. The problem of structural damage identification in a simply supported Euler-Bernoulli beam is studied, taking into account the natural frequencies in the inverse problem formulation. The behavior of a simply supported Euler-Bernoulli beam, in the presence of damage, is analyzed, in order to verify the identification of regions where the damage identification may present greater difficulties. In the damage identification process, in the present work, after a suitable choice of the type of the response surface model, the surface model is derived considering the experimental data selected from an optimal design of experiments. The use of the Differential Evolution (DE) method in the inverse problem of damage identification is considered. Considering the numerical results obtained, the strategy adopted proved to be able to locate and quantify the damage with high accuracy, showing the capability of the proposed damage identification model.