[pt] A perfuração de rochas duras ainda é um grande desafio para as empresas de perfuração e exploração de petróleo. Uma das linhas de pesquisas atuais consiste em combinar satisfatoriamente duas técnicas de aumento da taxa de penetração. Esta nova técnica vem sendo chamada de perfuração percussiva-rotativa auto-excitada. Esta dissertação se propõe a desenvolver o primeiro protótipo de um dispositivo que irá operar em ressonância e que será capaz de gerar forças dinâmicas expressivas. De forma resumida, este dispositivo será chamado de RIMD (Resonant Impact Device). Em princípio a idéia é construir um dispositivo em forma de uma caixa preta, na qual será montada na estrutura que vibra, tendo esta caixa dois ajustes, um calibrando a freqüência de ressonância do RIMD e outro agindo sobre os impactos (folga). É conhecido de trabalhos anteriores que o tamanho da folga também possui influência sobre a freqüência natural do sistema. Desta forma, existe uma interdependência entre ambos os ajustes. Um dos primeiros passos no projeto e desenvolvimento do protótipo do RIMD é o dimensionamento do mesmo, de forma que seja pequeno o suficiente para facilitar sua construção e instrumentação no laboratório de vibrações da PUC-Rio, bem como seja representativo do sistema em tamanho real (a ser implantado na coluna de perfuração). Os componentes do RIMD envolvem um sistema massa-mola com baixo amortecimento e algum dispositivo de impacto e de variação da folga. Após a concepção e construção do protótipo, os passos seguintes do estudo são a obtenção das características do RIMD, como a faixa de freqüências o qual atua e a medição das forças impulsivas geradas. Por último, o protótipo também servirá para validar um modelo analítico que permitirá investigações posteriores neste tema, podendo gerar outras possibilidades de construção do RIMD. / [en] Hard rock drilling is still a great challenge for oil companies. One current line of research involves combining the two existing drilling techniques in order to enhance the rate of penetration. This new technique is called Resonance Hammer Drilling. This dissertation proposes the design and development of the first prototype that will operate in resonance, and will be capable of generating considerable dynamic forces. This device will be known as the Resonant Impact Device, or RIMD. In principle the idea is to build some sort of black box, which will be mounted on a vibrating structure with two switches - one calibrating the RIMD resonance frequency and the other acting on the impacts - changing the size of the gap. It is known from previous work that gap size also has influence on the system natural frequency. Therefore there is a relationship between switches. One of the first steps of RIMD design and development is device dimensioning, necessary in order to construct a scale model at the Dynamic and Vibration laboratory at PUC-Rio representative of the real size system. The real size system will be mounted on the drillstring. RIMD components involve a mass-spring system with low damping and some impact and gap variation devices. The analysis of this prototype includes obtaining key characteristics such as the range of possible frequencies and the measurement of the generated impulsive forces. Finally, the built prototype will be used to validate an analytical model that will allow further investigations on this subject providing the way to other possible constructions.

[pt] Esta dissertação tem como principal objetivo estudar aplicações da expansão ou decomposição de Karhunen-Loève em dinâmica de estruturas. Esta técnica consiste, basicamente, na obtenção de uma decomposição linear da resposta dinâmica de um sistema qualquer, representado por um campo vetorial estocástico, tendo a importante propriedade de ser ótima, no sentido que dado um certo número de modos, nenhuma outra decomposição linear pode melhor representar esta resposta. Esta capacidade de compressão de informação faz desta decomposição uma poderosa ferramenta para a construção de modelos reduzidos para sistemas mecânicos em geral. Em particular, este trabalho aborda problemas em dinâmica estrutural, onde sua aplicação ainda é bem recente. Inicialmente, são apresentadas as principais hipóteses necessárias à aplicação da expansão de Karhunen-Loève, bem como duas técnicas existentes para sua implementação, com domínios distintos de utilização.É dada especial atenção à relação entre os modos empíricos fornecidos pela expansão e os modos de vibração intrínsecos a sistemas vibratórios lineares, tanto discretos quanto contínuos, exemplificados por uma treliça bidimensional e uma placa retangular. Na mesma linha, são discutidas as vantagens e desvantagens de se usar esta expansão como ferramenta alternativa à análise modal clássica. Como aplicação a sistemas não-lineares, é apresentado o estudo de um sistema de vibroimpacto definido por uma viga em balanço cujo deslocamento transversal é limitado por dois batentes elásticos. Os modos empíricos obtidos através da expansão de Karhunen-Loève são, então, usados na formulação de um modelo de ordem reduzida, através do método de Galerkin, e o desempenho deste novo modelo investigado. / [en] This dissertation has the main objetive of studying applications of the Karhunen-Loève expansion or decomposition in structural dynamics. This technique consists basically in obtaining a linear decomposition of the dynamic response of a general system represented by a stochastic vector field. It has the important property of optimality, meaning that for a given number of modes, no other linear decomposition is able of better representing this response. This information compression capability characterizes this decomposition as powerful tool for the construction of reduced-order models of mechanical systems in general. Particularly, this work deals with structural dyamics problems where its application is still quite new. Initially, the main hypothesis necessary to the application of the Karhunen-Loève expansion are presented, as well as two existing techniques for its implementation that have different domains of use. Special attention is payed to the relation between empirical eigenmodes provided by the expansion and mode shapes intrinsic to linear vibrating systems, both discrete and continuous, exemplified by a bidimensional truss and a rectangular plate. Furthermore, the advantages and disadvantages of using this expansion as an alternative tool for classical modal analysis are discussed. As a nonlinear application, the study of a vibroimpact system consisting of a cantilever beam whose transversal displacement is constrained by two elastic barriers is presented. The empirical eigenmodes provided by the Karhunen-Loève expansion are then used to formulate a reduced-order model through Galerkin projection and the performance of this new model is investigated.