Identificação experimental de trincas em vigas para monitoramento de integridade estrutural

Orientador : Prof. Dr. Carlos Alberto BavastriCoorientador : Prof. Dr. Juan Elías Perez IpiñaTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 16/11/2017Inclui referências : f. 81-86Resumo: Vários avanços na área de monitoramento de integridade estrutural (SHM, do inglês Structural Health Monitoring) e em técnicas de identificação de trincas foram alcançados nos últimos anos. Apesar disso, o uso destas técnicas para identificação de trincas em vigas em aplicações industriais ainda é discreto. Algumas razões podem ser apontadas para explicar este fato: alguns métodos propostos são inviáveis de um ponto de vista econômico ou logístico; as trincas são detectadas apenas quando elas já apresentam uma profundidade avançada; as estruturas a serem monitoradas estão sujeitas a carregamentos aleatórios, fazendo com que os métodos que usam excitações determinísticas não sejam representativos da situação real. Considerando este cenário, o objetivo deste trabalho é propor um método que possibilite a identificação e o monitoramento de trincas em vigas com um viés em condições operacionais, isto é, um método que identifique pequenas trincas remotamente e em tempo quase real, em vigas sujeitas a carregamentos quaisquer, com apenas um único acelerômetro. Para alcançar este objetivo, o método proposto combina um procedimento experimental baseado em uma análise modal operacional (AMO), um modelo numérico-computacional da viga danificada criado com o método dos elementos finitos (MEF) e um problema de otimização, resolvido através dos algoritmos genéticos (AG). O método foi testado sobre uma viga de aço, na qual trincas de diferentes profundidades foram inseridas. Um outro método, previamente proposto pelo mesmo grupo de pesquisa, foi replicado com o objetivo de identificar o dano na mesma viga. Este procedimento permitiu uma comparação direta entre os dois métodos. Os resultados mostraram que a posição e a profundidade da trinca podem ser determinadas pelo método atual com uma exatidão apropriada para muitas aplicações de engenharia. O método proposto tem várias vantagens sobre o anterior, já que ele identifica o dano em todos os casos estudados, é menos suscetível a erros experimentais, é mais aplicável quando as estruturas monitoradas estão localizadas em locais de difícil acesso e necessita de menos equipamentos. As limitações atuais sobre o seu uso também são discutidas. Palavras-chave: Identificação de trincas. Análise modal operacional (AMO). Monitoramento de integridade estrutural (SHM). Algoritmos genéticos (AG).Abstract: Several advances in the Structural Health Monitoring (SHM) field and in crack identification techniques were achieved in recent years. Nonetheless, the use of those techniques for crack identification in beams for industrial applications is still modest. A few reasons can be pointed to explain this fact: some proposed methods are unfeasible from the economic or logistic point of view, or the cracks are only detected when they already present an advanced depth, or the structures intended to be monitored are subjected to random loads, causing the methods using deterministic excitations to be unrepresentative of the actual situation. Considering that, the objective of this study is to propose a method that makes it possible to identify and monitor cracks in beams aiming at operational conditions, i.e., a method to identify small cracks remotely and almost in real time, in beams subjected to unknown loading, minimizing the measurement equipment used to a single accelerometer. To achieve so, the proposed method combines an operational modal analysis (OMA) based experimental procedure, a numerical-computational model of the damaged beam using the finite element method (FEM) and an optimization problem, solved by using the genetic algorithm (GA). The method was tested on a steel beam, into which cracks with different depths were inserted. Another method, previously proposed by the same research group for crack identification, was replicated, aiming at identifying the damage on the same beam. This allowed a direct comparison between the two methods. The results have shown that crack position and depth can be determined with appropriate accuracy by the current method for many engineering applications. The proposed methodology has several advantages over the previous one, since it identifies the damage in all the studied cases, is less susceptible to experimental errors, is more applicable when the monitored structures are set in difficult access places and requires less equipment. The current limitations on its use were also discussed. Key-words: Crack identification. Operational modal analysis (OMA). Structural health monitoring (SHM). Genetic algorithm (GA)