Numerical and experimental analysis of optimization and damage identification by the differential evolution method

Tese (Doutorado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Faculdade de Tecnologia, 2021.Atualmente, os problemas de otimização, utilizados para resolver problemas de identificação de danos, são recorrentes tanto na área acadêmica quanto na indústria. Aliar a identificação de danos e os processos de otimização na busca contínua por meios mais adequados, com consequente aprimoramento das informações disponíveis que caracterizam os problemas em estudo é essencial, e constitui uma das necessidades da engenharia atual, tendo em vista o estado evolutivo dos elementos estruturais quando em uso, no sentido da própria deterioração natural dos materiais, além de causas excepcionais que possam vir a ocorrer. Muitos pesquisadores vêm buscando aprimorar tanto a simulação do comportamento físico e real quanto a otimização da resposta estrutural, principalmente devido às dificuldades encontradas, como por exemplo, na modelagem da rigidez de conexões, nas condições de apoio ou nos parâmetros relevantes envolvendo danos. Neste contexto, essa pesquisa apresenta um estudo de ajuste de estruturas modeladas pelo Método de Elementos Finitos e baseado em dados numéricos e experimentais, estáticos (deslocamentos) e dinâmicos (modos de vibração e frequências naturais), por meio dos Problemas Inversos, possibilitando, assim, uma melhor compreensão do comportamento físico real das estruturas, bem como da aplicação de técnicas de otimização para simulação e identificação de danos. Análises dinâmicas, experimental e numérica, sobre uma viga metálica foi realizada para identificação de danos pelo Método de Evolução Diferencial. E ainda, a utilização da técnica de massa móvel adicional, para verificação da variação das frequências naturais, em conjunto com uma série de elementos de outras pesquisas com diferentes carregamentos e posições de danos foram simulados para comprovar a eficácia do algoritmo, apresentando resultados consistentes. Por fim, a partir de métodos de análises estáticas, foram apresentados parâmetros para o estabelecimento de etapas e alternativas para localização de danos, bem como a implementação de uma equação de danos simplificada para análises de quantificação de danos, demonstrando boas potencialidades de aprimoramento e visando facilitar aplicações em inspeções rotineiras de campo.Currently, optimization problems, used to solve damage identification problems, are recurrent both in the academic area and in the industry. Combining the damages identification and the optimization processes in the continuous search for more appropriate means, with the consequent improvement of available information that characterize the problems under study is essential, and constitutes one of engineering current needs, considering the evolutionary state of the structural elements when in use, in the sense of the materials natural deterioration, in addition to exceptional causes that may occur. Many researchers have been seeking to improve both the simulation of physical and real behavior and the structural response optimization, mainly due to the encountered difficulties, for example, in the connections stiffness modeling, in the support conditions or in the relevant parameters involving damages. In this context, this research presents a study of the modeled structures adjustment by the Finite Element Method and based on numerical and experimental, statics (displacement) and dynamics (vibration modes and natural frequencies), through Inverse Problems, thus enabling a better understanding of the real physical behavior of structures, as well as the application of optimization techniques for simulation damage identification. Dynamic analyzes, experimental and numerical, about a steel beam were performed to identify damage by the Differential Evolution Method. Furthermore, the use of the additional rove mass technique to verify the natural frequencies variation, together with a series of elements from other researches with different loads and damage positions were simulated to prove the algorithm effectiveness, presenting consistent results. Finally, using static analysis methods, parameters were presented for the establishment of steps and alternatives for damage location, as well as a simplified damage equation implementation for damage quantification analysis, demonstrating good potential for improvement in order to facilitate applications in routine field inspections