Detecção de dano em estruturas utilizando identificação modal estocástica e um algoritmo de otimização

Abstract

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.