Figura 2.1: Os quatro níveis de condição estrutural segundo Rytter (1993).
(2003).
2.2
Monitoramento por Meio de Vibrações Mecânicas
Muitas técnicas SHM desenvolvidas ao longo dos anos baseiam-se na detecção de mu- danças no comportamento dinâmico dos componentes monitorados. Avaliações valiosas do estado-da-arte na dinâmica baseada em SHM pode ser encontrada em Doebling et al. (1996), Sohn et al. (2003) e Staszewski et al. (2004) apud Gopalakrishnan et al. (2011b). As técni- cas de inspeção baseadas em dinâmica estrutural são tipicamente classificadas como métodos baseados em vibração e métodos de propagação de ondas. As técnicas de detecção de danos baseadas em vibrações geralmente monitoram mudanças nas frequências naturais, modos de vibração e seus derivados.
A principal ideia por de trás das técnicas de detecção de danos baseadas em mudanças dinâmicas estruturais é o fato de que os parâmetros modais (frequências naturais, modos de vibração e amortecimento modal) são funções de parâmetros físicos (massa, rigidez e amorte- cimento), sendo assim, é razoável assumir que a existência de um dano leva a mudanças nas propriedades modais na estrutura (Montalvão et al. (2006)). Ainda, os parâmetros modais são mais úteis e fáceis para um ajuste de modelos se comparados aos índices de danos que podem ser calculados somente oriundos de uma série temporal, fato que toma mais tempo que uma análise modal.
A análise modal é um dos poucos métodos não destrutivos que são tecnicamente sufi- cientemente maduros para serem utilizados como um sistema integrado de detecção de danos (Boller (2000)). As técnicas locais de identificação de danos, como os métodos ultra-sônicos e os métodos de raios-X, exigem que a vizinhança do dano seja conhecida a priori e prontamente acessível para testes, o que não pode ser garantido na maioria dos casos em engenharia. Assim, o método de identificação de danos baseado em vibração como técnica global de identifica-
2.2. Monitoramento por Meio de Vibrações Mecânicas 31
ção de danos abordada nesta tese, é desenvolvida para superar estas dificuldades (Fan e Qiao (2011)).
De acordo com Gopalakrishnan et al. (2011b), estudos de técnicas baseadas em vibração podem avaliar a influência das reduções de rigidez nas frequências naturais causadas por da- nos. Estas investigações demonstraram que as frequências naturais são melhores indicadores de danos, que geralmente mostram baixa sensibilidade e não permitem a determinação da locali- zação dos danos. Ainda segundo os mesmos autores, estudos mais recentes têm investigado os efeitos de danos localizados nos modos de vibração, formas de deflexão operacional (Operating Deflection Shape- ODS) e curvaturas correspondentes. Estes métodos baseados em propiedade modais vêm sendo muito atraentes, pois fornecem informações sobre o estado geral da saúde estrutural bem como a possibilidade de identificar danos em regiões aproximadas.
2.2.1
Frequências naturais
Uma das características básicas que se pode usar para a detecção de danos, são as frequên- cias naturais. Estas possuem a vantagem de poderem ser adquiridas sem recurso de um teste modal completo. Uma análise espectral básica de um único teste de excitação aleatório com um sensor de resposta pode ser suficiente. Uma vantagem adicional das frequências naturais é que elas podem ser estimadas com bastante precisão, tipicamente até 1% (Worden e Friswell (2009)). Uma alteração na frequência natural pode ser tomada como uma indicação de danos no sistema. Ao considerar as mudanças em muitas frequências naturais, pode-se potencial- mente deduzir outras características do dano, como por exemplo, uma possível localização de determinado dano estrutural.
Segundo Sinou (2009), a alteração das frequências naturais pode ser considerada como um dos métodos de detecção de danos preponderantes nos procedimentos de avaliação estru- tural. Quando existe um dano numa estrutura, a rigidez é reduzida e consequentemente a di- minuição das frequências naturais do sistema pode ser observada. Uma das maiores vantagens desta técnica de detecção é que as medições de frequência podem ser conduzidas de forma rápida e fácil. Além disso, as técnicas experimentais utilizadas para a determinação de frequên- cias naturais são técnicas clássicas de medição de vibrações, permitindo assim que as medições vibratórias não sejam extensivas com um grande número de pontos de medição e um procedi- mento experimental relativamente barato.
Outra vantagem é que as medições de frequência podem ser extraídas com uma precisão relativa confiante e as incertezas nas frequências medidas podem ser facilmente estimadas se as medições experimentais forem feitas com um controle adequado das condições experimentais. Além disso, o conhecimento do comportamento dinâmico global de sistemas não danificados é muito fácil de obter usando desenvolvimentos analíticos ou modelos de elementos finitos, permitindo assim que os pontos de medição sejam adequadamente escolhidos não só para uma
2.2. Monitoramento por Meio de Vibrações Mecânicas 32
detecção rápida e eficiente das alterações nas frequências, mas também para a identificação da localização dos danos e da severidade (Sinou (2009)).
De acordo com Doebling et al. (1996), o primeiro artigo que propôs a detecção de danos usando a medição de vibração foi escrito por Lifshitz e Rotem (1969) apud Sinou (2009). Os autores fizeram uso das variações nas frequências naturais por meio de mudanças nos módulos dinâmicos para detectar danos. Adiante, Hearn e Testa (1991) demonstraram que a mudança na i-ésima frequência natural pode ser aproximada pela Equação 2.1.
∆ωi2 = (N(Φi)) T∆k n(N(Φi)) ΦT i M Φi (2.1)
sendo M a matriz de massa. Φi define o i-ésimo modo de vibração e N(Φi) o vetor de defor-
mação que é computado do modo de vibração. ∆kn é a variação da matriz de rigidez devido à
presença do dano. A equação anterior assume que o dano não modifica a matriz de massa. A gama de frequências utilizadas no problema de detecção de danos tem uma grande influência na obtenção dos resultados. A grande vantagem de se utilizar medição de vibração em baixas frequências é que os modos são geralmente globais e os sensores de vibração podem ser facilmente montados em campo (Friswell (2007)).
O método que usa medições nas variações de frequências naturais estruturais de baixa frequência são feitas em um único ponto na estrutura em conjunto com uma análise dinâmica do sistema para detectar o dano. A vantagem do método é que a frequência natural e a ra- zão de amortecimento podem ser obtidas usando medição num único ponto na estrutura e são independentes da posição de medição escolhida. No entanto, requer uma análise dinâmica su- ficientemente precisa da estrutura para obter as formas modais para estimar a localização e severidade do dano (Guan et al. (2017)).
Vários pesquisadores tentaram detectar danos em estruturas usando variações nas frequên- cias naturais como exposto no Capítulo 1. Logo, percebe-se a vasta aplicabilidade do uso deste parâmetro como critério de dano em estruturas mecânicas.
2.2.2
Modos de vibração
Modos de vibração são características de resposta estrutural que se opoem às frequências naturais, pois estes sofrem alterações locais na presença de danos localizados, assim, eles po- dem ser mais eficazes na localização de danos. O preço que se paga pela flexibilidade extra proporcionada pelas modos de vibração é a tarefa de realizar um teste modal completo com sensores de múltiplas respostas e instrumentação complexa e sofisticada. Outro problema com os modos é que não é possível efetuar uma medição com a mesma precisão que as frequências