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O monitoramento da saude estrutural e um sistema de acompanhamento periodico da integridade aplicado em estruturas civis, onde a analise dinâmica pode ser empregada uma vez que modificacoes de rigidez sao refletidas nos parâmetros modais oscilatorios do sistema. A literatura de interesse aponta que a analise de correlacao dos modos de vibracao – com o emprego dos coeficientes MAC e COMAC – nem sempre e capaz de detectar satisfatoriamente a ocorrencia e a localizacao de danos. O presente estudo, contudo, ao inferir sobre a qualidade dos dados utilizados para definicao desses coeficientes e sobre etapas posteriores de analise, pretende sugerir a eficâcia da localizacao de danos, principalmente com o emprego do coeficiente COMAC. As analises foram desenvolvidas utilizando o software computacional de elementos finitos Ansys, para uma viga de concreto armado de pequeno porte. Foram analisados 4 casos de deterioracao fisica com perda de concreto em parte da secao transversal do elemento. Mostra-se que tal abordagem e eficaz na localizacao de danos com significativa precisao, a depender da discretizacao dos dados avaliados e do pos processamento matematico aplicado.

Spar floating platforms have been largely used for deepwater drilling, oil and natural gas production, and storage. In extreme weather conditions, such structures may exhibit a highly nonlinear dynamical behavior due to heave-pitch coupling. In this paper, a 2-DOF model is used to study the heave and pitch dynamical response in free and forced vibration. Special attention is given to the determination of the nonlinear vibration modes (NNMs). Nonsimilar and similar NNMs are obtained analytically by direct application of asymptotic and Galerkin-based methods. The results show important NNM features such as instability and multiplicity of modes. The NNMs are used to generate reduced order models consisting of SDOF nonlinear oscillators. This allows analytic parametric studies and the derivation of important features of the system such as its frequency-amplitude relations and resonance curves. The stability is analyzed by the Floquet theory. The analytical results show a good agreement with the numerical solution obtained by direct integration of the equation of motion. Instability analyses using bifurcation diagrams and Mathieu charts are carried out to understand the fundamental mechanism for the occurrence of unstable coupled heave-pitch resonant motions of floating structures in waves and to study the dependencies of the growth rate of unstable motions on physical parameters.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO Estruturas offshore têm demandado, em função do aumento da profundidade da lâminha de água e da severidade do ambiente, análises de vibração cada vez mais confiáveis. Em face de oscilações com grandes deslocamentos, torna-se imprescindível uma análise não linear dessas estruturas. Métodos numéricos como os elementos finitos constituem-se numa tarefa computacionalmente custosa, uma vez que os acoplamentos modais tornam necessários modelos com muitos graus de liberdade. Isso dificulta as análises paramétricas e prolonga os ciclos de projeto para estruturas offshore. Uma alternativa a esses problemas é o uso de modelos de ordem reduzida. Os modos normais não lineares têm-se mostrado uma ferramenta eficiente na derivação de modelos de ordem reduzida para análises de vibrações não lineares. Isso ocorre porque um número menor de modos não lineares, em relação aos modelos com modos lineares, é necessário para se obter o mesmo nível de precisão num modelo reduzido. Esse trabalho utiliza modelos de ordem reduzida, obtidos por meio de análise modal não linear, para o estudo de vibração de modelos simplificados de estruturas offshore. Três exemplos de aplicação são utilizados: pêndulo invertido, torre articulada e plataforma spar. Além dos métodos baseado no procedimento de Galerkin e o assintótico, um procedimento numérico alternativo é proposto para obtenção dos modos, podendo ser utilizado para construção dos modos essencialmente não lineares. As vibrações livres e forçadas são estudadas. A estabilidade das soluções é analisada utilizando-se a teoria de Floquet, diagramas de bifurcação e de Mathieu e seções de Poincaré. As seções de Poincaré são também utilizadas para identificar a multiplicidade dos modos não lineares e a existência de multimodos. Os resultados são comparados com a solução obtida da integração numérica do sistema original de equações, mostrando uma boa precisão dos modelos reduzidos. The increasing water depth and the ocean adverse environment demand more accurate vibration analysis of offshore structures. Due to large amplitude oscillations, a nonlinear vibration analysis becomes necessary. Numerical methods such as finite element constitute a computationally expensive task when applied to these problems, since the occurrence of modal coupling demands a high number of degrees-of-freedom. A feasible possibility to overcome these difficulties is the use of low order models. The nonlinear normal modes have been shown to be an effective tool in the derivation of reduced order models in nonlinear dynamics. In the use of nonlinear modal analysis fewer modes are required to achieve a given level of accuracy in comparison to the use of linear modes. This work uses the nonlinear normal modes to derive low dimensional models to study the vibration of simplified models of offshore structures. Three examples are considered: an inverted pendulum, an articulated tower and a spar platform. Both free and forced vibrations are studied. The asymptotic and Galerkin-based methods are used to derive the normal modes. In addition, an alternative numerical procedure to construct such modes is proposed, which can be used to derive coupled modes. The solution stability is determined by the use of the Floquet theory, bifurcation and Mathieu diagrams, and Poincaré sections. The Poincaré sections are also used to investigate the multiplicity of modes and multimodes. The results obtained from the numerical integration of the original system are favourably compared with those of the reduced order models, showing the accuracy of the reduced models.

Spar floating platforms have been largely used for deep water drilling, oil and natural gas production and storage of these fluids. In extreme weather conditions such structures may exhibit a highly nonlinear dynamic behavior. In this paper a 2-DOF model is used to study the heave and pitch coupled response in free and forced vibration. Special attention is given to the determination of the nonlinear vibration modes (NNMs). Non-similar and similar NNMs are obtained analytically by direct application of asymptotic methods and the results show important NNM features such as instability and multiplicity of modes. The NNMs are used to generate reduced order models that consist of 1-DOF nonlinear oscillators. It facilitates the parametric analysis and the derivation of important features of the system such as the frequency-amplitude relation associated to each nonlinear mode and resonance curves. The stability is analyzed by the Floquet theory. Bifurcation diagrams and Mathieu charts are used to identify the unstable regions in the force parameter space. The analytical results show good agreement with the numerical solution obtained by direct integration of the equation of motion.Copyright © 2012 by ASME

A number of practical structures such as compliant offshore towers can be physically modeled, as a first approximation, as an inverted pendulum. The nonlinear dynamics of such model can present some complex features due to the nonlinear coupling among its degrees-of-freedom. In this paper a model of a spatial inverted pendulum restrained by three inclined extensional springs is adopted. Geometric imperfections are considered, and the solutions for both perfect and imperfect systems are presented herein. Especial attention is given to the determination of the nonlinear vibration modes. Non-similar and similar NNMs are obtained analytically by direct application of asymptotic methods and the results show important NNM features such as instability and multiplicity of modes. Poincare maps of the conservative system are used to identify the existence of modes that do not have a linear counterpart. Analytical approximations are derived for these nonlinear modes by the use of a two-dimensional polynomial fitting procedure obtained by the application of the Levenberg-Marquardt method. The points coordinates used in the fitting procedure were obtained through numerical integration of the governing equations of motion. Such analytical expressions can then be used in modal reduction, parametric analysis and in the derivation of important features of the system such as its frequency-amplitude relations and resonance curves.Copyright © 2011 by ASME

COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR Um dos resultados fundamentais na mecânica clássica é que, para sistemas lineares com n graus de liberdade, existem n modos de vibração ortogonais e que as freqüências naturais são independentes da amplitude de vibração. Além disso, qualquer movimento da estrutura pode ser obtido como uma combinação linear desses modos. No caso de sistemas não-lineares, isto não mais se verifica e a relação entre freqüência, amplitude e os modos de vibração precisa ser determinada. A obtenção dessas informações para estruturas se dá em geral pelo uso de programas de análise não-linear baseados em uma formulação em elementos finitos. Contudo, isto é um procedimento custoso computacionalmente. Uma abordagem mais viável é o uso de modelos discretos compatíveis de baixa dimensão, por meio dos quais as freqüências e os modos não- lineares são obtidos. Neste trabalho é proposto um procedimento para a derivação de modelos de redução de dimensão para vigas e pórticos planos esbeltos. As equações diferenciais de movimento são obtidas a partir da aplicação das técnicas variacionais a um funcional não-linear de energia. A obtenção do modelo se dá através do emprego dos métodos de Ritz ou Galerkin para a redução espacial e do balanço harmônico para redução no tempo. Os modos lineares são utilizados como uma primeira aproximação para os modos não-lineares. As relações freqüência-amplitude são satisfatoriamente obtidas para vibrações livre e forçada (não-amortecida e amortecida). Entretanto, essas curvas apresentam, em geral, no regime não-linear, pontos limites, sendo obtidas, portanto, com uso do método do controle de comprimento de arco. Uma correção para o modo- linear é obtida com uso dos métodos dos elementos finitos e da perturbação. Um estudo paramétrico e das condições de contorno é apresentado para vigas. O comportamento não-linear de pórticos em L é também analisado. Para esses pórticos é estudada a influência de cargas axiais e da geometria. Os resultados são comparados com soluções analíticas encontradas na literatura. One of the fundamental results in classical mechanics is that linear systems with n degrees of freedom have n orthogonal vibration modes and n natural frequencies which are independent of the vibration amplitude. Any motion of the system can be obtained as a linear combination of these modes. This does not hold for nonlinear systems in which case amplitude dependent vibrations modes and frequencies must be obtained. One way of obtaining these informations for arbitrary structures is to use a nonlinear finite element software. However, this is a cumbersome and time consuming procedure. A better approach is to derive a consistent low dimensional model from which the nonlinear frequencies and mode shapes can be derived. In this work a procedure for the derivation of low dimensional models for slender beams and portal frames is proposed. The differential equations of motion are derived from the application of variational techniques to a nonlinear energy functional. The linear vibration modes are used as a first approximation for the nonlinear modes. The Galerkin and Ritz methods are used in the model for the spatial reduction and the harmonic balance method for the reduction in time domain. This allows the analysis of the free and forced (damped or undamped) vibrations of the structure in non- linear regime. However nonlinear resonance curves usually presents limit points. To obtain these curves, a methodology for the solution of non-linear equations based on an arc-length procedure is derived. Based on the finite element methods and using the basic ideas of the perturbation theory, a correction for the nonlinear vibration modes is derived. The influence of boundary conditions, geometric, and force parameters on the beam response is analyzed. The behavior of L frames is studied. For this kind of frame, the influence of axial loading and geometric parameters on the response is studied. The results are compared with analytical solutions found in the literature.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA Algumas máquinas produzem solicitações dinâmicas que são transferidas às fundações por meio de movimentos vibratórios. É necessário analisar e estudar esses movimentos vibratórios durante o projeto da fundação para evitar danos aos equipamentos, à própria fundação e às estruturas vizinhas. Este tipo de analise também é muito importante para a segurança e saúde ocupacional de pessoas que venham a frequentar tais estruturas. Por esta razão as frequências naturais de vibração são importantes para o dimensionamento dinâmico de fundações, para se evitar efeitos de ressonância e amplificação de deslocamentos. Neste trabalho, estacas embutidas em fundações elásticas de Winkler foram estudadas. As vibrações longitudinais e transversais foram investigadas. As frequências naturais foram calculadas pelo método de Rayleigh-Ritz considerando estacas como elementos de barra embutidas em fundação elástica no caso da avaliação de vibrações longitudinais, e como vigas embutidas em base elástica no caso da avaliação das vibrações transversais. Na modelagem dos elementos de barra e viga utilizaram-se para aproximações dos deslocamentos funções convencionais enriquecidas com n funções adicionais. As constantes de mola de Winkler foram determinadas por provas de carga verticais e horizontais. Os resultados das vibrações longitudinais foram comparados com medições in situ com estacas reais. Os valores reais da vibração longitudinal das estacas foram obtidos pela aplicação da técnica Fast Fourier Transform nas acelerações resultantes de ensaios de carregamentos dinâmicos, que impõem uma vibração forçada no sistema estaca-solo. Some machines create dynamic efforts that are transferred to foundations by vibratory movements. Is necessary to analyze and study these movements during foundation design in order avoid damages in equipment, in foundation and in neighbor structures. This analysis is also important to safety and health of persons. For this reason natural vibration frequencies are important to dynamic design of foundations, to avoid resonance effects and displacements amplification. In this work, piles embedded in Winkler elastic foundations were studied. The longitudinal and transversal vibrations were investigated. The natural frequencies are calculated by Rayleigh-Ritz method modelling piles as bars embedded in elastic foundations in the case of longitudinal vibration evaluation, and beams embedded in elastic foundations in the case of transversal vibration evaluation. The bars and beams elements are modeled using conventional shape function enriched with n additional functions. The Winkler spring constants were evaluated by vertical and horizontal load tests. The longitudinal vibration results were compared with in situ measurements in real piles. The longitudinal vibration real values of piles were obtained by Fast Fourier Transform in acceleration data of dynamic load tests that impose a forced vibration in soil-pile system.