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[pt] Discutimos a determinação da confiabilidade de sistemas eletrônicos. Consideramos como sistemas típicos os teclados eletrônicos pois estes combinam simplicidade e abrangência. Apresentamos métodos de determinação dos parâmetros de confiabilidade a nível de componentes e sistemas, bem como a utilização de modelos matemáticos extraídos da teoria da confiabilidade. Descrevemos os equipamentos projetados para a coleta de dados. Apresentamos resultados práticos que implicam em aumento da confiabilidade dos sistema produzidos.

[en] We discuss the evaluation of the reliability of eletronic systems. We use eletronic keyboards as a typical eletronic system, as they are simple enough to make the propposal practical while still covering a wide field. We presented methods of determination of reliability parameters of components and systems, through the use of mathematical models from reliability theory. We describe the design of specific data aquisition equipments. We present practical results lending to the enhancement of the reliability of the manufactured systems.

Advisors/Committee Members: ANTONIO CARNEIRO DE MESQUITA FILHO, MARIO VAZ DA SILVA FILHO.

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[pt] O mecanismo de falha por corrosão se apresenta, na maioria dos casos, como o fator limitante na operação continuada de um duto. Esse mecanismo reduz a resistência mecânica do duto, aumentando a necessidade de reparos com a conseqüente diminuição da capacidade produtiva. A determinação da resistência remanescente através da aplicação de metodologias semi-empíricas é uma prática mundialmente aplicada, fato este que promoveu o surgimento de diversos programas destinados à aplicação sistematizada dos métodos semi-empíricos. Além do cálculo da resistência remanescente, os aplicativos desenvolvidos fornecem diversas ferramentas adicionais, como a avaliação da confiabilidade das ferramentas de inspeção, o cálculo do tempo ótimo para re-inspeção e a determinação da confiabilidade do duto. No desenvolvimento deste trabalho, foram comparados três diferentes programas na avaliação da integridade imediata e futura de dutos de aço com defeitos de corrosão, dando-se ênfase na comparação das pressões de falha e das probabilidades de falha fornecidas pelos programas. Com o objetivo de estabelecer valores de referência, um modelo analítico para o cálculo da probabilidade de falha imediata e futura foi desenvolvido, dando enfoque nas incertezas associadas à medição feita por PIG Instrumentado e às associadas às taxas de corrosão na profundidade e no comprimento do defeito. Os diferentes métodos foram aplicados sobre um defeito hipotético isolado, e em seguida em três diferentes dutos com defeitos reais de corrosão, abrangendo diversas condições operacionais, de projeto e quanto ao estado de corrosão. Na comparação dos programas, foram observados diferentes modelos de cálculo da probabilidade de falha quanto à avaliação dos modos de falha por ruptura e por vazamento como fenômenos dependentes e independentes. Os resultados de probabilidade de falha apresentados pelos diferentes modelos se mostraram congruentes apenas em defeitos onde o modo de falha por vazamento se apresenta como dominante. Em defeitos onde o modo de falha por ruptura se mostra expressivo, o modelo de avaliação dos modos falha por ruptura e por vazamento como fenômenos independentes apresenta maiores valores de probabilidade de falha. Além disso, foi possível observar a influência dos diferentes modelos de crescimento do defeito na previsão da pressão de falha e da probabilidade de falha. Observou-se também a importância do uso de modelos de interação de defeitos, observando-se pressões de falha até 50% inferiores com o uso do modelo de interação de defeitos.

[en] The corrosion failure mechanism presents itself, in most of cases, as the limiting factor of the continued operation of a steel pipeline. This failure mechanism reduces the strength of the pipeline, increasing the demand for repair, and consequently, reducing the production capacity. The determination of the pipeline remaining strength through semi-empirical methodology application is a practical worldwide applied, fact that promoted the appearance of many computer programs for the systematic…

Advisors/Committee Members: JOSE LUIZ DE FRANCA FREIRE.

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[pt] A metodologia da Manutenção Centrada em Confiabilidade (MCC) reúne um conjunto de práticas que possibilita a criação, de modo sistemático e racional, de programas de manutenção focados na preservação das funções de sistemas dos quais as máquinas são componentes, o que tem levado a um crescente interesse em sua aplicação aos mais diversos contextos industriais. São apresentados aqui os fundamentos da metodologia e é feita uma aplicação de seus princípios à revisão do programa de manutenção preventiva atualmente adotado por FURNAS Centrais Elétricas S.A. para secionadores de alta tensão. Pretendeu-se, com isto, verificar a aplicabilidade e exercitar a adaptação da MCC a equipamentos de subestações elétricas, obtendo-se resultados que indicam não haver empecidos para a aplicação da metodologia a subestações de energia elétrica, mas apontam para a necessidade de se avaliar a eficiência de tal aplicação, através de uma análise e custos e benefícios.

[en] The methodology of Reliability-Centered Maintenance combine practices and theoretical finds from the Field of Reliability Engineering to design, in a systematic and rational way, maintenance programs focused on the functions of the systems instead of their components. This dissertation presents an application of the basic principles of RCM methodology to the revision of FURNAS Centrais Elétricas’s switchs’ maintenance program. The aim of this application is to verify the adaptation of RCM methodology to high voltage electrical equipaments. The results achieved suggests that RCM is a universally applicable methodology but management must be sure that benefits are greater than costs before to decide to apply this methodology to a particular installation.

Advisors/Committee Members: LEONTINA MARIA VIANNA GRAZIADIO PINTO, LEONTINA MARIA VIANNA GRAZIADIO PINTO.

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[pt] O aumento da complexidade dos sistemas nos últimos anos, particularmente dos sistemas digitais, exige o desenvolvimento de técnicas de avaliação da segurança de funcionamento destes sistemas, muitas técnicas têm sido desenvolvidas. Apresentamos, aqui, um programa para a avaliação de sistemas. Utilizamos, para tal, a estrutura dos processos Markovianos. Este programa permite, além da avaliação da confiabilidade, um novo tipo de análise, ou seja, a análise combinada confiabilidade/Ganhos.

[en] The high complexity of the systems in the last recent years, particularly the digital systems, requires the development of technics for systems confiability evaluations. Many of these technics have been developed. Here, we present a computation program for systems evaluation. We utilize, for that, the markovien processes structure. Besides from helping evaluate the confiability, this program give us a new type of analysis. The combined analysis; confiability/rewards.

Advisors/Committee Members: JORGE MOREIRA DE SOUZA.

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[pt] Em todo projeto de estruturas de engenharia existem incertezas associadas às propriedades dos materiais, às propriedades geométricas e aos carregamentos. Essas incertezas geralmente são consideradas através de fatores de segurança. A análise de confiabilidade aplicada ao projeto de estruturas é uma ferramenta que permite avaliar a probabilidade de falha da estrutura para um determinado modo de comportamento e a sensibilidade deste projeto em relação às variáveis consideradas. Neste trabalho são aplicadas estratégias de avaliação da confiabilidade das vigas principais de uma ponte existente de concreto armado, as quais são verificadas no estado limite último na flexão simples e no estado último de serviço na formação de fissuras, segundo as recomendações da NBR6118:2003. Foram desenvolvidas rotinas com o auxílio do programa Matlab para avaliar a probabilidade de falha da ponte segundo o método de simulação de Monte Carlo e o método FORM (First Order Reliability Method). Também é realizada uma análise de sensibilidade para analisar a influência de cada variável na confiabilidade da ponte.

[en] In the project of engineering structures, some design variables are usually taken as deterministic, although there are uncertainties associated with loads, material and geometrical properties. The use of safety factors is the most common strategy to deal with these uncertainties. The reliability analysis of structures is a tool to assess the probability of structural failure in a certain behavior and the sensitivity of this failure in relation to each variable considered. This work is concerned with the reliability analysis of the main beams of an existing bridge made of reinforced concrete, which is checked at the ultimate limit state in simple bending and the ultimate state of service in the formation of cracks as recommended by NBR6118: 2003. Matlab routines are developed in order to assess the probability of failure of the bridge using two methods: Monte Carlo simulation and FORM (First Order Reliability Method). Additionally, a sensitivity analysis is performed in order to analyze the influence of each variable in the reliability of the bridge.

Advisors/Committee Members: MARTA DE SOUZA LIMA VELASCO.

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[pt] A teoria clássica de finanças considera que os investidores racionais são capazes de arbitrar ou desfazer distorções provocadas por investidores menos racionais ou providos de sentimento. Entretanto, distorções persistentes nos preços de ativos de mercado levam a crer que há limites à arbitragem. Novos modelos visam a entender como fatores comportamentais influenciam o retorno futuro das ações, de modo a explicar as flutuações de mercado e indicar a formação de bolhas especulativas. Sendo assim, o presente trabalho tem como objetivo construir um índice de sentimento do mercado brasileiro de janeiro de 2002 a dezembro de 2009, verificando as relações entre o sentimento do mercado e a precificação das ações em períodos subseqüentes. Dentre as variáveis para a construção do índice de sentimento, lança-se mão de indicadores relacionados a transações na Bolsa de Valores de São Paulo e na Comissão de Valores Mobiliários brasileira, além do índice de confiança do consumidor. Os resultados deste estudo empírico indicam que há uma relação negativa entre o sentimento dos investidores e a precificação dos ativos no trimestre subseqüente, sendo esta relação mais forte em empresas que apresentam maior risco e menor valor de mercado.

[en] The classical finance theory considers that rational investors are capable of arbitrate or offset distortions provoked by less rational investors. However, persistent distortions in asset pricing suggest that there are limits to arbitrage. New models intend to understand how behavioral factors influence the stock return in subsequent periods, in order to explain market fluctuation and the formation of speculative bubbles. The main objective of the present work is to build a sentiment index of the Brazilian market, from January 2002 until December 2009, verifying the relations between market sentiment and the value of some stocks in the subsequent period. Among the variables used in the sentiment index, there are indicators related to transactions in the São Paulo Stock Exchange and the Brazilian Securities and Exchange Commission and the consumer confidence index. The results of this empirical study indicate that there is a negative relation between the investors’ sentiment and the asset pricing in the following quarter. This relation is stronger in companies that are riskier and have smaller market value.

Advisors/Committee Members: MARCELO CABUS KLOTZLE.

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[pt] Uma empresa de energia elétrica tem por obrigação garantir a continuidade e a qualidade do serviço prestado. A fim de incentivar a qualidade do serviço, a ANEEL introduziu penalidades nos contratos com as concessionárias de serviços públicos de transmissão de energia elétrica caso as instalações de transmissão sejam desligadas, por acidente, falha de equipamento ou manutenção programada. Com base nas práticas de Manutenção Centrada na Confiabilidade, este trabalho propõe uma determinação dos intervalos de manutenção programada para minimizar as penalidades pagas por uma empresa de transmissão de energia elétrica devido ao desligamento de equipamentos. Desenvolveu-se um método para a determinação das probabilidades em regime permanente dos estados que representam os desligamentos do sistema de proteção e suas respectivas taxas de transição, utilizando-se técnicas de Freqüência e Duração. A taxa de falha dos equipamentos foi determinada tendo como base dados do sistema de proteção coletados ao longo de onze anos, onde as manutenções programadas foram realizadas a cada três anos. Determinou-se a taxa de falha do sistema de proteção considerando-se outros intervalos fixos para a manutenção programada. Para cada intervalo fixo de manutenção, supôs-se que a taxa de falha encontrase na região onde ela é constante. Nesta região as falhas ocorrem aleatoriamente é podem ser descritas por uma função densidade de probabilidade exponencial. Para uma concessionária, é preferível assumir mais riscos a ter que pagar penalidades por manutenções programadas, enquanto que para uma outra é recomendável ser cautelosa é pagar mais por realização de manutenções programadas assumindo menos riscos de pagamentos por indisponibilidade não programada. Foram experimentados ní­veis de riscos aceitáveis ao problema utilizando-se técnicas da teoria econômica.

[en] An electrical utility has for obligation to guarantee the continuity and the quality of the given service. In order to stimulate the quality of the service the Brazilian energy agency introduced penalties in contracts with the electrical utilities of transmission in case the transmission installations is off for accident, failure of equipment or scheduled maintenance. On the basis of practical Reliability Centered Maintenance, this thesis considers a determination of maintenance intervals to minimize the economical impacts due to equipment disconnection. These disconnections are represented through the probabilistic model of the protection of transmission systems. A method for determination of the steady states probabilities of the protection system and its transitions rates was developed using techniques of Frequency and Duration. The failure rate of the component was determined using data collected from protection of transmission systems throughout eleven years, where the maintenances had been carried through every three years. It was determined the protection failure rate considering others intervals of maintenance. For each interval of maintenance, one assumed that the failure…

Advisors/Committee Members: RICARDO BERNARDO PRADA.

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[pt] Metrologia e qualidade estão intimamente relacionadas e constituem-se em poderoso instrumento de transformação da infraestrutura tecnológica de países e organizações. O avanço do desenvolvimento científico e tecnológico está fortemente embasado no avanço da metrologia. O Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade industrial (INMETRO) é o órgão máximo responsável pela conservação e manutenção das unidades de base e derivadas do Sistema Internacional de Unidades (SI) no país. A grandeza tensão em corrente contínua, até 1 kV, está disponível e rastreada a padrões nacionais na Rede Brasileira de Calibração (RBC). Contudo, para tensões maiores que 1 kV, pois ainda carece de laboratórios acreditados pelo INMETRO para prestar serviços para a indústria de equipamentos elétricos em Alta Tensão em Corrente Contínua (HVDC). Deve-se considerar, ainda, que novos investimentos na geração e transmissão em larga escala de energia mobilizam a indústria e geram demanda para ensaios em novos equipamentos que serão instalados. Para realizar esses ensaios, de forma a garantir exatidão, confiabilidade e rastreabilidade, é necessária uma estrutura metrológica em Alta Tensão, ou seja, é preciso criar padrões e incentivar a acreditação de laboratórios. Nesse sentido o objetivo desta dissertação foi à construção de um protótipo de Divisor para Alta Tensão (DVAT) do tipo resistivo de alta impedância, para medição da grandeza tensão em corrente contínua acima de 1 kV. O padrão foi construído para ser utilizado na faixa de 1 kV a 50 kV e será calibrado em baixa tensão rastreado à RBC. Em alta tensão será o elo na cadeia de rastreabilidade entre o padrão do INMETRO e os divisores dos laboratórios industriais e também na calibração de padrões de trabalho para HVDC na faixa de 1 kV a 250 kV.

[en] Metrology and quality are closely related and constitute a powerful tool for transforming the technological infrastructure of countries and organizations. The advancement of scientific and technological development is strongly grounded in the advancement of metrology. The National Institute of Metrology, Standardization and Industrial Quality (INMETRO) is the highest organism responsible by the conservation and maintenance of base and derived units of the International System of Units (SI) in the country. The quantity voltage, up to 1 kV, is traced to national standards in the Brazilian Calibration Network (RBC), but for voltages above 1 kV there is no laboratory in the country accredited by INMETRO to provide services for the electrical equipment industry in HVDC. It should also be considered that new investments in generation and transmission of large scale energy mobilize the industry and generates demand for testing of new equipment. To perform these tests, so as to ensure reliability, accuracy and traceability, a metrology structure is needed in high voltage, so it is necessary to create standards and encourage the accreditation of laboratories. In this sense the main purpose of this dissertation was to build a prototype for a…

Advisors/Committee Members: CARLOS ROBERTO HALL BARBOSA.

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[pt] Neste trabalho são apresentados conceitos usados na avaliação da confiabilidade estrutural com o objetivo de calcular a probabilidade de falha de uma estrutura enquanto ela atende aos fins para os quais foi projetada durante sua vida útil. Uma metodologia de análise de confiabilidade estrutural foi desenvolvida, tendo como foco os dutos de transporte de óleo e gás natural, embora possa ser aplicada a diferentes equipamentos. A metodologia permite o acoplamento de diferentes eventos que possam ocorrer na vida de uma estrutura. Entende-se por eventos a aparição de defeitos por diferentes vias: processos corrosivos, danos por terceiros, operações incorretas, etc., ou, eventos relacionados à inspeção da estrutura, duto ou equipamento. Cada evento é descrito por uma função de estado limite do tipo capacidade x demanda. O acoplamento desses estados limites é dado pela união ou interseção deles (sistemas em série, paralelo, ou combinação deles). A análise é reduzida ao cálculo da confiabilidade de um sistema, cuja solução é feita usando a função padrão multinormal e os métodos de primeira ordem FORM, para o cálculo da probabilidade de falha de cada estado limite, e os métodos do produto das probabilidades condicionais PCM e I-PCM, para o cálculo da probabilidade de falha do sistema através da integral multinormal. As informações obtidas dos resultados desta metodologia podem ser úteis na geração de planos de inspeção, análises preditivas e análises de risco, para contribuir na tomada de decisões sobre prazos e técnicas de inspeção a serem empregadas. A metodologia mencionada acima pode ser implementada em um programa de gerenciamento de confiabilidade estrutural, o qual deve ser capaz de acoplar todos os eventos, os dados conhecidos, as incertezas próprias dos dados e as novas informações ao longo da vida útil de uma estrutura.

[en] This work presents concepts used in the assessment of structural reliability in order to calculate the probability of failure of a structure as it serves the purposes for which it was designed during their lifetime. A methodology for structural reliability analysis has been developed for the pipeline transportation of oil and natural gas, although, this methodology can be applied to different equipment. The methodology allows the coupling of different events that may occur in the life of a structure. The events can be understood as defects by corrosion, damage by third parties, incorrect operations, etc. or events related to inspection of the structure, pipeline or equipment. Each event is described by a limit state function of the type capacity vs. demand. The coupling of these states limit is given by the union or intersection of these (series systems, parallel systems, or combination of them). The analysis is reduced to system reliability computation and the solution is reached using the integration of the standard multinormal function and first order reliability methods- FORM to calculate the probability of failure of system. The multinormal integral is computation using the product…

Advisors/Committee Members: JOSE LUIZ DE FRANCA FREIRE.

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[pt] Este trabalho analisa o desempenho de sistemas de micro-ondas em visibilidade em função do comportamento dos equipamentos (taxa de falha e tempo de reposição) e das características de propagação (desvanecimento). Os modelos estudados correspondem às configurações dos sistemas usuais e diversos resultados numéricos são apresentados para ilustrar a formulação teórica. A confiabilidade dos equipamentos é estimada a partir de dados relativos aos sistemas da EMBRATEL ( Empresa Brasileira de Telecomunicações) e na parte de propagação são discutidas algumas expressões semi-empíricas para avaliar o efeito desvanecimento rápido.

[en] This work deals with the performance os line-of-sight microwave links as a function of equipment behavior (failure rate and reposition time) and the propagation caracteristics (fading). The studied models correspond to usual system configurations and several numerical results are presented to ilustrate the theoretical formulation. The equipment reliability is estimated from EMBRATEL ( Brasilian Telecommunications Enterprise) systems data and some semi-empirical expressions are discurred to take into account the fast fading effect.

Advisors/Committee Members: MAURO SOARES DE ASSIS, MAURO SOARES DE ASSIS, MAURO SOARES DE ASSIS.

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[pt] Este trabalho trata das metodologias disponíveis mais utilizadas para a avaliação da reserva girante em sistemas de potência. São apresentadas abordagens determinísticas e probabilísticas. Uma grande variedade de aspectos são considerados e organizados de modo a se obter uma taxionomia metodológica. A aplicação da taxionomia sugerida é ilustrada com a análise de um sistema hipotético, o IEEE Reliability Test System, e do sistema brasileiro das regiões Sul/Sudeste/Centro-Oeste. Com base nos resultados obtidos com a aplicação de tal taxionomia à metodologia atualmente utilizada no Brasil, são apontados aspectos que necessitam de maiores pesquisas. Uma das principais conclusões obtidas revela que a prática atual de se associar os períodos críticos de risco àqueles de maior capacidade em manutenção não possui respaldo prático nem teórico.

[en] This report reviews the most representative techniques currency available for power systems spinning reserve evaluation. Both deterministic and probabilistic approaches are tackled. A broad range of aspects are considered and organized in a practical methodological taxonomy. The application of the suggested taxonomy is illustrated with the aid of hypothetical systems, the IEEE Reliability Test System, and the Brazilian South/Southeast/Midwest System. Based on the diagnosis resulting from the application of the taxonomy to the methodology currently utilized in Brazil, several aspects in need of improvement are pointed out. As one of the main results attained, it shown that, the current practice of considering the critical risk period as coincident with the critical maintenance period, lacks practical evidence and theoretical support.

Advisors/Committee Members: MARCUS THEODOR SCHILLING, MARCUS THEODOR SCHILLING.

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[pt] Os desafios na construção de poços de petróleo vêm aumentando ao longo do tempo, seja pelo aumento das dificuldades técnicas devido à maior complexidade das áreas a serem desenvolvidas, sejam pelas melhorias nas regras dos órgãos reguladores visando aumentar a segurança. Existem dois pilares que devem nortear um projeto de um poço de petróleo: segurança e produtividade. O equipamento denominado dispositivo de segurança de sub-superfície e seu sistema de controle podem ser considerados importantes para os dois, pois caso o sistema falhe, obtendo-se um fechamento prematuro do poço, afetará diretamente a produção. Por outro lado, caso a falha ocorra em uma tentativa de fechamento, poderá influenciar nas consequências de um desastre, o que afetaria tanto pessoas como o meio ambiente. O objetivo deste estudo e comparar a confiabilidade de alguns modelos de sistemas de controle do dispositivo de segurança de sub-superfície, levando em consideração as disposições dos equipamentos ao longo do sistema e suas respectivas taxas de falha. Além disso, a maioria dos estudos de confiabilidade realizados nesta área tem como foco principal a segurança, porém este estudo visa obter um foco de eficiência de produção, e as análises serão baseadas em comparações entre algumas configurações disponíveis do sistema, entre componentes em série e em paralelo, utilizando o modelo de análise de confiabilidade markoviano.

[en] The challenges in well construction have been increasing over time, sometimes by increasing the technical difficulties due to the greater complexity of the areas to be developed, sometimes by the improvements in the rules of regulatory agencies to increase security. There are two pillars that should guide the project of a petroleum well: safety and productivity. The equipment called Subsurface Safety Valve and its control system can be considered important for both pillars, because if the system fails resulting in a premature well closure, it will directly affect the production. On the other hand, if the failure occurs in an attempt to closing it, may influence the consequence of a disaster, which would affect both people and the environment. The objective of this study is to compare the reliability of some control systems models taking into account the equipment positions throughout the system and their failure rates. Furthermore, most reliable studies conducted in this area has mainly focused on safety, but this study has a focus on production efficiency, and the analysis will be based on comparisons between some configurations available for subsurface safety valves control system, including serial and parallel components, using the model of Markov reliability analysis.

Advisors/Committee Members: ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA, ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA.

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[pt] O dimensionamento de equipamentos sobressalentes se mostra como importante ferramenta de análise de investimento para o projeto e planejamento da operação e manutenção de qualquer sistema de grande porte. Não sendo diferente no que contempla o sistema de distribuição elétrica no cenário brasileiro. Os sistemas de distribuição, regulados pela Agência Nacional de Energia Elétrica, precisam fornecer energia de forma segura, estável e com índices de defeito extremamente baixos, tornando-se cabíveis punições monetárias no caso de descumprimento das normas estabelecidas. Um dos pontos de maior sensibilidade em um sistema de distribuição são as subestações existentes no mesmo, onde os defeitos impactam um número elevado de consumidores, além de possuir equipamentos de grande custo de aquisição. A redundância em sistemas desse porte poderia reduzir consideravelmente as falhas, mas demandaria um investimento inicial muito elevado. Sendo assim, a existência de estoque estratégico torna-se relevante, visando diminuir a duração das falhas com o menor investimento possível. Os transformadores apresentam grande relevância em uma subestação, sendo possível a análise de estoque de unidades fixas, que atenderiam apenas uma localidade ou região, e o estoque de unidades móveis, que poderiam atender, ainda que em caráter provisório, diferentes regiões atingidas. Esta dissertação apresenta uma metodologia probabilística para a definição da estratégia de dimensionamento dos estoques de equipamentos reservas ao longo do tempo, dando enfoque às unidades móveis, sendo possível avaliar a confiabilidade do sistema, comparar os investimentos e custos operacionais de diferentes cenários. Permite também que sejam consideradas questões importantes, como o envelhecimento dos equipamentos, o aumento da carga com características diferentes para cada unidade a possibilidade de transferência de carga de uma unidade avariada para outra em funcionamento. Essas premissas proporcionam dados mais precisos para análise de investimentos, por considerar as condições individuais dos equipamentos. A ferramenta básica de análise será a simulação Monte Carlo cronológica, de modo a capturar precisamente todas as características do problema em questão. A metodologia acima proposta é aplicada a um grupo de transformadores da classe 138-13,8 kV, 25 MVA, visando demonstrar a capacidade da metodologia de encontrar as soluções condizentes do ponto de vista técnico e econômico.

[en] The sizing of equipment spares is an important investment analysis for the design and planning of the operation and maintenance of any large system. These concepts can also be applied to electric distribution systems of the interconnected Brazilian network. Distribution systems, regulated by the Brazilian Electricity Regulatory Agency, need to supply energy in a secure, stable, and extremely low fault rate, making monetary penalties possible in case of non-compliance with established standards. One of the most sensitive points in a distribution system is its current substations, where…

Advisors/Committee Members: ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA.

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[pt] No sistema elétrico de potência podem ocorrer falhas que resultarão na interrupção do fornecimento de energia para os consumidores conectados a esses sistemas. Uma concessionária de energia elétrica deve prestar aos seus clientes um serviço que seja confiável e de boa qualidade. Por isso, o planejamento seguro e eficiente se faz necessário para obter a confiabilidade do sistema elétrico de acordo com as exigências estabelecidas pela agência reguladora do setor, onde caso não sejam observadas pela distribuidora de energia são cabíveis de punições monetárias. O desempenho de um sistema pode ser observado com base no histórico de interrupções, por meio dos indicadores de continuidade. A baixa flexibilidade operativa de subestações aliada à configuração das redes reduz a confiabilidade dos sistemas, causando prejuízos às empresas e aos consumidores por estarem vulneráveis e sofrerem interrupções de energia. O presente estudo é essencial, pois visa identificar métodos e análises apuradas que indiquem os pontos prioritários para manutenções nas redes elétricas. Dessa forma, a dissertação apresenta uma metodologia que identifica os equipamentos e trechos associados aos pontos críticos e de maior impacto em uma rede de distribuição. A partir daí é possível direcionar os serviços de manutenção dos circuitos para os trechos de maior impacto nos indicadores de continuidade de uma determinada região e otimizar o orçamento correspondente. A ferramenta usada para analisar os indicadores é uma matriz de risco, onde os eixos representam probabilidade de ocorrência (reincidência) e impacto corporativo (índice de continuidade) de modo a capturar mais precisamente os pontos para atuações de manutenção prioritária. Desenhada a estrutura da matriz, os fatores de risco identificados são avaliados qualitativamente, em termos de probabilidade e impacto, e posicionado na matriz, indicando seu estado: eminente, crítico, alto, médio e baixo. São analisados dois sistemas de distribuição reais da classe de 13,8 kV, com o objetivo de demonstrar a capacidade da metodologia de encontrar as soluções condizentes do ponto de vista técnico e econômico. Os resultados apontam uma redução dos indicadores de continuidade, colaborando assim na eficaz gestão do sistema elétrico e na mitigação dos prejuízos econômicos associados às interrupções de energia.

[en] Faults can occur in the electrical power system which will result in interruption of the power supply to consumers connected to these systems. An electric power utility should provide its customers with a service that is reliable and of good quality. Therefore, safe and efficient planning is necessary to obtain the reliability of the electrical system according to the requirements established by the regulatory agency of the sector. In case they are not observed by the electrical energy distributor, monetary penalties are possibly applied. The performance of a system can be observed based on the history of interruptions, through the continuity indicators. The low operational flexibility of…

Advisors/Committee Members: ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA.

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[pt] Este trabalho apresenta os resultados da aplicação de análises probabilísticas na avaliação da estabilidade de taludes, com base no caso da ruptura de um quebra-mar construído sobre argila mole no Terminal Portuário de Sergipe, em outubro de 1989. Realizou-se uma análise estatística das características geotécnicas dos materiais presentes na obra, enfatizando a variabilidade inerente dos dados. Nas análises probabilísticas, foram adotados três métodos: FOSM, Estimativas Pontuais e Simulação de Monte Carlo. São apresentados os conceitos básicos de confiabilidade e probabilidade de ruptura e as hipóteses e etapas de cálculo consideradas em cada método. Discutem-se brevemente os diferentes métodos de equilíbrio limite utilizados para superfícies poligonais de ruptura. Três cenários foram estudados, em relação aos procedimentos adotados: análises em tensões totais, com a resistência da argila mole obtida por ensaios de campo e laboratório; análises em tensões efetivas, com o ângulo de atrito da argila oriundo de ensaios triaxiais, e análises em tensões efetivas, com o ângulo de atrito da argila obtido de retroanálise da ruptura ocorrida na obra. Observou-se que para os três cenários os valores de probabilidades de ruptura foram, respectivamentem, da ordem de: 1/70, 1/2100 e 1/30. Além disso, ao considerar as metodologias de cálculo probabilístico por FOSM e Estimativas Pontuais, os resultados foram mais conservadores em relação a Simulação de Monte Carlo.

[en] This work aims at applying available methods of probabilistic analysis for assessing the stability of a breakwater built on soft clay at the Sergipe Terminal, gathering information on the existent materials in the field and a statistical analysis of the geotechnical parameters, emphasizing the inherent variability as part of the research. Three probabilistic techniques of analysis have been used: FOSM, Point Estimates and Monte Carlo Simulation. The hypotheses, calculation steps and basic concepts of reliability index and probability of failure are presented, with brief discussions on the different limit equilibrium procedures used for polygonal surfaces. Three scenarios were studied, regarding the soft clay parameters: total stress analysis, considering undrained loading, effective stress analysis with effective friction angle from triaxial tests, and effective stress analysis with effective friction angle from back analysis of a previous failure. For the three scenarios, the probability of failure values were, respectively around: 1/70, 1/2100 and 1/30. Besides this, when using the FOSM and Point Estimates probabilistic techniques, the results proved to be more conservative, in comparison to Monte Carlo Simulation.

Advisors/Committee Members: ALBERTO DE SAMPAIO FERRAZ JARDIM SAYAO.

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[pt] Este trabalho tem por objetivo a avaliação da estabilidade de taludes de solo quando sometidos a processos de infiltração de chuva, utilizando conceitos de Análise Limite e Análise de Confiabilidade. Primeiramente, determina-se a variação da sução no solo, para isto, emprega-se o Método dos Elementos Finitos e o Método de diferenças finitas na solução da equação de Richards. O modelo de Van Genuchten (1980) é utilizado para a curva característica. Na solução da nãolinearidade, emprega-se o método Picard Modificado. A instabilidade de taludes é estudada mediante o método de Análise Limite Numérica com base no Método de Elementos Finitos e o critério de Mohr Coulomb como critério de escoamento. A solução do problema matemático será realizada no espaço cônico quadrático com o objetivo de tornar a solução mais computacionalmente eficiente. Considerando as propriedades do solo como variáveis aleatórias foi incluída a determinação do Índice de Confiabilidade utilizando as formulações dos métodos de Monte Carlo e FORM (first order reliability method). Inicialmente são introduzidos conceitos básicos associados ao fluxo saturado-não saturado. A seguir são apresentados alguns conceitos. Sobre Análise Limite e sua formulação pelo Método de Elementos Finitos. Finalmente são introduzidos os fundamentos da Análise de Confiabilidade. Análises de confiabilidade das encostas de Coos Bay no estado de Oregon nos Estados Unidos e da Vista Chinesa no Rio de Janeiro Brasil, são apresentadas devido a que estes taludes sofreram colapso quando submetidos a processos de infiltração de água de chuva. Os resultados deste trabalho mostram que a falha das encostas ocorre quando o índice de confiabilidade atinge um valor perto de dois.

[en] This thesis aims to perform a reliability analysis of the stability of 2D soil slopes when they are submitted to water infiltration due to the rains.The time variation of the soil matric suctions is calculated first. The Finite Element Method is used to transform the Richards differential equation into a system of nonlinear first order equations. The nonlinearity of the problem is due to the use of the characteristic curve proposed by van Genuchten (1980). The Modified Picard Method is applied to solve de time-dependent nonlinear equation system. The responses of the flux-problem are transferred to the stability problem in some instants using the same time-interval (normally days).To estimate the stability of the slopes, limit analysis is used. The limit analyses are performed based on the Inferior Limit Theorem of the Plasticity Theory. The problem is defined as an optimization problem where the load factor is maximized. The equilibrium equations are obtained via Finite Element discretization and the strength criterion of Mohr-Couomb is written in the conic quadratic space. Therefore, a SOCP (Second Order Conic Programming) problem is generated. The problem is solved using an interior point algorithm of the code Mosek.Since the soil properties are random variables a reliability analysis can be…

Advisors/Committee Members: EURIPEDES DO AMARAL VARGAS JUNIOR.

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[pt] O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um otimizador eficiente de grande escala, que permita a aplicabilidade prática da Análise Limite Numérica pelo MEF, para resolver problemas reais da Engenharia Geotécnica. Para isto, foi desenvolvido um otimizador para o programa GEOLIMA (GEOtechnical LIMit Analysis) (Carrión, 2004) baseado no algoritmo de Pontos Interiores, computacionalmente mais eficiente que os otimizadores comerciais existentes. Pelo fato das propriedades do solo serem de natureza aleatória, a possibilidade de aplicar Análise de Confiabilidade com a Análise Limite pelo método FORM em problemas geotécnicos é pesquisada também. Sendo a grande vantagem do método FORM a possibilidade de se aplicar para funções de falha quaisquer e variáveis com distribuição quaisquer. Inicialmente, são apresentados os fundamentos da teoria de Análise Limite e sua formulação numérica pelo MEF (Método dos Elementos Finitos). A seguir, é investigada a possibilidade de se usar otimizadores comerciais para resolver o problema matemático resultante da aplicação de Análise Limite com o MEF e são descritos os fundamentos teóricos do otimizador implementado baseado no algoritmo de Pontos Interiores. Um resumo dos fundamentos teóricos da Análise de Confiabilidade é apresentado. É descrito o processo de cálculo pelo método FORM e dois exemplos de aplicação são realizados. Finalmente, análises de diferentes problemas resolvidos com o otimizador implementado são apresentados indicando o grande potencial da Análise Limite Numérica, na solução de problemas reais da Engenharia Geotécnica.

[en] This work has, as its main objective, the development of an efficient and large scale optimizer, that allows the practical application of Numerical Limit Analysis (NLA) with Finite Element Method (FEM) to solve real problems in Geotechnical Engineering. For that purpose, an optimizer was developed for GEOLIMA (GEOtechnical LIMit Analysis) program (Carrión, 2004), based on Interior Points algorithm, computationally more efficient than the existing commercial optimizers. Due to the fact that soils have random properties, the possibility to apply Reliability Analysis with Limit Analysis using the FORM method was also investigated. Initially, Limit Analysis theory was presented together with its numerical formulation using the FEM. In sequence, the use of commercial optimizers was investigated in order to solve the resulting mathematical problem. Subsequently, the theorical foundations of the developed optimizer, based on the Interior Points algorithm were described. A summary of Reliability Analysis was also presented together with a description of computational procedures using FORM and two examples were developed. Finally, analyses of different problems solved with developed optimizer were presented. The obtained results demonstrated the great potential of Numerical Limit Analysis (NLA), in the solution of real problems in Geotechnical Engineering.

Advisors/Committee Members: EURIPEDES DO AMARAL VARGAS JUNIOR.

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[pt] Calibrações manuais periódicas asseguram o funcionamento correto de um instrumento durante certo período de tempo, mas não garantem que sensores defeituosos permaneçam calibrados por outros períodos, além de eventualmente serem desnecessárias. Em plantas industriais, a análise dos sinais fornecidos pelos sensores que monitoram os processos de produção é uma tarefa difícil em virtude da grande dimensão dos dados. Portanto, uma estratégia de monitoramento e correção online para múltiplos sensores se faz necessária. Este trabalho propõe a utilização de dois modelos: um que emprega Redes Neurais Auto-Associativas com Treinamento Robusto Modificado (RNAAM), e outro que emprega o Teste Seqüencial da Razão de Probabilidade (SPRT) e Lógica Fuzzy. Esses modelos são aplicados em um sistema de monitoramento para auto-correção online e auto-validação das medições realizadas por um grande número de sensores. Diferentemente dos modelos existentes, o sistema proposto faz uso de apenas uma RNAAM para reconstruir os sinais dos sensores com falha. Além disso, os estados do sensor e do modelo de auto-correção são validados por meio dos módulos de confiabilidade e de classificação, respectivamente. Para avaliação do modelo, faz-se uso de uma base de dados com medidas de sensores industriais que controlam e realizam o monitoramento de um motor de combustão interna, instalado em um caminhão de mineração. Os resultados obtidos mostram a capacidade do modelo proposto de mapear e corrigir, com um baixo nível de erro, os sinais dos sensores que apresentam falhas, além de fornecer ao especialista uma ferramenta para a realização de cronogramas de revisão de sensores.

[en] Periodical manual calibrations assure the correct operation of an instrument for a certain period of time, but do not guarantee that faulty sensors remain calibrated for other periods, besides being occasionally unnecessary. In industrial plants the analysis of signals from sensors that monitor a plant is a difficult task due to the high-dimensionality of data. Therefore an online strategy for monitoring and correcting multiple sensors is required. This work proposes the use of two models: one that employs Auto Associative Neural Networks with a Modified Robust Training, and another that employs the Sequential Probability Ratio Test (SPRT) and Fuzzy Logic. These models are applied to an online monitoring system for self-correction and selfvalidation of measurements generated by a large number of sensors. Unlike existing models, the proposed system makes use of only one AANN to reconstruct signals from faulty sensors. Moreover, the states of the sensor and of the self correction model are validated through the reliability and classification modules, respectively. The model is evaluated with a database containing measurements of industrial sensors that control and carry out the monitoring of an internal combustion engine installed in a mining truck. Experimental results show the ability of the proposed model to map and correct signals from faulty sensors with a low…

Advisors/Committee Members: MARLEY MARIA BERNARDES REBUZZI VELLASCO.

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[pt] Na prática geotécnica, a estabilidade de taludes é atualmente estudada apenas com análises determinísticas, obtendo-se o valor do Fator de Segurança (FS) da estrutura geotécnica. Estas análises são simplificadas, pois fornecem valores de FS sem considerar a variabilidade intrínseca dos solos e rochas. Desprezar as incertezas dos parâmetros geotécnicos pode levar a resultados pouco confiáveis sobre a segurança de taludes. Análises fundamentadas em conceitos estatísticos, chamadas probabilísticas, passam ser mais frequentes na geotecnia por permitirem considerar efeitos da variabilidade inerente aos materiais. Estas análises incorporam elementos estatísticos que possibilitam tratar FS como uma função e estudar suas propriedades. Como resultados finais, os métodos probabilísticos fornecem o índice de confiabilidade (beta) e a probabilidade de ruptura (Pr) da estrutura averiguada. Este trabalho aplica análises determinísticas e probabilísticas de um talude de 200m de altura da Mina do Cauê, Itabira, MG. A estabilidade do talude foi analisada por cinco métodos determinísticos usuais e três probabilísticos (FOSM, EP e MC). Os resultados indicam que a fixação da superfície crítica de ruptura fornece, em geral, valores de beta e Pr semelhantes aos obtidos quando a superfície pode variar livremente. Com a superfície crítica fixa observou-se, também, que os resultados de beta e Pr do talude variam significativamente com o método de equilíbrio limite adotado. Após comparação dos resultados, pode-se recomendar o uso de análises probabilísticas FOSM com base no método de Morgenstern-Price em análises semelhantes ao caso estudado.

[en] In current geotechnical practice, slope stability assessments are usually carried out only based on deterministic methods, obtaining a value of Safety Factor (FS). These analyses are simplified because the FS values do not consider the natural variability of soils and rocks. Disregarding the uncertainties inherent to geotechnical parameters may lead to unreliable results of slope safety. Probabilistic analyses, based on statistical concepts, have become more frequent in geotechnical practice, as they allow incorporating the materials intrinsic variability. These analyses are based on statistical elements that allow treating the FS as a function and studying its properties. The probabilistic methods indicate the reliability index (beta) and the probability of failure (Pr) of the verified geotechnical structure. This work presents deterministic and probabilistic analyses of a 200m high slope at the Cauê Mine, located in Itabira, Minas Gerais, Brazil, with basis on five usual deterministic methods and three probabilistic techniques (FOSM, Point Estimates and Monte Carlo). The results indicate that fixing the critical deterministic surface generally gives values of beta and Pr similar to those achieved when the surface is free to vary. It was also concluded that, with a fixed critical surface, beta and Pr results change significantly, when different Limit Equilibrium methods are adopted. It is…

Advisors/Committee Members: ALBERTO SAMPAIO FERRAZ JARDIM SAYAO.

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[pt] O presente trabalho visa possibilitar a seleção econômica de uma estrutura de transmissão utilizando critérios de confiabilidade. O método probabilístico selecionado foi o da freqüência e duração. Uma peculiaridade sobremodo importante deste método é a possibilidade de se considerar a influência do meio ambiente no desempenho dos elementos do sistema. O método eleito, embora trabalhoso no caso de sistemas complexos, com diversas fontes de geração de energia e interligações, é bastante simples de ser utilizado no caso de configurações que podem ser reduzidas a um único elemento equivalente conectando a geração e a carga através de reduções série-Paralelo. Tendo em vista a não disponibilidade, na maioria dos casos, dos parâmetros representativos de confiabilidade dos diversos componentes do sistema, com um grau adequado de confiança, o programa desenvolvido permite o cálculo dos índices representativos de confiabilidade nas barras desejadas, para uma gama bastante ampla de valores influentes nesta determinação, para as alternativas estudadas. Para cada um destes índices obtém-se um valor atual de custo associado a cada alternativa, levando-se custos devidos aos montantes de energia não vendidos durante a duração das interrupções. O método empregado para a determinação dos valores atuais de custo correspondentes às alternativas foi o método clássico do valor atual.

[en] This work provides na approach that makes possible an economical comparison of alternative System designs yielginh the desired reliability properties. The selected probabilistic method was the frequency and duration method. An extremely important aspect of this approach is the introduction of a varying environmental condition associated with the System Components. The chosen method although difficult to apply to a complicated system, composed of several generating plants and interconnections, is quite simple to employ in systems which can be reduced to one equivalent element between the source and the load, by Series-Parallel reductions. As in most of the casas, the basic system component paramenters are not available, with an adequate degree of confidence, the developed program permits the claculation of various measures of reliability in power systems for a wide range of influent values in this calculation, for the investigated alternatives. For each of those measuresm results a cost associated to each alternative, considering the initial investiments as well as the costs owing to energgy not sold during interruptions.

Advisors/Committee Members: JORGE ORLANDO BARBOSA.

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[pt] No projeto de um poço de petróleo três princípios devem ser seguidos: segurança, produtividade e proteção ambiental. Durante toda a vida de um poço deverá haver equipamentos que permitam a realização das operações com segurança. A integridade de um poço de petróleo é fundamental para garantir tal segurança. Os elementos de barreira de segurança são a base da gestão da integridade e por isso precisam estar adequadas e funcionando perfeitamente. Integridade é a contenção dos fluidos do poço, prevenindo derramamentos de hidrocarbonetos para o ambiente externo e entre zonas produtoras. A indústria do petróleo já enfrentou diversos acidentes ao longo de sua história (ex.: Campos de Montara, Macondo, Campo de Frade) e tais fatos trágicos demonstram o potencial de periculosidade que a indústria de Óleo e Gás pode ter. Milhões de dólares são perdidos a cada ano devido à manutenção ineficaz e shutins não programados de poços. O gasto é elevado, mas possíveis ameaças ao meio ambiente e perigos à vida humana devem ser a principal prioridade. Por isso é cada vez maior a preocupação e foco na integridade do poço. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de verificação da confiabilidade de um sistema de barreiras em poços de petróleo, proporcionando um método capaz de comparar diferentes configurações de poços submarinos, através de simulações, utilizando o Método de Monte Carlo. A fim de verificar a importância de alguns desses elementos de barreira do sistema, foram feitos alguns estudos individuais variando as taxas de falha do elemento estudado em questão, mantendo as demais taxas inalteradas. No final foi feita uma comparação desses resultados observando quais delas precisavam ser ainda mais confiáveis.

[en] There are three principles that must be followed in the design of oil wells: safety, productivity and environmental protection. Throughout the well s life there must be equipments that allow the operations to be carried out safely. The integrity of an oil well is critical to ensure such safety. Safety barrier elements are the basis of integrity management and therefore need to be suitable and work properly. Integrity is the containment of the well fluids, preventing hydrocarbons spills to the environment and between producing zones. The oil industry has faced several accidents throughout its history (eg Montara s field, Macondo s field, Frade s field) and such tragic events demonstrate the hazardous potential that the Oil and Gas industry may have. Millions of dollars are lost each year due to inefficient maintenance and unscheduled well shut-ins. Costs are very high, but possible threats to the environment and hazards to human life should be the top priority. This is why there is a growing concern and focus on the well s integrity. This work presents a methodology to verify the reliability of a barrier system in oil wells, providing a method able to compare different configurations of subsea wells, through simulations, using Monte Carlo Method. In order to verify the importance of some of these barrier…

Advisors/Committee Members: ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA, ARTHUR MARTINS BARBOSA BRAGA.

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[pt] O equilíbrio corporal é uma importante habilidade física e um aspecto fundamental para a saúde dos idosos, sendo as quedas a principal causa de lesões não intencionais que levam a perda de autonomia e ao óbito neste grupo. Com o envelhecimento da população mundial e sendo os déficits de equilíbrio uma das maiores causas de atendimentos fisioterapêuticos, o uso de instrumentos portáveis de baixo custo e confiáveis para avaliação do equilíbrio são de extrema relevância. Diversos estudos avaliaram a validade concorrente e/ou confiabilidade do Microsoft Kinect (Kinect) e do Nintendo Wii Balance Board (WBB) durante testes de equilíbrio. Estes estudos foram favoráveis ao uso destes equipamentos nestas avaliações em posições semi-estáticas. Este estudo examinou a confiabilidade teste-reteste com o uso concorrente do Kinect e do WBB durante um teste de equilíbrio em três posições semi-estáticas, analisando variáveis do centro de pressão (CoP) e do centro de gravidade (CoG) em manequins e em 70 indivíduos saudáveis. Cada participante executou dois testes na mesma sessão. Os equipamentos demonstraram sensibilidade para identificar diferentes padrões de oscilação corporal. As variáveis mais confiáveis foram a velocidade média e o percurso total em todas as direções e tarefas. A confiabilidade foi considerada de fraca a boa nos testes com pessoas e nos testes com manequins, excelente. Porém, os resultados com as variáveis das pessoas baseadas em dados consolidados das três tarefas alcançaram confiabilidade excelente. Propriedades do CoP demonstraram ser mais confiáveis do que as do CoG, sugerindo que o WBB seja superior ao Kinect nesta tarefa. O presente trabalho corrobora estudos anteriores, podendo, estes dispositivos, prover informações quantitativas confiáveis, aprimorando avaliações qualitativas do equilíbrio.

[en] Body balance is an important physical skill and it is fundamental for elderly´s health, considering that falls are a major cause of unintentional injuries leading to the loss of autonomy and death in this group. Growth of aging in world population and being balance impairment one of the major causes of physiotherapeutic attendance, simple, affordable, portable, and reliable devices for evaluating body balance are of great relevance. Several studies have been examining concurrent validity and reliability of Microsoft Kinect (Kinect) and Nintendo Wii Balance Board (WBB) during balance tests. The majority of these studies suggested that those devices could be used as reliable and valid tools for assessing balance in semi-static positions. Based on that, this study investigated test-retest reliability using Kinect and WBB, concurrently, in three standing positions, and analyzed variables related to center of pressure (CoP) and center of gravity (CoG), in static manikins and in 70 healthy subjects. Each participant performed the set of tests twice in the same day. Our solution demonstrated sensibility to identify different body sway patterns. Tests showed that the most reliable variables were average speed and…

Advisors/Committee Members: ALBERTO BARBOSA RAPOSO.

▼ Dans le contexte actuel de transition énergétique, les acteurs de la production électrique (dont EDF) s'orientent de plus en plus vers les technologies "bas carbone", permettant de développer leur mix énergétique et d'assurer une production toujours plus respectueuse de l'environnement. Parmi l'ensemble des alternatives progressivement industrialisées au cours de ces dernières décennies, l'énergie éolienne voit son développement s'accélérer. De nouveaux projets voient le jour, notamment avec le développement de parcs éoliens posés en mer le long des côtes françaises.Afin de garantir une sécurité maximale des installations vis-à-vis des défaillances mécaniques, les ingénieurs doivent mettre en place un ensemble de vérifications ayant pour but d'assurer l'intégrité structurelle pendant une durée de vie donnée. Cette étape, nécessaire à la certification et donc à l'industrialisation du projet, exige un investissement numérique important. Dans le cas particulier de l'estimation de l'endommagement à durée de vie, un ensemble complet d'analyses doit être effectué afin de simuler les réactions structurelles en différents points de la conception et ce, pour l'ensemble des conditions environnementales de chargement possibles (cas de charge). Au total, quelques milliers de simulations correspondant à l'ensemble des situations probables sont à prévoir pour la seule estimation de l'endommagement à durée de vie. De plus, la prise en compte des différents phénomènes physiques du problème (aérodynamique, hydrodynamique, mécanique élastique), ainsi que la considération des non-linéarités des réponses liées à l'asservissement de la turbine, impliquent l'utilisation de codes de résolution temporels et multi-physiques coûteux pour chacune des situations de chargement à simuler.Afin de réduire l'investissement lié à l'estimation de cet endommagement, l'utilisation de méthodes numériques de substitution (également appelées métamodèles) est une alternative prometteuse. Ces méthodologies ont montré leur efficacité dans divers domaines de l'ingénierie permettant d'approcher, par diverses hypothèses statistiques, la réponse de modèles numériques en ne considérant qu'un nombre réduit de simulations.Ce travail de thèse s'est focalisé sur le développement d'outils numériques pour le dimensionnement efficace des structures éoliennes en mer et plus particulièrement sur l'utilisation des métamodèles de Krigeage (ou méthode de régression par processus gaussien) pour l'estimation de l'endommagement mécanique. Sous certaines hypothèses, cette méthode de substitution se prête particulièrement bien à l'approximation des réponses de modèles physiques, notamment grâce à la mise en place facilitée d'architectures itératives d'enrichissement ("active learning strategy"). Deux domaines ont principalement été étudiés : l'estimation rapide des quantités d'endommagement structurel par le développement de la méthode "Adaptive Kriging for Damage Assessment" (AK-DA) et les possibilités d'utilisation de cette dernière dans le cadre d'études de la fiabilité… Advisors/Committee Members: Gayton, Nicolas (thesis director).

▼ Structural Reliability treats uncertainties in structural design systematically, evaluating the levels of safety and serviceability of structures. During the past decades, it has been established as a valuable design tool for the description of the performance of structures, and lately stands as a basis in the background of the most of the modern design standards, aiming to achieve a uniform behaviour within a class of structures. Several methods have been proposed for the estimation of structural reliability, both deterministic (FORM and SORM) and stochastic (Monte Carlo Simulation etc) in nature. Offshore structures should resist complicated and, in most cases, combined environmental phenomena of greatly uncertain magnitude (eg. wind, wave, current, operational loads etc). Failure mechanisms of structural systems and components are expressed through limit state functions, which distinguish a failure and a safe region of operation. For a jacket offshore structure, which comprises of multiple tubular members interconnected in a three dimensional truss configuration, the limit state function should link the actual load or load combination acting on it locally, to the response of each structural member. Cont/d.

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[pt] Turbinas a gás são equipamentos muito complexos e caros. No caso de falha em uma turbina, há obviamente perdas diretas, mas as indiretas são normalmente muito maiores, uma vez que tal equipamento é crítico para a operação de instalações industriais, aviões e veículos pesados. Portanto, é fundamental que turbinas a gás sejam providas com um sistema eficiente de monitoramento e diagnóstico. Isto é especialmente relevante no Brasil, cuja frota de turbinas tem crescido muito nos últimos anos, devido, principalmente, ao aumento do número de usinas termelétricas e ao crescimento da aviação civil. Este trabalho propõe um Sistema de Inferência Fuzzy (SIF) com extração automática de regras para diagnóstico de desempenho de turbinas a gás aeronáuticas. O sistema proposto faz uso de uma abordagem residual – medições da turbina real são comparadas frente a uma referência de turbina saudável – para tratamento dos dados brutos de entrada para os módulos de detecção e isolamento, que, de forma hierárquica, são responsáveis por detectar e isolar falhas em nível de componentes, sensores e atuadores. Como dados reais de falhas em turbinas a gás são de difícil acesso e de obtenção cara, a metodologia é validada frente a uma base de dados de falhas simuladas por um software especialista. Os resultados mostram que o SIF é capaz de detectar e isolar corretamente falhas, além de fornecer interpretabilidade linguística, característica importante no processo de tomada de decisão no contexto de manutenção.

[en] A Gas turbine is a complex and expensive equipment. In case of a failure indirect losses are typically much larger than direct ones, since such equipment plays a critical role in the operation of industrial installations, aircrafts, and heavy vehicles. Therefore, it is vital that gas turbines be provided with an efficient monitoring and diagnostic system. This is especially relevant in Brazil, where the turbines fleet has risen substantially in recent years, mainly due to the increasing number of thermal power plants and to the growth of civil aviation. This work proposes a Fuzzy Inference System (FIS) with automatic rule extraction for gas path diagnosis. The proposed system makes use of a residual approach – gas path measurements are compared to a healthy engine reference – for preprocessing raw input data that are forwarded to the detection and isolation modules. These operate in a hierarchical manner and are responsible for fault detection and isolation in components, sensors and actuators. Since gas turbines failure data are difficult to access and expensive to obtain, the methodology is validated by using a database fault simulated by a specialist software. The results show that the SIF is able to correctly detect and isolate failures and to provide linguistic interpretability, which is an important feature in the decision-making process regarding maintenance.

Advisors/Committee Members: RICARDO TANSCHEIT.

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[pt] Em planejamento e operação de sistemas de energia elétrica, é necessário realizar diversas avaliações utilizando o algoritmo de fluxo de potência, para obter e monitorar o ponto de operação da rede em estudo. Em sua utilização determinística, devem ser especificados valores de geração e níveis de carga por barra, bem como considerar uma configuração especifica da rede elétrica. Existe, porém, uma restrição evidente em se trabalhar com algoritmo de fluxo de potência determinístico: não há qualquer percepção do impacto gerado por incertezas nas variáveis de entrada que o algoritmo utiliza. O algoritmo de fluxo de potência probabilístico (FPP) visa extrapolar as limitações impostas pelo uso da ferramenta convencional determinística, permitindo a consideração das incertezas de entrada. Obtém-se maior sensibilidade na avaliação dos resultados, visto que possíveis regiões de operação são mais claramente examinadas. Consequentemente, estima-se o risco do sistema funcionar fora de suas condições operativas nominais. Essa dissertação propõe uma metodologia baseada na simulação Monte Carlo (SMC) utilizando técnicas de amostragem por importância via o método de entropia cruzada. Índices de risco para eventos selecionados (e.g., sobrecargas em equipamentos de transmissão) são avaliados, mantendo-se a precisão e flexibilidade permitidas pela SMC convencional, porém em tempo computacional muito reduzido. Ao contrário das técnicas analíticas concebidas para solução do FPP, que visam primordialmente à elaboração de curvas de densidade de probabilidade para as variáveis de saída (fluxos, etc.) e sempre necessitam ter a precisão obtida comparada à SMC, o método proposto avalia somente as áreas das caudas dessas densidades, obtendo resultados com maior exatidão nas regiões de interesse do ponto de vista do risco operativo. O método proposto é aplicado nos sistemas IEEE 14 barras, IEEE RTS e IEEE 118 barras, sendo os resultados obtidos amplamente discutidos. Em todos os casos, há claros ganhos de desempenho computacional, mantendo-se a precisão, quando comparados à SMC convencional. As possíveis aplicações do método e suas derivações futuras também fazem parte da dissertação.

[en] In planning and operation of electric energy systems, it is necessary to perform several evaluations using the power flow algorithm to obtain and monitor the operating point of the network under study. Bearing in mind its deterministic use, generation values and load levels per bus must be specified, as well as a specific configuration of the power network. There is, however, an obvious constraint in running a deterministic power flow tool: there is no perception of the impact produced by uncertainties on the input variables used by the conventional algorithm. The probabilistic power flow (PLF) algorithm aims to solve the limitations imposed by the use of the deterministic conventional tool, allowing the consideration of input uncertainties. Superior sensitivity is obtained in the evaluation of results, as possible regions of operation are more…

Advisors/Committee Members: ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA.

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[pt] A presente dissertação tem como objetivo a avaliação do efeito da medição da rugosidade sobre os valores de medição das massas de padrões de massa classe F2, em conformidade às exigências da Recomendação Internacional R 111 da Organização Internacional de Metrologia Legal (OIML) e às normas ISO/97, referentes ao assunto. O conceito de rugosidade e os parâmetros (Ra - roughness average e Rz - average of the roughness) foram adequadamente caracterizados no contexto da pesquisa desenvolvida. As medições de rugosidade foram realizadas em padrões de massa Classe F2 - 0,02 g, 0,05 g, 0,1g, 0,2 g, 0,5g, 1g, 2g, 5g, 10g, 20g, 50g, 100g, 200g e 500g, pôr meio de um rugosímetro tipo SJ 400. Empregou-se método convencional com suspeita de retirar diminutas quantidades de matéria do objeto medido. Os padrões de massa Classe F2 - 0,05 g, 0,1g, 0,2 g, 0,5g, 1g, 2g e 5g utilizados foram calibrados antes e depois das medições , por apresentarem os menores erros máximos admissíveis. A seguir, é mostrada a análise estatística dos dados experimentais na medição de rugosidade. Finalmente, foi calculada a incerteza de medição dos resultados experimentais da coleção de padrão de massa Classe F2, bem como a conclusão sobre este trabalho experimental.

[en] The present work has as objective the evaluation of the effect of the roughness measurement on the mass measurement values of F2 class mass standards. The interest is analysing the conformity to the requirements of the International Recommendation R 111 of the International Organization of Legal Metrology (OIML) and to standards ISO/97, referring to the subject. The roughness concept and the parameters, roughness average (Ra.), and average of the roughness (Rz.), were adequately characterized in the context of the developed research. The roughness measurements were carried out with the following F2 class mass standards: 0.02 g, 0.05 g, 0.1 g, 0.2 g, 0.5 g, 1 g, 2 g, 5 g, 10 g, 20 g, 50 g, 100 g, 200 g and 500 g, with the aid of a profilometer SJ 400. The conventional method was used to remove small amounts of substance of the measured object. The used F2 class mass standards, 0.05 g, 0.1g, 0.2 g, 0.5 g, 1 g, 2 g and 5 g, were calibrated before and after the measurements, because they presented the smallest permited maximum errors. The statistical analysis related to the experiments is shown next. Finally, the measurement uncertainty of the experimental results of the standard F2 mass collection was calculated and the conclusions of this study were presented.

Advisors/Committee Members: GREGORIO SALCEDO MUNOZ.

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[pt] Contexto: Exceções não tratadas afetam a confiabilidade, usabilidade e segurança em aplicações web. Diversos estudos mediram a confiabilidade de aplicações web em uso em relação a exceções não tratadas, mostrando a recorrência deste problema durante a fase de manutenção. Detectar exceções não tratadas latentes de forma automatizada é uma tarefa difícil e específica de cada aplicação. Assim, abordagens gerais para tratar defeitos em aplicações web não tratam exceções não tratadas latentes apropriadamente. Objetivos: Projetar e avaliar um método que possa suportar encontrar, corrigir e prevenir exceções não tratadas em aplicações web. Método: Nós aplicamos o ciclo de engenharia do design science para projetar o método chamada Manutenção Orientada a Padrões (PDM). PDM consiste em identificar padrões de defeitos se baseando nos logs do servidor de aplicação, produzindo regras de análise estática que podem ser utilizadas para a prevenção de defeitos. Nós aplicamos PDM em duas aplicações web na indústria envolvendo empresas e tecnologias diferentes, medindo a melhoria confiabilidade das aplicações e a precisão das regras de análise estática produzidas. Nós também avaliamos o reuso das regras de análise estática produzidas durante a aplicação do PDM em software da mesma empresa e de outras empresas. Finalmente, nós estudamos a eficácia e aceitação de mantenedores novatos aplicando o método PDM. Resultados: Nos dois casos industriais, nossa abordagem permitiu a identificação de padrões de defeitos e exceções não tratadas latentes para correção no código fonte, permitindo eliminar completamente as falhas relacionadas a exceções não tratadas latentes e melhorando assim a confiabilidade da aplicação. Algumas regras de análise estática produzidas pela aplicação do método PDM foram reutilizadas em software na mesma empresa e em outra empresa. Nós identificamos os conhecimentos e experiências que influenciam em aplicar os passos do método PDM de forma eficaz. A maior parte dos mantenedores novatos acharam o método PDM útil, mas não fácil de aplicar, dificultando a aceitação do método entre novatos. Conclusões: Os resultados fortalecem nossa confiança que o PDM pode ajudar os mantenedores a melhorar a confiabilidade em relação a exceções não tradadas em aplicações web existentes. Nós disponibilizamos orientações sobre como utilizar o método, reutilizar as regras de análise estática produzidas, e quais conhecimentos e experiências são necessárias para aplicar o PDM com eficácia.

[en] Background: Unhandled exceptions affect the reliability, usability, and security of web applications. Several studies have measured the reliability of web applications in use against unhandled exceptions, showing a recurrence of the problem during the maintenance phase. Detecting automatically unhandled latent exceptions is difficult and application-specific. Hence, general approaches to deal with defects in web applications do not treat unhandled exceptions appropriately. Aims: To design and evaluate a method that can support finding,…

Advisors/Committee Members: MARCOS KALINOWSKI, MARCOS KALINOWSKI, MARCOS KALINOWSKI.

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Les méthodes traditionnelles de dimensionnement à la fatigue s’appuient sur l’utilisation de coefficients dits de “sécurité” dans le but d’assurer l’intégrité de la structure en couvrant les incertitudes inhérentes à la fatigue. Ces méthodes de l’ingénieur ont le mérite d’être simples d’application et de donner des solutions heureusement satisfaisantes du point de vue de la sécurité. Toutefois, elles ne permettent pas au concepteur de connaître la véritable marge de sécurité de la structure et l’influence des différents paramètres de conception sur la fiabilité. Les approches probabilistes sont envisagées dans cette thèse afin d’acquérir ces informations essentielles pour un dimensionnement optimal de la structure vis-à-vis de la fatigue. Une approche générale pour l’analyse probabiliste en fatigue est proposée dans ce manuscrit. Elle s’appuie sur la modélisation des incertitudes (chargement, propriétés du matériau, géométrie, courbe de fatigue) et vise à quantifier le niveau de fiabilité de la structure étudiée pour un scénario de défaillance en fatigue. Les méthodes classiques de fiabilité nécessitent un nombre important d’évaluations du modèle mécanique de la structure et ne sont donc pas envisageables lorsque le calcul du modèle est coûteux en temps. Une famille de méthodes appelée AK-RM (Active learning and Kriging-based Reliability Methods) est précisément proposée dans ces travaux de thèse afin de résoudre le problème de fiabilité avec un minimum d’évaluations du modèle mécanique. L’approche générale est appliquée à deux cas-tests fournis par SNECMA dans le cadre du projet ANR APPRoFi.

Traditional procedures for designing structures against fatigue are grounded upon the use of so-called safety factors in an attempt to ensure structural integrity while masking the uncertainties inherent to fatigue. These engineering methods are simple to use and fortunately, they give satisfactory solutions with regard to safety. However, they do not provide the designer with the structure’s safety margin as well as the influence of each design parameter on reliability. Probabilistic approaches are considered in this thesis in order to acquire this information, which is essential for an optimal design against fatigue. A general approach for probabilistic analysis in fatigue is proposed in this manuscript. It relies on the modelling of the uncertainties (load, material properties, geometry, and fatigue curve), and aims at assessing the reliability level of the studied structure in the case of a fatigue failure scenario. Classical reliability methods require a large number of calls to the mechanical model of the structure and are thus not applicable when the model evaluation is time-demanding. A family of methods named AK-RM (Active learning and Kriging-based Reliability methods) is proposed in this research work in order to solve the reliability problem with a minimum number of mechanical model evaluations. The general approach is applied to two case studies submitted by SNECMA in the frame of the ANR project APPRoFi.

Advisors/Committee Members: Lemaire, Maurice (thesis director).

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[pt] Transformadores de subestações de distribuição requerem uma atenção especial pelos altos custos, longos tempos de reposição e por impactarem, quando falham, diretamente na confiabilidade da rede, provocando assim a interrupção de inúmeros usuários. Em geral, as subestações são projetadas com transformadores em paralelo, de forma que a carga pico possa ser atendida ainda que um transformador do grupo esteja avariado. No entanto, esta solução requer investimentos elevados. Uma alternativa consiste no compartilhamento de estoques de transformadores reservas e subestações móveis. O dimensionamento dos estoques deve ser feito com cautela, pois, um grande número de equipamentos pode aumentar desnecessariamente os custos de investimento, e um estoque insuficiente pode diminuir a confiabilidade do sistema e aumentar seus custos operacionais. Esta dissertação apresenta duas metodologias para o dimensionamento do estoque, o método de Markov e a simulação Monte Carlo, os quais são comparados quanto aos seus resultados e características quando aplicados a um mesmo sistema. Ambos os modelos foram utilizados para dimensionar o estoque para falhas do tipo catastróficas e reparáveis, separadamente. O método probabilístico baseado na simulação Monte Carlo foi aplicado a um grupo de transformadores da classe 115 kV e 15 MVA, visando demonstrar a capacidade da metodologia de encontrar soluções condizentes do ponto de vista técnico e econômico.

[en] Substation distribution transformers require special attention for their high costs, long replacement times and for impacting, when they fail, directly on the reliability of the electric network, thus causing the interruption of several costumers. In general, substations are designed with transformers in parallel, so that the peak load can be met even if a transformer in the group is damaged. However, this solution requires high investments. An alternative is to share stocks of spare transformers and mobile substations. Stock sizing should be done with caution, as a large number of equipment can unnecessarily increase investment costs, and insufficient stock can decrease system reliability and increase operating costs. This dissertation presents two methods for stock dimensioning based on Markov modeling and on Monte Carlo simulation, which are compared in terms of their results and characteristics when applied to the same system. Both models were used to scale the stock for catastrophic and repairable failures, separately. The probabilistic method based on the Monte Carlo simulation was applied to a group of 115 kV and 15 MVA class transformers, aiming to demonstrate the method s ability to find solutions that are technically and economically compatible.

Advisors/Committee Members: ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA, ARMANDO MARTINS LEITE DA SILVA.