Confiabilidade Estrutural

Professor Universidade de Brasília Confiabilidade Estrutural Jorge Luiz A. Ferreira

Confiabilidade Universidade de Brasília Corresponde a probabilidade de um sistema desempenhar de forma adequada o seu propósito especificado, por um período de tempo e sob condições de operação especificadas.

Função do Engenheiro Estrutural - planejar - investigar - Projetar - inspecionar - manter - desmontar/demolir

Função do Engenheiro Estrutural - planejar - investigar - Projetar - inspecionar - manter - desmontar/demolir Como Engenheiros, devemos garantir que os nossos projetos atendam aos seguintes requisitos básicos de segurança: - Segurança para o pessoal e - Segurança para o ambiente. - Além disso, para garantir a viabilidade do projeto, devemos observar verificar a Relação custo-eficácia Conciliar os três requisitos Ferramentas para a tomada de decisão ou de apoio

Função do Engenheiro Estrutural - Tomar decisões Exemplo: Qual deveria ser as propriedades de inércia que a seção transversal de uma ponte deve possuir?

Função do Engenheiro Estrutural - Tomar decisões Exemplo: Qual deveria ser as propriedades de inércia que a seção transversal de uma ponte deve possuir? Essa decisão depende das condições de tráfego? Como decidir a carga máxima que será aplicada na estrutura? Ou Como projetar considerando falta de informações?

Função do Engenheiro Estrutural - Tomar decisões Exemplo: Qual a real capacidade desse vaso de pressão?

Função do Engenheiro Estrutural - Tomar decisões Ou dessas Tubulações? É necessário parar o processo produtivo?

Função do Engenheiro Estrutural - Tomar decisões Ou dessas Pontes? Interdita a ponte ou diminui o trâfego? Vale a pena reparar?

Bases para tomadas de decisão Conhecimentos em Mecânica dos sólidos e em Comportamento Mecânico dos Materiais Conhecimentos relacionados às Boas Práticas de Construção/Fabricação Tomada de Decisão Conhecimentos sobre Mundo Real

Bases para tomadas de decisão Conhecimentos em Mecânica dos sólidos e em Comportamento Mecânico dos Materiais Conhecimentos relacionados às Boas Práticas de Construção/Fabricação Modos de Falha Condições de Vinculação Condições Ambientais Tomada de Decisão Conhecimentos sobre Mundo Real Dimensões e Geometria Cargas Atuantes (Direções, Sentidos e Intensidades) Propriedades dos Materiais

Bases para tomadas de decisão As peças conseguem ser fabricadas nas dimensões apresentadas no desenho? Como projetar considerando essas variações de resistência e dimensões? Qual a resistência da Junta?

Bases para tomadas de decisão Incertezas devem ser consideradas não apenas durante o processo de tomada de decisão de projeto, mas em todas as fases da As peças conseguem ser fabricadas nas dimensões apresentadas no desenho? vida de uma instalação de engenharia Como projetar considerando essas variações de resistência e dimensões? Qual a resistência da Junta?

Bases para tomadas de decisão Porque precisamos considerar as incertezas? As incertezas influenciam diretamente na segurança da estrutura. Como Consideramos o Efeito dessas Incertezas sobre as Condições de Funcionamento da Estrutura? Utilizando-se de Técnicas de Avaliação de Riscos ou de Segurança Estrutural

Análise de Risco ou de Segurança Fornece uma base para a tomada de decisão racional sujeita a informações incertas e/ou incompletas. Pode-se assim, de uma forma sistematizada, identificar as incertezas dominantes e quantificar seus efeitos sobre os riscos. A aplicação dessa análise nos permitirá responder as seguintes questões: - Qual é o risco associado a uma determinada atividade? - É possível reduzir e/ou mitigar os riscos? - Quanto custa para reduzir e/ou mitigar os riscos? - Qual o riscos aceitável - o que podemos pagar?

Análise de Risco ou de Segurança Risco É uma ameaça concreta de dano que paira sobre nós em cada momento vivido em nossas vidas e que pode materializar-se em algum momento. (conceito qualitativo) Probabilidade de insucesso de determinado empreendimento, em função de acontecimento eventual, incerto, cuja ocorrência não depende exclusivamente da vontade dos interessados. (conceito quantitativo)

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação O risco é quantificado pelo produto de dois fatores: - a Probabilidade de Ocorrência e - a Amplitude da Consequência (ou nível de severidade)

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - a Probabilidade de Ocorrência Para a estimativa da Probabilidade de Ocorrência, pode-se adotar um critério com base na experiência prática ou, em caso de falta, pode-se estimar essa probabilidade em função da Taxa de Falha das operações versus a estimativa do número de vezes que essas efetuadas por ano. operações são A taxa de falha num intervalo de tempo [t 1 t 2 ] é a probabilidade de que uma falha ocorra por unidade de tempo no intervalo dado que nenhuma falha ocorreu antes do início do intervalo.

Porca ou Parafuso 0,00017 Universidade de Brasília Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Probabilidade de Ocorrência (Taxa de Falha/ano) Falha Humana (Falha Involuntária) para pessoa não qualificada: 0,01 Falha Humana (Falha Involuntária) para pessoa qualificada: 0,02 Falha Humana (Falha Involuntária) para pessoa altamente qualificada: 0,001 Falha Humana com uma redundância independente: 0,01 x 0,01 = 0,0001 Falha Humana com n redundâncias independentes: (0,01) n+1 Falha de Equipamentos mecânicos (Bombas, motores, etc.): 0,001 Falha de Equipamentos de segurança (Válvulas de alívio, alarmes, etc.): 0,0001 Falha de Lâmpada de Neon: 0,002 Junta Soldada: 1,3E-7

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Probabilidade de Ocorrência (outros componentes)

Classificação das Probabilidades de Ocorrências Universidade de Brasília Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Probabilidade de Ocorrência (Como Classificar)

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Amplitude da Consequência, Parâmetro que procura quantificar o nível de severidade resultante de um efeito danoso resultante da falha de um determinado sistema. Geralmente está associado ao dano mais grave que é razoável esperar de uma ocorrência envolvendo o perigo avaliado

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Amplitude da Consequência, Para a estimativa qualitativa da Amplitude das Consequências pode-se fazer uso dos seguintes fatores: o o o o o Experiência Registros históricos Localização do empreendimento Grau de periculosidade do processo e dos produtos envolvidos Quantidades envolvidas, etc.

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Amplitude da Consequência, Tipicamente, para estimar a Amplitude da Consequência, é preciso que se defina o escopo dos danos que estão sendo considerados, por exemplo: Lesões ao ser humano (comunidade e usuários quando usando os produtos); Poluição ambiental (Meio físico, biótico e antrópico); Prejuízos materiais (Máquinas, equipamentos, instalações, materiais); Prejuízos operacionais (Paradas ou atrasos da produção, etc.); Perda da qualidade do produto; Prejuízo a imagem da empresa e / ou ao cliente

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Amplitude da Consequência, Desprezível, Marginal, Crítica Catastrófica Classificação da Amplitude das Consequências

Classificação da Amplitude das Consequências Universidade de Brasília Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Amplitude da Consequência,

Quanificação da Amplitude das Consequências Universidade de Brasília Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação - Amplitude da Consequência, AC

Análise de Risco ou de Segurança Risco - Quantificação Nível de Risco O nível de risco (NR) será o resultado somatório dos produtos entre o nível de probabilidade de ocorrencia (PO) e a amplitude das consequências (AC) e que pode apresentar-se na tabela seguinte: NR = PO AC

Amplitude das Consequências Universidade de Brasília Análise de Risco ou de Segurança Risco - Qualificação Nível de Risco - Qualificação Critério de Aceitabilidade Probabilidades de Ocorrências

Esforços Frequência, Intensidade Direção Sentido Condições de vinculação Universidade de Brasília Resistências (material, solo,..) Processos de degradação e Falha Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Vida de serviço Custos de produção Custos de execução Custos de descomissionamento

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Definição da estrutura e a sua finalidade, Definição de cargas esperadas e as condições ambientais avaliação da viabilidade de diferentes layouts estruturais Abstração dos diferentes sistemas mecânicos, por exemplo

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Nossa conta Bancária!!! Saldo = Crédito - Débito Saldo < 0 Deficit Saldo < 0 Sobra Saldo = 0 Nulo

Modelo Simplificado? h t Universidade de Brasília l L Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante P Parâmetros Básicos de Projeto Vão : L Posição da Carga : l Altura de Viga: h Largura da Viga: t Carga: P Resistencia do Material:???

Modelo Simplificado? Universidade de Brasília l Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante P Resistencia do Material Modo de Falha: h t L Escoamento: S y Deflexão: E Fadiga: S e Falha Fragil: S rt, K th, K C

Modelo Simplificado? h t Universidade de Brasília l L Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante P Modo de Falha Escoamento Máxima Tensão Atuante (Demanda): σ = 6M th 2 M = σ = 6 P L l th 2 L P L l Resistência Mecânica (Capacidade): S = S y l L l

Modelo Simplificado? h t Universidade de Brasília l L Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante P Modo de Falha Escoamento Comparar: Capacidade e Demanda S y 6 P L l th 2 L Projeto Adequado se: l S y > 6 P L l th 2 L l

Modelo Simplificado? h t Universidade de Brasília l L Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante P Modo de Falha Escoamento Comparar: Capacidade e Demanda S y 6 P L l th 2 L Projeto Inadequado se: l S y < 6 P L l th 2 L l

Modelo Simplificado? h t Universidade de Brasília l L Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante P Modo de Falha Escoamento Comparar: Capacidade e Demanda S y 6 P L l th 2 L Condição de Estado Limite: l Do Conceito de Saldo: F S y, t, h, L, l = S y 6 P L l th 2 L l S y = 6 P L l th 2 L l

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Formulação da Condição de Estado Limite (Falha Escoamento) l = L 2 th 2 S y 3 2 PL P, L são condições de projeto e, em princípio, não podem ser alterados. t, h e S y são variáveis de projeto e são selecionadas de modo a garantir um projeto seguro. Assim, poderíamos: Definir o Material e encontrar as dimensões t e h, adequadas ao projeto Definir as dimensões e encontrar um material adequado.

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Formulação da Condição de Estado Limite (Falha Escoamento) l = L 2 th 2 S y 3 2 PL t h 2 h 1 h 3 t t A fim de simplificarmos a solução do problema, vamos predefinir o material (S y ) e a dimensão t da viga. Dessa forma, apenas a variável h será considerada variável de projeto. O passo seguinte da análise é verificar qual o comportamento dos parâmetros de projeto e como devemos considerá-las na Eq. de Estado Limite. - L e h são parâmetros podem ser controlados de maneira relativamente simples! - Mas S y e P?

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Formulação da Condição de Estado Limite (Falha Escoamento) l = L 2 Comportamento do Material, S y th 2 S y 3 2 PL h 2 h 1 h 3 t t t

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Formulação da Condição de Estado Limite (Falha Escoamento) l = L 2 th 2 S y 3 2 PL Comportamento da carga, P P(t) P max t h 2 h 1 h 3 t t t

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Formulação da Condição de Estado Limite (Falha Escoamento) Estimativa Conservativa de h: Minimizar a Capacidade (S y ) e maximizar a demanda (P) PL h 2 3 2 h 2 > 3 2 ts y P max L S y ห min t Problemas: - Em algumas situações Valores mínimos e/ou máximos são difíceis de justificar - Incertezas do modelo são contabilizadas de forma implícita - Desconsidera a qualidade dos procedimentos de seleção de materiais e construção.

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Formulação da Condição de Estado Limite (Falha Escoamento) Estimativa Conservativa de h e introdução de um fator de segurança: FS = Capacidade = S y Demanda 3 2 PL th 2 h 2 > 3 2 FS P maxl S y ห min t O fator de segurança é utilizado para acomodar as incertezas relacionadas a condições não previstas no projeto.

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Fatores Importantes na Seleção do Fator de segurança: Qualidade e durabilidade dos materiais empregados, Regime de trabalho do material (elástico, elastoplástico), Modo de Falha, Nível de conhecimento dos esforços atuantes, Qualidade do processo e das técnicas de fabricação, Tipo de estrutura e importância de cada elemento estrutural, Amplitude das consequências da falha estrutural do componente, Etc.

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante O que é um Projeto conservativo? Uma estimativa conservativa ou conservadora é aquela que evita ao máximo arriscar na seleção dos valores relacionados aos parâmetros de projeto!!!!

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante Um projeto conservativo é conservativo em toda as situações?

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante E se a gente assumisse as variáveis que regem o mecanismo de falha como variáveis aleatórias? Comparar: Capacidade (C) e Demanda (D) Conhecendo o comportamento estatístico das variáveis aleatórias C e D, podemos, por meio de técnicas estatísticas, estimar a probabilidade de falha da estrutura, P f C D th 2 x Sy 3 2 Lx P P f = Prob( C D ) 0 P f 1

Como Quantificar as Probabilidades de Ocorrências Fontes de Incerteza que influenciam a tomada de decisões: Ideias e Conceitos - Exemplo Projeto Ponte Rolante E se a gente assumisse as variáveis que regem o mecanismo de falha como variáveis aleatórias? Comparar: Capacidade (C) e Demanda (D) A partir da definição de probabilidade de Falha também podemos conceituar uma outra medida chamada de confiabilidade, que pode ser entendida como a Habilidade de um sistema, instalação, equipamento, dispositivo, produto ou serviço desempenhar suas funções satisfatoriamente, de acordo com determinadas especificações, num dado intervalo de tempo, sob condições pre-estabelecidas. R = P s = 1 - P f