De forma geral, as vibrações mecânicas podem ser definidas como movimentos oscilatórios de corpos em volta de uma posição de equilíbrio [1]. Esses movimentos geram cargas dinâmicas que podem solicitar grandes esforços das estruturas atuantes. Conheça neste artigo o trabalho da Kot Engenharia na análise dessas vibrações e na dinâmica de estrutura.

A relevância da análise de vibrações e dinâmica de estruturas vem aumentando com o avanço da engenharia moderna. Isso porque  antes da revolução industrial as estruturas possuíam uma massa própria elevada, assim, as vibrações sobre as peças eram de menor magnitude e a resposta dinâmica nas estruturas era baixa.

 A chegada de novos materiais como o ferro fundido, o aço e o alumínio, em conjunto com a evolução dos conhecimentos em torno das propriedades dos materiais e dos carregamentos estruturais, resultou na redução significativa da massa das estruturas. Além disso, as máquinas tornaram-se mais eficientes e, portanto, passaram a apresentar maiores velocidades de rotação. Esse cenário justifica o aumento das vibrações sobre as estruturas. [2]

A vibração presente nas máquinas e estruturas é, na maior parte das vezes, indesejável, pois causa barulhos excessivos, movimentos prejudiciais e tensões dinâmicas que corroboram para processos de fadiga.

Para melhor entendimento contextual, têm-se os seguintes conceitos:

• • Ressonância: todo sistema mecânico possui ao menos uma frequência de vibração natural que depende apenas de sua massa própria e rigidez. A ressonância é o processo que ocorre quando esse sistema é excitado com uma frequência igual à uma de suas frequências naturais de vibração, elevando cada vez mais a amplitude dos seus movimentos.

• • Fadiga: a norma ASTM [ASTM-E 823-96, 2000] define fadiga como: “Processo progressivo e localizado de modificações estruturais permanentes ocorridas em   um   material   submetido   a   condições   que   produzam tensões   e deformações cíclicas que pode culminar em trincas ou fratura após um certo número de ciclos.”. Essa sequência de acontecimentos está ilustrada na Figura 1.

 

Figura 1: Processo de formação de trincas e rupturas por fadiga. [3]

Um dos casos clássicos de evidência da necessidade de uma análise de vibrações e dinâmica de estruturas é o colapso da Ponte Tacoma Narrows. Em 1940, a ponte pênsil entrou em ressonância quando excitada pelas cargas de vento e, por esse e outros motivos, falhou. [4] As Figuras 2, 3 e 4 mostram a ponte em estado natural, em excitação e após o desastre, respectivamente.

Figura 2: Ponte Tacoma Narrows em estado natural. [5]

Figura 3: Ponte Tacoma Narrows durante a ressonância. [6]

Figura 4: Colapso da Ponte Tacoma Narrows. [7]

A fadiga, por sua vez, já foi causa até mesmo de problemas como o impedimento do uso de turbinas de grandes aeronaves.

A Kot pode atuar na prevenção desses acontecimentos, realizando estudos por meio do Método dos Elementos Finitos (MEF), uma ferramenta amplamente utilizada no contexto de engenharia aplicada. A experiência da empresa se dá em inúmeros ativos, como Peneiras Vibratórias, Estruturas Metálicas e Civis, Trilhos de Trem, Vagões e Carros de Passageiros, Rodeiros, Tanques, Transportadores, Rotores, Eixos e Mancais, entre outros. 

A Kot também aplica o método de  Análise de vibrações utilizando tratamento de imagem, saiba mais sobre essa aplicação clicando aqui! Essas análises podem trazer benefícios, além das prevenções de colapsos, sendo os principais: 

• • Prevenção contra paradas inesperadas de máquinas;

• • Aumento da confiabilidade e produtividade da planta;

• • Apresentação de um diagnóstico preciso dos equipamentos e estruturas.

Conclusão

A análise das vibrações e dinâmica de estruturas é um tema de suma importância dos pontos de vista econômico e de segurança. A Kot possui o conhecimento necessário para aplicá-la, podendo avaliar diferentes contextos de operação e contribuir com os resultados. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. Por que o avanço da engenharia moderna aumentou a suscetibilidade das estruturas a vibrações?

Antes da Revolução Industrial, as estruturas possuíam uma massa própria muito elevada, o que absorvia e amortecia grande parte dos esforços vibratórios. Com o surgimento de ligas metálicas mais eficientes (como aço e alumínio), as estruturas tornaram-se mais leves, ao mesmo tempo em que as máquinas passaram a operar em rotações e velocidades mais altas. A combinação de menor massa estrutural com maiores frequências de operação elevou o impacto das cargas dinâmicas.

 

2. O que é ressonância mecânica e por que ela é tão perigosa?

Todo sistema mecânico possui uma ou mais frequências naturais de vibração, que dependem unicamente da sua massa própria e da sua rigidez. A ressonância ocorre quando a força de excitação externa (como o batimento de uma máquina ou a ação do vento) atua em uma frequência idêntica a uma das frequências naturais da estrutura. Isso provoca um aumento exponencial na amplitude dos movimentos e das tensões dinâmicas, podendo levar à destruição do ativo.

 

3. Como a norma ASTM define o fenômeno da fadiga em materiais?

De acordo com a norma ASTM E823-96, a fadiga é um “processo progressivo e localizado de modificações estruturais permanentes ocorridas em um material submetido a condições que produzam tensões e deformações cíclicas que pode culminar em trincas ou fratura após um certo número de ciclos”. Em ativos industriais, vibrações contínuas geram esses ciclos repetitivos de tensão, fragilizando o material ao longo do tempo.

 

4. Qual é o caso histórico clássico de falha induzida por resposta dinâmica e ressonância?

O exemplo mais emblemático é o colapso da Ponte Tacoma Narrows, ocorrido em Washington (EUA) em 1940. A ponte pênsil entrou em ressonância e apresentou torções de grande amplitude devido à ação contínua das rajadas de vento, cuja frequência coincidiu com a frequência natural de torção da estrutura, culminando no seu rompimento.

 

5. Em quais ativos industriais a Kot Engenharia aplica análises dinâmicas por Elementos Finitos (MEF)?

A simulação computacional dinâmica é aplicada a uma ampla gama de equipamentos e componentes críticos, tais como:

• Peneiras vibratórias e britadores;

• Estruturas metálicas e edifícios industriais;

• Trilhos, vagões, carros de passageiros e rodeiros ferroviários;

• Rotores, eixos, mancais e tanques de armazenamento;

• Transportadores de correia e sistemas de movimentação de granéis.

 

6. Quais são os principais benefícios industriais de realizar análises dinâmicas preventivas?

Além de mitigar o risco de colapso estrutural e proteger a vida dos operadores, as análises dinâmicas oferecem:

• Prevenção de paradas não planejadas: Identifica os pontos críticos de tensão antes que ocorra a nucleação de trincas;

• Aumento da confiabilidade e produtividade: Permite adequar a velocidade e a carga do equipamento dentro de limites operacionais seguros;

• Diagnóstico preciso: Mapeia exatamente a origem dos ruídos e vibrações anômalas para propor intervenções cirúrgicas de reforço ou amortecimento.

Referências

[1] Corneliu Cismasiu (s.d). Apontamentos de Vibrações Mecânicas. 

[3] Acervo Kot.

[2] C. Beards (1996). Structural Vibration: Analysis and Damping.

[4] K. Yusuf Billah and Robert H. Scanian (1998). Resonance, Tacoma Narrows bridge failure, and undergraduate physics textbooks.

[5] Física Matemática Músicas e Filmes. Ponte de Tacoma. Disponível em: <https://engenharia360.com/o-incrivel-caso-da-ponte-de-tacoma/>

[6] – Magnus Mundi (2014). Ponte de Tacoma. Disponível em: <https://engenharia360.com/o-incrivel-caso-da-ponte-de-tacoma/>

[7] Kitsap Sun (s.d) Ponte de Tacoma. Disponível em: <https://engenharia360.com/o-incrivel-caso-da-ponte-de-tacoma/>