Este artigo apresentará um caso de sucesso realizado pela Kot referente à análise estrutural de uma empilhadeira. Previamente ao início do estudo de caso, alguns conceitos básicos auxiliares são exibidos abaixo.

Conceitos básicos referentes à análise estrutural

• Máquinas de pátio: são equipamentos de amplo uso, principalmente em atividades de mineração e portuárias para manuseio de granéis;
• Empilhadeiras: máquinas de pátio utilizadas para a formação de pilhas de materiais a granel;
• Tripper: transportador de correia móvel, conectado à empilhadeira, responsável por elevar o material fornecido pelo transportador do pátio à máquina de empilhamento;
• Elemento de barra: tipo de elemento unidimensional utilizado pelo método de elementos finitos (MEF). Possui propriedade geométrica de seção transversal e é frequentemente utilizado na representação de perfis metálicos;
• Elemento de casca: tipo de elemento bidimensional também utilizado pelo MEF. Possui como propriedade geométrica a espessura e é comumente utilizado na representação de estruturas formadas por chapas metálicas;
• Plastificação: comportamento que materiais apresentam quando submetidos a esforços geradores de tensões internas além do seu limite elástico. A plastificação se exemplifica por deformações permanentes no material;
• Índice de utilização: razão entre os esforços (ou tensões) atuantes e os resistentes da estrutura. Valores calculados menores ou iguais a 1,0 correspondem à condição de aprovação normativa.

A empilhadeira analisada pela Kot possui capacidade de projeto de 20.000 t/h (toneladas por hora) e é responsável pela formação da pilha de minério em um pátio de estocagem.

Modelagem 3D

O equipamento analisado é formado pela empilhadeira e pelo tripper, que foram modelados em elementos finitos para possibilitar o início do estudo. Para as estruturas treliçadas, foram utilizados elementos de barra, por serem perfilados. Os demais componentes da máquina, por apresentarem maior complexidade geométrica, como perfis de seção variável, chapas metálicas, reforçadores e enrijecedores locais, foram representados em elementos de casca. 

Como pode ser visto na Figura 1.1, o modelo da empilhadeira engloba todos os subconjuntos do equipamento:

• Truques;
• Mesa e portal;
• Sistema de giro;
• Mastro;
• Lança;
• Contralança;
• Mastro intermediário; 
• Tirantes.

O modelo do tripper, ilustrado na Figura 1.2, apresenta todos os perfis metálicos utilizados.

Os carregamentos aplicados nas estruturas foram combinados conforme estabelecido por norma, para que diferentes situações de operação fossem avaliadas, abrangendo todos os casos normativos. Combinações complementares, definidas pela experiência da Kot, também foram utilizadas.

Alguns dos carregamentos aplicados foram:

• Peso próprio da estrutura e dos equipamentos instalados;
• Carga de material e de incrustação;
• Tensão na correia nos regimes permanente e transiente;
• Sobrecargas;
• Choque contra a pilha de material.

Análise estrutural

A análise estática foi a primeira realizada. Nesta, as estruturas perfiladas não apresentaram inconformidades. Já nas estruturas modeladas em casca foram encontrados índices de utilização acima do admissível na região da lança, em condição normal de operação, conforme apresentado na Figura 1.3.

Na região da ligação do mastro com os truques de giro, foi encontrada uma não conformidade no reforçador da viga do mastro, que não possui chapa complementar para suavizar as tensões que atuam na região. Dessa forma, o elemento existente concentra todo o esforço recebido, gerando um pico de tensão. Essa reprovação é apresentada na Figura 1.4.

Nem sempre a direta comparação entre as tensões atuantes e resistentes por si só são suficientes para estabelecer a resistência de uma estrutura, dentro de uma análise estrutural. Fenômenos de instabilidade nesse tipo de equipamento são muito comuns – seja em função das movimentações de operação, sobrecargas de operação, cargas de vento, entre outros fatores normativos considerados – e tendem a surgir em intervalos de tensão usualmente menores que os limites elásticos dos materiais empregados. Para que estes estados limites fossem verificados foi realizada a análise de flambagem local com destaque para as regiões em que foram encontradas as maiores cargas de compressão, estando mais suscetíveis à flambagem. Na parte inferior do modelo, por exemplo, essas regiões estão localizadas na mesa superior das vigas equalizadoras, como indicado na Figura 1.6.

Finalizada a verificação da resistência estática das estruturas, inicia-se a avaliação da vida útil do equipamento por meio da análise de fadiga. Dentro da análise estrutural, esta avaliação consiste na determinação da resistência operacional, ou seja, a capacidade que as estruturas possuem de suportar os esforços nominais ao longo de sua vida de trabalho, e é usualmente realizada conforme regimes cíclicos de operação do equipamento.

Para a empilhadeira, foi considerado na análise de fadiga um tempo de 35 anos de operação. No mastro foram encontrados índices de utilização acima do admissível em regiões que, na análise estática, tendiam a sofrer plastificação, apresentando concentradores de tensão. Com isso, os pontos indicados na Figura 1.5 apresentam potencial para nucleação e propagação de trincas.

Os diferentes tipos de ligações entre as estruturas também foram analisados, incluindo ligações rígidas e flexíveis, soldadas e parafusadas. Nessa avaliação, as ligações das vigas indicadas na Figura 1.7 foram reprovadas para a combinação referente ao carregamento de choque contra a pilha de minério. Apesar de a norma na qual a verificação foi baseada não prever esse tipo de carregamento para empilhadeiras, a Kot Engenharia o incluiu na análise estrutural por ser uma situação possível e que, caso ocorresse, seria crítica para a estrutura.

A verificação da flexibilidade, responsável pelos cálculos e avaliações dos deslocamentos da estrutura, também foi realizada. A conclusão desta etapa resultou em advertências para as plataformas e banzos (perfis principais longitudinais) da lança. Apesar de não afetar a operação do equipamento, é importante monitorar as regiões, visto que deslocamentos acima do admissível podem ser responsáveis por danos a elementos não estruturais e desconforto aos usuários.

Outra verificação importante em máquinas de pátio é a de estabilidade global. Como o carro inferior da empilhadeira possui três pontos de articulação, o polígono de estabilidade do equipamento será um triângulo, como mostrado na Figura 1.8. Com isso, cada aresta do triângulo representa um eixo de possível tombamento. Verificou-se que todos os coeficientes de estabilidade mínimos estão com valores de acordo com os admissíveis e a empilhadeira foi considerada aprovada nesse quesito.

Por fim, os pontos de macaqueamento da máquina foram verificados quanto à sua resistência estrutural, conforme previsto em norma internacional. O macaqueamento pode ser realizado em diferentes pontos, para manutenção de cada um dos truques, balancins ou das vigas equalizadoras. As nervuras de reforço, na região que serve de ponto de macaqueamento para manutenção dos truques de giro, apresentaram índices de utilização acima do admissível, como pode ser visto na Figura 1.9.

Conclusão

A análise estrutural da empilhadeira, em algumas situações, resultou na identificação de não conformidades. Com isso, a Kot indicou modificações, reforços e monitoramento. É importante destacar que diferentes regiões apresentaram concentrações de tensão, o que gerou índices de utilização elevados tanto na análise estática quanto de fadiga. Isso é comum quando o projeto não leva em consideração descontinuidades que possam contribuir para este efeito, como [2]:

• Alterações bruscas de espessura ou na geometria da seção transversal;
• Entalhes, furos e rasgos de chaveta;
• Erro na concepção do projeto básico do equipamento;
• Falhas geradas durante o processo de fabricação.

Tendo isso em vista, é essencial que projetos sejam avaliados por especialistas em estruturas. Caso a sua empresa tenha a necessidade de verificações de máquinas e equipamentos, entre em contato com a equipe da Kot Engenharia para maiores informações.

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Referências:

[1] Acervo Kot.

[2] BUDYNAS, R. G.; NISBETT, J. K. Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica. AMGH Editora, 2011.