A garantia da integridade física de empilhadeiras de minério e trippers de grande porte (com capacidades de até 20.000 t/h) exige simulações computacionais avançadas via Método dos Elementos Finitos (MEF). Ao combinar elementos de barra (1D) e casca (2D), a engenharia consegue submeter o equipamento a verificações estáticas, de flambagem local, estabilidade global, macaqueamento e fadiga estrutural (considerando vida útil de 35 anos). A análise identifica concentradores de tensão e avalia inclusive cenários operacionais não previstos em norma, como o choque contra a pilha de minério, orientando modificações e reforços antes que ocorram trincas ou colapsos.

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.

Em seguida, 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

Em primeiro lugar, 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. Enquanto isso, 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. 

Conforme 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.

 

Figura 1.1: Modelo da empilhadeira. [1]

 

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

 

Figura 1.2: Modelo do tripper. [1]

 

Posteriormente, 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.

Dentre os carregamentos aplicados, destacam-se:

• • 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

Em primeiro lugar, a análise estática foi a primeira realizada. Nesta, as estruturas perfiladas não apresentaram inconformidades. Por outro lado, 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.

 

Figura 1.3: Índices de utilização em elementos da região de descarga da lança. [1]

 

Além disso, 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.

No entanto, 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. Dessa forma, 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.

 

Figura 1.6: Tensões máximas de compressão no modelo da parte inferior. [1]

 

Em seguida, 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. Dessa forma, os pontos indicados na Figura 1.5 apresentam potencial para nucleação e propagação de trincas.

 

Figura 1.5: Índices de utilização por fadiga máximos no mastro. [1]

 

Ademais, 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.

 

Figura 1.7: Perfis que apresentaram ligações reprovadas na combinação de choque contra a pilha. [1]

 

Além disso, 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.

Do mesmo modo, 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. Assim, 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.

 

Figura 1.8: Triângulo de estabilidade. [1]

 

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.

 

Figura 1.9: Análise estática na condição de macaqueamento. [1]

 

Conclusão

Em síntese, a análise estrutural da empilhadeira, em algumas situações, resultou na identificação de não conformidades. Dessa forma, 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 ocorre porque, muitas vezes, 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.

Portanto, 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, consulte nossa equipe e conheça nossos serviços!

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FAQ

1. O que é uma empilhadeira de minério e qual o papel do tripper no processo?

A empilhadeira é uma máquina de pátio de grande porte projetada para organizar e formar pilhas de materiais a granel (como minério de ferro). O tripper é o transportador móvel acoplado à empilhadeira, responsável por receber o material vindo da correia principal do pátio, elevá-lo e transferi-lo para a lança da empilhadeira, que então deposita o minério na pilha.

2. Qual é a diferença entre utilizar elementos de barra (1D) e de casca (2D) na modelagem computacional (MEF)?

A escolha do tipo de elemento no Método dos Elementos Finitos depende da geometria e do nível de detalhe necessário:

• Elementos de Barra (1D): Possuem propriedades de seção transversal e são ideais para representar perfis metálicos e estruturas treliçadas contínuas de forma ágil;

• Elementos de Casca (2D): Possuem espessura como propriedade e são utilizados para modelar estruturas complexas formadas por chapas, perfis de seção variável, enrijecedores e regiões propensas a concentrações locais de tensão (como a lança e os pontos de acoplamento).

 

3. Quais carregamentos operacionais e ambientais são aplicados na simulação de uma empilhadeira?

A simulação combina diversos cenários normativos e operacionais críticos, incluindo:

• Cargas Permanentes e Variáveis: Peso próprio da estrutura, peso dos equipamentos instalados, acúmulo de material e incrustações de minério;

• Esforços Dinâmicos: Tensão na correia transportadora em regimes permanente e de partida/frenagem (transiente), além de sobrecargas de operação;

• Ações Extraordinárias: Cargas de vento e cenários de contingência, como o impacto/choque contra a pilha de minério.

4. Por que a análise de choque contra a pilha foi avaliada se não é uma exigência estrita das normas técnicas?

Embora normas convencionais de dimensionamento para empilhadeiras nem sempre obriguem a verificação de colisão com a pilha de material, a prática operacional mostra que esse evento acidental é possível. Incluir o choque na simulação permite identificar pontos de fragilidade nas ligações soldadas e parafusadas que falhariam sob esse impacto severo, permitindo o reforço preventivo da estrutura.

5. Como funciona a avaliação de estabilidade global pelo “Triângulo de Estabilidade”?

Como o carro inferior de muitas empilhadeiras apoia-se sobre três pontos principais de articulação nos truques de deslocamento, o polígono de sustentação do equipamento forma um triângulo no pátio. Cada aresta desse triângulo representa um eixo potencial de tombamento. A análise de estabilidade global calcula se o centro de gravidade da máquina (considerando vento, lança elevada e sobrecargas) permanece dentro desse limite seguro com os fatores de segurança exigidos.

6. O que é a análise de macaqueamento e por que ela é crítica para a manutenção?

O macaqueamento é a operação de elevação da máquina por cilindros hidráulicos para a substituição de componentes sujeitos a desgaste, como truques de giro, balancins e vigas equalizadoras. A análise de macaqueamento verifica se a estrutura local possui enrijecedores e nervuras com resistência suficiente para suportar todo o peso próprio concentrado da máquina durante as paradas de manutenção.

7. Quais são os principais fatores que geram concentração de tensão e falha por fadiga em estruturas metálicas?

A concentração de tensões surge quando o fluxo de esforços na peça sofre interrupções abruptas. As causas mais comuns incluem:

• Descontinuidades Geométricas: Mudanças repentinas de espessura, entalhes, furos e falta de chapas de transição suaves;

• Falhas de Concepção e Fabricação: Erros no detalhamento do projeto básico, soldas inadequadas ou desalinhavos na montagem;

• Carregamento Cíclico: A repetição constante desses picos de tensão ao longo do tempo leva à nucleação e propagação de trincas por fadiga.

Referências:

[1] Acervo Kot.

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