A análise estrutural de máquinas de pátio pelo método dos elementos finitos (FEM) é uma ferramenta importante na promoção da integridade estrutural do ativo. Ela pode ser aplicada, por exemplo, para verificar eventuais falhas de projeto, investigar fenômenos não previstos/desconhecidos e fornecer suporte técnico para o planejamento de manutenções.

Para entender mais sobre esse método aplicado em máquinas de pátio de grande porte para manuseio de granéis, conheça um caso de sucesso da Kot Engenharia neste artigo. E, para rever os conceitos básicos de FEM, confira o artigo: Entenda o Método dos Elementos Finitos.

Análise estrutural de recuperadora de minério

A Kot realizou a validação estrutural, pelo método de elementos finitos, de uma recuperadora de roda de caçambas, com massa aproximada de 1.800 toneladas e capacidade de processo de aproximadamente 11.000 toneladas/hora. Ela é um dos ativos responsáveis pelo manuseio de minério de ferro (sinter e pellet feed) em uma planta de um cliente.

O trabalho de análise pelo método de elementos finitos inicia-se com a modelagem computacional do ativo em um software CAE (Computer Aided Engineering). No ambiente do software, é possível gerar um modelo tridimensional, reproduzindo a geometria do ativo com precisão. A Figura 1, a seguir, apresenta o modelo gerado da Recuperadora e sua divisão de componentes.

Figura 1: Modelo em elementos finitos da recuperadora – FONTE: Acervo Kot.

Já a Figura 2 nos traz uma representação diferente, indicando os elementos de casca e de barra utilizados na elaboração desse modelo.

Figura 2: Localização dos elementos de casca e de barras no modelo da recuperadora – FONTE: Acervo Kot.

Máquinas de pátio desse tipo trabalham sob altas taxas de carga, oriundas do peso próprio do equipamento, cargas devidas ao vento, bem como dos carregamentos de operação. A análise utilizando o FEM permite discretizar e aplicar esses carregamentos sobre o arranjo estrutural do equipamento. A partir dos carregamentos aplicados, são elaboradas as análises estática, de fadiga, de flambagem, de ligações, de estabilidade e modal. Os resultados são interpretados conforme os critérios estabelecidos por normas.

Na análise estática da recuperadora em questão foram adotados critérios normativos específicos para os elementos sob diferentes envelopes de tensão e índices de utilização (IU) para cada combinação de carregamento. Na análise dos elementos de barra, não foram encontrados índices de utilização acima do admissível. Na análise dos elementos de casca, observou-se que, em determinadas regiões da contralança, foram obtidos IUs da estrutura que ultrapassam valores normativos , conforme Figura 3.

Figura 3: Plotagem dos índices de utilização da estrutura na análise estática – FONTE: Acervo Kot.

Na análise de fadiga, foi utilizada a metodologia de avaliação normativa para uma vida útil de projeto e ciclos de carga definidos. Nesta etapa, foi considerado que o equipamento carregado com minério estava submetido a movimentações de operação, tais como basculamento, translação e rotação. Como resultado, observou-se regiões com máximos IUs dentro do admissível, na região do portal da máquina, conforme Figura 4.

Figura 4: Plotagem dos índices de utilização da estrutura na análise de fadiga – FONTE: Acervo Kot.

Na análise de flambagem local das chapas principais da recuperadora de minério foram verificadas as solicitações admissíveis conforme os critérios estabelecidos. Estas regiões são tipicamente solicitadas por cargas compressivas, o que pode gerar o efeito de falha local elástica de determinados componentes. Nesta recuperadora, as regiões foram analisadas e verificadas considerando as tensões, parâmetros do material e condições de contorno. Os resultados encontrados estavam dentro do aceitável.

As ligações foram analisadas de acordo com critérios normativos preestabelecidos pelo método analítico. Ressalta-se a importância das verificações das ligações, tendo em vista os tipos de ligação existentes no equipamento, sejam rígidas, flexíveis ou pinadas. Os resultados calculados também estavam abaixo dos índices de utilização admissível. Algumas das ligações estão representadas na Figura 5.

Figura 5: Ligações pinadas do equipamento – FONTE: Acervo Kot.

Na análise modal, avaliou-se a possibilidade de ressonância da estrutura, considerando as fontes excitadoras, tais como vento e elementos rotativos do equipamento. Na análise, foram  verificadas as frequências de risco para diferentes modos de vibração natural do equipamento. Em um dos modos, identificou-se – com advertência – o risco de ressonância, oriundo de alguns elementos rotativos da correia transportadora do equipamento. Um dos modos de vibração natural do equipamento pode ser visualizado na Figura 6.

Figura 5: Ligações pinadas do equipamento – FONTE: Acervo Kot.

Por fim, foram indicados pontos de atenção e a necessidade de inspeções durante a manutenção do ativo. Apesar de alguns índices de utilização estarem acima do admissível, não foi necessário propor reforços para a estrutura.

Ao solucionar problemas de engenharia pelo método de elementos finitos é necessário conhecer as normas que estabelecem os critérios adequados para cada tipo de análise, bem como definir de forma adequada as condições de contorno, restrições, massa e posição de componentes não modelados. Além disso, é preciso mensurar e analisar as tensões às quais o equipamento está submetido ao longo da sua vida útil. Por meio desse método de cálculo, é promovido o desenvolvimento e a avaliação com alta confiabilidade principalmente quanto à perspectiva da integridade estrutural do ativo.

A Kot Engenharia possui a experiência e os recursos necessários para realizar simulações estruturais de máquinas de pátio, como no case relatado neste artigo. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. Qual a importância de realizar a análise estrutural por Elementos Finitos (FEM) em máquinas de pátio?

Máquinas de pátio operam sob severas solicitações mecânicas e ambientais. O Método dos Elementos Finitos (FEM) permite simular digitalmente o comportamento do equipamento diante de múltiplos cenários de carga, auxiliando a:

• Identificar eventuais falhas ou fragilidades de projeto;

• Investigar causas raízes de fenômenos não previstos ou trincas recorrentes;

• Fornecer embasamento técnico e normativo para o planejamento de inspeções e manutenções preditivas/corretivas.

2. Quais são os dados operacionais da recuperadora analisada no case da Kot Engenharia?

O estudo contempla uma recuperadora de roda de caçambas dedicada ao manuseio de minério de ferro (especificamente sinter e pellet feed), apresentando as seguintes características:

• Massa estrutural total: aproximadamente 1.800 TONELADAS;

• Capacidade nominal de processamento: aproximadamente $11.000t/h.

3. Como foi feita a modelagem computacional da máquina no software CAE?

A estrutura tridimensional da máquina foi totalmente modelada em software de Engenharia Auxiliada por Computador (CAE), discretizando a geometria real do equipamento através de dois tipos principais de elementos finitos:

• Elementos de casca (shell elements): utilizados para representar chapas metálicas, painéis e paredes de vigas caixão;

• Elementos de barra (beam elements): empregados para a representação de perfis estruturais, treliças e elementos lineares.

4. Quais tipos de carregamentos e combinações foram simulados?

A análise considerou os envelopes de carga reais e normativos aos quais o equipamento está exposto em campo:

• Peso próprio: massa de toda a estrutura metálica e componentes mecânicos;

• Cargas operacionais: peso do minério transportado e reações dinâmicas provenientes da escavação e movimentação da roda de caçambas;

• Cargas ambientais: ação do vento atuando na estrutura e nas pilhas de material.

5. Quais análises foram executadas e quais foram os resultados encontrados?

Foram conduzidas cinco avaliações estruturais principais:

• Análise Estática: Verificou os Índices de Utilização (IU) sob envelopes de tensão. Elementos de barra ficaram totalmente dentro dos limites admissíveis. Nos elementos de casca, identificaram-se regiões pontuais na contralança com IUs acima dos valores normativos recomendados.

• Análise de Fadiga: Avaliou o impacto dos ciclos operacionais de movimentação (basculamento, translação e rotação) para a vida útil de projeto. Os maiores IUs concentraram-se na região do portal da máquina, contudo permaneceram dentro do limite admissível.

• Análise de Flambagem Local: Avaliou a estabilidade elástica das chapas principais submetidas a esforços de compressão. Todas as regiões analisadas demonstraram margem de segurança adequada.

• Análise de Ligações: Analisou conexões rígidas, flexíveis e pinadas por métodos analíticos e normativos, obtendo resultados satisfatórios e IUs abaixo dos limites estipulados.

6. O que a análise modal apontou sobre o comportamento dinâmico do equipamento?

A análise modal avaliou as frequências naturais de vibração da recuperadora para evitar o fenômeno de ressonância (que ocorre quando frequências de excitação se alinham às frequências naturais do ativo). A simulação emitiu uma advertência para um dos modos de vibração natural, apontando risco de ressonância induzido por elementos rotativos da correia transportadora.

7. Qual foi a recomendação final e o impacto para a operação do cliente?

Apesar dos IUs pontualmente elevados na contralança e do alerta de ressonância no sistema de correia, a análise comprovou a integridade global do ativo. Não foi necessária a aplicação imediata de reforços estruturais, mas sim o direcionamento de um plano focalizado de inspeções e monitoramento durante as paradas de manutenção, reduzindo custos desnecessários com intervenções físicas e aumentando a confiabilidade operacional.