Introdução

A maioria das estruturas e equipamentos existentes na indústria de base é projetada para operar toda sua vida útil dentro de um limite de pequenas deformações elásticas. Nessas ocasiões, as estruturas deformadas retornam ao seu estado original uma vez que o carregamento é removido. Esse tipo de deformação ocorre para a maior parte dos prédios, tanques, torres de transmissão, pontes, correias transportadoras, silos, dentre outros tipos de máquinas e equipamentos. Por esse motivo, a maioria das simulações numéricas realizadas para projeto ou análise dessas estruturas, é uma simulação chamada linear.

Além disso, na maior parte dessas estruturas, as cargas são consideradas como de aplicação gradual, e permanecem constantes ao longo do tempo de análise. Com estas considerações, a análise não envolve efeitos dinâmicos, como acelerações da estrutura ou impulsos de carregamentos. Ainda que pequenos efeitos dinâmicos existam nos carregamentos reais atuantes na estrutura, esses são comumente representados por carregamentos estáticos equivalentes.

Por esse motivo, o tipo mais comum de análise estrutural realizada é a análise estática. Matematicamente, isso significa dizer que somente a matriz de rigidez é resolvida no sistema, ou seja, toda força gera apenas deformação, e não aceleração da estrutura. Esse tipo de análise é tão comum que alguns autores até mesmo se referem à análise estrutural simplesmente como análise estática.

Há diversas aplicações, entretanto, em que as premissas de análise estática e/ou linear não são aplicáveis. Nesse sentido, avaliações envolvendo impactos, por exemplo, sejam eles operacionais ou acidentais, distanciam-se bastante desses princípios. Esses estudos envolvem carregamentos que variam rapidamente (geralmente em frações de segundo), gerando acelerações significativas na estrutura (Figura 1). Essas acelerações, em geral, causam deformações permanentes, o que não corresponde mais ao regime elástico.

Para avaliar esse tipo de situação, um tipo de análise mais complexo e mais exigente computacionalmente é necessário: a análise dinâmica não linear. Esse tipo de análise, geralmente, envolve uma integração numérica dita explícita em que, a cada instante de tempo, as forças atuantes e seus efeitos em deformação, velocidade e aceleração da estrutura são calculados.

A Kot possui uma equipe de análise dinâmica não linear que vem, há mais de uma década, auxiliando seus clientes a obterem soluções confiáveis em casos envolvendo estruturas e carregamentos fora do padrão, em que a dinâmica não linear é mais indicada, ou até mesmo a única forma de avaliação estrutural adequada. A seguir serão abordados alguns exemplos de aplicação da análise dinâmica não linear.

Impactos operacionais

Em britagens de minério, por exemplo, as grelhas são sujeitas à descarga de material granular (Figura 2). Nesse caso, a estrutura da grelha precisa resistir, além do fluxo de material fino, também a impactos de granulometrias maiores, muitas vezes pesando toneladas. Ao ser descarregado, esse material pode atingir velocidades de até 40 km/h logo antes de colidir com a estrutura.

O valor do esforço atuante na estrutura nesses impactos depende de variáveis como o local do impacto e dimensão da região atingida, do tempo de impacto, da aceleração e do nível de deformação permanente da estrutura. A definição dessas variáveis de forma analítica, ou por meio de análises estáticas lineares pode levar, em muitos casos, ao subdimensionamento da estrutura. Como consequência, podem ocorrer deformações, trincas e fraturas inesperadas ao longo da vida útil do componente, ou a necessidade de limitações operacionais, com o intuito de adequar a operação à resistência da estrutura existente.

A Kot já realizou análises de diversas estruturas deste tipo, nos quais a simulação dinâmica não linear foi utilizada para determinar com precisão os esforços atuantes em cada componente da grelha, para cada requisito operacional. Esse tipo de simulação permite o dimensionamento específico da grelha para cada aplicação, no lugar da comum, e muitas vezes mal–sucedida, abordagem de reutilizar projetos já aplicados em outros cenários.

Em alguns casos, além da precaução estrutural com o impacto, há ainda a preocupação com a movimentação da estrutura. Um exemplo nesse sentido foi a análise não linear da estrutura de cobertura móvel de uma panela de fundição (Figura 4). Nessa situação, havia a possibilidade de impactos que poderiam não somente danificar o equipamento, mas também causar algum movimento que deslocasse a cobertura de seu suporte na panela, tornando-a instável e podendo levar a seu tombamento durante a operação ou içamento.

Estruturas de proteção

Existem estruturas em que um possível impacto não é parte do processo operacional normal do equipamento, e sim ocorre na condição de falhas estruturais ou acidentes. Nesses casos é necessário assegurar que as estruturas impactadas sejam capazes de resistir aos esforços e conter eventuais fragmentos. Assim é possível impedir que os fragmentos projetados atinjam outros componentes ou até mesmo pessoas. Nessas situações, os esforços envolvidos são geralmente bastante significativos e as estruturas de proteção não necessitam sobreviver a múltiplas ocorrências, sendo substituídas após cada impacto.

Dessa forma, um dimensionamento por análise linear, é inviável ou excessivamente conservador, já que desconsidera a parcela de energia absorvida no regime plástico. Por outro lado, com a análise dinâmica não linear, pode-se determinar de forma precisa as forças envolvidas e a resposta estrutural da proteção, permitindo um dimensionamento seguro e específico para cada situação. A Kot tem experiência no desenvolvimento de proteções para conter falhas de componentes mecânicos. Alguns dos trabalhos realizados pela empresa consistem em proteções para explosões de acoplamentos hidrodinâmicos, rupturas de polias e proteção de ocupantes de veículos, como na verificação da resistência de janelas e para-brisas a impactos.

Devido à possibilidade de consideração multifísica na simulação explícita, impactos de fluidos em estruturas também podem ser simulados. Em atividades recentes, por exemplo, foi necessário o desenvolvimento de reforços em um chute de recebimento de um alimentador de minério. Esse estudo foi desenvolvido para evitar o colapso ou vazamento excessivo no caso de avalanches internas no silo durante o processo de alimentação, em que grande massa de material desce descontroladamente, causando graves riscos a operação em caso de acidentes.

Análise de falhas e reconstituição de acidentes

No caso de acidentes ou falhas estruturais, uma das principais necessidades é entender a fundo as causas e mecanismos de falha envolvidos, a fim de evitar que novas situações similares ocorram. Para isso, é frequente a necessidade de reconstituição dos modos de falha ocorridos, tanto para entendimento da sequência de eventos, quanto para validação de hipóteses de falha e determinação das cargas envolvidas para dimensionamento de soluções. Nesses casos, a não linearidade é parte fundamental da análise, uma vez que em muitos casos, as estruturas, especialmente metálicas, apresentam amplo comportamento não linear imediatamente antes da falha.

A Kot já esteve envolvida em diversas análises de falha e investigações de acidentes em que a simulação dinâmica linear foi fundamental para a reconstituição do ocorrido, validação de hipóteses, e definição de ações preventivas que impeçam novas ocorrências. Até mesmo para a avaliação da severidade de possíveis danos a humanos, a análise dinâmica não linear tem papel fundamental na determinação das velocidades, acelerações e forças envolvidas, as quais, quando associadas a análises biomecânicas, permitem uma classificação da severidade do impacto e suas possíveis consequências.

Conclusão

Em suma, pode-se dizer que a análise dinâmica não linear é uma abordagem avançada de simulação computacional usada na engenharia para estudar o comportamento de sistemas complexos sob a influência de forças e carregamentos variáveis ao longo do tempo. Nesse tipo de análise, grandes deformações, efeitos de plasticidade e outros comportamentos não lineares das estruturas são levados em conta para obter resultados precisos em situações que as análises estáticas e lineares não são capazes de resolver adequadamente. A análise dinâmica não linear é particularmente útil quando se lida com problemas de impactos/colisões, falhas estruturais e acidentes, interações fluido-estrutura, verificações estruturais de componentes mecânicos e quaisquer outros sistemas físicos em que as respostas não podem ser adequadamente representadas por relações lineares.

A Kot é especialista em análises dinâmicas não lineares e pode o auxiliar com soluções confiáveis e personalizadas, promovendo a segurança e o desempenho de equipamentos e estruturas. Precisa realizar a análise não linear nos ativos da sua empresa? Entre agora mesmo em contato com nossos especialistas.

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