Introduction

Atualmente, a análise de vibração em ativos industriais é de alta relevância para assegurar a operação segura e eficiente de equipamentos e estruturas, sendo também de extrema importância para resguardar a saúde dos trabalhadores e proporcionar um produto final de qualidade. Tal análise visa promover disponibilidade e segurança para a operação, uma vez que um ativo em funcionamento gera vibrações que, caso não tratadas da maneira adequada, podem reduzir drasticamente a vida útil da estrutura ou mesmo provocar um colapso devido ao acoplamento de frequências.

Nesse contexto, esses dados vibracionais são comumente utilizados em conjunto com a análise estrutural pelo método dos elementos finitos (MEF), que simula o comportamento de equipamentos e estruturas quando submetidos a acelerações e vibrações. As medições de vibração são utilizadas para calibração do modelo computacional, estabelecendo um comparativo entre os dados teóricos e experimentais com o objetivo de validar o modelo elaborado.

This article will present two successful cases, each using a different methodology for collecting and analyzing vibrations: accelerometry and the motion amplification camera.

Accelerometry

Methodology

No geral, a instrumentação por acelerometria é amplamente empregada em ativos industriais para a medição e monitoramento de vibrações. Como o nome já remete, o método utiliza em suas coletas o acelerômetro, que é um dispositivo sensível à aceleração que converte a vibração mecânica em um sinal elétrico, que é proporcional à aceleração. É possível visualizar a seguir, na Figura 1, um desses sensores.

Figure 1: Accelerometer model - SOURCE: Kot Collection.

Dessa forma, esses sensores são fixados nas superfícies dos ativos a serem monitorados, e seu posicionamento é extremamente importante para que seja possível capturar as vibrações de interesse. Após sua instalação, as vibrações são registradas ao longo do tempo, de modo que esses dados podem ser coletados tanto de forma pontual, em intervalos específicos, quanto de forma contínua.

Em seguida, os sinais elétricos gerados pelos acelerômetros são processados por um software específico, possibilitando a extração de dados vibracionais relevantes como frequência, amplitude e forma de onda. Esses dados são então interpretados, momento em que se avalia possíveis padrões de vibração e não conformidades mediante as normas aplicáveis, que podem ser indícios de problemas como desalinhamento, desbalanceamento ou mesmo folgas em componentes e estruturas.

Succes story

Em um de seus serviços recentes, a Kot Engenharia realizou medições de vibração em um prédio de estruturas metálicas integrante de uma planta de mineração. Esse tipo de ativo costuma ser integrado por diversos equipamentos cujo funcionamento resultam em cargas dinâmicas, nas quais a magnitude, direção e posição podem sofrer variações ao longo do tempo. Com isso, as respostas do ativo em relação ao deslocamento, velocidade e aceleração também podem variar, sendo de extrema relevância a medição e coleta de dados vibracionais para avaliação da condição estrutural do prédio.

In this study, the client had reported excessive vibrations in the building's structure. This prompted a request to carry out vibration measurements on the building, followed by a structural analysis and, if necessary, proposed changes to remedy the excessive vibrations in the structure.

Em primeiro lugar, foram realizadas medições com acelerômetros em alguns pontos de interesse da estrutura, com o objetivo de avaliar os níveis de vibração em vigas, colunas e bases de equipamentos. É possível visualizar a seguir, na Figura 2, um desses sensores após sua instalação.

Figure 2: Accelerometer installed - SOURCE: Kot Collection.

The measurements collected cross-sectional, vertical and longitudinal data, in which speeds higher than those permitted by the standard for long-term vibrations in industrial buildings were identified. This data was used to calibrate the computer model, which was then used to analyze the structure of the asset and propose improvements to adjust vibration levels. Gif 1 shows one of the natural vibration modes investigated in the modal analysis and Gif 2 shows the variation in speed over time in one of the axes.

Gif 1: Natural vibration modes - SOURCE: Kot Collection.

Gif 2: Speed variation over time - SOURCE: Kot Collection.

Por essa razão, foi possível identificar que as principais vibrações na estrutura eram provenientes de um equipamento específico. Na sequência foram propostos reforços que, após nova análise estrutural, indicaram melhoria expressiva nos níveis de vibração da estrutura.

Motion amplification camera

Methodology

One of the methodologies recently developed for collecting and processing vibration data is image processing, a method associated with the use of a high-speed camera responsible for generating video recordings that measure the actual displacement of the structure. These recordings are processed in specific software, resulting in waveforms and vibration spectra from the amplified videos.

Além disso, um dos principais benefícios dessa metodologia é a medição em diversos pontos de forma simultânea, tendo como único requisito o enquadramento desses pontos na mesma imagem a ser capturada. Ademais, a câmera também dispensa a parada de equipamentos para realizar a instalação de sensores, de modo que a medição pode ser feita a uma distância de segurança do ativo a ser avaliado.

Nesse sentido, este método é capaz de realizar medições de alta precisão, dispondo de um sistema composto por câmeras de alta resolução e velocidades, sistemas de iluminação, lentes e computadores com software específico. O software em questão transforma os pixels da imagem em “sensores”, e esses pontos serão então analisados para obtenção do espectro de vibração e da forma de onda. É possível visualizar a seguir, na Figura 3, um profissional da Kot utilizando o equipamento em questão para coleta de dados vibracionais.

Figure 3: Vibration measurement with a motion amplification camera - SOURCE: Kot Collection.

Success of success

In one of the applications of this methodology, one of our clients requested the collection of vibrations in an industrial building that had undergone some modifications. After the installation of these new structures, the building began to show excessive vibrations, which is why an assessment of the structural condition of the asset under these conditions was requested, with the proposal of improvements to bring the vibration levels into line with those permitted by the standard, if necessary.

Dessa forma, foi proposta a utilização da câmera de amplificação de movimento para atendimento às necessidades do cliente. É possível visualizar a seguir, no Gif 3, uma das gravações coletadas durante as medições em campo.

Gif 3: Images collected by the camera - SOURCE: Kot Collection.

Em seguida, após as medições de vibração, os dados coletados foram utilizados para a calibração do modelo computacional, a ser utilizado na sequência para realização da análise estrutural pelo método dos elementos finitos (MEF). Nessa avaliação foi identificado que as cargas de excitação no prédio estavam abaixo das cargas dinâmicas máximas informadas em projeto. Em seguida foi feito um comparativo entre os deslocamentos nos eixos para a condição real, aferida em campo com a câmera, e para a condição teórica, e o modelo foi validado com base na proximidade desses valores, como pode ser visualizado a seguir, na Figura 4.

Figure 4: Displacement on one of the axes - SOURCE: Kot Collection.

After calibration, it was found that the vibration frequency of the structure was very close to the operating frequency of a specific piece of equipment located in the building. This was due to the proximity of the equipment's frequency to the building's first natural frequencies. After the study, structural non-conformities were identified at certain points in the structure, and reinforcements were proposed to bring the vibrations into line with the admissible levels recommended by the applicable standards.

Conclusion

Following the two cases presented, it is clear that the methodologies for carrying out vibration measurements and analysis are increasingly present in day-to-day industry, and are very relevant for assessing the levels of vibration acting on equipment, components and structures, and their possible implications.

In addition, prior knowledge of these methodologies is essential in order to define the best course of action for each situation. With the assessment of technical experts, this information is used to make decisions, defining improvements and modifications to be implemented for greater reliability, safety and operational efficiency.

A Kot conta com um amplo time de profissionais qualificados para avaliação, seleção e aplicação das metodologias e soluções melhor aplicáveis ao seu negócio e aos seus ativos. Consulte nossa equipe para mais informações!

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