Introducción

Toda estrutura é submetida a diferentes tipos de carregamento, os quais cabe ao projetista considerar da forma correta durante o dimensionamento do equipamento. As cargas gravitacionais, de vento e sobrecargas são alguns exemplos típicos de solicitações em estruturas e equipamentos. Além destes carregamentos, as cargas térmicas são de extrema relevância para a integridade estrutural, uma vez que essas impõem esforços internos nos elementos para se contraporem à dilatação térmica sofrida.

En general, las estructuras expuestas a la intemperie y construidas en regiones con condiciones climáticas normales (cintas transportadoras, edificios, maquinaria de patio, etc.) están sometidas a variaciones de temperatura a lo largo de su vida de unos 20°C. En lugares con condiciones climáticas extremas, pueden alcanzarse valores superiores, como en el desierto de Gobi, donde en verano la temperatura alcanza los 45°C y en invierno los -40°C. Para calcular la variación de la longitud lineal de un cuerpo debida a la acción de la temperatura se utiliza la siguiente fórmula:

La dilatación térmica se convierte en tensión interna en un elemento si la deformación está restringida por el entorno exterior. Tomemos el ejemplo de la figura 1, que muestra la misma viga con dos condiciones de contorno diferentes. La viga de la izquierda, simplemente apoyada, se dilata uniformemente sin cambiar de forma cuando se calienta de 20 °C a 100 °C. En esta condición, no hay fuerzas que se opongan a la dilatación térmica. En esta condición, no se generan fuerzas contra el movimiento de la estructura debido a la expansión térmica, y la tensión resultante de la carga térmica es despreciable. En la viga bifundida de la derecha, la dilatación térmica está restringida por el soporte, lo que da lugar a fuerzas que se oponen a la dilatación, cambiando así la forma y generando tensiones en la estructura. Este sencillo ejemplo ilustra la consideración general de los efectos de la temperatura en el diseño estructural. La figura 2 muestra la deformación de una vía férrea sometida a variaciones de temperatura.

Figura 1: Reacciones y deformaciones de una viga simplemente apoyada (izquierda) y de una viga doblemente arriostrada (derecha) cuando se calientan.

Figura 2: Carril con restricción axial deformado debido a la dilatación térmica.

A análise termo-estrutural é realizada para avaliar a influência da carga térmica sobre as deformações, e, consequentemente, sobre as tensões. Pelo método dos elementos finitos, existem duas maneiras de considerar essa interação: o acoplamento termo-estrutural fraco e o forte. O acoplamento fraco consiste em realizar uma análise térmica para determinar o campo de temperaturas e utilizar estes dados como entrada no modelo estrutural, sem que a alteração de um parâmetro influencie no outro. Já o forte realiza a solução das equações de forma concomitante, considerando a interação entre as soluções (veja um exemplo de acoplamento entre fenômenos no artigo de FSI).

La forma más habitual de realizar análisis termoestructurales es mediante acoplamiento débil, ya que tiene menores costes computacionales y diferencias mínimas para la mayoría de los problemas de ingeniería.

Además de las tensiones generadas por las reacciones de dilatación térmica, hay otros efectos importantes que deben tenerse en cuenta durante el diseño. En este artículo se examinarán los conceptos de fluencia, las formas en que este efecto puede tenerse en cuenta en la resistencia estructural y un caso práctico que ilustra la importancia de tener en cuenta la fluencia en la seguridad estructural de una chimenea.

La fluencia en los metales es un fenómeno que se produce cuando un material se somete a una tensión constante y sigue deformándose con el tiempo. Imaginemos una viga bipartida que soporta el peso de un motor. Si la viga está a temperatura ambiente (entre 20 °C y 40 °C), se deformará cuando se coloque el motor sobre ella, tras lo cual permanecerá estática con una deformación constante. Si esta misma viga se somete a una temperatura de 500°C, en función del nivel de tensión seguirá deformándose y puede llegar a colapsarse.

La fluencia se produce con mayor rapidez a altas temperaturas, como en los motores de los aviones o las turbinas, donde las piezas metálicas están sometidas simultáneamente a un calor y una tensión intensos. Con el tiempo, esta deformación puede afectar a la integridad del material, un factor que debe tenerse en cuenta durante el diseño.

El fenómeno se caracteriza por tres fases: la primera es transitoria, en la que la estructura se deforma debido a cargas externas y en parte al efecto de fluencia; la segunda es una deformación estacionaria y constante; por último, la tercera fase es inestable y puede culminar en la rotura del material. La figura 3 muestra el esquema típico de los ensayos de fluencia y las tres fases explicadas.

Figura 3: Esquema de ensaio típico de fluência, ilustrando os três estágios de deformação observado para o corpo de prova. FONTE: Adaptado de Dowling – 2013.

"La deformación por fluencia en materiales metálicos llega a ser significativa a temperaturas por encima del rango del 30 al 60 por ciento de la temperatura de fusión del material" - Dowling - 2013. Los análisis de fluencia pueden considerarse de diferentes maneras. El enfoque más simplificado utilizado para el diseño de estructuras sometidas al fuego consiste en reducir el módulo de elasticidad y la tensión resistente en función de la temperatura de actuación. Sin embargo, este enfoque no es capaz de predecir la cantidad de deformación plástica debida a la fluencia del material en función del tiempo de exposición. Para ello, existen métodos empíricos que consideran las tensiones actuantes y el tiempo mediante ecuaciones que definen la resistencia del material en función del tiempo, así como modelos reológicos que estudian la micromecánica del material. La figura 4 muestra las curvas del módulo de elasticidad y del límite elástico en función de la temperatura, que se utilizan habitualmente en la evaluación simplificada.

Figura 4: Redução da tensão de escoamento e do módulo de elasticidade em função da temperatura atuante.
FONTE: Adaptado de EN-1993-1-2.

Casos prácticos

Las chimeneas metálicas están sometidas a altas temperaturas por el contacto con los gases que salen de los hornos. En general, se utilizan refractarios y aislantes para reducir la temperatura que actúa sobre el lado y mantener la integridad del equipo. Sin embargo, hay procesos en los que no se recomienda el uso de refractarios debido a la dificultad de su mantenimiento, el riesgo de desprendimiento, la contaminación del metal producido e incluso accidentes. Por ello, algunas chimeneas se construyen con el lateral en contacto directo con el gas.

Em um recente estudo realizado pela Kot Engenharia, foi analisado um conjunto de chaminés metálicas comprometidas por deformações excessivas em todo o costado. Para avaliação das causas das falhas e proposição de soluções, dividiu-se o trabalho em quatro etapas:

• Inspección sobre el terreno para detectar no conformidades y cambios de diseño;
• Medición de la temperatura con cámara termográfica;
• Análise estrutural por elementos finitos (estática, flambagem, fadiga, não linear {fluência}) e proposição de soluções;
• Supervisión de las temperaturas en las chimeneas más nuevas para correlacionarlas con los sensores existentes y determinar los límites de funcionamiento seguro.

Inspección

Durante la inspección, se observaron deformaciones en toda la base del lateral. Para contener el avance de las deformaciones, ya se había instalado una torre de apuntalamiento secundaria para sortear la carga de compresión en la zona. La figura 5 muestra la estructura deformada y la torre de apuntalamiento instalada.

Figura 5: Deformación en la pared lateral de la chimenea con estructura de soporte externa instalada para redundar y reducir el riesgo de colapso estructural.

Además de las deformaciones, se observaron alteraciones de diseño que aumentaron el bloqueo de la chimenea, véase la figura 6. Como se ilustra en la Figura 1, las estructuras sometidas a temperatura y con mayor contención están más estresadas y, por lo general, presentan tensiones más elevadas. Estos cambios de diseño se tuvieron en cuenta en el modelo informático para evaluar las causas del fallo del equipo. Se identificaron otras no conformidades y se propusieron soluciones para garantizar la integridad del activo.

Figura 6: Cambios en las juntas de dilatación y los soportes deslizantes identificados durante la visita sobre el terreno.

Medición termográfica para definir el perfil térmico

La termografía es una técnica de imagen utilizada para obtener el perfil de temperatura de un cuerpo radiante. La cámara utiliza sensores para detectar y cartografiar la radiación infrarroja emitida por objetos o superficies. La conversión de imágenes se realiza calibrando los parámetros de emisividad del material, que vienen definidos por el estado de la superficie y varían en función de la temperatura. Así pues, a partir de las mediciones realizadas, se calibraron las emisividades del material para construir el perfil térmico de las chimeneas.

Tras las mediciones y basándose en los registros de temperatura del gas de los termopares de la empresa, se pudo comprobar que las tres chimeneas tenían temperaturas diferentes, que variaban a lo largo del día. Por lo tanto, se evaluaron varias combinaciones de distribución de temperatura entre las chimeneas, siguiendo la tendencia de los registros de algunos días de funcionamiento.

La Figura 7 muestra una de las imágenes termográficas captadas, mientras que la Figura 8 muestra la distribución de temperatura entre las chimeneas. Además de las cargas de temperatura, se consideraron otras acciones para determinar las combinaciones de carga evaluadas.

Figura 7: Termografía realizada para determinar el perfil de temperatura.

Figura 8: Distribución de la temperatura en las chimeneas para uno de los casos de carga evaluados.

Análisis estructural por elementos finitos

Con el fin de caracterizar los fallos y proponer refuerzos, se llevaron a cabo varias pruebas de hipótesis y diferentes análisis. Las evaluaciones estáticas indicaron fallas en algunas áreas del equipo debido a la diferencia de temperatura, que resultó en diferentes deformaciones debido a la expansión térmica, aumentando las tensiones actuantes. Además, había regiones susceptibles de agrietamiento, como se observa en la Figura 9. Es importante destacar que las regiones más críticas identificadas en el estudio resultaron efectivamente dañadas en el campo.

Figura 9: Resultados da análise de fadiga, indicando vida útil das soldas inferior ao tempo de operação do ativo – em destaque as trincas na região observadas em campo.

Se realizaron análisis lineales de pandeo y análisis no lineales de fluencia para caracterizar el problema central, que era la deformación permanente del lateral, ya que la chimenea alcanzó temperaturas superiores a 450°C y pudo llegar a valores próximos a 620°C, que son críticos para los efectos de la deformación por fluencia.

Los análisis realizados determinaron que el lateral corría el riesgo de pandeo cuando funcionaba por encima de determinadas temperaturas, como se muestra en la figura 11. Además, el análisis de fluencia no lineal mostró que el funcionamiento de la chimenea a altas temperaturas durante más de dos horas provocaba deformaciones plásticas permanentes que superaban los límites permitidos por la ley, como puede verse en la figura 10.

Figura 10: Resultados del análisis de fluencia no lineal.

Figura 11: Análisis de pandeo que identifica el riesgo de pandeo en el lado de la chimenea.

Intervenciones propuestas

Tras identificar los problemas que provocaron el fallo de la estructura, se inició el proceso de propuesta de refuerzos y mejoras. Esta etapa incluía algunas particularidades del proceso que debían cumplirse, como: permitir el funcionamiento hasta una determinada temperatura, no utilizar refractarios para facilitar el mantenimiento, reducir el riesgo de contaminación del material producido y realizar una evaluación para obtener la solución con el menor impacto económico posible y facilidad de instalación.

Como resultado, se propusieron cambios en el material, la geometría, la mejora de las soldaduras y la modificación de las conexiones para permitir la expansión de la estructura. Con los refuerzos propuestos, fue posible aumentar la vida a fatiga de las soldaduras más críticas en un 350%, adaptar la estructura a los requisitos de resistencia al pandeo para todo el rango de temperaturas de funcionamiento y permitir que la nueva chimenea funcione a temperaturas de 600°C durante periodos de hasta 10 horas, mejorando el control del proceso y garantizando la seguridad y la integridad operativa de la estructura. Las siguientes figuras ejemplifican las modificaciones propuestas (Figura 12) y los resultados de los análisis considerando la implementación de los refuerzos (Figura 13).

Figura 12: Exemplo de modificação proposta para melhoria da dilatação térmica da estrutura.

Figura 13: Resultados comparativos del análisis estático antes y después de la aplicación de los refuerzos.

Supervisión continua con termopares para desarrollar controles de funcionamiento

Como la resistencia del material depende de la temperatura de funcionamiento, era necesario establecer límites de funcionamiento seguros, ya que los materiales tienen límites físicos de resistencia (véase la figura 4). Por ello, se llevó a cabo una supervisión continua mediante termopares soldados a la estructura lateral, con el fin de determinar una correlación entre el sensor de medición de gas y la temperatura lateral. Esta correspondencia ha permitido al cliente trabajar en todo momento en condiciones de funcionamiento seguras.

Figura 14: Instrumentación de temperatura continua en la chimenea para el control del proceso.

Conclusión

Tras el estudio detallado realizado por Kot, se observó que los fallos de la chimenea estaban relacionados con cambios en las condiciones de apoyo de los conductos y, sobre todo, con las elevadas temperaturas de funcionamiento. Los resultados de los análisis de pandeo y fluencia no lineal representaron asertivamente el estado de deformación verificado sobre el terreno, lo que indica que los modelos construidos son fieles a la realidad.

Con las modificaciones propuestas a la geometría y la indicación de los rangos seguros de operación, fue posible diseñar una estructura adecuada para la operación y dentro de la realidad de la instalación y los costos buscados por el cliente. Este trabajo muestra la importancia de la comprensión de los fenómenos físicos implicados y la asertividad conseguida con el uso correcto del método de los elementos finitos, tanto para caracterizar los aspectos de fallo como para proponer refuerzos y ajustes más simples y eficaces.

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