Introdução

Estruturas metálicas e equipamentos mecânicos industriais, em geral, apresentam alguma conexão com elementos de concreto armado. Tal interface normalmente é feita por meio de chumbadores, que são ancorados no concreto com o objetivo de transmitir os esforços provenientes dos componentes suportados. Neste artigo será tratado um dos cases de sucesso da Kot, em que foi realizada a análise de falha da ligação de base de um equipamento do processo de mineração. Houve ruptura dos chumbadores de ancoragem desse equipamento, que levou ao seu tombamento, como mostra a Figura 1. A análise teve o objetivo de identificar as causas da falha e propor soluções para que o equipamento pudesse retornar à operação com segurança.

Metodologia empregada

A investigação da falha consistiu em uma etapa analítica, para verificação da transmissão dos esforços entre os componentes da conexão aço-concreto, e em uma etapa computacional, para verificação da sapata de fundação que suporta o equipamento. Dessa forma, além da identificação da causa da falha, também foi possível avaliar a conformidade do projeto da estrutura.

O dimensionamento das ligações chumbadas deve levar em consideração o comportamento conjunto dos materiais envolvidos. Tanto os modos de falha relacionados ao concreto quanto os estados limites associados ao aço do chumbador devem ser verificados para definir os materiais e dimensões dos elementos da conexão. A Figura 2 mostra os modos de falha que podem acontecer nesse tipo de ligação.

Com base no plano de cargas do equipamento, foram determinados os esforços solicitantes nos componentes da ligação. A máquina analisada estava apoiada sobre uma camada de borracha, utilizada para absorver a vibração desenvolvida durante a sua operação. Com isso, além da tração e do cisalhamento nos chumbadores, o braço de alavanca devido à borracha levava ao desenvolvimento de momentos fletores nas barras dos chumbadores, que se mostrou o esforço crítico na análise.

O caráter dinâmico das cargas do equipamento também foi considerado. Com base nos esforços definidos, foram calculadas as tensões na seção transversal das barras dos chumbadores para verificação da fadiga no material. Como o equipamento pode operar em diferentes direções, as tensões provocadas pelo momento fletor na barra podem ser de compressão ou de tração, como mostra a Figura 3, causando uma grande variação de tensões.

Considerando a magnitude elevada dos esforços, a análise de fadiga indicou que mesmo um pequeno número de ciclos de operação do equipamento poderia levar à redução da vida útil dos chumbadores, justificando a falha ocorrida. Tal conclusão foi corroborada por uma análise metalúrgica feita no metal rompido, que verificou que a superfície de fratura exibia trincas com características típicas de nucleação e propagação por fadiga sob esforço de flexão, seguida por uma ruptura frágil do restante da seção. Falhas no processo de fabricação dos chumbadores também foram identificadas e tiveram contribuição para a sua ruptura.

O modelo em elementos finitos da sapata de fundação foi utilizado para realização das verificações estruturais e geotécnicas. Nessa etapa, observou-se que a base da sapata apresentava área comprimida inferior ao valor mínimo recomendado por norma, indicando risco de perda de estabilidade da estrutura.

Soluções propostas

Para recuperação da ligação do equipamento com o concreto, a solução proposta foi a utilização de chumbadores do tipo cadeado, que ficam internos a tubos de aço embutidos no concreto. Com esse sistema, a recuperação da base é feita sem a necessidade de demolição do concreto, demandando apenas a realização de furos para remoção dos chumbadores rompidos e instalação dos novos tubos. Além disso, o processo de manutenção dos chumbadores é facilitado, podendo ser feito sem a necessidade de retirada do equipamento.

Também foi recomendado um valor de protensão para aperto dos chumbadores para evitar as variações de carga nas barras durante a operação do equipamento. O sistema proposto pode ser visualizado a seguir, na Figura 4.

Para evitar que as forças cortantes fossem transmitidas para a fundação pelos chumbadores, foi proposta a instalação de uma chapa de cisalhamento na base do equipamento. Recomendou-se, ainda, a substituição da camada de borracha da base por um graute de alta resistência, capaz de garantir o nivelamento da base e de suportar as vibrações provocadas pela operação do equipamento.

Para solucionar a não conformidade de projeto relacionada à estabilidade da fundação, foi proposto um aumento da altura da base da sapata, como mostra a Figura 5. Dessa forma, a região com perda de contato entre a estrutura e o solo é reduzida para a faixa normativa permitida, visando a segurança da fundação.

Considerações finais

As análises conduzidas permitiram identificar a causa da falha da ligação chumbada: a camada de borracha existente na base do equipamento promove um efeito alavanca da força cortante nos chumbadores, provocando a ruptura do metal. A abordagem computacional também identificou uma não conformidade no projeto da fundação, relacionada à estabilidade da estrutura.

O trabalho conduzido levou à proposição de soluções para os problemas identificados. As alterações propostas visam a segurança para operação do equipamento e apresentam facilidade de execução e manutenção ao longo de sua vida útil.

A avaliação de conexões entre elementos de aço e concreto deve ser feita levando em consideração o comportamento conjunto entre esses materiais e os estados limites específicos associados a esse tipo de ligação. A Kot conta com um time de profissionais qualificados em integridade estrutural, prontos para oferecer as melhores soluções de engenharia para os nossos clientes. Entre em contato com a nossa equipe para maiores informações!

Siga também nossas páginas no LinkedIn, Facebook e Instagram para continuar acompanhando nossos conteúdos.