O Operating Deflection Shape (ODS) é uma metodologia avançada de análise de vibração que mapeia a deflexão (forma de deformação) de uma estrutura ou equipamento enquanto ele está operando sob suas cargas reais. Por meio da coleta de dados com acelerômetros e do processamento matemático (FFT), o ODS converte a vibração global percebida no equipamento em diagnósticos visuais e quantitativos. Ele é essencial para identificar a causa raiz de falhas complexas, como ressonância, desbalanceamento, desalinhamentos e problemas de fundação que ameaçam a integridade estrutural do ativo.
Descubra como o ODS pode diagnosticar falhas dinâmicas e evitar o colapso de estruturas industriais.

O que é ODS e como ele pode ser utilizado para solução de não conformidades estruturais?

De forma geral, a análise de vibração tem como objetivo principal garantir a disponibilidade para a operação, segurança e integridade estrutural de um componente, equipamento ou estrutura. Um equipamento em operação gera vibrações, e mesmo que esteja em repouso (fora de operação), poderá vibrar por estar excitado por uma força externa (por uma carga de vento por exemplo).

No dia a dia do campo, a análise vibracional é realizada pela coleta das vibrações que estes equipamentos estão submetidos. A coleta é dada por meio de acelerômetros. Esses acelerômetros vibram, e ao vibrar, geram sinais elétricos de corrente baixa que são lidos por um sistema de aquisição de dados. Tais dados são tratados por meio de algoritmos específicos, possibilitando a análise da vibração.

Atualmente, essa análise vibracional pode acontecer on-line (com os acelerômetros montados diretamente e permanentemente no objeto) ou off-line, com o engenheiro coletando esses dados em campo.

Nesse sentido, mediante os dados tratados pelos algoritmos, os envolvidos no processo buscam detectar falhas prematuramente ou investigar as razões de falhas já conhecidas. Entre os problemas mais comuns, que podem causar inconvenientes devido à vibração, encontrados em campo no dia a dia da empresa, destacam-se: cavitação em bombas; falhas do motor elétrico; falhas nos redutores; desequilíbrio, falhas de rolamento, desalinhamento, ressonância; entre outros inconvenientes.

Nesse contexto, o Operating Deflection Shape (ODS) é uma metodologia utilizada no dia a dia da análise de vibrações. Para seu entendimento, alguns conceitos acadêmicos são importantes de serem relembrados:

Grau de Liberdade (GDL):

Conforme determinado por RAO (2009), para a análise de vibrações, o sistema mais simplificado é o modelo com um GDL, cujo movimento é determinado por uma específica coordenada ou uma variável. Sendo assim, o GDL é um determinado número mínimo de pontos coordenados para a determinação do posicionamento e movimento deste sistema.

Vibração livre:

Vibração livre é caracterizada quando um determinado objeto sofre uma inicial perturbação e, após este momento, ele prossegue vibrando por conta própria, sem a atuação de qualquer força externa provocando vibrações adicionais no sistema. O exemplo clássico de vibração livre é um pêndulo simples. Após o seu deslocamento para o ponto de partida e a sua liberação, inicia-se movimento oscilatório sem qualquer atuação de forças externas.

Vibração forçada:

A vibração forçada difere-se da vibração livre, pois nesse caso forças externas agem sobre o sistema em estudo. O exemplo clássico de vibração forçada é a cadeira de balanço que, após uma perturbação inicial, necessita de uma perturbação contínua para que o movimento oscilatório da criança no balanço continue.

Na prática, no dia a dia da indústria, desbalanceamentos em componentes submetidos à rotação como polias, volantes, ventiladores, etc.. são exemplos comuns. Na prática, a vibração forçada pode ser causada por fatores como: quebra de um determinado componente que possa excitar a estrutura em uma diferente frequência (quebra de um dente de engrenagem de um redutor, por exemplo); dimensionamento estrutural inadequado; desalinhamentos na estrutura acima do previsto em projeto; excitações externas e/ou do ambiente não previstas; desbalanceamento de massas durante a fabricação do componente (massas desbalanceadas em polias, tambores, volantes, ventiladores, etc.).

Frequência natural:

De modo geral, a frequência natural é a frequência característica ou seu conjunto particular de um determinado objeto em situação de vibração livre. Essa frequência é determinada por fatores como geometria, massa, dimensões e materiais envolvidos na formação do objeto em estudo. Para objetos simples, uma forma relativamente fácil de se obter as frequências naturais é excitar o objeto e posteriormente colocá-lo em vibração livre, com único carregamento externo sendo o gravitacional. Dessa forma, a frequência natural pode ser medida por instrumentação adequada.

Análise modal:

Nesse sentido, para equipamentos e estruturas complexas (máquinas de pátio, transportadores, prédios em estrutura metálica, etc.), deve-se realizar uma análise modal para encontrar as frequências naturais da estrutura. Para a essa avaliação, lança-se mão de parâmetros como rigidez e massa do objeto em estudo. A análise modal é uma ferramenta muito importante para a promoção da integridade estrutural de um ativo, seja durante o seu projeto ou durante a sua operação. A partir disso, quando se tem conhecimento das frequências naturais do objeto, suas fontes de excitação devem ser então pesquisadas. Exemplos dessas fontes são motores, redutores, peneiras, equipamentos rotativos em geral que tenham interface com o sistema. Portanto, pode-se evitar a ocorrência do fenômeno de ressonância. O Gif 1 mostra uma análise modal realizada pela Kot.

 

Gif 1: Análise modal em uma ponte – Fonte: Acervo Kot.

 

Importante destacar que por meio desta análise obtém-se a resposta modal do objeto, em que cada frequência natural está associada a um modo, uma forma de vibrar (shape). Para análise em campo, de um sistema que possui várias fontes de excitações, a análise ODS é indicada e pode trabalhar contribuindo com a análise modal, principalmente em casos onde exista sobreposição de frequências. Nesses casos, é possível a ocorrência de ressonância em múltiplos modos estruturais.

Ressonância

Nesse contexto, a ressonância ocorre quando as frequências das fontes de excitação no equipamento, estrutura ou regiões próximas, são próximas ou iguais às frequências naturais do sistema em estudo. Quando isso ocorre, caso não seja amortecido, o objeto em estudo/análise pode apresentar deslocamentos elevados que, muitas vezes, não foram considerados no projeto do equipamento. Tais deslocamentos podem causar fenômenos como fadiga de baixo ciclo, diminuição da vida de componentes e até o colapso estrutural do objeto. O Gif 2 mostra o notório caso da Tacoma Narrow Bridge em ressonância com as cargas de vento.

 

Gif 2: Tacoma Narrow Bridge em ressonância – Fonte: https://tenor.com/view/tacoma-narrows-bridge-shaking-earthquake-gif-17537817

 

Domínio do tempo

De modo a facilitar o entendimento, de fato, pode-se interpretar a vibração no domínio do tempo como a soma de todas as contribuições vibracionais que o equipamento sofre ao longo do tempo. Sendo assim, os somatórios de cada equipamento podem ser percebidos, e na prática correspondem à vibração que o corpo humano sente quando está em um objeto que vibra. Como exemplo, quando se está em um transportador de correia, é a vibração que o colaborador percebe no passadiço. É o somatório das vibrações do motor, redutor, tambores, correia, roletes, carga de vento e etc. interagindo entre si.

Domínio da frequência

Por outro lado, quando o domínio da frequência é analisado, é possível separar a contribuição que cada componente da vibração apresenta no objeto. De forma a clarear esse entendimento, MASTRIANI (2018) apresenta na Figura 1 uma comparação entre o domínio do tempo e o domínio da frequência. Do lado esquerdo, percebe-se a vibração de dois componentes atuando no objeto e a vibração resultante que representa a análise no domínio do tempo. Do lado direito da figura, pode-se analisar a contribuição separada dos dois componentes, que se configura a análise no domínio da frequência. Sendo assim, no lado esquerdo percebe-se a amplitude do sinal no domínio do tempo e no lado direito a amplitude do sinal no domínio da frequência.

 

Figura 1: Análise de vibrações no domínio do tempo e no domínio da frequência – Fonte: MASTRIANI (2018)

 

Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform – FFT)

Nesse sentido, a FFT é um artifício matemático que serve para discretizar as vibrações do domínio do tempo para o domínio da frequência. Na prática, elabora-se um algoritmo para a realização dessa transformada para o tratamento dos dados coletados ou é utilizado um programa comercial específico para a realização deste tratamento de dados.

ODS

Conforme definição de DOSSING (1988), ODS (Operating Deflection Shape – Forma de Deflexão Operacional) pode ser medido em um determinado objeto diretamente, por meios relativamente simples. Esta metodologia fornece informações muito úteis para entender e avaliar o comportamento dinâmico de um componente, equipamento ou estrutura.

RICHARDSON (1997), tem as seguintes definições para ODS:

• • ODS define-se como a deflexão de um objeto (estrutura, componente ou equipamento) em uma específica frequência. De uma forma mais generalista, a metodologia pode ser definida como qualquer movimento forçado de dois ou mais pontos em um objeto. Nesse contexto, quando se determina o movimento a partir de duas ou mais coordenadas, consegue-se assim definir uma forma de deflexão (shape);

• • Uma forma é o movimento de um ponto coordenado em relação a todos os outros. Nesse contexto, o movimento constitui uma quantidade vetorial, possuindo localização e direções associadas a ele. Esta quantidade vetorial é também conhecida como um importante conceito do estudo de vibrações conhecido como GDL;

• • O ODS pode ser definido e determinado a partir de um deslocamento específico de uma vibração forçada, seja em um determinado momento ou em uma frequência específica. Dessa forma, o ODS pode ser obtido para vários tipos de respostas no domínio do tempo, sejam estas respostas realizadas de forma senoidal, pontuais ou completamente aleatórias.

Dessa forma, na prática, como o ODS pode contribuir com a integridade estrutural do seu ativo? A Kot sugere os seguintes passos para atendimento quando o cliente se depara com um novo fenômeno que prejudica o conforto humano e/ou pode trazer danos ao seu ativo:

1. 1. A partir do relato do cliente sobre seu ativo, estuda-se por meio de desenhos (estruturais, civis e/ou mecânicos) todo o sistema envolvido, bem como os limites de bateria para a definição do modelo. Nesse estudo, faixas de frequência e fontes de excitação possíveis são levantadas para o planejamento da solução. É importante nesta fase que o engenheiro tenha bem claro o conhecimento sobre o histórico do equipamento e condições de operação realizadas, principalmente quando o fenômeno indesejado de vibração ocorre;

1. 1. Define-se a necessidade ou não da realização da análise modal para a investigação do fenômeno;

1. 1. A partir do prévio estudo são definidos os acelerômetros que serão utilizados, assim como a eletrônica disponível com o número compatível de canais. Pontos de coleta também são definidos e eventuais desvios que possam ocorrer durante a realização dos ensaios são levantados para mitigação;

1. 1. Procede-se a coleta de dados em campo com a eletrônica especializada para o atendimento da demanda. O equipamento deve estar nas condições que o fenômeno de vibração inconveniente ocorre, de forma que o modelo reproduza a realidade. Outras faixas de frequência e operação podem ser exploradas, de forma a detectar outras futuras não conformidades ocultas;

1. 1. Voltando do campo, dispondo de ferramentas matemáticas específicas para tal, os dados são tratados e analisados. As informações obtidas no pré-estudo realizado são confrontadas com os dados coletados de forma a se realizar o diagnóstico do fenômeno. Nessa confrontação, vários questionamentos são realizados, como: quais as direções e deslocamentos que o ativo realiza; qual o comportamento da estrutura quando excitada; quais as diferenças de deslocamento dos vários pontos do ativo entre si; quais as fontes de excitação que contribuem mais para o fenômeno percebido, entre outras;

1. 1. Compreendendo os dados estudados e analisados, é apresentado um relatório com o diagnóstico obtido, bem como ações requeridas para a resolução do inconveniente encontrado.

 

Conclusão

Por fim, caso tenha necessidade de soluções em ODS e análise de vibrações para a promoção da integridade estrutural do seu ativo, entre em contato. A Kot possui profissionais qualificados e equipamentos específicos disponível para contribuir com a solução para seu ativo. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. O que significa ODS (Operating Deflection Shape) na prática?

ODS, ou Forma de Deflexão Operacional, é o mapeamento do movimento forçado de dois ou mais pontos de uma estrutura operando em sua condição real. Em termos práticos, é a medição vetorial (com direção, sentido e amplitude) de como um equipamento “se contorce” ou se desloca em uma frequência específica durante o seu funcionamento normal, permitindo visualizar onde o estresse dinâmico está concentrado.

 

2. Qual é a diferença entre Análise Modal e Análise ODS?

Embora sejam complementares, elas têm objetivos distintos:

• Análise Modal: Identifica as frequências naturais inerentes à estrutura e seus modos de vibrar, baseando-se em sua massa e rigidez, independentemente das forças de operação. É muito usada na fase de projeto para evitar ressonâncias.

• Análise ODS: Mede como a estrutura vibra na vida real, sob a influência de todas as fontes de excitação externas e operacionais combinadas (motores, correias, impactos). É ideal para equipamentos em campo que sofrem com múltiplas fontes de vibração simultâneas.

 

3. O que é ressonância estrutural e quais os seus riscos para a indústria?

A ressonância ocorre quando a frequência de uma força de excitação externa (como a rotação de um motor ou a passagem de uma correia) se iguala a uma das frequências naturais da estrutura. Quando isso acontece, a estrutura absorve essa energia e passa a apresentar deslocamentos e vibrações extremamente elevados, que não foram previstos no projeto. Isso pode causar fadiga acelerada, quebra prematura de componentes mecânicos e até o colapso estrutural total (como o famoso caso da ponte Tacoma Narrows).

 

4. Qual a diferença entre vibração livre e vibração forçada?

• Vibração Livre: Ocorre quando um sistema recebe um impacto ou perturbação inicial e continua vibrando sozinho, sem forças externas contínuas (exemplo: um pêndulo oscilando até parar).

• Vibração Forçada: Ocorre quando uma força externa contínua excita o sistema (exemplo: uma criança sendo empurrada constantemente em um balanço). Na indústria, o desbalanceamento de um ventilador ou a quebra do dente de uma engrenagem são fontes constantes de vibração forçada.

 

5. Como funciona a análise de vibração no “domínio do tempo” versus “domínio da frequência”?

• Domínio do Tempo: Mostra a vibração global exata que o equipamento (ou uma pessoa sobre ele) está sentindo naquele momento. É a soma caótica de todas as vibrações acontecendo juntas.

• Domínio da Frequência: Separa esse sinal caótico, permitindo ver a contribuição individual de cada componente (o que é culpa do motor, o que é culpa do redutor, etc.), facilitando a identificação da peça defeituosa.

 

6. O que é a Transformada Rápida de Fourier (FFT) na análise de dados?

A FFT (Fast Fourier Transform) é o algoritmo matemático utilizado pelos hardwares e softwares de aquisição de dados para converter o sinal complexo coletado no “domínio do tempo” e separá-lo em gráficos claros no “domínio da frequência”. Sem a FFT, seria praticamente impossível isolar a causa raiz de um problema vibracional em um sistema complexo.

 

7. Quais falhas mecânicas e estruturais mais comuns o ODS ajuda a diagnosticar?

A aplicação conjunta de acelerometria e algoritmos de ODS permite detectar prematuramente:

• Cavitação em sistemas de bombeamento;

• Desbalanceamento de massas (em polias, tambores e volantes);

• Desalinhamentos excessivos de eixos e estruturas;

• Folgas mecânicas e falhas em rolamentos;

• Deficiência na rigidez de bases e fundações.

 

8. Quais são os passos para realizar uma análise de ODS em campo?

Para um diagnóstico efetivo e seguro, a investigação geralmente segue uma metodologia rigorosa:

1. Estudo Prévio: Análise de desenhos técnicos (mecânicos e civis) e entendimento do histórico de falhas relatado pela operação;

2. Planejamento: Definição da necessidade de análise modal complementar e seleção dos acelerômetros e pontos de coleta;

3. Coleta de Dados: Medição em campo com o equipamento rodando exatamente na condição operacional que gera o problema (ex: moinho carregado, velocidade máxima);

4. Tratamento e FFT: Processamento matemático dos sinais e cruzamento das fontes de excitação com as deflexões medidas;

5. Diagnóstico: Emissão de relatório indicando a causa raiz e as modificações estruturais ou mecânicas necessárias para eliminar a não conformidade.

 

Referências:

[1] MASTRIANI, Mario. Quantum-classical algorithm for an instantaneous spectral analysis of signals: a complement to Fourier Theory. 2018;

[2] RAO, Singiresu S. Vibrações mecânicas. Pearson Educación, 2009;

[3] DOSSING, Ole. Structural stroboscopy-measurement of operational deflection shapes. Sound and Vibration Magazine, v. 1, p. 18-24, 1988;

[4] RICHARDSON, Mark H. et al. Is it a mode shape, or an operating deflection shape?.Sound and Vibration, v. 31, n. 1, p. 54-67, 1997.