Análise estrutural e mecânica de pontes rolantes

Introdução 

As pontes rolantes são equipamentos utilizados nos diversos segmentos industriais para movimentação de cargas. A configuração da ponte rolante varia conforme a aplicação a que se destina, podendo ter alterações nas seguintes características: 

1) Geometria: as pontes mais comumente utilizadas são uni-viga ou dupla-viga.  

2) Tipo de sustentação: as pontes podem ser apoiadas sobre trilhos ou suspensas. 

3) Capacidade de carga: conforme o tipo de carga içada, a capacidade nominal da ponte pode variar de 0,5 tonelada até centenas de toneladas. 

4) Tipo de manipulação da carga: pode ser realizada por meio de ganchos, grampos, tenazes, caçambas, eletroímãs, etc.  

5) Tipo de acionamento: a operação da ponte pode ser realizada pelo operador situado dentro da cabine ou à longa distância, através de controle remoto. 

As pontes rolantes estão sujeitas à diversos tipos de carregamentos, principalmente carregamentos de natureza cíclica, sendo comum o surgimento de trincas de fadiga em regiões mais solicitadas. Grande parte das demandas de análise estrutural estão relacionadas com determinação de vida em fadiga dessas regiões e proposição de modificações na estrutura da ponte para extensão da vida útil remanescente. 

Também é comum o surgimento de demandas de repotenciamento de pontes rolantes, visando atender novas necessidades do processo produtivo do cliente. Dessa forma, são realizadas análises estruturais e verificação dos componentes mecânicos considerando os novos carregamentos para assegurar que as solicitações se enquadrem dentro dos limites aceitáveis por norma.   

Objetivo 

Para garantir a operação segura das pontes rolantes nos mais diversos tipos de necessidade, o ISQ possui uma equipe de Engenharia com experiência em análises estruturais e mecânicas e fornece soluções para adequar a estrutura do equipamento conforme exigências de normas nacionais e internacionais. 

Metodologia 

As verificações estruturais das pontes rolantes são realizadas utilizando simulações computacionais em elementos finitos e cálculos analíticos. As análises também podem ser realizadas para o carro (trolley) utilizado na ponte.  

Inicialmente a estrutura do equipamento é modelada no software a partir dos desenhos de fabricação disponibilizados pelo cliente. Na falta desses últimos, o ISQ é capaz de realizar levantamentos em campo através de escaneamento 3D e medições de espessura para coleta de informações para modelagem. 

Figura 1 – Fluxograma da metodologia de avaliação de pontes rolantes. 
Figura 2 – Exemplo de modelo computacional de ponte rolante. 
Figura 3 – Exemplo de modelo computacional do carro (trolley). 
 

De posse dos modelos computacionais, são aplicados os carregamentos e condições de contorno devidas, sendo considerados os efeitos de: 

1) Peso próprio da estrutura da ponte, carro e equipamentos mecânicos/elétricos suportados; 

2) Carga levantada pelo carro; 

3) Impactos vertical e lateral (side thrust) gerados durante o levantamento da carga; 

4) Forças de inércia geradas durante a aceleração/frenagem da ponte ou carro; 

5) Skewing (reação perpendicular ao trilho gerada pelo enviesamento da estrutura) 

6) Colisão contra batentes de translação; 

7) Sobrecargas eventuais. 

Os carregamentos são calculados e combinados conforme especificações de normas nacionais, como a ABNT 8400 – Cálculo de equipamento para levantamento e movimentação de cargas, e internacionais, como a AISE Technical Report No. 6 – Specification for eletric overhead traveling cranes for steel mil service

A partir das combinações de carregamentos são realizadas análise estática, de flambagem e de fadiga para verificação estrutural do equipamento. 

1) Análise estática 

A análise estática tem por objetivo verificar se a estrutura atende ao critério de falha de plastificação. Por meio dela obtém-se o valor do índice de utilização dos componentes quando submetidos aos diversos tipos de carregamentos, sendo considerados aprovados quando o valor do índice é inferior a 1. O índice de utilização é calculado com base nas tensões atuantes e na tensão admissível do material, obtida através dos fatores de segurança das normas. 

Figura 4 – Exemplo de análise estática realizada em ponte rolante. 

2) Análise de flambagem

A análise de flambagem tem por objetivo verificar se a geometria da estrutura possui estabilidade suficiente para suportar cargas compressivas, mesmo no regime elástico. Por meio dela obtém-se os autovalores dos componentes, através dos quais é possível calcular a tensão crítica na qual ocorrerá a flambagem. 

Figura 5 – Exemplo de modo de flambagem obtido em análise de flambagem. 

3) Análise de fadiga 

A análise de fadiga ter por objetivo verificar se a estrutura suporta carregamentos de natureza cíclica sem falhar dentro de uma determinada vida/número de ciclos esperado. Por meio dela obtém-se a variação de tensão gerada durante a ciclagem do equipamento, sendo possível identificar os pontos mais susceptíveis ao surgimento de trincas. Através da variação de tensão obtida no modelo a vida útil remanescente da estrutura pode ser calculada. 

Figura 6 – Exemplos de regiões avaliadas na análise de fadiga. 

Destaca-se que o ISQ possui equipe treinada para realização de extensometria em pontes rolantes, podendo ser utilizada para validação do modelo computacional. 

Figura 7 – Dados aquisitados por extensômetros durante teste controlado de carga para validação de modelo computacional. 
 

Análise mecânica 

As análises mecânicas são realizadas através de cálculos analíticos recomendados pelas normas utilizando-se as especificações dos componentes mecânicos e esforços obtidos no modelo computacional. São verificados os componentes que constituem o sistema de translação da ponte, como motores, redutores, eixos, rodas, rolamentos e trilhos, sendo levantados os fatores de serviço e índices de utilização. Também são avaliados os componentes que constituem o sistema de elevação de carga, como motores, redutores, tambores, cabos, polias e ganchos. 

Conclusão 

O ISQ conta com equipe de Engenharia com experiência na avaliação estrutural e mecânica de pontes rolantes e outros equipamentos de movimentação de cargas. Por meio de simulações computacionais e análise experimental de tensões temos condições de avaliar a integridade da estrutura e fornecer soluções para garantir a operação segura do equipamento dentro da vida esperada. 

Texto: Túlio Rossi Coelho Soares 

Engenheiro Mecânico 

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