Utilização da análise modal para a resolução de problemas de vibração excessiva em ativos.

Introdução:

Na avaliação estrutural de ativos, que operam nos mais diversos segmentos, é importante que sejam considerados os efeitos causados pelos diversos equipamentos vibratórios instalados nas estruturas. Grande parte dessas máquinas, quando avaliadas em serviço, apresentam problemas de vibração devido ao desbalanceamento das carcaças e/ou dos motores. Desse modo, as estruturas que suportam os referidos equipamentos são, consequentemente, excitadas de maneira cíclica. 

Na maioria dos casos, conforme aponta Rao (2017) a estrutura submetida à vibração pode falhar devido à fadiga resultante da variação cíclica da tensão nos elementos. Sempre que a frequência natural de vibração de uma máquina ou estrutura coincide com a frequência da excitação externa, ocorre um fenômeno conhecido como ressonância, que leva a deflexões excessivas e a falhas. Ademais, em grande parte das plantas industriais, o ser humano é parte fundamental do sistema de produção. Assim, a transmissão da vibração aos operadores e demais colaboradores que estão atuando na estrutura resulta em desconforto e prejuízos à saúde. Portanto, evidencia-se, a partir do contexto apresentado, a necessidade do acompanhamento dos níveis de vibração nos ativos, bem como a proposição de soluções para a atenuação desses níveis.

Objetivo:

Visando atender aos problemas dessa natureza, apresentados pelos nossos clientes, são realizadas análises modais para que sejam obtidas as frequências de ressonância (ou frequências naturais da estrutura), bem como os modos de vibrar decorrentes dessas frequências. De posse desses valores, podem ser propostas soluções para a atenuação dos níveis de vibração.

Metodologia

A seguir, será apresentado um fluxograma que apresenta todas as etapas necessárias para a modelagem e interpretação do comportamento de um sistema vibratório.

Em primeiro plano, é necessária a elaboração de um modelo computacional da estrutura, a partir do método de elementos finitos. Por isso, será apresentado um caso em que foi realizada uma análise modal em um ativo pertencente a um dos clientes do ISQ. A figura abaixo mostra a modelagem de um prédio que abriga um alimentador vibratório em um de seus pisos. Dessa forma, foram obtidas as frequências naturais e os modos de vibrar do piso em questão, que serviram de base para a realização de uma análise dinâmica forçada em todo o conjunto.

Modelagem computacional do ativo.
Detalhe do piso (elevação) de interesse.

Foram aplicadas as restrições ao modelo, considerando-se que as bases apresentam restrição à translação nos eixos X, Y e Z.

Nós restringidos das bases

A execução da análise modal apontou os modos de vibrar e suas respectivas frequências naturais. De posse desses resultados, foram procurados os modos de interesse, ou seja, os modos que apresentavam um deslocamento global da plataforma. Para isso, foi gerado um gráfico que mostra a porcentagem de mobilização de massa na estrutura para cada modo de vibrar calculado.

Gráfico de mobilização de massa.

No gráfico, em verde, azul e vermelho estão apresentadas as mobilizações nos eixos X, Y e Z, respectivamente. Os pontos do gráfico onde existem saltos da fração de massa mobilizada são os modos de interesse procurados. 

Sabe-se que a frequência de operação do alimentador vibratório, em regime permanente de operação equivale a 10,4 Hz. Um dos modos calculados de interesse é o modo 36 que apresenta uma frequência natural de 11,16 Hz e que apresenta deslocamento no eixo vertical. Assim, foi possível observar que a frequência de operação do alimentador é bem próxima à frequência natural do modo 36, que é o primeiro modo de translação da elevação analisada no eixo vertical (Z), causando os problemas de vibração relatados pelo cliente no prédio em questão.

Primeiro modo de vibração vertical da plataforma.

Os resultados encontrados foram comprovados por meio de medições experimentais de aceleração, nos três eixos cartesianos, nas bases de apoio do alimentador vibratório. Os dados obtidos mostraram a amplificação dos níveis de vibração no eixo vertical, quando o equipamento atinge sua frequência de operação.

Pontos de apoio do alimentador vibratório na plataforma.

A partir da interpretação descrita, foram propostas algumas alternativas para que o problema seja solucionado. A primeira alternativa apresentada foi alterar a frequência de operação do alimentador vibratório, uma vez que muitos desses equipamentos podem operar em frequências diferentes das frequências de projeto, desde que a produtividade não seja impactada. A segunda alternativa apresentada foi a proposição de alterações nos elementos estruturais do ativo, modificando a rigidez da estrutura e, dessa forma, alterando as frequências naturais. 

O acompanhamento das soluções pode ser realizado pelo ISQ por meio de novas medições de aceleração. O decréscimo dos valores medidos, em condições semelhantes às encontradas nas primeiras medições efetuadas, indica a efetividade da solução proposta.

Conclusão

O conhecimento empregado nas análises apresentadas confere ao ISQ destaque e excelência na execução de serviços que envolvem a interpretação do comportamento dinâmico de ativos. O ISQ conta com uma equipe multidisciplinar, capaz de realizar qualquer tipo de verificação que diz respeito ao comportamento dinâmico de ativos, por meio de análises modais, conforme descrito neste texto, análise de vibração forçada e medições experimentais em campo.

Texto: Paulo Henrique Cacau

Engenheiro Mecânico

Analista Técnico

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