Solução de Problemas de Deformação e Vazamento por Meio de Análise Computadorizada em Estruturas de Comporta Vagão de Tomada D'água
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- Vitória de Sintra Castilho
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1 Solução de Problemas de Deformação e Vazamento por Meio de Análise Computadorizada em Estruturas de Comporta Vagão de Tomada D'água Gilvan César de Castro Correard Alexandre Testa Varallo
2 Estrutura da apresentação Objetivo; O que é uma Comporta Vagão?; O que é deformação?; Situação do equipamento; Teoria e carregamento da estrutura da comporta; Cálculo analítico da deformação; Cálculo da estrutura em Elementos Finitos; Solução adotada; Comentários; e Análise experimental da deformação na estrutura da Comporta;
3 Objetivo Apresentar o método de cálculo analítico e as possibilidades de respaldar os valores obtidos neste método com a análise por Elementos Finitos. Este método foi utilizado para verificação da deformação na estrutura de uma Comporta Vagão de Tomada D'água da UHE 15 de Septiembre na Costa Rica, no ano de Esta verificação teve o objetivo adicional de validar o funcionamento da vedação aplicada no equipamento.
4 O que é uma Comporta Vagão? Comporta: É um dispositivo mecânico utilizado para controlar vazões hidráulicas em qualquer conduto livre ou forçado e de cuja estrutura o conduto independe para sua continuidade física e operacional; Comporta Vagão: É uma comporta de rolamento, geralmente com paramento plano e que se movimenta em suas guias ou peças fixas sob o fluxo hidráulico, utilizando rodas ou roletes de eixos fixos;
5 Estrutura básica de uma comporta vagão
6 O que é deformação? Os esforços solicitantes forças normais de compressão, forças normais de tração, forças tangenciais, momentos fletores e momentos torsores causam deformações nas estruturas. Devemos estudar as deformações por dois motivos. O primeiro consiste em aprender a limitar (ou não) as deformações nas estruturas em trabalho. O segundo motivo é que o estudo das deformações permite resolver estruturas hiperestáticas e a determinação de suas reações; sem esse recurso, seus esforços ficariam desconhecidos.
7 Particular interesse proporcionam as deformações por flexão e torção,em geral, maiores que as deformações por compressão e tração. Este trabalho analisa as deformações (linha elástica LE) de vigas sofrendo flexão. As linhas elásticas dependem, além das características dos apoios, do vão, do formato, do material da viga e dos carregamentos.
8 B A C D E x y l 1 /2 l 1 /2 L l 2 l 2 q Equação da linha elástica aplicada no cálculo da deformação da estrutura da comporta = L l L l I E L l q v máx
9 Situação do equipamento Antes da recuperação O equipamento apresentava vazamento substancial através de suas vedações. Escopo do fornecimento da recuperação: Recuperação da pintura de cada uma das comportas compostas de 3 vãos de 6,000 x 13,650 [m] cada uma. Substituição das vedações da comporta por perfis comerciais de mesmo padrão do original instalado.
10 Situação do equipamento Após recuperação Depois de concluída a montagem da vedação das comportas, foram realizados os testes operacionais para verificar a estanqueidade das comportas. Durantes os testes, se constatou a existência de vazamentos na vedação superior da comporta quando o nível de água atingia a cota do reservatório. Analisando os resultados obtidos durante os testes de estanqueidade, se verificou que os vazamentos eram decorrentes da deformação na estrutura da comporta que era suficiente para afastar a vedação da sua peça de apoio.
11 Teoria e carregamento da estrutura da comporta Primeiro passo: Conhecer os dados de entrada para cálculo da comporta Dado de entrada Variável Valor Unidade Elevação do nível d'água máximo a montante NAmax 49,00 [m] Elevação do nível d'água a jusante Najus 5,386 [m] Elevação da soleira Nasol 5,386 [m] Dado de entrada Variável Valor Unidade Elevação do nível d'água máximo a montante NAmax 49,00 [m] Elevação do nível d'água a jusante Najus 5,386 [m] Elevação da soleira Nasol 5,386 [m] Vão livre BL 6000,0 [mm] Altura livre HL 13650,0 [mm] Vão vedado Lv 6220,0 [mm] Altura vedada Hv 13650,0 [mm] Distância entre apoios (rodas) Lap 6840,0 [mm] Número de vigas horizontais nv 12 - Tipo do aço empregado Aço carbono norma EN S355 J2-G3 Limite de escoamento LE 345 [MPa] Limite de ruptura LR 490 [MPa] Módulo de elasticidade do aço E 206 [GPa]
12 Teoria e carregamento da estrutura da comporta Segundo passo: Determinar qual é a intensidade da carga externa de compressão que atua sobre a estrutura da comporta? F = γ L v H h v h 2 v 2 F = γ L v h v H h v 2 F v = F/N v onde: Na: elevação do lago [m]; Ns: elevação da soleira [m]; H: altura manométrica [m.c.a]; Ht: altura manométrica total [m.c.a]; Hg: altura do nível do lago até o eixo de aplicação da força F sobre a comporta [m.c.a]; x: distância do ponto de aplicação da carga até a soleira [m.c.a]; Lv: vão vedado da comporta [mm]; hv: altura vedada da comporta [mm]; F: força horizontal aplicada sobre a comporta [kn].
13 N a Ht Hg F hv x N s da Carga Hidráulica na soleira a montante no frontal a montante na comporta a montante H m H mf Q m [m.c.a.] [m.c.a.] [kn] 43,614 29, h v F L v dx
14 Cálculo analítico da deformação Região Central Cabeceira L col = 864,3 864,3 Espes. = 42,0 42,0 L 2 = - - t 2 = - - A l = 862,0 862,0 t a = 14,0 14,0 2 l l l1 q L v = 2 2 máx E I 2 24 L L = 6,34 [mm] L 3 = - - t 3 = - - L 4 = 305,0 305,0 t 4 = 42,0 42,0 Região Y cg I x W EX W In W BIn W BEx [mm] [cm 4 ] [cm³] [cm³] [cm³] [cm³] Central 299, , , , ,2 Cabeceira 299, , , , ,2
15 Cálculo da estrutura em Elementos Finitos. A modelagem pelo MEF é uma importante ferramenta de trabalho; Por ser uma simplificação da realidade, possibilita o estudo e análise de estruturas extremamente complexas; Para este estudo, foi utilizado o software ANSYS versão 11.0.
16 Condições iniciais da simulação Discretização do modelo para as condições de contorno necessárias para reproduzir a operação do equipamento; Trabalho no regime elástico; Estrutura que possibilita a utilização de elementos de casca; Caracterizar os campos de deformação e conseqüente tensão atuante; Possibilitar a verificação de pontos específicos da estrutura o que não é possível no método analítico; Idéia inicial da modelagem aplicada utilizando o módulo estrutural do Ansys ;
17 Simulação numérica com elementos finitos Primeiro, utilizar-se-á o método dos elementos finitos para calcular a deformação, verificando as possíveis diferenças entre os resultados do método analítico para o método numérico. Modelou-se a estrutura como uma estrutura em casca. Utilizou-se o elemento SHELL93. Este elemento pode tolerar formas irregulares sem muita perda de precisão. O elemento está definido por seis graus de liberdade por nó. Foi utilizada uma malha mapeada, com tamanho e quantidade definida de nós.
18 Malha, geometria e carregamento
19 Condições de contorno e restrições utilizadas Condição de simetria Condição de apoio do painel intermediário
20 Deformações encontradas e tensões atuantes Conforme critérios para tensões admissíveis estabelecidos nas normas, os resultados obtidos pelo MEF para a deflexão na estrutura, ilustram que as tensões atuantes na viga superior da comporta apresentam-se com valores próximos aos admissíveis, e pode-se concluir que os mesmos apresentam um comportamento estrutural seguro e livre de falhas. Entretanto, a deformação encontrada, com valor de 6,34 [mm] apresenta um valor excessivo e acima do necessário para garantir a vedação do conjunto. Isto prova que os vazamentos são provenientes desta baixa rigidez na região.
21 Solução adotada Devido à limitação física na instalação, torna-se impossível o aumento da rigidez do conjunto com a inclusão de reforçadores nesta região. Devido também à limitação do esforço de manobra do órgão de içamento, a solução encontrada foi calçar a vedação existente com um calço conforme indicado.
22 Comentários Este trabalho objetivava ilustrar uma ferramenta de engenharia capaz de reduzir os erros de aproximação nos cálculos de componentes estruturais. De acordo com os resultados obtidos pode-se verificar que os objetivos foram atendidos. Em relação ao exemplo apresentado da viga da comporta, pode-se observar que os resultados obtidos em ANSYS são próximos do cálculo analítico, o que era previsto, já que a forma estrutural e o carregamento adotado tornam o cálculo de fácil determinação. A utilização do cálculo analítico como uma ferramenta capaz de determinar uma geometria próxima de uma solução ideal, permite que os programas em elementos finitos mais rapidamente encontrem o melhor resultado, diminuindo a possibilidade de incertezas. Portanto, pode-se afirmar que se obtêm uma maior confiabilidade no produto final com menores gastos em retrabalhos por erros durante o processo, melhora no desempenho do equipamento e em conseqüência na satisfação do cliente.
23 Análise experimental da deformação na estrutura da comporta Instalação do dispositivo para medição da deformação da comporta na obra Parte superior Parte inferior
24 Detalhes do dispositivo para medição da deformação da comporta na obra
25 Pontos de medição na região da vedação do painel superior da comporta em obra Pontos de medição Sentido da medição Montante Observação: Os resultados acima foram obtidos com o nível do reservatório na elevação 47,94 m. Jusante Posição de instalação do dispositivo [mm] Deformação [mm] Painel Superior 360 2, , , , , , , ,3
26 Pontos de medição na região da vedação do painel inferior da comporta em obra Montante Jusante Pontos de medida Deformação [mm] Pontos de medição Painel Inferior 1 4, ,8
27 Comparação do vazamento encontrado e do vazamento admissível conforme contrato Vaza mento tota l a dmissível pa ra comporta s Va zamento a dmissível por Comporta 3 1 litros/ segundo litros/ segundo Comporta s A B C Total Vazamento [litros/ segundo] 0,65 0,02 0 0,67 N ível do Reserva tório [m] 47,94
28 Ensaio de estanqueidade dos conjuntos 1 e 2
29 Agradecimentos Agradeço a Alstom Hydro Energia Brasil Ltda pelo apoio ao presente trabalho realizado. Contatos: 1 Gilvan César de Castro Correard 2 Alexandre Testa Varallo gilvan-cesar.correard@power.alstom.com alexandre.varallo@power.alstom.com 1 ALSTOM Hydro Brasil Ltda, Av. Charles Schneider, s/n, , Taubaté, SP 2 ALSTOM Hydro Brasil Ltda, Av. Charles Schneider, s/n, , Taubaté, SP
30 Esta apresentação estará disponível para download, a partir do dia 28/04/08, no site:
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