CEMEF ENGENHARIA S/C LTDA. RELATÓRIO RT ANALISE ESTRUTURAL DE JANELA DE INSPEÇÃO. Cliente: INFRARED

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1 CEMEF ENGENHARIA S/C LTDA. RELATÓRIO RT ANALISE ESTRUTURAL DE JANELA DE INSPEÇÃO Cliente: INFRARED Data: 06 de maio de 2015 REVISÃO: 00

2 DATA: 06 de maio de 2015 Identificação DESCRIÇÃO: Esta análise destina-se a avaliar o comportamento estrutural da janela de inspeção obtendo comparativo entre estrutura de painel elétrico sem janela e com janela. ELABORAÇÃO: Eduardo de Medeiros Analista Rafael C. Santana Engenheiro VERIFICAÇÃO: Hélio de Sousa Teixeira Júnior Responsável Técnico APROVAÇÃO: Hélio de Sousa Teixeira Júnior Responsável Técnico Folha de revisão REVISÃO: DESCRIÇÃO: DATA: ELABORAÇÃO: VERIFICAÇÃO: APROVAÇÃO: ii

3 Índice Conteúdo Página 1 Objetivo: Descrição: Resultados Análise estática linear Análise não linear Comentários: Conclusões: Desenvolvimento: Referências Bibliográficas: iii

4 Índice de figuras Figura Página Fig.2.1 Estrutura de porta considerada para análise Fig.2.2 Estrutura de porta com janela de inspeção Fig.2.3 Detalhe em corte da estrutura da janela de inspeção Fig.2.4 Detalhe da aplicação das cargas no modelo de elementos finitos Fig.2.5 Detalhe da aplicação das cargas no modelo de elementos finitos Fig.2.6 Modelo de elementos finitos sem janela vista isométrica Fig.2.7 Modelo de elementos finitos com janela vista isométrica Fig.2.8 Modelo de elementos finitos com janela detalhe da janela vista isométrica e vista rotacionada Fig.2.9 Representação dos parafusos da tampa Fig.2.10 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a tampa e o silicone Fig.2.11 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a porta e o fixador Fig.2.12 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a porta e o silicone Fig.2.13 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a porta e a estrutura de alumínio Fig.3.1 Gráfico de aplicação de carga (fator de carga x tempo [s]) Fig.3.2 Gráfico tensão x deformação Fig.2.14 Condições de contorno nos pontos de fixação da porta modelo sem janela Fig.2.15 Condições de contorno nos pontos de fixação da porta modelo com janela Fig.3.1 Deslocamentos resultantes [mm] modelo sem janela Fig.3.2 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo sem janela Fig.3.3 Deslocamentos resultantes [mm] modelo com janela Fig.3.4 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo com janela Fig.3.5 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo sem janela Fig.3.6 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo com janela Fig.3.7 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado interno Fig.3.8 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado externo Fig.3.9 Deslocamentos resultantes [mm] modelo sem janela Fig.3.10 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo sem janela Fig.3.11 Deslocamentos resultantes [mm] modelo com janela Fig.3.12 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo com janela Fig.3.13 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo sem janela Fig.3.14 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo com janela Fig.3.15 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado interno Fig.3.16 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado externo iv

5 1 Objetivo: Esta análise destina-se a avaliar o comportamento estrutural da janela de inspeção obtendo comparativo entre estrutura de painel elétrico sem janela e com janela. 2 Descrição: Esta análise contempla a estrutura da porta de painel elétrico e estrutura da janela de inspeção (fornecida pela INFRARED), separando-se em dois casos: estrutura da porta sem janela e com janela. A carga considerada é a pressão equivalente à expansão do ar interno provocada por arco elétrico. A análise estrutural é executada através do método dos elementos finitos com o programa SOLIDWORKS. As configurações avaliadas podem ser visualizadas nas figuras abaixo: Fig.2.1 Estrutura de porta considerada para análise. 1

6 Fig.2.2 Estrutura de porta com janela de inspeção. Fig.2.3 Estrutura da janela de inspeção. 2

7 Fig.2.4 Detalhe em corte da estrutura da janela de inspeção. As principais características dos materiais empregados são as seguintes: AÇO AISI 1010: Módulo de elasticidade: E GPa Coeficiente de Poisson: ν... 0,29 Densidade: ρ kg/m 3 Tensão de escoamento: σ y MPa Tensão de ruptura: σ rup MPa Tensão admissível segundo norma AISC: Cargas eventuais: σ adm = σ y x 0,8 = 180 x 0,8 = 144,0 MPa ALUMÍNIO 1100-H14: Módulo de elasticidade: E GPa Coeficiente de Poisson: ν... 0,33 Densidade: ρ kg/m 3 Tensão de escoamento: σ y MPa Tensão de ruptura: σ rup MPa Tensão admissível segundo norma AISC: Cargas eventuais: σ adm = σ y x 0,8 = 95 x 0,8 = 76 MPa 3

8 SILICONE: Módulo de elasticidade: E MPa Coeficiente de Poisson: ν... 0,49 Densidade: ρ kg/m 3 Tensão de escoamento: σ y... 7 MPa Resistência à tração:... 5,5 MPa Resistência à compressão: MPa Cálculo da amplitude da onda de pressão: O cálculo da amplitude da onda de pressão gerada pelo arco elétrico é apresentado a seguir: Onde: A = Amplitude da onde de pressão [kn/m²] d = distância do painel para o arco [m] I = corrente do arco [A] t = tempo de duração do arco [s] Valores considerados para o cálculo: d = 1 m I = 700 A t = 0,01 s A = [1,5 x (700 x 0,01)]/1 = 10,5 kn/m² Com exceção da distância (d) os valores e o cálculo da amplitude da onda de pressão foram obtidos através de artigos contidos nas referências 7.3 e

9 Carregamentos considerados: Para a análise realizada foi considerado o carregamento descrito a seguir: Modelo sem janela LC1: Pressão devido ao arco elétrico. P = N/m² Área que recebe a pressão = 1,743 m² Carga devido à pressão = 18301,5 N A aplicação de carga no modelo de elementos finitos pode ser visualizada na figura a seguir: Fig.2.5 Detalhe da aplicação das cargas no modelo de elementos finitos. 5

10 Modelo com janela LC1: Pressão devido ao arco elétrico. P = N/m² Área que recebe a pressão = 1,754 m² Carga devido à pressão = 18417,0 N A aplicação de carga no modelo de elementos finitos pode ser visualizada na figura a seguir: Fig.2.6 Detalhe da aplicação das cargas no modelo de elementos finitos. 6

11 O modelo de elementos finitos, faces consideradas em contato e conectores de parafusos considerados no modelo podem ser visualizados nas figuras a seguir: Fig.2.7 Modelo de elementos finitos sem janela vista isométrica. Fig.2.8 Modelo de elementos finitos com janela vista isométrica. 7

12 Fig.2.9 Modelo de elementos finitos com janela detalhe da janela vista isométrica e vista rotacionada em 180. Fig.2.10 Representação dos parafusos da tampa. 8

13 Fig.2.11 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a tampa e o silicone. Fig.2.12 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a porta e o fixador. 9

14 Fig.2.13 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a porta e o silicone. Fig.2.14 Modelo de elementos finitos detalhe das faces em contato entre a porta e a estrutura de alumínio. 10

15 Parâmetros da análise não linear Para a elaboração das análises não lineares são utilizados os seguintes parâmetros: Lei de endurecimento: von Mises Isotrópico; Formulação dos elementos para grandes deslocamentos e deformações; Método de iteração do cálculo: Newton-Raphson; Técnica de controle: método das forças; Aplicação da carga estaticamente, ao longo do tempo. Onde a figura a seguir ilustra a curva de aplicação de carga ao longo do tempo (fator de carga x tempo [s]): Fig.2.15 Gráfico de aplicação de carga (fator de carga x tempo [s]) Como se pode observar na Figura 2.15, no eixo vertical está o fator aplicado à carga, com variação de 0 a 1 (o valor 1 corresponde à carga do carregamento descrito anteriormente). No eixo horizontal está o tempo de aplicação da carga. σ esc = E x ε esc 180 X 10 6 = 200 X 10 9 X ε esc ε esc = 0,0009 (Deformação no regime elástico) Módulo tangente considerado (Etan) = 10% de E = 20 x

16 Fig.2.16 Gráfico tensão x deformação Condições de contorno: As condições de contorno são restrições translacionais e rotacionais nas faces internas dos furos onde a porta é fixada. Fig.2.17 Condições de contorno nos pontos de fixação da porta modelo sem janela. 12

17 Fig.2.18 Condições de contorno nos pontos de fixação da porta modelo com janela. 13

18 3 Resultados 3.1 Análise estática linear Os principais resultados de tensões e deslocamentos para o caso de carga considerado podem ser visualizados a seguir. Tabela Deslocamento resultante [m]. Modelo Local Deslocamento máximo [m] s/ janela Folha da porta 0,076 c/ janela Folha da porta 0,059 c/ janela Região da janela 0,050 Tabela Tensões máximas [MPa]. Tensão máxima Tensão adm. Tensão de Modelo Local [MPa] [MPa] ruptura [MPa] s/ janela Fixação >σ esc s/ janela Folha da porta >σ esc c/ janela Fixação >σ esc c/ janela Folha da porta >σ esc c/ janela Região da janela >σ esc c/ janela Janela >σ esc Os resultados obtidos para o caso de carga considerado podem ser visualizados nas figuras a seguir: Fig.3.1 Deslocamentos resultantes [mm] modelo sem janela. 14

19 Fig.3.2 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo sem janela. Fig.3.3 Deslocamentos resultantes [mm] modelo com janela. 15

20 Fig.3.4 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo com janela. Fig.3.5 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo sem janela. 16

21 Fig.3.6 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo com janela. Fig.3.7 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado interno. 17

22 Fig.3.8 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado externo. 18

23 3.2 Análise não linear Os principais resultados de tensões e deslocamentos para o caso de carga considerado podem ser visualizados a seguir. Tabela Deslocamento resultante [m]. Modelo Local Deslocamento máximo [m] s/ janela Folha da porta 0,024 c/ janela Folha da porta 0,018 c/ janela Região da janela 0,017 Tabela Tensões máximas [MPa]. Tensão máxima Tensão adm. Tensão de Modelo Local [MPa] [MPa] ruptura [MPa] s/ janela Fixação 446,0** s/ janela Folha da porta 90, c/ janela Fixação 436,8** c/ janela Folha da porta 137, c/ janela Região da janela 179, c/ janela Janela 110,0* *Valores acima do escoamento do material. **Valores acima da ruptura do material. Os resultados obtidos para o caso de carga considerado podem ser visualizados nas figuras a seguir: Fig.3.9 Deslocamentos resultantes [mm] modelo sem janela. 19

24 Fig.3.10 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo sem janela. Fig.3.11 Deslocamentos resultantes [mm] modelo com janela. 20

25 Fig.3.12 Deslocamentos resultantes [mm] configuração deformada modelo com janela. Fig.3.13 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo sem janela. 21

26 Fig.3.14 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material modelo com janela. Fig.3.15 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas na ruptura do material modelo com janela. 22

27 Fig.3.16 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado interno. Fig.3.17 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas no escoamento do material janela lado externo. 23

28 Fig.3.18 Tensões (Von Mises) [MPa] limitadas na ruptura do material janela lado interno. 24

29 4 Comentários: 4.1 O modelo de elementos finitos foi gerado a partir de desenhos 2D fornecidos pela Infrared e modelo 3D de porta de painel elétrico. 4.2 A carga distribuída considerada é definida pelo cálculo da amplitude de onda de pressão devida ao arco elétrico conforme referências 7.3 e É considerada uma distância de 1m entre a porta e a origem da carga. Para maiores distâncias ocorre redução linear deste valor. 4.4 O modelo de elementos finitos considera que todos os componentes estão montados de acordo com o desenho fornecido. Possíveis erros de montagem e desalinhamento de componentes no processo de fabricação não são considerados nesta análise. 25

30 5 Conclusões: 5.1 Considerando a distância de 1 metro entre a formação do arco elétrico e a porta do painel são obtidos valores de tensões superiores ao limite de escoamento do aço da porta. Quando é inserida a janela, também ocorrem tensões superiores ao limite de escoamento na mesma. Em ambas as situações são obtidas tensões na porta superiores até mesmo ao limite de ruptura nas proximidades da região das condições de contorno. 5.2 As tensões na porta devem ser inferiores às obtidas em virtude da utilização de valor conservativo do módulo tangente. Assim, não se pode afirmar se ocorrerá ruptura nas portas para a carga aplicada. 5.3 A partir dos resultados obtidos para tensões e deslocamentos pode ser observado que a inserção da janela de inspeção não tem efeito significativo no comportamento estrutural de uma porta de painel elétrico para deslocamentos e tensões fora da região da janela. 5.4 Após a inserção da janela, as tensões na porta em suas adjacências sofrem acréscimo, mas com valores máximos inferiores ao escoamento do material. 5.5 Na presente análise não foram considerados efeitos de plastificação do material para a estrutura da janela, e são encontradas tensões acima do limite de escoamento. 5.6 Recomenda-se nova verificação da janela considerando efeitos de plastificação do alumínio de forma a permitir melhor quantificação destas tensões e a consideração correta da curva tensão x deformação do aço para identificação de eventuais fraturas nas portas. 26

31 6 Desenvolvimento: No modelo principal executado são utilizados elementos sólidos tetraédricos (TETRA10) com 3 graus de liberdade por nó. Modelo sem janela Número de elementos: Número de nós: Modelo com janela Número de elementos: Número de nós: Referências Bibliográficas: 7.1 COSMOS/M Manuals, Norma AISC 7.3 RÔMULO, Alan; SENGER, Eduardo; MORAES, Cícero. Capítulo VI Painéis resistentes a arco elétrico jun. de Disponível em: < p6.pdf>. Acesso em: 19 jan RÔMULO, Alan; SENGER, Eduardo. Capítulo IV A NFPA 70E e os métodos para cálculo de energia incidente abr. de Disponível em: < p4.pdf>. Acesso em: 19 jan