A Análise de Vibrações

Investigação experimental do uso de tirantes na redução das vibrações de fundações de máquinas rotativas em concreto armado

Experimental investigation of the use of tie rods for reduction of vibrations in rotary machines foundations of reinforced concrete

Henrique de Aguiar Lima (1); Alexandre de Macêdo Wahrhaftig (2)

(1) Mestrando, Departamento de Construção e Estruturas, Universidade Federal da Bahia, [e-mail]

(2) Professor Doutor, Departamento de Construção e Estruturas, Universidade Federal da Bahia, [e-mail]

(1), (2) Departamento de Construção e Estruturas – DCE. Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia – EP/UFBA. Rua Professor Aristide Novis 02, Federação, Salvador-BA. CEP: 40210-910

                                 

Resumo

Máquinas rotativas de grande porte, como motores elétricos e turbinas a vapor, podem gerar intensos esforços dinâmicos por conta de folgas e desbalanceamento do equipamento ou partes dele. Tanto a estrutura quanto o solo absorvem esses esforços e os deslocamentos de cada subsistema tornam-se dependentes entre si por possuírem inércia e rigidezes distintas. Por conta deste mecanismo, problemas de interação solo-estrutura (SSI) são amplamente estudados e diversos modelos analíticos, semi-analíticos e numéricos são desenvolvidos a fim de investigar o real comportamento do sistema. A fim de estudar os deslocamentos impostos pela vibração de motor em uma base de concreto armado, foi realizada uma análise experimental de uma fundação submetida a excitações provenientes de uma máquina rotativa. A metodologia empregada no estudo consistiu da análise comparativa entre dois modelos físicos submetidos às mesmas condições de carregamento dinâmico e apoiados em solo com características semelhantes. O primeiro modelo era formado por um bloco rígido em concreto armado, diretamente apoiado ao solo, caracterizando uma fundação superficial. O segundo consistia da mesma base acoplada a um sistema de ancoragem vertical com barras de aço entre o solo e a superfície do bloco. A utilização do sistema de ancoragem com tirantes indicou para a redução das amplitudes de vibração.

Palavra-Chave: Controle de vibrações, tirantes, fundações de máquinas, análise experimental.

Abstract

Several large rotary machines, such as electric motors and steam turbines, generate intense dynamic efforts due to gaps and unbalance of the equipment or parts thereof. Both the structure and the ground absorb these efforts and the displacements of each subsystem become dependent on each other for having different inertia and stiffness. Because of this mechanism, soil-structure interaction (SSI) problems are extensively studied and several analytical, semi-analytical and numerical models are developed in order to investigate the real behavior of the system. Based on the above, a dynamic structural analysis of a foundation submitted to harmonic excitations from rotating machine movement was performed. The methodology used in this study consisted of the comparative analysis between two physical models submitted to the same conditions of dynamic loading and supported in soil with similar characteristics. The first model was formed by a rigid block in reinforced concrete, directly supported to the ground, characterizing a superficial foundation. In order to evaluate a possible reduction of the movement amplitudes of the foundation, a vertical anchorage system was coupled with steel bars between the ground and the surface of the block, this being the second model. The use of the tie rod anchoring system indicates the reduction of vibration amplitudes.

Keywords: Control of vibrations, rods, machine foundations, experimental analysis.

1. Introdução

No projeto de fundações de máquinas e equipamentos rotativos, é de extrema importância considerar, não somente os esforços estáticos, mas também os carregamentos dinâmicos que são provenientes de desbalanceamento de partes do sistema, da folga em mancais e em outras peças de fixação. Na análise dinâmica, buscam-se mensurar as amplitudes máximas do movimento da fundação, velocidades de vibração e suas frequências naturais através de parâmetros como a rigidez, a massa e o amortecimento dos materiais envolvidos. Grandes amplitudes podem comprometer o desempenho da fundação, o funcionamento da própria máquina, de equipamentos vizinhos e até mesmo a saúde humana.

Dentre os parâmetros avaliados durante a análise dinâmica, as amplitudes das vibrações ainda são um dos principais fatores entre aqueles utilizados como critérios de projeto (MARKERT & SEIDLER, 2001). Em intervalos de ressonância, estas podem atingir níveis capazes de comprometer a integridade dos componentes estruturais, civis e mecânicos. Para ser evitado, o intervalo de ressonância deve dissociar a frequência natural do sistema das frequências de operação da máquina. Conforme El NAGGAR (2000), a frequência natural da estrutura de suporte deve ser de pelo menos 1,2 vezes a frequência de operação da máquina.

O interesse de projetistas e estudiosos sobre o tema, geralmente, se concentrava na adoção de técnicas, procedimentos e no emprego de formulações que possibilitassem a redução das oscilações apresentadas pelo sistema estrutural quando em serviço. Uma prática comum era a majoração dos esforços dinâmicos para o estabelecimento de esforços estaticamente equivalentes. Esse procedimento, todavia, gerava imprecisões nos resultados, dificultando o entendimento sobre o real comportamento do sistema e sem apresentar garantias de uma estrutura devidamente dimensionada e dinamicamente estável. Com o passar dos anos, o interesse da comunidade técnico-científica voltou-se para a realização de uma avaliação mais criteriosa dos efeitos provocados pelas vibrações induzidas. Atualmente, as estruturas são projetadas utilizando modelos analíticos, semi-analíticos e numéricos, tanto lineares quanto não-lineares, análise experimental, entre outras ferramentas, dando maior embasamento técnico e científico para a realização dos projetos estruturais, reduzindo problemas causados pelo excesso de vibrações. Nesse contexto, trabalhos importantes sobre o estudo de fundações de máquinas submetidas à vibração foram desenvolvidos por GAZETAS (1980,1983), PRAKASH e PURI (2006).