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 CorreardAlexandre Testa Varallo

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;

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 2006.

Esta verificação teve o objetivo adicional de validar o funcionamento da vedação aplicada no equipamento.

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;

Estrutura básica de uma comporta vagão

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.

• 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.

BA

CD E

x

y

l1/2 l1/2

L

l2 l2

q

Equação da linha elástica aplicada no cálculo da deformação da estrutura da comporta

−⋅

−⋅⋅⋅

⋅⋅

=L

l

L

l

IE

Ll

q

vmáx

222

124

2

1

2

2

131

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.

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.

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-10025

S355 J2-G3

Limite de escoamento LE 345 [MPa]

Limite de ruptura LR 490 [MPa]

Módulo de elasticidade do aço E 206 [GPa]

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?

−⋅⋅⋅=⇒

−⋅⋅⋅=

22

2v

vv

v

vv

hHhLF

hhHLF γγ

Fv = F/Nv 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].

F

Ns

Ht

Hg

x

h v

Na

F

hv

Lv dx

dA

Carga Hidráulica

na soleira a

montante

no frontal a

montante

na comporta a

montante

Hm Hmf Qm

[m.c.a.] [m.c.a.] [kN]

43,614 29,831 30874

Cálculo analítico da deformação

−⋅

−⋅⋅⋅

⋅⋅

=L

l

L

l

IE

Ll

q

vmáx

222

124

2

1

2

2

131

= 6,34 [mm]

Região

Central Cabeceira

Lcol = 864,3 864,3

Espes.

=

42,0 42,0

L2 = - -

t2 = - -

Al = 862,0 862,0

ta = 14,0 14,0

L3 = - -

t3 = - -

L4 = 305,0 305,0

t4 = 42,0 42,0

Ycg Ix WEX WIn WBIn WBEx Região

[mm] [cm4] [cm³] [cm³] [cm³] [cm³]

Central 299,4 894525 29872,8 34746,3 14796,4 13835,2

Cabeceira 299,4 894525 29872,8 34746,3 14796,4 13835,2

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.

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;

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.

Malha, geometria e carregamento

Condição de

simetriaCondição de apoio do

painel intermediário

Condições de contorno e restrições utilizadas

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.

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 .

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 encontremo 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 .

Análise experimental da deformação na estrutura da comporta

Instalação do dispositivo para medição da deformação da comporta na obra

Parte superior Parte inferior

Detalhes do dispositivo para medição da deformação da comporta na obra

Pontos de medição

Montante

Jusante

Sentido da medição

Painel Superior

Posição de instalação do dispositivo [mm]

Deformação [mm]

360 2,41460 4,72250 6,43070 6,63490 6,54245 6,45215 4,76230 2,3

Observação: Os resultados acima foram obtidos com o nível do reservatório na elevação 47,94 m.

Pontos de medição na região da vedação do painel superior da comporta em obra

Pontos de medição na região da vedação do painel inferior da comporta em obra

Pontos de medida Deformação [mm]

1 4,4 2 6 3 4,8

Painel Inferior

Pontos de

medição

21 3

Montante

Jusante

Painel Inferior

Pontos de

medição

21 3

Montante

Jusante

31Vazamento admissível por Comporta litros/ segundo

Vazamento total admissível para comportas litros/ segundo

Nível do Reservatório [m] 47,94

00,67

Vazamento

[litros/ segundo]

0,650,02

Comportas

ABC

Total

Comparação do vazamento encontrado e do vazamento admissível conforme contrato

Ensaio de estanqueidade dos conjuntos – 1 e 2

Agradecimentos

Agradeço a Alstom Hydro Energia Brasil Ltda pelo apoio ao presente trabalho realizado.

Contatos:1 Gilvan César de Castro Correard2 Alexandre Testa Varallogilvan-cesar.correard@power.alstom.comalexandre.varallo@power.alstom.com

1ALSTOM Hydro Brasil Ltda, Av. Charles Schneider, s/n, 12040-001, Taubaté, SP2ALSTOM Hydro Brasil Ltda, Av. Charles Schneider, s/n, 12040-001, Taubaté, SP

Esta apresentação estará disponível paradownload, a partir do dia 28/04/08,

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