Análise estrutural de um canal de água circulante (CWC)

Segundo Colburn et al. (1981) o Canal de Água Circulante (Circulating Water Channel - CWC) é uma estrutura projetada para a realização de ensaios hidrodinâmicos de análise estrutural, o principal uso desta instalação são os testes com protótipos de embarcações e turbinas; assim como também projetos de laboratório de fluidos mecânicos ou outros projetos especiais.

O CWC é sem dúvida um projeto relevante, pois é adaptável a diversos projetos de pesquisa da UFPA, nas áreas de estudos alusivas a mecânica dos fluidos. O canal será utilizado pela Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) do Campus Universitário de Tucuruí (CAMTUC). Pode proporcionar conhecimentos e novas ideias atreladas ao tema. De modo abrangente, foi projeto estrutural é dividido em quatro principais etapas: Concepção estrutural; Análise estrutural; Dimensionamento e detalhamento. Visto a complexidade do CWC, a utilização de softwares disponíveis no mercado é essencial para que possam ser realizadas as análises estruturais dos principais modelos de concepção propostos, com a finalidade de realizar o seu dimensionamento a fim de combater principalmente os esforços solicitantes, apresentando um projeto seguro e viável economicamente.

Metodologia

Geometria e especificações operacionais

A definição da geometria do CWC foi definida a partir de simulações fluidodinâmicas realizadas pelo Centro Colaborador de Apoio ao Transporte Escolar (CECATE). Dessa forma, as dimensões internas do projeto e o seu modelo 3D são apresentados nas Figuras 1 e 2, respectivamente. A partir desses dados, foram estudadas algumas concepções estruturais para então definir a geometria final da estrutura que inclui as seções transversais das paredes, lajes, vigas, pilares e fundações. Para escolha da concepção estrutural do CWC foram feitos estudos em alguns modelos estruturais. A partir desses estudos selecionou-se a estrutura mais conveniente, com previsão para instalação de seis painéis em vidro temperado para observação do comportamento do fluido e das embarcações durante os ensaios. O pórtico central foi previsto para atender a necessidade de mobilidade vertical, içamento de materiais ou equipamentos que serão utilizados nos ensaios. Além disso, devido a seção de teste possuir uma superfície livre, e não haver travamento entre os pilares, pelas análises, o pórtico minimizou os deslocamentos na parte superior, pois as vigas intermediárias na altura da seção de teste, asseguraram maior rigidez ao conjunto. A foi fundação empregada fundação rasa, caracterizada por blocos. O local previsto para construção possui laje piso que servirá como radier, assim, os blocos garantem ancoragem aos pilares e evitam a concentração das cargas na laje piso. Os blocos foram ligados por vigas, garantindo maior rigidez e estabilidade na base dos pilares, dando uma maior segurança quanto ao deslocamento lateral.

Figura 1- Planta baixa e os principais componentes do CWC do CECATE/UFPA.

Figura 2 - Modelo 3D do CWC.

Definição das cargas de projeto

A carga de peso próprio para o concreto armado peso específico foi de 2500 kgf/m³, conforme ABNT NBR 6118 (2014). A pressão hidrostática é caracterizada pelo produto da altura do fluido (água), pelo seu respectivo peso específico, resultando num carregamento com diagrama triangular. Ao considerar a pressão hidrostática foi utilizado o peso específico da água com valor igual a 10 kN/m³. Embora o carregamento tenha um diagrama triangular, foi adotado um formato retangular para as análises estruturais, no qual se considerou a pressão máxima na base como constante até a superfície da lâmina d’água ao longo das paredes da estrutura; sendo esta consideração a favor da segurança. Quanto a estas cargas foram consideradas as cargas de 1,0 kN/m² para revestimentos com espessura de 25 mm em ambas as faces e mais uma sobrecarga de terraço acessível de 3 kN/m², conforme as tabelas 1 e 2 da ABNT NBR 6120 (1980), respectivamente. Assim, nas lajes superiores foram atribuídas as cargas de peso próprio, revestimento e de terraço acessível. Enquanto nas lajes inferiores as cargas provenientes do peso próprio, da coluna d’água e do revestimento. Além destas, foram consideradas cargas acidentais peculiares do projeto como:

• Carga da plataforma: plataforma em trilhos apoiados nas vigas superiores, similar ao modelo da Figura 3. Considerou-se um peso total de 3,0 tf.
• Içamento de materiais: Para o içamento de materiais foi prevista uma carga acidental de 1,0 tf no centro do vão das vigas do pórtico, que implica numa carga máxima projetada para o pórtico de 2,0 tf.

Figura 3 – Exemplo de modelo de plataforma (DHH, 2017).

Análise estrutural

As análises estruturais foram realizadas no software comercial Ansys 14.5. Devido o software Ansys v14.5 exigir grande recurso computacional, jugou-se conveniente realizar as análises por trechos a fim de diminuir esse recurso. Dessa forma, a partir das análises que se seguiu para o dimensionamento de cada trecho. Após isto, foi realizada a análise global, visando verificar se as armaduras calculadas atenderiam aos esforços gerados na análise global. A nomenclatura e abrangência de cada trecho são apresentadas na Figura 4.

Figura 4 - Nomenclatura e abrangência dos trechos.

Para análise no software Ansys v14.5 as geometrias foram modeladas no software comercial Solidworks 2015 e importadas para o campo denominado Geometry em um plugin destinado às análises estruturais estáticas, static structural. Alguns trechos como a seção de teste e a seção das bombas foram analisados e dimensionados no software comercial Eberick V8. Isso foi adotado para dar maior confiabilidade dos resultados para fins de comparação, seguindo a NBR 6118 (2014). No entanto, a limitação quanto ao lançamento da geometria possibilitou uma modelagem de forma simplificada do trecho da seção de teste. Enquanto na seção das bombas, por não haver vãos e possuir uma seção constante modelou-se de acordo com a seção real.

Apresentação dos resultados

Análise estrutural do CWC por trechos

Seção de teste As Figuras 5 e 6 mostram os resultados referentes ao primeiro modelo do Eberick V8, no qual não há paredes de reservatório e é composta por pilares, vigas, lajes e fundações. De acordo com a Figura 5 o maior deslocamento (1,31 cm) se deu no vão central das vigas do pórtico, transversais à seção de teste. No entanto respeitam os limites de deslocamentos da ABNT NBR 6118 (2014).

Figura 5 - Análise estrutural, seção de teste, software Eberick V8 – deslocamentos do primeiro modelo: (a) vista isométrica e (b) vista à esquerda.

Figura 6 - Análise estrutural, seção de teste, software Eberick V8: momentos fletores do primeiro modelo.

Para o segundo modelo, os resultados quanto ao deslocamento e momentos fletores estão apresentados nas Figuras 7. Diferente do primeiro modelo, onde houve deslocamento lateral das vigas longitudinais superiores da seção de teste, no segundo esse foi aproximadamente zero. Isso se deve a maior rigidez da estrutura, visto que há paredes de reservatório. Além do deslocamento, outra diferença observa-se quanto aos momentos fletores na ligação dos pilares e as vigas transversais inferiores que foram menores em relação ao modelo anterior. Portanto, o dimensionamento de ambos os modelos foi diferente, necessitando fazer uma análise crítica e harmonizar as armaduras para obter um dimensionamento final seguro. Apresentado os modelos considerados para a análise no Eberick V8, tem-se um terceiro modelo; considerando a geometria real, com uma parede de reservatório à esquerda e os vãos e apoios dos painéis de vidro à direita, conforme a Figura 8. Observa-se a mesma tendência discutida nos dois modelos do Eberick V8, ou seja, deslocamentos maiores na parte superior da seção de teste na Figura 8.a e momentos fletores nas ligações entre paredes, lajes pilares e vigas na parte inferior na Figura 8.b.

Figura 7 - Análise estrutural, seção de teste, software Eberick V8: momentos fletores do segundo modelo.

Figura 8 - Análise estrutural para carga uniforme de 15 kPa, seção de teste, software Ansys v14.5: a) deslocamento e b) tensões de tração.

Curva 1 e Curva 2

Figura 9 - Análise estrutural, curva 1 e 2, Ansys v14.5: a) e b) tensões de tração.

Figura 10 - Análise estrutural do trecho da curva 1 e curva 2 no software Ansys v14.5: a) e b) deslocamentos.

Nos trechos da curva 1 e 2, obteve-se o comportamento e variação das tensões. Esses resultados são impotantes para o dimensionamento, onde deve-se prever armaduras que resistam às tensões de tração. Na Figura 9 as maiores tensões de tração foram geradas na ligação da laje inferior com as paredes. Provavelmente devido o carregamento de 15 kPa que age na laje e o empuxo da água que atua nas paredes. A tensão de tração e o deslocamento de maior magnitude, embora de pouca expressão, se deu na curva 1 (Figuras 10).

Seção das bombas

Na análise do trecho da seção das bombas no software Ansys v14.5, os maiores esforços se concentraram na parte superior das paredes, sendo uma tensão máxima de tração de 1,63 MPa que gerou um momento de cálculo de 855 kgf.m. O carregamento aplicado na laje superior combinado ao empuxo da água atuante nas paredes contribuiu para esse comportamento. Além disso, nessa condição o maior deslocamento se deu no meio do vão da seção transversal, que foi abaixo de 1,0 mm (Figura 11.b). Presume-se que as espessuras das paredes e a altura da laje (15 cm), implicaram no baixo deslocamento, em um vão livre de 3,0 m. Além da altura das paredes que por serem de 1,8 m tornaram a seção mais rígida.

Figura 11 - Análise estrutural do trecho da seção das bombas no software Ansys v14.5: a) tensões de tração e b) deslocamentos.

Figura 12 - Análise estrutural do trecho da seção das bombas no software Eberick V8: a) momentos fletores e b) deslocamentos.

Na análise com software Eberick V8 também se percebe valores superiores, assim como àqueles apresentados na Figura 11, nas paredes laterais e deslocamento no centro do vão. O momento de cálculo foi de 733 kgf.m (Figura 12.a) e o deslocamento máximo de 4,0 mm (Figura 12.b). Como o momento gerado pela tensão de tração da análise do Ansys v14.5 foi superior ao valor obtido no Eberick V8, foi necessário fazer a verificação da área de aço dimensionada por este último e a tensão do primeiro. Na verificação, a armadura calculada atendeu ao esforço de tração, pois no cálculo considerando o esforço de 855 kgf.m obteve-se a armadura mínima, que já havia sido dimensionada pelo Eberick V8.

Análise – Global

Na análise global o comportamento da estrutura se deu conforme simulado em cada trecho isoladamente, conforme a Figura 13.

Figura 13 - Análise estrutural do CWC no software Ansys v14.5 com carga de 15 kPa: (a) deslocamento e (b) tensões de tração.

Conclusão

A concepção estrutural do projeto, modelada no software Solidworks 2015, foi feita através de análises estruturais preliminares por meio dos softwares Ansys v14.5 e Eberick V8; a fim de garantir uma melhor distribuição dos esforços. Diante disso, selecionou-se uma solução estrutural ideal, com a previsão de instalação de seis painéis de vidro estrutural e um pórtico central para manuseio de protótipos e/ou outros materiais necessários para os ensaios experimentais; atendendo as necessidades do projeto como: visualização do escoamento da água e pórtico para içamento de materiais. A partir da concepção escolhida, fizeram-se as análises estruturais considerando modelos com diagrama de carregamento triangular e outros com diagrama retangular (uniforme), devido ao empuxo da água, sendo que os maiores esforços se deram naqueles com diagrama retangular. Com isso, o dimensionamento da estrutura em CA foi feito a partir da condição mais crítica, pois é favorável a segurança e também devido às análises terem sido feitas considerando a água estática, isto é, não considerando o escoamento do fluido no qual demanda uma análise estrutural dinâmica. E resultou num quantitativo de 15,08 toneladas de aço e 130,56 m³ de concreto, adquirindo assim uma taxa aço de 122,39 kg/m³ de concreto. O detalhamento foi feito de forma preliminar apenas para obter o quantitativo de aço, assim o final será realizado apenas quando a geometria não estiver sujeita a alteração. Autores: Rômulo, Brito, Eng. Civil pela Universidade Federal do Pará, UFPA Jezreel, Duarte, Enga. Civil pela Universidade Federal do Pará, UFPA André Luiz, Mesquita, Doutor em Engenharia Mecânica, INPG/FR Aarão, Lima Neto, Doutor em Estruturas e Construção Civil, UnB