Entendendo a Rigidez da Fundação
Definição: O que é rigidez da fundação?
Rigidez da fundação é a resistência da estrutura de suporte de uma máquina (incluindo placa de base, fundação de concreto, pedestais e solo) à deflexão quando submetida a forças estáticas ou dinâmicas. É quantificada como força por unidade de deflexão (normalmente expressa em N/mm, lbf/in ou N/m) e representa o quanto a fundação se deflete quando as cargas da máquina rotativa são aplicadas.
A rigidez da fundação é um parâmetro crítico em dinâmica do rotor porque faz parte da rigidez total do sistema que determina velocidades críticas, vibração amplitudes e resposta dinâmica. A rigidez inadequada da fundação pode reduzir as velocidades críticas para a faixa operacional, amplificar a vibração, causar problemas de alinhamento e comprometer a confiabilidade do equipamento.
Por que a rigidez da fundação é importante
Efeito nas velocidades críticas
A rigidez da fundação afeta diretamente o sistema. frequências naturais:
- Rigidez total do sistema = combinação em série das rigidezes do rotor, dos mancais e da fundação.
- Fundações moles reduzem a rigidez total, diminuindo as velocidades críticas.
- Pode deslocar velocidades críticas de zonas seguras para a faixa operacional.
- A velocidade crítica é proporcional a √(rigidez total), portanto, fundações moles têm um impacto significativo.
Controle de amplitude de vibração
- Na Ressonância: Fundações mais rígidas geralmente produzem amplitudes de vibração de pico menores.
- Abaixo da ressonância: Fundações muito rígidas podem aumentar a vibração transmitida (sem isolamento).
- Projeto Ótimo: Equilíbrio entre rigidez e isolamento dependendo da faixa de frequência
Estabilidade de alinhamento
- Fundações flexíveis permitem que o equipamento se desloque sob cargas operacionais.
- A dilatação térmica das máquinas pode deformar fundações flexíveis.
- Precisão alinhamento difícil de manter em fundações moles
- A deflexão da fundação devido às cargas do processo (forças da tubulação) afeta o alinhamento.
Componentes que contribuem para a rigidez da fundação
1. Bloco de fundação de concreto
- Rigidez do material: Módulo de elasticidade do concreto (aproximadamente 25-40 GPa)
- Geometria: Espessura, largura e reforço afetam a rigidez geral.
- Massa: Massas maiores geralmente implicam em estruturas mais rígidas.
- Doença: Rachaduras e deterioração reduzem significativamente a rigidez.
2. Suporte de solo/terreno
- O solo sob a fundação fornece suporte elástico.
- A rigidez do solo varia enormemente (argila mole: 10 N/mm³; rocha: mais de 1000 N/mm³).
- Frequentemente, o elemento mais frágil na cadeia de suporte.
- Pode dominar a rigidez total do sistema em condições de solo desfavoráveis.
3. Placa de base da máquina
- Estrutura de aço ou ferro fundido
- Conecta o equipamento à fundação de concreto.
- A espessura, as nervuras e o design afetam a rigidez.
- Deve ser devidamente rejuntado até a fundação.
4. Pedestais e Suportes
- pedestais de apoio Rolamentos de ligação à placa de base
- Estruturas de coluna ou suporte
- Pode haver uma flexibilidade significativa em pedestais altos ou esguios.
5. Camada de rejunte
- Preenche o espaço entre a placa de base e o concreto.
- A aplicação correta de argamassa é fundamental para a rigidez.
- O rejunte deteriorado ou ausente cria pontos fracos.
- A rigidez típica do rejunte é inferior à do concreto ou do aço.
Medição e avaliação
Teste de rigidez estática
- Método: Aplique uma força conhecida e meça a deflexão.
- Cálculo: k = F / δ (força dividida pela deflexão)
- Teste típico: Macaco hidráulico aplicando carga na placa de base.
- Medição: Indicadores de mostrador ou sensores de deslocamento
Rigidez dinâmica (Teste modal)
- Teste de impacto com martelo instrumentado
- Função de resposta em frequência de medição
- Extrair parâmetros modais (frequências naturais, modos de vibração, rigidez)
- Mais representativo das condições reais de funcionamento.
Avaliação Operacional
- Compare a vibração no apoio com a vibração na fundação.
- Alta transmissibilidade indica fundação rígida
- A baixa transmissibilidade sugere flexibilidade ou isolamento da fundação.
- Diagramas de Bode a partir da inicialização/desaceleração, revele os modos básicos.
Requisitos de projeto
Diretrizes Gerais
- Padrões de API: A frequência natural da base deve ser > 2 vezes a velocidade máxima da máquina.
- Alternativa: Frequência natural fundamental < 0,5× velocidade mínima da máquina (fundação isolada)
- Evitar: Ressonâncias fundamentais entre 0,5 e 2,0 vezes a velocidade de operação.
- Alvo: Rigidez da fundação > 10 vezes a rigidez do suporte para influência mínima
Requisitos específicos do equipamento
- Turbinas: Fundações muito rígidas (massa de concreto 3-5 vezes a massa do rotor)
- Compressores alternativos: Fundações maciças para absorver cargas pulsantes.
- Máquinas de alta velocidade: Rígido para manter a separação de velocidade crítica
- Equipamentos de precisão: Extremamente rígido para evitar desvios de alinhamento.
Problemas decorrentes de rigidez inadequada
Velocidades críticas reduzidas
- As velocidades críticas caem para a faixa operacional.
- Vibração elevada em velocidades que deveriam ser seguras.
- Pode impedir que se atinja a velocidade operacional projetada.
- Requer reforço da fundação ou limitação de velocidade.
Vibração excessiva
- O movimento da fundação amplifica a vibração geral.
- Ressonância da estrutura de fundação
- Vibração transmitida para equipamentos adjacentes
- Danos estruturais causados por flexão repetida
Instabilidade de alinhamento
- Deslocamento de equipamentos em fundação flexível
- O alinhamento foi perdido após o trabalho inicial de precisão.
- Efeitos do crescimento térmico amplificados
- Alterações na carga do processo causam variações no alinhamento.
Métodos de melhoria
Reforço de fundações de concreto
- Adicionar massa: Aumentar o tamanho/espessura da fundação
- Reforçar: Adicionar reforço de aço ou protensão
- Reparar rachaduras: Injeção de epóxi ou reparo de concreto
- Estender até a rocha matriz: Estacas ou caixões em camadas de solo competentes
Reforço da placa de base
- Adicionar reforços ou nervuras à estrutura.
- Aumentar a espessura da placa de base
- Melhore a cobertura e a qualidade do rejunte.
- Adicionar reforços entre os pedestais
Melhoramento do solo
- Estabilização ou injeção de calda de cimento no solo
- Fundações profundas (estacas) que contornam solos de má qualidade.
- Compactação ou densificação
- Consultoria em engenharia geotécnica para questões de grande porte.
Acomodações operacionais
- Modificação de velocidade: Operar longe das ressonâncias fundamentais
- Isolamento de vibração: Adicionar isoladores para desacoplar a máquina da fundação.
- Balanceamento: Tolerâncias de balanceamento mais rigorosas para reduzir a excitação.
- Amortecimento: Adicionar tratamentos de amortecimento à estrutura da fundação
Melhores práticas para projeto de fundações
Novas instalações
- Realizar investigação geotécnica das condições do solo.
- Calcule a massa e a geometria da fundação necessárias.
- Incluir análise dinâmica (frequências naturais, resposta ao desequilíbrio)
- Projeto com rigidez e massa adequadas
- Proporcionar isolamento das estruturas adjacentes
- Incluir disposições para rejuntamento e alinhamento.
Avaliação das fundações existentes
- Meça a vibração na fundação e compare com a vibração do apoio.
- Realizar testes modais para identificar as frequências naturais da fundação.
- Verifique se há rachaduras, deterioração ou assentamento.
- Verificar a integridade do rejunte sob as placas de base.
- Compare as especificações reais com as especificações de projeto.
A rigidez da fundação é frequentemente negligenciada, mas é um parâmetro fundamental que afeta o desempenho de máquinas rotativas. Uma rigidez adequada da fundação garante a separação correta da velocidade crítica, mantém a estabilidade do alinhamento e previne problemas de ressonância, enquanto uma rigidez inadequada pode fazer com que equipamentos, mesmo sendo bons, apresentem desempenho ruim e não sejam confiáveis.
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