Como caracter´ısticas usuais, as turbom´aquinas apresentam pesos relativamente elevados e esfor¸cos dinˆamicos em altas freq¨uˆencias. Em geral, elas s˜ao instaladas acima do n´ıvel do ch˜ao a fim de acomodar equipamentos auxiliares e tubula¸c˜oes sob suas bases, o que acaba por conduzir ao emprego de estruturas de suporte aporticadas. As turbom´aquinas s˜ao classificadas de acordo com a fun¸c˜ao em: (a) turbogeradores; (b) turbocompressores e turboventiladores; e (c) turbobombas.
Na maioria dos conjuntos turbogeradores, a turbina e o gerador possuem um eixo comum e uma freq¨uˆencia de opera¸c˜ao de 25 ou 50 Hz (dependendo do pa´ıs, 30 ou 60 Hz). Para turbinas de menor potˆencia, operando em freq¨uˆencias mais elevadas, ´e comum existir uma caixa de redu¸c˜ao entre a turbina e o gerador. As freq¨uˆencias de compressores acionados eletricamente por um eixo comum ´e de 25 ou 30 Hz. Para bombas e ventiladores o intervalo de freq¨uˆencia ´e maior.
Entre as turbom´aquinas, os turbogeradores se destacam devido `as grandes dimens˜oes das estruturas de suporte necess´arias, que acabam representando uma boa parte das obras civis. Acompanhando o desenvolvimento de unidades cada vez mais potentes, grandes avan¸cos tˆem sido alcan¸cados no projeto de suas funda¸c˜oes. Isto se deve, em parte, ao estu- do experimental das funda¸c˜oes existentes e ao desenvolvimento de modelos matem´aticos capazes de representar o comportamento dinˆamico da funda¸c˜ao.
Fig. 9.1 – Funda¸c˜ao de um conjunto turbogerador [1].
Uma caracter´ıstica dos turbogeradores ´e o n´umero de sistemas mecˆanicos que inte- ragem com a estrutura civil. O estudo de interferˆencia entre estes sistemas deve ser a primeira etapa do projeto da funda¸c˜ao, pois a localiza¸c˜ao das m´aquinas, equipamentos auxiliares, tubula¸c˜ao de vapor ou g´as e os espa¸cos para manuten¸c˜ao e montagem pratica- mente determinam o arranjo geom´etrico da funda¸c˜ao. Outros sistemas tamb´em devem ser considerados, como o circuito de ar refrigerado para os geradores el´etricos e o que fornece
´oleo para o resfriamento dos mancais. O esquema da Fig. 9.2 indica o procedimento ado- tado por um fabricante de turbinas (SIEMENS, segundo Major [15]) para a coopera¸c˜ao entre as Engenharias Mecˆanica e Civil.
Fig. 9.2 – Intera¸c˜ao entre as Engenharias Mecˆanica e Civil.
Concep¸c˜oes Usuais da Funda¸c˜ao O comportamento dinˆamico ´e o principal crit´erio de desempenho das funda¸c˜oes de turbogeradores. Isto significa que, al´em de suportar os equipamentos, a funda¸c˜ao deve apresentar propriedades de rigidez e in´ercia que possi- bilitem obter amplitudes de vibra¸c˜ao nos mancais dentro dos limites recomendados pelo fabricante. As excita¸c˜oes dinˆamicas podem ter diversas causas, como o n˜ao-balanceamento do rotor, o n˜ao-alinhamento do eixo, momentos de curto-circuito e terremotos.
Como j´a foi mencionado, ´e comum o emprego de funda¸c˜oes aporticadas, caracterizadas pela presen¸ca de p´orticos transversais e longitudinais sobre uma laje de funda¸c˜ao. Este arranjo estrutural apresenta como principais vantagens:
• maximiza¸c˜ao do espa¸co necess´ario para equipamentos auxiliares sob a turbina; • disposi¸c˜ao dos elementos estruturais de acordo com as cargas de projeto; • facilidade de an´alise e dimensionamento da estrutura;
• e grande economia de material em rela¸c˜ao aos outros tipos de funda¸c˜ao.
As funda¸c˜oes aporticadas s˜ao classificadas de acordo com as freq¨uˆencias naturais de sua estrutura, considerada perfeitamente engastada na laje de funda¸c˜ao, em subsincronizadas e sobre-sincronizadas quando a freq¨uˆencia natural do modo de vibra¸c˜ao analisado estiver abaixo ou acima da freq¨uˆencia de opera¸c˜ao, respectivamente.
Embora as primeiras funda¸c˜oes projetadas fossem sobre-sincronizadas, resultando es- truturas com grande rigidez para evitar a condi¸c˜ao de ressonˆancia, a tendˆencia atual ´e
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o emprego de funda¸c˜oes subsincronizadas possuindo pilares esbeltos de concreto ou a¸co. Esta ´ultima concep¸c˜ao requer modelos matem´aticos do sistema estrutura-funda¸c˜ao com comportamento muito pr´oximo do real, de modo que as respostas da funda¸c˜ao possam ser previstas nas condi¸c˜oes de opera¸c˜ao e tamb´em nas de ressonˆancia, durante a partida e a parada da m´aquina.
Uma solu¸c˜ao cada vez mais empregada consiste em apoiar a laje superior sobre grupos de molas helicoidais. Os coeficientes de rigidez das molas s˜ao especificados de modo que o sistema formado pela laje superior mais a m´aquina tenha freq¨uˆencias naturais inferiores `a freq¨uˆencia de opera¸c˜ao. Dessa forma, consegue-se reduzir os esfor¸cos dinˆamicos transmiti- dos aos pilares, possibilitando o dimensionamento destes somente com as cargas est´aticas. Embora cara, esta concep¸c˜ao ´e vantajosa quando predominam determinadas a¸c˜oes, tais como: varia¸c˜oes de temperatura, recalques diferenciais e retra¸c˜ao do concreto.
Emprego de Estruturas de Concreto Armado e Met´alicas A maioria das fun- da¸c˜oes de m´aquinas de alta rota¸c˜ao tem sido constru´ıda em concreto armado. Estas fun- da¸c˜oes s˜ao geralmente estruturas aporticadas com uma grelha ou laje superior bastante r´ıgida. Devido a este fato, as estruturas s˜ao normalmente sobre-sincronizadas na dire¸c˜ao vertical, enquanto que, devido `a flexibilidade das colunas, elas s˜ao subsincronizadas na dire¸c˜ao horizontal.
As funda¸c˜oes de concreto armado tˆem a vantagem da sua massa colaborar para o com- portamento dinˆamico da estrutura. Elas tamb´em apresentam uma taxa de amortecimento maior em rela¸c˜ao `as estruturas de a¸co, constituindo uma fonte de ru´ıdo menor.
Suas principais desvantagens referem-se `a determina¸c˜ao das propriedades do concreto. O m´odulo de elasticidade dinˆamico dos elementos da estrutura, influenciado por efeitos de retra¸c˜ao e fissura¸c˜ao do concreto, ´e dif´ıcil de ser obtido. Por outro lado, a avalia¸c˜ao do amortecimento interno s´o ´e poss´ıvel por meio de ensaios em estruturas semelhantes, j´a que o amortecimento por histerese nas juntas predomina sobre o amortecimento interno do material.
As estruturas met´alicas, sendo mais flex´ıveis e leves que as estruturas de concreto arma- do, s˜ao, em geral, profundamente subsincronizadas, com um n´umero maior de freq¨uˆencias naturais abaixo da freq¨uˆencia de opera¸c˜ao. Este fato acentua a importˆancia do c´alculo preciso da resposta dinˆamica e da determina¸c˜ao dos principais modos de vibra¸c˜ao.
Embora requeiram uma an´alise dinˆamica mais detalhada, as estruturas met´alicas apre- sentam diversas vantagens. Elas permitem um apoio flex´ıvel para a m´aquina nas dire¸c˜oes vertical e horizontal, assegurando a rota¸c˜ao dos rotores em torno de seu centro de gravi- dade e, conseq¨uentemente, uma vida ´util maior para os mancais. As freq¨uˆencias naturais podem ser calculadas com maior precis˜ao j´a que o m´odulo de elasticidade ´e constante para toda a estrutura e as condi¸c˜oes de fixa¸c˜ao s˜ao conhecidas. E, finalmente, as estruturas met´alicas possibilitam a elimina¸c˜ao de vibra¸c˜oes n˜ao previstas no projeto mediante seu enrijecimento posterior.
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E importante ressaltar a intera¸c˜ao entre a funda¸c˜ao e a m´aquina pois, por simplifi- ca¸c˜ao, as an´alises dinˆamicas s˜ao feitas separadamente. Em uma funda¸c˜ao r´ıgida (sobre-
sincronizada) o rotor ´e obrigado a girar em torno de seu eixo geom´etrico e, embora as vibra¸c˜oes n˜ao sejam consider´aveis, as for¸cas nos mancais poder˜ao ser elevadas. No caso de uma funda¸c˜ao flex´ıvel (subsincronizada), o rotor tende a girar em torno de seu cen- tro de gravidade e, em conseq¨uˆencia, os mancais s˜ao preservados mas as amplitudes de deslocamento aumentar˜ao.