O objetivo desse artigo é apresentar quais são as normas necessárias para embasar as análises de elementos finitos de tanques industriais.

INTRODUÇÃO  

Os tanques industriais são equipamentos cujo sua principal função é o  armazenamento de fluídos diversos, podendo ser empregado em muitas etapas do  processo produtivo industrial, nos mais variados ramos da indústria. 

São exemplos de aplicação de tanques na indústria: 

1. Armazenamento de produtos acabados e/ou produtos intermediários;

2. Armazenamento de insumos e/ou resíduos; 

3. Armazenamento de matérias primas.  

Diversos são os tipos, tamanhos e as formas de construção dos tanques, os mais  comuns são do tipo cilíndricos posicionados verticalmente ou horizontalmente,  podendo ser também abertos ou fechados para a atmosfera.  

Figura 1 - Exemplo de um tanque cilíndrico vertical 

OBJETIVO 

O objetivo desse artigo é apresentar quais são as normas necessárias para embasar  as análises de elementos finitos de tanques industriais, como também todas as  considerações das cargas atuantes no equipamento a fim de garantir que esta análise seja a mais fidedigna possível com as solicitações da realidade, bem como os possíveis modos de falha que o equipamento pode sofrer. Ao final será apresentada uma análise com resultados de um exemplo de avaliação de tanques utilizando o  Software Ansys 2022 R2. 

NORMA API 650  

A norma API-650 da associação comercial (American Petroleum Institute) tem por  objetivo fundamentar alguns requisitos mínimos para os materiais, projeto,  fabricação, içamento e inspeção de tanques com formatos cilíndricos verticais que  tenham as chapas soldadas. Estes equipamentos também devem ter o seu fundo  completamente apoiado na base, e sua pressão interna não deve exceder a força  peso do teto do tanque, ou não exceder 18Kpa, o que for menor. Já para pressões  maiores deve-se atentar a alguns requisitos adicionais prescritos em norma. 

**Para maiores informações sobre os tipos de tanques e especificidades que a norma abrange é sugerido a leitura da norma na íntegra.  

CARGAS 

As cargas que devem ser ponderadas nas análises de elementos finitos são retiradas do capítulo 5.2.1 da Norma API-650 2020 e estão apresentadas abaixo: 

1. Peso total do tanque: Peso do equipamento juntamente com os  componentes que nele estão fixados.  

2. Pressão Externa: Pressão com magnitude de 0,25KPa aplicada nas chapas do  costado do tanque.  

3. Pressão do Fluido: Carga devido ao enchimento a nível de projeto do tanque. 

4. Carga mínima no telhado: A norma estipula um valor mínimo de 0,72Kpa a  ser aplicado horizontalmente na superfície do teto, caso houver.  

**Outras normas como NBR 7821 estipulam este valor na escala de  60kgf/m². Já para norma técnica da Sabesp NTS231 de tanques para  armazenamento de água determinam o valor de 1,0KPa. 

5. Vento: Cargas relacionadas a força do vento sobre a estrutura do tanque. As cargas de vento sobre a estrutura em cada região do Brasil podem ser encontradas através da norma NBR 6123. Temos um artigo em nosso site sobre uma visão geral sobre o assunto clicando aqui. 

Demais condições de cargas não serão apontadas neste artigo ou por não fazerem parte  dos fenômenos naturais do nosso país (Brasil) ou não são aplicados nas combinações  das cargas propostas.  

COMBINAÇÕES 

Continuando na norma API 650 2020 ela sugere algumas combinações de cargas no  item 5.2.2 em que o projeto do tanque deve seguir. Para este artigo proposto  faremos citação a duas combinações específicas a fim de verificar que o caso mais  crítico acontece na combinação 01 para a análise das máximas tensões e na  combinação 02 para a carga crítica de flambagem.

Sendo assim, as combinações utilizadas serão:  

Tabela 1 - Combinações utilizadas 

Legenda: 

• PP – Peso Próprio + Componentes Fixados

• VT – Vento 

• PF – Pressão do Fluido 

• PE – Pressão Externa

• SC – Sobrecarga 

**Nota: Não exatamente a norma propõe as combinações citadas na Tabela 1, no caso  da combinação 01 utilizaremos a sobrecarga no teto invés da pressão interna sugerida  na norma, já que o equipamento analisado neste artigo será adotado à pressão  atmosférica. Já para a combinação 02 foi somado ainda a carga relativa ao vento, sendo  assim a análise que irá utilizá-la ficará ainda mais criteriosa em seus resultados. 

MÉTODO DE AVALIAÇÃO  

Para avaliar as tensões em tanques de armazenamento pelo método dos elementos  finitos, a norma API 650 não nos indica uma forma por métodos próprios, para isto ela  pondera que avaliações de acordo com as normas WRC 297 ou ASME Seção VIII Div.2  são validas para verificações das tensões nos bocais e casco cilíndrico. Pode ser  encontrado esta indicação no capítulo P.3.1.1 da norma API 650 2020. Também é  indicado que o tanque deva passar por uma avaliação de flambagem em sua carcaça  conforme aponta o capítulo 5.6.1.4 da API 650. Temos um artigo falando sobre como a  norma ASME Seção VIII Div.2 aponta sua categorização para avaliação das tensões e  avaliação de flambagem, clique aqui para ver este artigo. 

GEOMETRIA 

Seguindo para o modelo utilizado como estudo, a seguir pode ser conferida algumas  dimensões do equipamento, uma vista geral e as espessuras adotadas.  

Tabela 2 - Dimensões do equipamento

Figura 2 - Vista das dimensões 

Tabela 3 - Resumo das espessuras utilizados

Figura 3 - Vista isométrica do equipamento 

MATERIAL 

De forma resumida as propriedades do material utilizado para a simulação de elementos finitos podem ser observadas na tabela 4, todos os componentes do tanque foram  considerados como sendo de Aço Inox do tipo SA-240 Tp. 304.  

Tabela 4 – Propriedades do material 

**As propriedades do material foram verificadas de acordo com a ASME seção II parte  D, levando em consideração a temperatura de operação como sendo de (60°C) para a  obtenção de suas características. 

APLICAÇÃO DAS CARGAS 

A aplicação das cargas já discutido anteriormente estão apresentadas nas imagens  abaixo. O líquido armazenado neste exemplo foi adotado como sendo água.  

Figura 4 – Gravidade relativa ao peso próprio e cargas do vento

Figura 5 – Pressão externa e sobrecarga no teto

Tabela 5 – Densidade do líquido 

Figura 6 – Pressão do fluido 

RESTRIÇÕES 

As restrições aplicadas nas sapatas representam a fixação do tanque em uma fundação  civil, por isto foram adotados como sendo restrição do tipo “Fixed Support”. Para o  fundo do tanque foi considerado a restrição do tipo “Displacement”, restringindo o  movimento do equipamento no sentido Y, enquanto X e Z são livres, representando o  fundo apenas apoiado, conforme sistema de coordenadas da Figura 7. 

Figura 7 – Restrições utilizadas 

RESULTADOS 

Chegou a hora de avaliar os resultados obtidos nas combinações mencionadas na Tabela  1. Os resultados serão apresentados da seguinte forma:  

1. Combinação 01 – Referente a análise de Colapso Plástico do material.  

2. Combinação 02 – Referente a análise de Flambagem do equipamento.  

COMBINAÇÃO 01 – COLAPSO PLÁSTICO  

De acordo com a Norma ASME seção II parte D, as tensões admissíveis adotadas são listadas na Tabela 6.  

Tabela 6 – Tensões Admissíveis

• Tensão Primária de Membrana Generalizada (Pm)  

Figura 8 - Vista geral das tensões primárias de membrana  generalizada 

Figura 9 – Vista ISO das tensões primárias de membrana  generalizada acima de 128MPa 

Não são observadas tensões primárias de membrana generalizada acima do limite admissível  (128 MPa). Conforme pode ser observado nas imagens acima, todas as tensões resultantes  atendem o critério de aceite conforme o código ASME. Portanto, os resultados são ACEITÁVEIS para este critério. As regiões com tensão acima do limite admissível serão analisadas como  tensão primaria de membrana localizada. 

• Tensão primária de membrana localizada (Pl) 

Figura 10 - Vista geral das tensões primárias de  membrana localizadas 

Figura 11 – Vista ISO das tensões primárias de membrana  localizada acima de 193 MPa 

Como pode ser observado as tensões primárias de membrana localizada estão em níveis abaixo do limite admissível (193 MPa). Conforme pode ser observado nas imagens acima, todas as  tensões resultantes atendem o critério de aceite conforme o código ASME. Portanto, os  resultados são ACEITÁVEIS para este critério.

• Tensão primária de membrana + Flexão (Pl+Pb) 

Figura 12 - Vista geral das tensões primárias de  membrana + flexão

Figura 13 – Vista ISO das tensões primárias de membrana  + flexão acima de 193 MPa 

Não são observadas tensões primárias de membrana + flexão acima do limite admissível (193 MPa). Conforme pode ser observado nas imagens acima, todas as tensões resultantes atendem  o critério de aceite conforme o código ASME. Portanto, os resultados são ACEITÁVEIS para este  critério. As regiões acima do limite admissível serão analisadas como tensões secundárias. 

• Tensão Secundária (Q) 

Conforme podem ser observadas as tensões secundárias se encontram em níveis abaixo do  limite admissível (385 MPa). Conforme pode ser observado nas imagens acima, todas as tensões  resultantes atendem o critério de aceite conforme o código ASME. Portanto, os resultados são ACEITÁVEIS para este critério.

COMBINAÇÃO 02 – FLAMBAGEM 

Considerando a pressão negativa atuante no costado devido a cargas que contribuam para este  fenômeno acontecer, o fator de redução de capacidade de flambagem é: 

Bcr = 0,8 

O fator de segurança para a prevenção da flambagem é calculado por: 

A carga crítica de flambagem calculada pela análise de elementos finitos é mostrada abaixo:

 Conforme observado na figura acima o equipamento em questão se encontra com níveis  aceitáveis para o critério de flambagem. 

CONCLUSÃO  

Este artigo teve como objetivo mostrar de forma simplificada o modo de avaliação de tanques  de armazenamento utilizando a norma API 650 2020 como referência de carregamentos, e das  combinações que devemos ponderar em nossa análise de elementos finitos. 

Observamos também que não existe exatamente uma repartição na norma API 650 que  regulamenta avaliações por método computacional dos elementos finitos, sugerindo assim que  sigamos colocações da norma ASME VIII div. 2, por exemplo.  

De forma geral conforme observado nos resultados do equipamento exemplo no decorrer deste  artigo, tanto para a avaliação da combinação 01 (colapso plástico) quanto para combinação 02  (flambagem) nosso modelo estaria APTO a prosseguir com sua operação normalmente. Ou seja, operar com segurança em sua capacidade máxima, sem que nenhum tipo de modificação seja  necessário.  

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