Dimensionamento de Estrutura de Pipe Rack Pré-Moldado

Dimensionamento de Estrutura de Pipe-Rack Pré-Moldado

Brenda Gonçalves de Oliveira¹, Marco Antônio Amancio Ribeiro²

¹Unigranrio / [e-mail]

²Unigranrio / [e-mail]

Resumo

        Pipe-rack é um tipo de estrutura com formato reticulado utilizado no suporte de tubulação de fluido derivado de processo industrial. Em projeto de pipe-rack, há uma dificuldade de equacionar a complexidade de todo o dimensionamento, desde a combinação das ações até o dimensionamento das peças. O objetivo inicial deste trabalho é analisar e dimensionar toda a estrutura de um pipe-rack em concreto pré-moldado de refinaria de petróleo, desde a fundação até a superestrutura. Por fim, deseja-se propor um modelo de cálculo mais simplificado frente à grande quantidade de etapas e modelos teóricos considerados. Para a análise será adotado um estudo de caso, considerando as ações de peso próprio, de sobrecarga de tubulação, de vento e de recalque diferencial de fundação. Para a ação de sobrecarga de tubulação serão adotadas análises de flexibilidade de operação, de teste e de manutenção, considerando os diferentes sentidos de fluxo dos fluidos. Serão demonstradas as diferentes etapas do dimensionamento desde a fundação até às demais peças de concreto, como estacas, blocos, cálices, consolos, dentes Gerber e almofadas de neoprene fretadas. Será comentada a dificuldade de atendimento de algumas formulações matemáticas, que por muitas vezes são desprezadas, e apresentados modelos alternativos que contornem e tornem tal projeto tecnicamente executável.

Palavras-chave

Pipe-Rack; Concreto; Pré-Moldado; Tubulação; Flexibilidade.

Introdução

        Com a descoberta de campos petrolíferos em território brasileiro, surgiu a necessidade de ampliar o porte das refinarias, impactando diretamente nas dimensões dos equipamentos, tubulações e, consequentemente, nas estruturas de suporte desses tubos que podem ser realizadas em estrutura metálica ou em estrutura de concreto pré-moldado.

        O dimensionamento de uma estrutura em concreto pré-moldado requer o atendimento de muitas etapas e condições que são determinadas na NBR 9062:2017. Quando essa estrutura se trata de um pipe-rack, além de termos o seu dimensionamento como principal preocupação, temos também os cálculos dos carregamentos que influenciam no funcionamento da estrutura. As cargas a serem consideradas no cálculo estrutural de um pipe-rack são as cargas devidas ao peso próprio, ao vento e às tubulações. Os carregamentos provenientes das tubulações devem ser calculados de acordo com a PETROBRAS. N-2891(2014) e são os carregamentos que exigem maior atenção pelos esforços que gerarão.

Modelo Estrutural

[pic 2]

Figura 1 – Modelo Estrutural do Pipe Rack Pré-Moldado

Ações

Peso Próprio

O peso próprio da estrutura é gerado automaticamente pelo programa SAP 2000 – Structural Analysis Program, levando em consideração o peso específico do concreto armado como indicado na NBR 6120:2000.

Tubulações

Segundo a PETROBRAS. N-2891(2014) os cálculos dos carregamentos das tubulações dividem-se em duas classes: tubulações com diâmetros inferiores a 14’’ e tubulações com diâmetros iguais ou superiores a 14’’. É indicado que para as tubulações de diâmetros menores seja considerado um carregamento distribuído, enquanto que para as tubulações de diâmetros maiores seja adotado um carregamento concentrado considerando o peso do material do tubo acrescido do peso da água, conforme o item 3.6.2 da referida norma. Para o estudo de caso proposto, têm-se as tubulações dispostas sobre o pipe-rack como mostrado na figura 2.

[pic 3]

Figura 2 – Disposição das Tubulações

Tubulações Ø < 14’’

Para o cálculo do carregamento gerado pelas tubulações com diâmetros inferiores a 14’’ a PETROBRAS. N-2891 indica que seja calculado o diâmetro médio das tubulações, dado pela fórmula (1) e dependendo do resultado obtido, classifica-se a categoria da tubulação conforme definido no item 3.6.1 da norma citada.

                                              (1)[pic 4][pic 5]

De acordo com a categoria e a viga sobre qual a tubulação se encontra apoiada, tem-se uma formulação própria, como é possível verificar no item 5.2 da norma Petrobras. Neste estudo obteve-se  o que enquadra as tubulações na categoria IV. Para os cálculos considera-se  como a distância entre os pórticos e  como a largura do pórtico.[pic 6][pic 7][pic 8]

• Ações verticais sobre as vigas transversais principais:

                                             (2)[pic 9]

                                             (3)[pic 10]

• Ações verticais sobre as vigas transversais intermediárias:

 >                        (4)  [pic 11][pic 12]

• Ações horizontais sobre as vigas transversais principais:

                                               (5)[pic 13]

                                                 (6)[pic 14]

                                         (7)[pic 15]

• Ações horizontais sobre as vigas transversais intermediárias:

                                            (8)[pic 16]

                                 (9)[pic 17]

Tubulações Ø ≥ 14’’

        

Para tubos com diâmetro igual ou superior a 14’’, aplica-se uma carga concentrada (Fz), correspondente ao peso do tubo acrescido do peso da água.  Fz é calculado com a fórmula (10), onde corresponde à largura dos pórticos quando calculadas as ações sobre as vigas transversais principais e à distância entre os pórticos quando calculadas as ações sobre as vigas transversais intermediárias.[pic 18]