AULA 9-10 TUBULAÇOES COMO ELEMENTOS ESTRUTURAIS

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Tubulações Industriais
PROF.: KAIO DUTRA
AULA 9-10 – TUBULAÇOES COMO ELEMENTOS ESTRUTURAIS
Cargas Que Atuam Sobre as 
Tubulações
Prof.: Kaio Dutra
o Do ponto de vista da Resistência dos Materiais, cada
trecho de tubulação pode ser considerado como
sendo um elemento estrutural.
o São as seguintes as principais agindo sobre uma
tubulação:
o Pressão interna exercida pelo fluido.
o Pressão externa (tubulações em ambientes sob pressão
ou operando com vácuo).
o Peso próprio da tubulação, peso do fluido contido, das
conexões, válvulas etc., integrantes da tubulação e do
isolamento térmico. Em tubulações de vapor, ar e
outros gases, deve ser considerado também o peso da
água para o teste hidrostático, a menos que sejam
previstos suportes provisórios adicionais para esse fim.
Cargas Que Atuam Sobre as 
Tubulações
Prof.: Kaio Dutra
o São as seguintes as principais agindo sobre uma
tubulação:
o Sobrecargas diversas agindo sobre a tubulação, tais
como peso de outros tubos, plataformas e estruturas
apoiadas nos tubos, gelo e neve sobre os tubos, peso da
terra, pavimentação e veículos (no caso de tubos
enterrados), peso de pessoas sobre a tubulação etc.
o Dilatações térmicas (ou contrações) da própria
tubulação ou de outras tubulações ligadas à tubulação
em questão, devido a variações de temperatura.
o Movimentos de pontos extremos da tubulação
causados por dilatação de outras tubulações, dilatação
própria de equipamentos (tanques, vasos, bombas etc.)
ligados à tubulação em questão, ou por outras causas:
vento, movimento de marés etc.
Cargas Que Atuam Sobre as 
Tubulações
Prof.: Kaio Dutra
o São as seguintes as principais agindo sobre uma
tubulação:
o Atrito da tubulação nos suportes.
o Ações dinâmicas provenientes do movimento do
fluido na tubulação, tais como golpes de aríete,
acelerações, impactos etc.
o Ações dinâmicas externas: vento, terremoto etc.
o Vibrações.
o Reações de juntas de expansão, por não só ao
esforço necessário para impor deslocamento às
mesmas, como também ao efeito de pressão
interna (empuxo).
Cargas Que Atuam Sobre as 
Tubulações
Prof.: Kaio Dutra
o São as seguintes as principais agindo sobre
uma tubulação:
o Tensões decorrentes da montagem, tais como
alinhamentos forçados, desalinhamentos e
desnivelamento de suportes, tensões
residuais de soldagem, aperto exagerado ou
desigual de flanges e de roscas, erros de
ajuste de suportes de molas etc.
o Desnivelamento de suportes ou de vasos ou
equipamentos ligados à tubulação,
conseqüentes de recalque de fundações.
Cargas Que Atuam Sobre as 
Tubulações
Prof.: Kaio Dutra
o Evidentemente, tanto no projeto como na
montagem deve-se, na medida do possível, evitar
ou atenuar as tensões provenientes da maior
parte dos fatores acima relacionados. Com esse
objetivo procura-se, por exemplo:
o Adotar vãos adequados entre os suportes.
o Colocar válvulas, derivações pesadas e outras cargas
concentradas importantes próximo aos suportes.
o Limitar as sobrecargas.
o Colocar os tubos enterrados na profundidade
apropriada.
o Dar flexibilidade adequada ao sistema para reduzir
os esforços oriundos das dilatações.
Cargas Que Atuam Sobre as 
Tubulações
Prof.: Kaio Dutra
o Evidentemente, tanto no projeto como na montagem
deve-se, na medida do possível, evitar ou atenuar as
tensões provenientes da maior parte dos fatores
acima relacionados. Com esse objetivo procura-se,
por exemplo:
o Colocar guias e contraventos para manter o alinhamento
dos tubos.
o Absorver as vibrações por meio de amortecedores,
ancoragens ou juntas de expansão.
o Colocar placas de deslizamento ou suportes de rolos nos
casos em que o atrito for muito grande ou for prejudicial.
o Executar a montagem com os devidos cuidados para
reduzir os valores das tensões resultantes da montagem.
Cargas Que Atuam Sobre as 
Tubulações
Prof.: Kaio Dutra
o Devido ao grande número dessas cargas, à complexidade
inerente a algumas delas, e também à variedade de
configurações que podem ter as tubulações, o cálculo
rigoroso da ação simultânea de todas as cargas que possam
estar atuando é bastante difícil, e raramente justifica-se
fazê-lo. Na prática, via de regra, faz-se apenas o cálculo das
cargas predominantes, adotando-se tensões admissíveis
inferiores às que o material permitiria, a fim de compensar
os esforços não-considerados.
o Para a grande maioria das tubulações industriais, é
necessário e suficiente considerar apenas as seguintes
cargas:
o Pressão (interna ou externa).
o Pesos e sobrecargas.
o Efeito combinado das dilatações da própria tubulação e de outras
tubulações ou equipamentos ligados à tubulação em questão.
Tensões Nas Paredes dos 
Tubos
Prof.: Kaio Dutra
o No caso geral de um tubo submetido a urna
série de cargas simultâneas, o estado de
tensões em cada elemento da parede do
tubo é caracterizado por três tensões
normais e três tensões tangenciais de
cisalhamento.
o As tensões normais usualmente
consideradas são:
o tensão longitudinal Sl
o tensão circunferencial Se
o tensão radial Sr
• A tensão radial Sr. é causada
exclusivamente pela pressão; seu valor é
geralmente baixo, e por isso costuma
ser desprezado nos cálculos.
Tensões Nas Paredes dos 
Tubos
Prof.: Kaio Dutra
o Para os materiais dúcteis, como é o caso de todos os
aços e da maioria dos metais não-ferrosos, a teoria
que melhor se ajusta aos dados experimentais é a
denominada de cisalhamento máximo. De acordo
com essa teoria, a falha do material ocorre quando a
tensão de cisalhamento máxima ultrapassar a
metade do valor mínimo do limite dê escoamento.
o Para os materiais não-dúcteis, como é o caso, por
exemplo, do ferro fundido e dos ferros-ligados, a
teoria da ruptura adotada é a denominada de
máxima tensão normal. Segundo essa teoria, a
ruptura acontece quando a máxima tensão normal
(Smáx) ultrapassar um determinado valor. Para esses
materiais, a comparação será feita entre a tensão
normal máxima e a tensão admissível.
Tensões Primárias e 
Secundárias
Prof.: Kaio Dutra
o As tensões que aparecem nas paredes de um tubo, em
conseqüência dos diversos carregamentos, podem ser
classificadas em duas categorias, denominadas tensões
primárias e tensões secundárias.
o Tensões primárias as tensões necessárias para satisfazer as
condições de equilíbrio estático em relação aos diversos
carregamentos externos agindo sobre a tubulação, tais
como pressão interna ou externa, pesos, sobrecargas etc.
o Tensões secundárias são as que resultam não de
carregamentos externos, mas do fato de a tubulação não
ser nunca inteiramente livre de se dilatar, se contrair e se
movimentar, em conseqüência das variações de
temperatura e/ou dos movimentos de pontos extremos da
tubulação.
Relaxamento Espontâneo
Prof.: Kaio Dutra
o As tensões primárias têm corno
característica básica o fato de não serem
autolimitantes e de terem um valor
diretamente proporcional à carga de que se
originam. Assim, se a carga aumenta, a
tensão aumentará na mesma proporção,
podendo chegar à ruptura do material.
o As tensões secundárias, pelo contrário,
tendem a diminuir de intensidade com o
passar do tempo, em conseqüência do
fenômeno do relaxamento espontâneo.
Tensões Admissíveis e 
Coeficiente de Segurança
Prof.: Kaio Dutra
o Denominam-se tensões admissíveis aos valores
limites de tensões que se adotam para o cálculo da
tubulação quando considerada como um elemento
estrutural.
o As tensões admissíveis são valores estabelecidos
pelas normas de projeto para cada material e cada
classe de tubulações. É evidente que as tensões
admissíveis devem ser menores do que os limites de
resistência e de escoamento do material na
temperatura considerada.
o Essas tensões são o limite de resistência, ou o limite
de escoamento, divididos por um certo número, que
é o chamado coeficiente de segurança.
Tensões Admissíveis e 
Coeficiente de Segurança
Prof.: Kaio Dutra
o São os seguintes os principais fatores que
influenciam o coeficiente de segurança a
adotar, e portanto as tensões admissíveis:
o Tipo do material;
o Critériode cálculo;
o Tipo de carregamento;
o Variações nas condições de operação;
o Incerteza nas qualidades do material;
o Desvios de forma devidos a defeitos de
matéria-prima e de fabricação e de
montagem;
o Grau de segurança necessário.
Tensões Admissíveis da 
Norma ASME B31
Prof.: Kaio Dutra
o As diversas seções da norma ASME B 31
contêm tabelas que dão, para todos os
materiais de tubulação que são aceitos
pela norma, as tensões admissíveis em
função da temperatura, até a
temperatura limite de utilização de cada
material.
Tensões Admissíveis da 
Norma ASME B31
Prof.: Kaio Dutra
Tensões Admissíveis da 
Norma ASME B31
Prof.: Kaio Dutra
o A norma estabelece as seguintes variações em
relação às tensões admissíveis básicas:
o Tensões estáticas e permanentes de cisalhamento
puro e de torção: 80% das tensões admissíveis
básicas.
o Tensões provenientes de cargas transitórias ou
eventuais de curta duração como a ação do vento,
teste hidrostático, dilatações térmicas e de condições
anormais de operação. Permitem-se os seguintes
acréscimos sobre a tensão admissível básica:
o Seção B 31.1: 15% para esforços que atuem durante até 10%
do tempo, em 24 horas.
o Seção B 31.3: 33% para esforços que atuem durante até 10
horas seguidas, com o máximo de 100 horas em um ano.
Pressão e Temperatura de 
Projeto
Prof.: Kaio Dutra
o Chamam-se pressão de projeto e
temperatura de projeto os valores da
pressão e da temperatura considerados
para efeito de cálculo e projeto da
tubulação. Não devem ser confundidos
com a pressão e temperatura de
operação (ou de trabalho), que são as
condições nas quais de fato deverá
trabalhar a tubulação.
Pressão de Projeto
Prof.: Kaio Dutra
o Pressão de projeto: A norma ASME B 31 define
pressão de projeto como sendo a pressão interna
ou externa correspondente à condição mais
severa de pressão e temperatura simultâneas,
que possam ocorrer em serviço normal.
o Para cada condição diferente de trabalho, a
pressão de operação deverá ser tomada como o
maior dos dois seguintes valores:
o Pressão de abertura de qualquer válvula de
segurança ou de alívio que esteja ligada à linha.
o Pressão máxima de recalque de bombeamento
(vazão nula).
Temperatura de Projeto
Prof.: Kaio Dutra
o Temperatura de projeto: A norma ASME
B 31 define como temperatura de projeto
a temperatura de operação
correspondente à pressão de projeto. A
temperatura de projeto é a que deve ser
considerada para efeito de cálculo da
espessura de parede, cálculo das tensões
nos tubos resultantes de quaisquer
esforços e demais cálculos estruturais.
Condições Transitórias de 
Trabalho de Uma Tubulação
Prof.: Kaio Dutra
o No estabelecimento das condições de projeto devem
ser consideradas todas as situações, mesmo
transitórias ou eventuais, a que a tubulação possa
estar sujeita.
o Podemos citar, entre outras, as seguintes situações
transitórias desse tipo:
o Período transitório de partida de um sistema, até ser
atingida e estabilizada a condição normal de operação, e
também período de parada do sistema, inclusive paradas
de emergência, quando muitas vezes acontecem
flutuações maiores de temperatura e/ou de pressão.
o Falhas em sistemas de proteção ou de controle, bem
corno erros de operação (abertura ou fechamento
indevidos de urna válvula, por exemplo).
Condições Transitórias de 
Trabalho de Uma Tubulação
Prof.: Kaio Dutra
o Podemos citar, entre outras, as seguintes situações
transitórias desse tipo:
o A paralisação repentina da circulação de um líquido
causa urna sobrepressão (golpe de aríete).
o A parada brusca da circulação de um líquido pode
causar, também, um vácuo a jusante do ponto onde
se deu a parada.
o O resfriamento de gases contidos em uma tubulação
provoca uma queda de pressão que pode também
produzir um vácuo.
o A expansão de um líquido contido em uma
tubulação, por efeito do aumento de temperatura,
pode gerar pressões elevadíssimas dentro dos tubos,
caso o líquido esteja bloqueado e não existam
dispositivos de segurança para alívio de pressão.
Exercícios
Prof.: Kaio Dutra
1. Elenque e comente sobre as principais cagas que podem atuar sobre uma tubulação.
2. Existem formas de atuar ou evitar a atuação de cagas sobre tubulação, cite e comente sobre
algumas dessas medidas.
3. Quais são tensões normais que atual em um tubo, faça um desenho e posicione corretamente
no plano xyz.
4. Defina tensões primárias e secundárias e explique o que seria relaxamento espontâneo.
5. Relacione os principais fatores que influenciam no coeficiente de segurança de tubulações
industriais.
6. Defina pressão e temperatura de projeto.
7. Elenque situações nas operações que geram condições transitórias em tubulações industriais.