Otimização da estrutura do teto cônico de um tanque atmosférico

Abstract

O projeto do teto cônico de um tanque atmosférico depende da análise de duas condições de carregamento independentes. Para a condição 1 tem-se a carga de peso próprio mais a carga de equipamentos, passarela e outros. Para a condição 2 tem-se a carga de peso próprio mais a carga de vento. A carga de vento muda à medida que se muda o ângulo de inclinação do teto e, essa relação de carga/inclinação, é diferente para cada relação h/D (altura/diâmetro) do tanque. Portanto, a espessura do teto para uma dada inclinação deste é desconhecida e, consequentemente, o seu peso também. Surge então a necessidade de utilizar uma ferramenta para encontrar o melhor ângulo que minimize o peso do teto. O tanque em estudo é um tanque com altura do costado h de 12 m e diâmetro D de 12 m, sendo, portanto, um tanque com relação h/D = 1. Todas as etapas foram integralmente desenvolvidas dentro da plataforma do programa Ansys Workbench. Para a simulação da condição 2, como primeiro passo são obtidas as pressões exercidas pelo vento sobre o teto do tanque através do programa Ansys CFX; no passo seguinte, através da interação fluido-estrutura, essas pressões são utilizadas como condição de contorno pelo programa Ansys Mechanical. Para a simulação da condição 1 é utilizada uma pressão externa para baixo de 1 kPa mais a carga do peso próprio. Os resultados da simulação estrutural são os deslocamentos nos nós do teto e a tensão de von Mises para as duas condições de carga. O processo de otimização é realizado pela ferramenta Goal Driven Optimization do programa Ansys Workbench com o objetivo de minimizar o peso do teto. As variáveis de projeto são a espessura e o ângulo de inclinação do teto. Como restrições na estrutura do teto, os deslocamentos são limitados a 1 mm e as tensões são limitadas a 145 MPa para as duas condições de carregamento. Os resultados encontrados mostram que, para esse tanque, o ângulo de inclinação ótimo é 29,48º.

The design of the conical roof of an atmospheric tank depends on two independent loading conditions. For the first condition we have a roof dead load plus the load of equipments, walkway and others. For the second condition we have a roof dead load plus the wind load. The wind load on roof changes as the angle of slope of the roof changes and this relationship is different for each h/D (height/diameter) ratio of the tank. If the load is unknown, then the thickness of the roof is unknown too and hence its weight is unknown. Then comes the need to use a tool to find the best angle of slope that minimizes the weight of the roof. The study is carried out in a tank with cilindrical body height h of 12 m and diameter D of 12 m, therefore a tank with ratio h/D = 1. All steps were fully developed within the Ansys Workbench platform. As a first step pressures of the wind over the roof of the tank are obtained through the Ansys CFX. Through the fluid-structure interaction these pressures are used as boundary conditions by Ansys Mechanical for the simulation of the second condition. To simulate the first condition it is used a external downward pressure of 1 kPa plus the roof dead load. The structural simulation results are displacements in the roof nodes and von Mises stresses for the two conditions analyzed. The optimization process is performed by the tool Goal Driven Optimization of Ansys Workbench Program and the goal is to minimize the weight of the roof. The design variables are the thickness and the angle of slope of the roof. As constraint displacements obtained in the two load conditions are limited to 1 mm and stresses are limited to 145 MPa. For the studied tank, the optimum angle of inclination of the roof is 29,48º.