Fabricação de protótipo miniatura de Tunnel Boring Machine,
Machine, construção de bancada de escavação e cálculo de
cálcu...
Construção de um protótipo miniatura de uma máquina tuneladora
Tunnel Boring Machine (TBM)
O Projeto 2
Fabricação de uma bancada de escavação.
O Projeto 3
Escavação com TBM em simulação de modo EPB.
O Projeto 4
O Projeto
Aplicação dos cálculos de engenharia para determinar os esforços e
coeficientes de segurança aos quais a máquina...
Objetivos do projeto
• Objetivo físico:
• Projetar e fabricar um protótipo funcional de TBM.
• Objetivo quantitativo:
• Co...
Contextualização
• A engenharia da escavação, ao longo da história, vem se mostrando
como um dos mais versáteis e poderoso...
Contextualização
• Um dos aspectos marcantes da engenharia da escavação é a
necessidade de uma perfeita interação entre di...
Contextualização
• Dentre os principais métodos utilizados mundialmente em obras de
escavação, destaca-se a escavação com ...
Contextualização - TBM
• Escavar com TBM pode ser considerado o método mais eficiente existente até
hoje, pois consegue pr...
Contextualização - TBM
• A parte mais importante de um projeto de escavação com TBM é justamente a
escolha do tipo de máqu...
12
Contextualização – TBM EPB
TBM EPB (Earth Pressure Balance)
Utilizado para solos de baixa
granulometria como areia/argilas...
O Protótipo
• O TBM construído durante este projeto, foi inspirado pelo TBM utilizado na obra
da Linha 4 do Metrô do Rio d...
O Protótipo
• Após a escolha do tipo de TBM, partiu-se para definição do mecanismo e do
terreno de escavação, para isto, f...
O Protótipo
• Com o método de escavação já definido, partiu-se para a definição do método de
avanço do TBM e, novamente, d...
O Protótipo
• Com os principais mecanismos já definidos, partiu-se para a definição de
todas as outras partes do protótipo...
A bancada de escavação
• Após a definição de todas as peças e mecanismos do TBM, partiu-se para a
definição do modelo da b...
A bancada de escavação – Estrutura de reação
• Uma das peças mais importantes para uma
escavação com TBM é a Estrutura de
...
A bancada de escavação – Estrutura de reação
• Como o protótipo não possui instalação de anéis de túnel, houve-se a
necess...
O modelo final 21
A fabricação
• O protótipo foi fabricado em uma oficina industrial especializada em
manutenção dos discos de corte do TBM ...
A fabricação - Shield
• Tubo Alvenius 8” Galvanizado de
costura helicoidal.
• Remoção da faixa de encaixe e
limpeza do tub...
A fabricação – Bulk Head
• Cortado da chapa de aço 1020 de
6mm de espessura.
• Abertura dos furos do eixo e do
bocal de su...
A fabricação – Roda de corte
• Cortado da chapa de aço 1020 de
6mm de espessura.
• Foram traçados os sulcos da roda
para g...
A fabricação – Roda de corte
• Abertura de 24 furos guia.
• Foram traçados os sulcos da roda
para guiar o corte com maçari...
A fabricação – Roda de corte
• Limagem dos sulcos da Roda de
corte.
27
A fabricação – Roda de corte
• Criação das ferramentas de corte.
• 40 semiesferas de 10mm de
diâmetro.
• Simulam os discos...
A fabricação – Roda de corte
• Acabamento no torno.
• Abertura do furo do eixo.
29
A fabricação – Roda de corte
• Corte dos raspadores
• 58mmx12mmx3mm
• Instalação dos 8 raspadores.
30
A fabricação – Eixo da roda de corte
• Corte do eixo da roda de corte.
• 285mm de comprimento
• 12mm de diâmetro
31
A fabricação – Chapa do Back-up
• Corte da chapa 395mm x 170mm x 6mm.
• Abertura dos furos dos motores e parafusos e corte...
A fabricação – Boogies
• Corte das duas “vigas” laterais dos Boogies (200m x 36mm x 10mm).
• Abertura do furos do eixo dos...
A fabricação – Acoplamentos dos motores
• Corte de duas peças de 50mm de comprimento em um tarugo de 19mm de
diâmetro.
• A...
A fabricação – Caixa de controle
• Necessidade de controle das velocidades dos
motores.
• Retificação da corrente elétrica...
A fabricação – Ligação elétrica 36
Montagem do TBM – Shield e Bulk Head
• Soldagem do Bulk Head no Shield
• Afastamento de 15mm por semelhança ao
TBM da Linh...
Montagem do TBM – Roda de corte e seu eixo
• Inserção do eixo no furo da roda de corte.
• Soldagem circular pelas partes t...
Montagem do TBM – Shield completo
• Junção dos conjuntos “Shield + Bulk Head” e
“Roda de corte + Eixo da roda”.
• Nesse pa...
Montagem do TBM – Chapa do Back-up
• Soldagem da chapa ao Shield.
• Altura compatível com a concentricidade dos
eixos dos ...
Montagem do TBM – Boogies
• Encaixe do eixo nas vigas e dos rolamentos
no eixo.
• Soldagem das vigas na chapa do Back-up.
...
Montagem do TBM – Detalhes finais
• Furação dos acoplamentos para passagem dos
pinos.
• Instalação dos motores e acoplamen...
Bancada de escavação – Chapas de aço
• Corte das chapas do tanque e da chapa
bancada.
43
Bancada de escavação – Parede direita
• Soldagem das alças (Anel de segurança).
• Abertura do furo para a entrada do TBM.
...
Bancada de escavação – Montagem do tanque
• Soldagem das 3 paredes na chapa base.
• Corte da chapa de acrílico.
• Soldagem...
Bancada de escavação – Chapa bancada
• Corte e soldagem da chapa bancada ao tanque.
46
Bancada de escavação – Estrutura de reação
• Corte da chapa central da estrutura de reação.
• Furação para passagem do par...
Bancada de escavação – Estrutura de reação
• Corte das chapas triangulares.
• Soldagem das 3 chapas da estrutura de reação...
Bancada de escavação – Estrutura de reação
• Soldagem da estrutura de reação à chapa bancada.
49
Bancada de escavação – Instalação do TBM
• Instalação do TBM.
• FABRICAÇÃO CONCLUÍDA.
50
Cálculos do projeto – Fontes e objetivos
• Cálculos:
• Específicos – Estudo sobre TBM (Robert Godinez – Colorado School of...
Cálculos do projeto – Percentual de vazios (η)
• η é o percentual de vazios na roda de corte.
• η = 0,3877
52
Cálculos do projeto – Coeficiente de atrito
• μ é o coeficiente de atrito entre a areia e o aço.
• μ é constante em todo o...
Cálculos do projeto – Pressão efetiva de
escavação ( s’)
• A pressão efetiva de escavação refere-se ao somatório das press...
Cálculos do projeto – Cálculo de s’
• s’ = EPp + Pat
• Pressão passiva do solo (EPp) é toda pressão gerada pelo solo aplic...
Cálculos do projeto – Cálculo de s’
• Kp = tan2 45 +
φ
2
• φ é o ângulo de atrito interno do solo e vale
29,5° (retirado d...
Cálculos do projeto – Cálculo de s’
• Pat = 𝐹 𝑎𝑡
Á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑟𝑜𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒
• 𝐹𝑎𝑡 = 𝜇 . 𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 + 𝜇 . (𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 + 𝑃𝑠ℎ𝑖𝑒𝑙𝑑)...
Cálculos do projeto – Torques da literatura 58
Cálculos do projeto – Torques do projeto
• Já que μ é universal no projeto, temos que T1 é igual a T3.
• T5 foi desprezado...
Cálculos do projeto – T1, T2CW e T2Eixo
T1 = 11,364 N. m T2Eixo = 0,04 N. m
T2CW = 3,34 N. m
60
Cálculos do projeto – T6
T6 = 1,334 N. m
61
Cálculos do projeto – TEPB
• T1 = 11,364 N.m
• T2CW = 3,34 N.m
• T2Eixo = 0,04 N.m
• T6 = 1,334 N.m
TEPB = 2.T1 + T2CW + T...
Cálculos do projeto – Torque máximo do motor 1
• Rotação de trabalho = 20 rpm = 2,1 rad/s
• Potência máxima do motor = 100...
Cálculos do projeto – CS de operação do motor 1
𝐶𝑆 𝑚1 =
𝑇 𝑚𝑎𝑥1
𝑇𝐸𝑃𝐵
𝐶𝑆 𝑚1 = 1,74
64
Cálculos do projeto – Forças da terra e de avanço
• Força da areia (Fareia) = Pressão da terra (EPp) x Área frontal do TBM...
Cálculos do projeto – Tensões no eixo da CW
Tensão normal de compressão Tensão cisalhante de torção
66
Cálculos do projeto – CSs do eixo da CW
• Tensão normal de escoamento do aço SAE 1020 = σesc = 210 MPa
• Tensão cisalhante...
Cálculos do projeto – Flambagem do eixo da CW 68
Cálculos do projeto – Flambagem do eixo da CW 69
Cálculos do projeto – Torque máximo do motor 2
• Rotação de trabalho = 15 rpm = 1,57 rad/s
• Potência máxima do motor = 10...
Cálculos do projeto – Forças no parafuso-sem-fim
• Ângulo de rosca = θ = 4,89°
71
Cálculos do projeto – CS de operação do motor 2 72
Cálculos do projeto – Tensões no parafuso-sem-fim
Tensão normal de compressão Tensão cisalhante de torção
73
Cálculos do projeto – CSs do eixo da CW
• Tensão normal de escoamento do aço SAE 1020 = σesc = 210 MPa
• Tensão cisalhante...
Conclusões qualitativas
• Resultados bastante satisfatórios.
• Interação fluida entre os conceitos de Geotecnia e Engenhar...
Conclusões quantitativas
• Mecanismo de avanço altamente superdimensionado (Menor CS=30).
• Eixo da CW totalmente salvo de...
Limitações observadas
• Capacidade do aspirador.
• Diâmetro interno da válvula esfera do mecanismo de retirada de material...
OBRIGADO PELA PRESÊNÇA
DE TODOS!
Vamos à demonstração da escavação!
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  Fabricação de protótipo miniatura de Tunnel Boring Machine, construção de bancada de escavação e análise de esforços e fatores de segurança.

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Este trabalho apresenta a fabricação de um protótipo miniatura de uma máquina tuneladora Tunnel Boring Machine (TBM), que é posta a escavar em um tanque de areia, também construído durante projeto, bem como os cálculos dos principais esforços presentes ao longo da escavação e dos fatores de segurança aos quais a máquina estará submetida. O projeto tem como objetivo reproduzir em menor escala alguns dos cálculos crucias para o dimensionamento e para a regulação diária dos parâmetros de escavação em um TBM real. Um dos principais desafios do projeto é a interação dos cálculos de engenharia mecânica com os de geotecnia, por isso, buscou-se trabalhar com aços e areia cujas principais características já eram conhecidas. A obtenção do torque requerido pela roda de corte e a obtenção da força total de avanço são os principais cálculos apresentados no projeto, os mesmos acarretam respectivamente no dimensionamento dos motores de escavação e de avanço, que compõem o mecanismo cardeal de funcionamento de uma máquina tuneladora.

Palavras-chave: Shield. EPB. TBM. Tunnel Boring Machine. Fabricação. Escavação. Esforços mecânicos. Dimensionamento. Engenharia Mecânica e Geotecnia

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  • Boa tarde, vamos dar início à apresentação do meu proj. de fim de curso que é:
    LER NOME DO PROJETO


  • O projeto se divide em 4 partes.
    A primeira é a construção de um protótipo miniatura de um TBM, que a máquina tuneladora carinhosamente apelidada de Tatuzão.
  • A segunda parte é a fabricação de uma bancada de escavação, aonde o TBM é posto a escavar.
  • A terceira fase compreende a escavação propriamente dita, que envolve a regulação de alguns parâmetros para simular uma situação real.
  • A quarta e ultima fase, envolve a aplicação de cálculos de engenharia para verificar as condições de segurança do projeto, ou seja, determinar os esforços atuantes na máquina durante a escavação.
  • Bom, porque eu escolhi esse tema?
    Primeiro porque eu trabalhei com isso por 3 anos
    Segundo porque é um tema muito novo que trás muita curiosidade e impressiona
    Terceiro pelo desafio que o mesmo apresenta
    Quais são os objetivos e motivações do projeto?
    LER OS 4 OBJETIVOS
  • Bom, antes de eu começar a falar sobre o projeto, eu resolvi dar uma breve explicação sobre o tema...
    A eng. de escavação é uma das áreas mais ricas em técnicas.
    Inúmeras aplicações que trazem grandes benefícios, como: Metrô e sistemas de esgoto.
  • Uma das características que fazem da engenharia da escavação um ramo tão especial é a necessidade de uma perfeita interação entre especialistas das mais distintas áreas.
    LER ALGUMAS
  • Método mais eficiente
    Alta qualidade
    Alta velocidade
    Alta aplicabilidade (praticamente 100%)
    A escavação com máquinas com escudo é uma técnica que vem sido desenvolvida desde 1825.

    PROXIMO: escolha dos tipos de TBM
  • É a escolha mais importante, se errar inviabiliza.
    Existem vários tipos e tamanhos.
    FALAR TAMANHOS E LER ALGUNS TIPOS

    PROXIMO: Video
  • PROXIMO: Tipos de TBM EPB
  • EXPLICAR A SIGLA
    Explicar como a pressão é balanceada
    Falar que esse é o do projeto

    PROXIMO: Miniaturas
  • Agora entramos no projeto propriamente dito.
    O protótipo foi inspirado no TBM CL4S
    Restrições – mecanismos diferentes.
    EPB com CW híbrida.
  • Vou mostrar um pouco do processo de escolha do modelo do protótipo.
    A começar pelo mecanismo de escavação e pelo material a ser escavado.
    Explicar o que é Bentonita.
  • Mecanismo de avanço

    PROXIMO: Definição das partes do protótipo
  • Bulk head (Câmara de escavação)
    Eixo da roda de corte
    2 Motores
    Boogies (explicar)

    PROXIMO: Modelo da bancada
  • Tanque de aço e acrílico
    Chapa bancada

    PROXIMO: estrutura de reação
  • Explicar o que é

    PROXIMO: A estrutura de reação do projeto
  • O projeto tem que ter estrutura de reação pq não tem anéis.
    Explicar como funciona a estrutura do projeto.

    PROXIMO: Desenho do modelo final
  • Com tudo definido esse foi o modelo final escolhido.

    PROXIMO: A fabricação
  • O protótipo foi fabricado em uma oficina especializada em manutenção de discos de corte de TBM.
    Os materiais foram fornecidos pela CL4S e alguns vieram do TBM.
    FALAR QUE ESSAS TABELAS SÃO AS LISTAS DE TUDO QUE FOI UTILIZADO

    PROXIMO: Fabricação do Shield
  • Primeiro, fabricação do Shield
    Tubo alvenius blablabla
    Corte da faixa de encaixe e limpeza

    PROXIMO: Bulk-head
  • LER

    PROXIMO: CW


  • Corte, Traçado

  • Sulcos

  • LER
  • Esferas de solda
  • Como foi cortado no maçarico, não ficou circular.
    Circulo
    Furo do eixo
  • LER
    Finalizou a CW

    PROXIMO: Eixo da CW
  • LER

    PROXIMO: Chapa do Back-up
  • Explicar a geometria dela

    PROXIMO: Boogies
  • Explicar

    PROXIMO: Acoplamentos
  • Corte do tarugo, furação no torno
    Explicar o porque dos diâmetros

    PROXIMO: Caixa de comando
  • Essa parte é muito interessante.
    É a responsável pela simulação da realidade.
    Explicar o porque.

    PROXIMO: Circuito elétrico
  • EXPLICAR
    São 2 circuitos separados

    PROXIMO: Início da montagem (Shield + Bulk head)
  • Agora vamos entrar na parte da montagem do TBM
    A começar pela junção do Shield com o bulk head pra criar a câmara de escavação
    Tem o tamanho por semelhança

    PROXIMO: CW e eixo
  • Soldagem do eixo na CW

    PROXIMO: Shield completo
  • Finalização do Shield
    Encaixe sem solda

    PROXIMO: Chapa do back-up
  • Soldagem
    Altura compatível com a concentricidade dos eixos

    PROXIMO: Boogies
  • Montagem e instalação dos boogies
    Explicar

    PROXIMO:
  • Com a parte principal do TBM já montada, partimos para os detalhes finais
    Falar de cada um
    Acabou a fabricação do TBM

    PROXIMO: Fabricação e montagem da bancada
  • LER

    PROXIMO: Parede direita
  • LER

    PROXIMO: Montagem do tanque
  • LER

    PROXIMO: Chapa bancada
  • LER

    PROXIMO: estrutura de reação
  • LER

  • LER
  • LER

    PROXIMO: instalação do TBM
  • LER

    PROXIMO: Fase de cálculos
  • Agora entramos na parte referente aos cálculos de engenharia
    3 tipos de cálculos – falar de cada um e das fontes
    Falar dos objetivos dos cálculos

    PROXIMO: NI
  • Antes de entrarmos nos cálculos dos torque...3 grandezas que serão usadas em todas as fórmulas desses torques.
    Ni – Explicar

    PROXIMO: Mi
  • Explicar o Mi

    PROXIMO: S’
  • Soma das pressões durante a escavação.
    Não tem lençol
    Falar da equação mas não explicar.

    PROXIMO: EPp
  • Explicar EPp (Vem da literatura básica de geotecnia)
    Peso específico – Felipe bogossian
    H é média

    PROXIMO: Kp e Phi
  • Pra achar o Kp, temos que saber o Phi
    Explicar o Phi
    Calcular Kp e EPp.

    PROXIMO: Pressão de atrito
  • Explicar equação da pressão e da força
    Calcular S’

    PROXIMO: Torques da literatura
  • Com as 3 grandezas...Torques
    O estudo define 8...só 5
    Explicar cada um

    PROXIMO: Torques do projeto
  • LER

    PROXIMO: T1 e T2s
  • Explicar D, d, t e lcam

    PROXIMO: T6
  • Explicar

    PROXIMO:
  • Explicar

    PROXIMO: Torque do motor 1
  • Explicar que a velocidade foi fixada
    Explicar a conta

    PROXIMO: CSm1
  • Explicar

    PROXIMO: Força da areia e de avanço
  • Explicar o balanço
    Favanço > Fareia + Fat

    PROXIMO: Tensões no eixo da CW
  • Explicar tensões no eixo
    ***Falar do erro da Fareia

    PROXIMO: CSs das tensões do eixo da CW
  • Falar dos limites de escoamento e da relação 0,577


    PROXIMO: Flambagem
  • Explicar que a formula veio do Shigley
    Falar do modulo de elasticidade E e do momento de inercia I
  • Explicar o CS

    PROXIMO: Torque máximo do motor 2
  • Explicar igual ao primeiro

    PROXIMO: Forças no sem fim
  • Explicar que o teta foi medido com geometria
    Explicar a composição das forças
    Explicar o torque.

    PROXIMO: CS do motor 2
  • EXPLICAR

    PROXIMO: Tensões no sem fim
  • Explicar

    PROXIMO: CS das tensões do m2
  • Explicar

    PROXIMO: CONCLUSÕES
  • LER

    PROXIMO: Conclusões Quantitativas
  • LER
    **Falar da questão do 110V e 220V que comprovou os cálculos

    PROXIMO: Limitações do projeto
  • Explicar

    CABÔ
  •   Fabricação de protótipo miniatura de Tunnel Boring Machine, construção de bancada de escavação e análise de esforços e fatores de segurança.

    1. 1. Fabricação de protótipo miniatura de Tunnel Boring Machine, Machine, construção de bancada de escavação e cálculo de cálculo de esforços e fatores de segurança. Autor: Cesar Affonso de Pinho Pinheiro Orientador: Prof. Dr. José Geraldo Telles Ribeiro Data da defesa: 01/12/2016 PROJETO DE GRADUAÇÃO – Engenharia Mecânica
    2. 2. Construção de um protótipo miniatura de uma máquina tuneladora Tunnel Boring Machine (TBM) O Projeto 2
    3. 3. Fabricação de uma bancada de escavação. O Projeto 3
    4. 4. Escavação com TBM em simulação de modo EPB. O Projeto 4
    5. 5. O Projeto Aplicação dos cálculos de engenharia para determinar os esforços e coeficientes de segurança aos quais a máquina está submetida durante a escavação. http://www.facesupport.org/image/image_gallery?uuid=8b6c03c8-ec3b-4297-b21b- 1bf1ec7025d8&groupId=40416&t=1259932303396 5
    6. 6. Objetivos do projeto • Objetivo físico: • Projetar e fabricar um protótipo funcional de TBM. • Objetivo quantitativo: • Conseguir a interação entre cálculos mecânicos e geotécnicos • Objetivo qualitativo: • Regular as velocidades de escavação e avanço para simular escavação real. • Objetivo intangível: • Inserir o tema à universidade para incentivar a pesquisa e o trabalho na área. 6
    7. 7. Contextualização • A engenharia da escavação, ao longo da história, vem se mostrando como um dos mais versáteis e poderosos ramos da engenharia pesada. Suas técnicas são utilizadas em uma enorme gama de aplicações, que vão de pequenos túneis rodoviários a longas linhas de metrô e extensas tubulações adutoras, tais obras trazem grandes benefícios à população, aliviando o inchaço da malha de transporte e possibilitando um maior controle dos sistemas de esgoto em cidades grandes, por exemplo. 7
    8. 8. Contextualização • Um dos aspectos marcantes da engenharia da escavação é a necessidade de uma perfeita interação entre distintas áreas tecnológicas, pois devido à alta complexidade desses projetos, torna- se indispensável, em muitas das vezes, a presença de profissionais como: • Engenheiros mecânicos • Engenheiros civis • Engenheiros eletricistas • Engenheiros de detonação • Geólogos • Especialistas em logística • Especialistas em instrumentação e controle • Especialistas em equipamentos próprios de escavação (TBMs, Jumbos, etc.) 8
    9. 9. Contextualização • Dentre os principais métodos utilizados mundialmente em obras de escavação, destaca-se a escavação com Tunnel Boring Machines (TBM). http://www.metrolinha4.com.br/wp-content/uploads/2013/01/tatuz%C3%A3o_inteiro.jpg TBM 9
    10. 10. Contextualização - TBM • Escavar com TBM pode ser considerado o método mais eficiente existente até hoje, pois consegue produzir túneis de altíssima qualidade em velocidades que ultrapassam em muito os outros métodos, sem falar na alta aplicabilidade do método, que se adapta a praticamente qualquer condição de escavação. • TBMs baseiam-se em uma técnica desenvolvida em 1825 por Marc Brunel em Londres, que utiliza um escudo para proteger os trabalhadores e máquinas do material ao redor da escavação, enquanto os mesmos trabalham no mecanismo de sustentação do túnel. • Contudo, para escavações em rocha sã, não há a necessidade de uso de escudo de escavação. https://en.wikipedia.org/wiki/Thames_Tunnel 10
    11. 11. Contextualização - TBM • A parte mais importante de um projeto de escavação com TBM é justamente a escolha do tipo de máquina a se utilizar, tendo em vista que uma máquina mal escolhida ou má dimensionada pode dificultar em muito a escavação e até inviabilizá-la. • Existem diversos tipos e tamanhos de TBMs, suas diferenças se devem basicamente ao tipo de terreno escavado e à aplicação da escavação (que define seu tamanho). • Com relação aos diferentes tamanhos, os TBMs podem ter de 0,4m a 17,4m de diâmetro e comprimentos que podem ultrapassar 130m. • Com relação aos tipos, destacam-se os TBMs EPB, Slurry, Single Shield, Double Shield, Gripper, Partial Face, AVN Pipejack e os VSMs. 11
    12. 12. 12
    13. 13. Contextualização – TBM EPB TBM EPB (Earth Pressure Balance) Utilizado para solos de baixa granulometria como areia/argilas. A sigla EPB significa “Earth Pressure Balance”, ou “Balanço de Pressão de Solo”, pois nesse modo de escavação, utiliza-se o próprio material escavado, aprisionado na câmara de escavação, para balancear a pressão da frente de escavação. https://www.herrenknecht.com/en/products/core-products/tunnelling/epb-shield.html 13
    14. 14. O Protótipo • O TBM construído durante este projeto, foi inspirado pelo TBM utilizado na obra da Linha 4 do Metrô do Rio de Janeiro, procurou-se manter o máximo de semelhança possível, porém, por restrições operacionais (tamanho, peso, complexidade e disponibilidade de materiais), usou-se mecanismos diferentes para compor as principais partes do protótipo. • Dentre as características herdadas do TBM da Linha 4 Sul, a principal delas é o tipo de TBM escolhido: Um TBM EPB com roda de corte de corte híbrida. 14
    15. 15. O Protótipo • Após a escolha do tipo de TBM, partiu-se para definição do mecanismo e do terreno de escavação, para isto, foram cogitados duas opções: • 1) Escavação em Bentonita com retirada por parafuso-sem-fim. • 2) Escavação em areia com retirada por sucção. 15
    16. 16. O Protótipo • Com o método de escavação já definido, partiu-se para a definição do método de avanço do TBM e, novamente, duas opções foram cogitadas: • 1) Avanço por conjunto “engrenagem + cremalheira”. • 2) Avanço por conjunto “parafuso-sem-fim (barra rosqueada) + porca. 16
    17. 17. O Protótipo • Com os principais mecanismos já definidos, partiu-se para a definição de todas as outras partes do protótipo. • Câmara de escavação (Bulk Head) • Eixo da roda de corte • 2 Motores iguais • Boogies 17
    18. 18. A bancada de escavação • Após a definição de todas as peças e mecanismos do TBM, partiu-se para a definição do modelo da bancada de escavação. • Tanque cúbico • Chapa de acrílico • Chapa bancada • Estrutura de reação 18
    19. 19. A bancada de escavação – Estrutura de reação • Uma das peças mais importantes para uma escavação com TBM é a Estrutura de Reação. A estrutura de reação é uma estrutura reforçada que possui dimensões da ordem do diâmetro do TBM e serve de ponto de partida para os primeiros avanços da máquina, quando ainda não existe um número de aduelas (anéis) instaladas no túnel para garantir resistência suficiente para o avanço. https://fbcdn-sphotos-g-a.akamaihd.net/hphotos-ak-ash3/914056_213166025522436_484506443_o.jpg 19
    20. 20. A bancada de escavação – Estrutura de reação • Como o protótipo não possui instalação de anéis de túnel, houve-se a necessidade de implantar uma estrutura de reação permanente, que seria acoplada ao mecanismo de avanço da máquina. • A estrutura conta com uma porca hexagonal para que o parafuso-sem-fim possa gerar o avanço da máquina durante sua rotação. 20
    21. 21. O modelo final 21
    22. 22. A fabricação • O protótipo foi fabricado em uma oficina industrial especializada em manutenção dos discos de corte do TBM da Linha 4 Sul. • Grande parte dos materiais utilizados neste projeto foram fornecidos pela Linha 4 Sul, sendo alguns deles provenientes do próprio TBM S-769 (Utilizado na obra). 22
    23. 23. A fabricação - Shield • Tubo Alvenius 8” Galvanizado de costura helicoidal. • Remoção da faixa de encaixe e limpeza do tubo. 23
    24. 24. A fabricação – Bulk Head • Cortado da chapa de aço 1020 de 6mm de espessura. • Abertura dos furos do eixo e do bocal de sucção. 24
    25. 25. A fabricação – Roda de corte • Cortado da chapa de aço 1020 de 6mm de espessura. • Foram traçados os sulcos da roda para guiar o corte com maçarico. • 200mm de diâmetro. 25
    26. 26. A fabricação – Roda de corte • Abertura de 24 furos guia. • Foram traçados os sulcos da roda para guiar o corte com maçarico. • Corte dos sulcos da roda. 26
    27. 27. A fabricação – Roda de corte • Limagem dos sulcos da Roda de corte. 27
    28. 28. A fabricação – Roda de corte • Criação das ferramentas de corte. • 40 semiesferas de 10mm de diâmetro. • Simulam os discos de corte e os Rippers. • Possuem somente função estética. 28
    29. 29. A fabricação – Roda de corte • Acabamento no torno. • Abertura do furo do eixo. 29
    30. 30. A fabricação – Roda de corte • Corte dos raspadores • 58mmx12mmx3mm • Instalação dos 8 raspadores. 30
    31. 31. A fabricação – Eixo da roda de corte • Corte do eixo da roda de corte. • 285mm de comprimento • 12mm de diâmetro 31
    32. 32. A fabricação – Chapa do Back-up • Corte da chapa 395mm x 170mm x 6mm. • Abertura dos furos dos motores e parafusos e cortes laterais. 32
    33. 33. A fabricação – Boogies • Corte das duas “vigas” laterais dos Boogies (200m x 36mm x 10mm). • Abertura do furos do eixo dos Boogies. • Corte do eixo dos Boogies (12mm de diâmetro x 220mm de comprimento). 33
    34. 34. A fabricação – Acoplamentos dos motores • Corte de duas peças de 50mm de comprimento em um tarugo de 19mm de diâmetro. • Abertura dos furos dos eixos no torno mecânico 34
    35. 35. A fabricação – Caixa de controle • Necessidade de controle das velocidades dos motores. • Retificação da corrente elétrica (Motores AOMPI40). • Caixa metálica + chapa de acrílico + 2 Dimmers + Ponte retificadora 35
    36. 36. A fabricação – Ligação elétrica 36
    37. 37. Montagem do TBM – Shield e Bulk Head • Soldagem do Bulk Head no Shield • Afastamento de 15mm por semelhança ao TBM da Linha 4 Sul. 37
    38. 38. Montagem do TBM – Roda de corte e seu eixo • Inserção do eixo no furo da roda de corte. • Soldagem circular pelas partes traseira e dianteira da roda. 38
    39. 39. Montagem do TBM – Shield completo • Junção dos conjuntos “Shield + Bulk Head” e “Roda de corte + Eixo da roda”. • Nesse passo, não se aplicou nenhum processo de fixação de peças pois o eixo deve estar livre para girar. 39
    40. 40. Montagem do TBM – Chapa do Back-up • Soldagem da chapa ao Shield. • Altura compatível com a concentricidade dos eixos dos motores, da roda e do parafuso- sem-fim. 40
    41. 41. Montagem do TBM – Boogies • Encaixe do eixo nas vigas e dos rolamentos no eixo. • Soldagem das vigas na chapa do Back-up. 41
    42. 42. Montagem do TBM – Detalhes finais • Furação dos acoplamentos para passagem dos pinos. • Instalação dos motores e acoplamento do eixo e do parafuso-sem-fim. • Posicionamento da caixa de controle. • Instalação da válvula e das mangueiras do mecanismo de sucção. • Acoplamento do aspirador de pó. • FIM DA MONTAGEM DO TBM. 42
    43. 43. Bancada de escavação – Chapas de aço • Corte das chapas do tanque e da chapa bancada. 43
    44. 44. Bancada de escavação – Parede direita • Soldagem das alças (Anel de segurança). • Abertura do furo para a entrada do TBM. 44
    45. 45. Bancada de escavação – Montagem do tanque • Soldagem das 3 paredes na chapa base. • Corte da chapa de acrílico. • Soldagem das cantoneiras e posicionamento da chapa de acrílico. 45
    46. 46. Bancada de escavação – Chapa bancada • Corte e soldagem da chapa bancada ao tanque. 46
    47. 47. Bancada de escavação – Estrutura de reação • Corte da chapa central da estrutura de reação. • Furação para passagem do parafuso-sem-fim. • Soldagem da porca do mecanismo de avanço. 47
    48. 48. Bancada de escavação – Estrutura de reação • Corte das chapas triangulares. • Soldagem das 3 chapas da estrutura de reação. 48
    49. 49. Bancada de escavação – Estrutura de reação • Soldagem da estrutura de reação à chapa bancada. 49
    50. 50. Bancada de escavação – Instalação do TBM • Instalação do TBM. • FABRICAÇÃO CONCLUÍDA. 50
    51. 51. Cálculos do projeto – Fontes e objetivos • Cálculos: • Específicos – Estudo sobre TBM (Robert Godinez – Colorado School of Mines). • Geológicos – Estudo sobre a areia de Ipanema (Felipe Bogossian – UFRJ). • Mecânicos – Livro “Projeto de Engenharia Mecânica” de Joseph E. Shigley. • Objetivos: • Torques da roda de corte. • Forças de avanço e atrito. • Tensões atuantes no projeto. • Coeficientes de segurança. 51
    52. 52. Cálculos do projeto – Percentual de vazios (η) • η é o percentual de vazios na roda de corte. • η = 0,3877 52
    53. 53. Cálculos do projeto – Coeficiente de atrito • μ é o coeficiente de atrito entre a areia e o aço. • μ é constante em todo o projeto e vale 0.3. 53
    54. 54. Cálculos do projeto – Pressão efetiva de escavação ( s’) • A pressão efetiva de escavação refere-se ao somatório das pressões de solo que atuam no TBM durante a escavação. • Em uma situação real, é levada em consideração a pressão exercida pelo lençol freático, porém não há que se falar nesta neste projeto. • Neste projeto, a pressão efetiva de escavação ( s’) é resultado da soma da pressão passiva do solo (EPp), com a pressão de arraste (Pat) gerada pelo avanço da máquina no solo. • s’ = EPp + Pat 54
    55. 55. Cálculos do projeto – Cálculo de s’ • s’ = EPp + Pat • Pressão passiva do solo (EPp) é toda pressão gerada pelo solo aplicada a uma superfície que se move em direção a ele. • EPp = γAreia . H . Kp • γAreia = 26.084,79 N/m³ • H = 0,3 m • Kp = Coeficiente de empuxo passivo do solo http://www.ufjf.br/nugeo/files/2009/11/ms2_unid06.pdf 55
    56. 56. Cálculos do projeto – Cálculo de s’ • Kp = tan2 45 + φ 2 • φ é o ângulo de atrito interno do solo e vale 29,5° (retirado do estudo de referência). • Kp = 2,94 • EPp = 23.006,78 Pa http://www.rc.unesp.br/igce/aplicada/ead/imagens/interacao/anglimite.gif 56
    57. 57. Cálculos do projeto – Cálculo de s’ • Pat = 𝐹 𝑎𝑡 Á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑟𝑜𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 • 𝐹𝑎𝑡 = 𝜇 . 𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 + 𝜇 . (𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 + 𝑃𝑠ℎ𝑖𝑒𝑙𝑑) • 𝑃𝑠ℎ𝑖𝑒𝑙𝑑 = 60 N • 𝑃𝑎𝑟𝑒𝑖𝑎 = 312 N • 𝐹𝑎𝑡 = 205.2 N • Pat = 6.532 Pa • s’ = 29.538,5 Pa 57
    58. 58. Cálculos do projeto – Torques da literatura 58
    59. 59. Cálculos do projeto – Torques do projeto • Já que μ é universal no projeto, temos que T1 é igual a T3. • T5 foi desprezado por oferecer um valor muito pequeno. • T2 foi dividido em T2cw e T2eixo. • T6 é o torque resultante do arraste dos 8 raspadores. • Portanto, temos: TEPB = 2.T1 + T2CW + T2Eixo + T6 59
    60. 60. Cálculos do projeto – T1, T2CW e T2Eixo T1 = 11,364 N. m T2Eixo = 0,04 N. m T2CW = 3,34 N. m 60
    61. 61. Cálculos do projeto – T6 T6 = 1,334 N. m 61
    62. 62. Cálculos do projeto – TEPB • T1 = 11,364 N.m • T2CW = 3,34 N.m • T2Eixo = 0,04 N.m • T6 = 1,334 N.m TEPB = 2.T1 + T2CW + T2Eixo + T6 = 27,443 N.m 62
    63. 63. Cálculos do projeto – Torque máximo do motor 1 • Rotação de trabalho = 20 rpm = 2,1 rad/s • Potência máxima do motor = 100 W • Potência = Torque x Velocidade angular • Torque máximo do motor 1 = Tmax1 = 47,755 N.m 63
    64. 64. Cálculos do projeto – CS de operação do motor 1 𝐶𝑆 𝑚1 = 𝑇 𝑚𝑎𝑥1 𝑇𝐸𝑃𝐵 𝐶𝑆 𝑚1 = 1,74 64
    65. 65. Cálculos do projeto – Forças da terra e de avanço • Força da areia (Fareia) = Pressão da terra (EPp) x Área frontal do TBM • Fareia = 722,78 N • Força de avanço (Favanço) = Fareia + Fat • Favanço = 928 N 65
    66. 66. Cálculos do projeto – Tensões no eixo da CW Tensão normal de compressão Tensão cisalhante de torção 66
    67. 67. Cálculos do projeto – CSs do eixo da CW • Tensão normal de escoamento do aço SAE 1020 = σesc = 210 MPa • Tensão cisalhante de escoamento do aço SAE 1020 = σesc . 0,577 = 121,17 MPa 67
    68. 68. Cálculos do projeto – Flambagem do eixo da CW 68
    69. 69. Cálculos do projeto – Flambagem do eixo da CW 69
    70. 70. Cálculos do projeto – Torque máximo do motor 2 • Rotação de trabalho = 15 rpm = 1,57 rad/s • Potência máxima do motor = 100 W • Potência = Torque x Velocidade angular • Torque máximo do motor 2 = Tmax2 = 63,66 N.m 70
    71. 71. Cálculos do projeto – Forças no parafuso-sem-fim • Ângulo de rosca = θ = 4,89° 71
    72. 72. Cálculos do projeto – CS de operação do motor 2 72
    73. 73. Cálculos do projeto – Tensões no parafuso-sem-fim Tensão normal de compressão Tensão cisalhante de torção 73
    74. 74. Cálculos do projeto – CSs do eixo da CW • Tensão normal de escoamento do aço SAE 1020 = σesc = 210 MPa • Tensão cisalhante de escoamento do aço SAE 1020 = σesc . 0,577 = 121,17 MPa 74
    75. 75. Conclusões qualitativas • Resultados bastante satisfatórios. • Interação fluida entre os conceitos de Geotecnia e Engenharia Mecânica. • Conclusão do desafio da complicada fabricação. • Todos os mecanismos escolhidos trabalharam perfeitamente durante a escavação. • Encontro do ponto ótimo de escavação. 75
    76. 76. Conclusões quantitativas • Mecanismo de avanço altamente superdimensionado (Menor CS=30). • Eixo da CW totalmente salvo de tensões de compressão e flambagem. • CS de operação do motor 1, seguro porém baixo (1,74). • CS de torção do eixo da CW, seguro porém baixo (1,5). 76
    77. 77. Limitações observadas • Capacidade do aspirador. • Diâmetro interno da válvula esfera do mecanismo de retirada de material. 77
    78. 78. OBRIGADO PELA PRESÊNÇA DE TODOS! Vamos à demonstração da escavação!

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