METODOLOGIA DE PROJETOS DE PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS EM MODELOS 3D

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS VII SIMPÓSIO SOBRE PEQUENAS E MÉDIAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS SÃO PAULO SP, 11 A 13 DE MAIO DE 2010 METODOLOGIA DE PROJETOS DE PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS EM MODELOS 3D ARNALDO ALVES Chefe da Produção Civil Superintendência de Pequenas Centrais HIdrelétricas Intertechne Consultores S.A. RESUMO Quando os primeiros programas de CAD (Computer Aided Design ou projeto auxiliado por computador em português) foram introduzidos nos escritórios de engenharia, houve quem achasse que as pranchetas nunca seriam substituídas por completo. Hoje elas são tão obsoletas quanto às réguas de cálculo. Agora, a tendência mundial em termos de ferramenta de projetos aponta para a construção de modelos tridimensionais inteligentes. O presente artigo mostra um exemplo da aplicação de modelagem 3D em um projeto de uma pequena central hidrelétrica e discute as vantagens e o que ainda pode ser melhorado na aplicação desta nova ferramenta. ABSTRACT When the first CAD (Computer Aided Design) software were introduced at the engineering firms many years ago, there were those who believed that drawing boards would never be totally replaced. Nowadays they are as obsolete as old calculation rules. Now, the world trend in design appoints to intelligent tridimensional models. This article shows an application of 3D models in the design of a Small Hydro and discusses the advantages and aspects that still must be enhanced in the addoption of this new tool. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 1

2 1. INTRODUÇÃO Quando os primeiros programas de CAD (Computer Aided Design ou projeto auxiliado por computador em português) foram introduzidos nos escritórios de engenharia, houve quem achasse que as pranchetas nunca seriam substituídas por completo. Hoje elas são tão obsoletas quanto as réguas de cálculo. Agora, a tendência mundial em termos de ferramenta de projetos aponta para a construção de modelos tridimensionais inteligentes. A modelagem 3D não é um conceito novo, a indústria mundial já vem utilizando ferramentas tridimensionais há muitos anos. Aplicações de modelagem tridimensional já são ferramenta cotidiana na indústria mecânica, por exemplo. Inúmeros fabricantes de software disponibilizam a cada ano no mercado novas ferramentas para projeto tridimensional, cada qual voltado para uma necessidade específica de projeto. Na indústria da construção civil o conceito de BIM (sigla em inglês para Building Information Model Modelo de Informações da Construção) foi cunhado pelo Georgia Institute of Technology dos Estados Unidos [1] e teve sua primeira aplicação em A idéia do BIM é que todos os dados de uma construção, desde as informações topográficas e geológicas até o último parafuso ou peça de acabamento estão registrados no mesmo modelo tridimensional. Este modelo é, portanto, um banco de dados completo e dinâmico, do qual podem ser extraídos subprodutos como planilhas de quantidades, listas de materiais, desenhos bidimensionais e até cronogramas e simulações da construção. O conceito é construir a obra virtualmente antes de que ela sequer seja iniciada no campo. As vantagens são facilmente percebidas: melhora da interface entre disciplinas, uma vez que as interferências já aparecem claramente na fase de projeto, aumento da precisão na determinação das quantidades, redução drástica no tempo de revisão de desenhos bidimensionais, uma vez que eles também são uma parte do modelo. Naturalmente, a precisão do projeto continua tão dependente quanto sempre da quantidade e qualidade da informação de entrada no modelo. Se não existem sondagens, por exemplo, ou se a curva de descarga de um canal de fuga não foi determinada a partir de medidas diretas no campo, o que é quase a regra no caso de projetos de Pequenas Centrais, o resultado do modelo será falho e todo o trabalho terá que ser refeito mais adiante. Do mesmo modo, os dados geométricos de equipamentos devem ser fornecidos à projetista com a maior antecedência possível, ou os desenhos de fôrma das estruturas não poderão ser gerados. A vantagem do conceito de BIM é que, uma vez que se consiga um modelo realmente dinâmico, as revisões podem ser feitas rapidamente, uma vez que as relações entre os vários elementos do arranjo estão definidas a priori. Contudo, a implantação de um modelo 3D dinâmico e inteligente de uma usina hidrelétrica é de grande complexidade, em função da quantidade de disciplinas envolvidas. A modelagem das superfícies do terreno e do(s) topo(s) de rocha (sã e alterada, por exemplo), torna os modelos bastante pesados, exigindo bastante do hardware. Alem disso, todo o processo de elaboração do projeto deve ser revisto, e a técnica de representação das entidades do projeto muda bastante. Em outras palavras, o projeto tridimensional exige a qualificação específica dos profissionais de projeto. Nem todo projetista (ou engenheiro) consegue se adaptar com facilidade à nova ferramenta. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 2

3 O presente artigo não traz um caso de implantação de um modelo tridimensional completamente dinâmico, uma vez que esta técnica ainda está em processo de implantação na INTERTECHNE Consultores. O que se vai tratar aqui é de um caso de modelagem tridimensional de um projeto fictício de PCH. O projeto é fictício, mas ilustra exatamente o processo de projeto empregado hoje na área de PCHs na Intertechne Consultores S.A. A intenção é demonstrar como modelo 3D e desenhos 2D são atualizados no decorrer da implantação dos empreendimentos projetados pela INTERTECHNE. Esse modelo foi gerado em software convencional de CAD e foram sendo simuladas algumas atualizações com base nas experiências de outras obras, para que se fosse possível ver os efeitos no projeto. O processo utilizado ainda está alguns passos aquém da modelagem dinâmica completa, mas já produz benefícios na geração de quantidades, verificação de interferência entre disciplinas, visualização das dificuldades de seqüência de construção etc. O processo aqui descrito depende de uma série de aplicativos específicos, que vêm sendo desenvolvidos pela INTERTECHNE desde que a empresa iniciou sua capacitação na modelagem 3D em projetos de usinas hidrelétricas, há mais de 10 anos. Resumindo o que foi dito até aqui, são grandes as vantagens de se projetar em 3D, como por exemplo: - Contar com uma planilha de volumes detalhada para cada material a ser utilizado na obra; - Maior facilidade na visualização e compreensão das interfaces de obra com uma maior agilidade na tomada de decisão para resolução de problemas; - Capacidade de entender e melhorar o aspecto visual de um projeto antes de iniciar sua construção. - Diminuição dos prazos e custos em todas as etapas de projetos; - Rapidez na emissão dos desenhos 2D; O modelo 3D é uma poderosa ferramenta de projeto; quando é utilizada desde a etapa de concepção até o projeto executivo, a modelagem permite antecipar e resolver interferências antes mesmo da execução em campo, trazendo economia e dinamismo ao projeto. Projetar uma PCH utilizando modelos tridimensionais tende a ser diferente do projeto em duas dimensões, pois as primeiras análises e croquis já são elaborados em três dimensões, o que dá ao projetista uma visão muito mais ampla das condições que serão encontradas no campo, bem como da forma que as estruturas deverão ter para atender as premissas de projeto. Procura-se nesse trabalho apresentar as etapas de concepção do projeto básico consolidado e as soluções adotadas no decorrer do projeto executivo utilizando-se a modelagem 3D como principal ferramenta de projeto na tomada de decisões, com o objetivo de alcançar um melhor arranjo de implantação das estruturas em campo. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 3

4 2. PROJETO BÁSICO PEQUENA CENTRAL HIDRELÉTRICA FICTÍCIA. Para a simulação do aproveitamento da PCH Fictícia, serão informados alguns parâmetros com a finalidade de facilitar a compreensão deste trabalho. Características Principais: Arranjo Geral: Desvio do Rio: Barragem margem esquerda: Imaginou-se uma barragem do tipo homogênea, provida de um sistema de drenagem interna constituído por filtros vertical, horizontal e dreno de pé. Junto à tomada d água a barragem será do tipo terra-enrocamento, para permitir a transição para as estruturas de concreto em taludes. Barragem margem direita: Imaginou-se uma barragem do tipo homogêneo, provida de um sistema de drenagem interna constituído por filtros verticais, horizontais e drenos de pé (ensecadeira de jusante). Também está sendo simulada a incorporação da ensecadeira de montante. Tomada d água/casa de Força: A tomada d água foi concebida como uma simples estrutura de concreto armado e a casa de força é do tipo abrigada. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 4

5 3. MODELAGEM 3D DAS SUPERFÍCIES GEOLÓGICAS Normalmente, no início do processo convencional de um projeto, em duas dimensões, o geólogo trabalha com uma base topográfica onde as curvas de nível estão em um mesmo plano e as elevações das curvas mestras estão marcadas na própria linha. Para traçar as superfícies geológicas são utilizadas as informações dos furos de sondagens, a partir das quais o geólogo irá traçar o mapa do, ou dos, topos de rocha. Ao final do trabalho, pode-se digitalizar este mapa, de forma a obter um arquivo, tomando o cuidado de atribuir uma elevação diferente para cada curva de nível, com o objetivo de chegar a superfícies tridimensionais para o terreno e para cada horizonte de rocha de interesse do projeto. No caso mostrado aqui foi utilizado o software AutoCAD Civil3D da Autodesk para esse trabalho, ou seja, o geólogo consegue visualizar na tela o topo do terreno natural e as demais superfícies em um único arquivo tridimensional. Com esse modelo 3D é possível ver as superfícies de diversos ângulos e até mesmo gerar cortes automaticamente entre as sondagens para verificar como estão as camadas além, é claro, de executar modificações nessas superfícies a qualquer tempo que se julgue necessário.[2] A Figura abaixo ilustra a modelagem tridimensional do topo do terreno natural, da superfície de rocha alterada e de rocha sã utilizadas no projeto da PCH Fictícia. FIGURA 1 - Modelagem 3D das superfícies geológicas. A próxima etapa do processo é transformar essas superfícies 3D em blocos sólidos 3D para que seja possível executar o projeto geotécnico das escavações. Para essa tarefa a Intertechne desenvolveu um aplicativo específico dentro do AutoCAD que transforma a superfície em um sólido, de modo a que todas as escavações possam ser modeladas. A Figura 2 ilustra a utilização desta rotina. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 5

6 FIGURA 2 - Rotina desenvolvida pela Intertechne para criar sólidos de terrenos e rochas. 4. MODELAGEM 3D DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO Para modelar as estruturas de concreto foi usado o software SolidWorks 2009 da Dassault Systèmes. A vantagem de se utilizar essa ferramenta na modelagem das estruturas de concreto é a grande velocidade na elaboração dos esboços e na geração dos sólidos. Outro ponto de vital importância é a interface entre as diferentes disciplinas, que podem usar o mesmo modelo para gerar os seus respectivos projetos.[3] O modelo 3D tem seu início na área eletromecânica, a qual desenvolve o modelo levando em consideração as dimensões dos equipamentos (fornecidas pelos fabricantes) e o dimensionamento hidráulico de cada estrutura. Finalizada essa etapa do processo o modelo 3D segue para a área civil, onde serão feitas as análises de estabilidade das estruturas quanto à flutuação, tombamento, deslizamento e verificadas as tensões na fundação. Como resultado dessas verificações, o modelo irá sofrer alterações nas suas dimensões civis; porém como esse modelo é trabalhado em rede as demais disciplinas são informados em tempo real das modificações realizadas. Uma vez consolidado o modelo 3D de uma estrutura ele atenderá duas funções: a primeira é a geração de desenhos paramétricos em 2D, o que quer dizer que qualquer modificação no modelo 3D será automaticamente refletida nos desenhos 2D. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 6

7 Os desenhos 2D são necessários para atender ao processo de emissão, uma vez que nem todos os clientes e fornecedores estão preparados para trabalhar com modelos 3D. A segunda função do modelo, ou antes dos modelos tridimensionais das estruturas, é a conversão para o sistema AutoCAD, para que elas possam ser inseridas nas superfícies topográfica e geológicas, com o objetivo de dar início ao projeto das escavações em três dimensões. Embora seja feita a conversão para outro software, o modelo original das estruturas é mantido no SolidWorks e continua com a parametrização já estabelecida. FIGURA 3 - Modelo 3D da Tomada d água e da Casa de Força com os planos de cortes estabelecidos e com as pranchas 2D paramétricas. 5. MODELAGEM 3D DAS ESCAVAÇÕES EM ROCHA E SOLO Para o modelo 3D completo empregam-se vários aplicativos desenvolvidos pela Intertechne dentro do software AutoCAD, onde se obtém as interferências entre os sólidos dos terrenos já gerados e as estruturas de concreto, para criar as escavações nas diferentes camadas geológicas. Os aplicativos também auxiliam na criação de estruturas de solo como as barragens e as ensecadeiras, além de construir estradas e túneis. Para facilidade de uso, estes aplicativos estão na barra de ferramentas do próprio AutoCAD. A Figura abaixo ilustra a quantidade de comandos desenvolvidos com essa finalidade. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 7

8 FIGURA 4 - Aplicativos criados pela Intertechne para modelagem 3D. A modelagem das escavações inicia-se em rocha sã ou rocha alterada, inserindo o modelo das estruturas no sólido de rocha. O engenheiro geotécnico responsável define quais serão os taludes para cada condição geológica, bem como a quantidade de bermas a utilizar no projeto. Para cada estrutura é criado um layer no AutoCAD; da mesma maneira cria-se um layer para cada tipo de escavação em cada tipo de terreno. Este procedimento facilita a quantificação de volumes escavados da mesma forma que a quantidade de concreto a ser utilizada na obra. Fazendo uso do aplicativo resumo volumes obtém-se uma planilha com o cálculo de volumes e quantidades gerais para a obra. Ou seja, a cada revisão de projeto é possível saber rapidamente quais as novas quantidades da obra. FIGURA 5 - Aplicação das estruturas de concreto ao modelo 3D da rocha. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 8

9 Com as escavações em rocha já criadas a próxima etapa é a escavação em solo. Para essa modelagem é utilizado o aplicativo escavador, no qual, a partir do topo de rocha, serão criadas as escavações em solo com os taludes e bermas definidos pelo engenheiro geotécnico levando-se em conta as características do solo a ser escavado. Na Figura abaixo pode-se ver todas as ferramentas de escavação em solo utilizadas no projeto geotécnico da PCH Fictícia porém, como cada estrutura tem uma cota de assentamento diferente e necessita de diferentes taludes, é necessário criar ferramentas individuais para cada estrutura a ser escavada, de forma a se obter o volume de escavação em solo por estrutura. FIGURA 6 - Escavações em solo. 6. MODELAGEM 3D DAS ESTRUTURAS EM SOLO Para as estruturas em solo, tais como a barragem e ensecadeiras, o modelo 3D é elaborado levando-se em consideração todos os materiais que as constituirão, mais uma vez separando cada qual em um layer distinto, pois, ao final da modelagem, é possível obter os volumes de cada material e a concepção dos desenhos 2D será facilitada. Fazendo uso do software AutoCAD é possível modelar barragens e ensecadeiras de forma rápida e fácil, desenhando o perfil em 2D e fazendo uso do comando extrude tendo como referência o eixo da estrutura. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 9

10 Para dar maior rapidez e ter mais eficiência na modelagem dessas estruturas a Intertechne desenvolveu uma rotina que gera o modelo 3D com os materiais e dimensões exigidos pelo engenheiro geotécnico, com a vantagem de se utilizar a superfície de contato do solo como referência, de forma a que o modelo da barragem ou ensecadeira já terá sua fundação apoiada no terreno correto, sem ser necessário executar ajustes posteriores. FIGURA 7 - Modelagem da barragem e seus respectivos materiais utilizando aplicativos Intertechne. 7. MODELO 3D COMPLETO PARA ANÁLISE Uma vez terminada a modelagem das estruturas e feita sua inserção no terreno e topo rochoso, tem-se o modelo 3D completo da obra, como a soma das contribuições de cada disciplina envolvida no projeto. Resta apenas analisar o modelo para checar possíveis falhas na construção. Cada engenheiro responsável pelas disciplinas irá analisar o modelo, a fim de checar as interferências e ver se o resultado está compatível com as premissas e especificações do projeto. Essa verificação garante que toda a engenharia envolvida no projeto está refletida no modelo. Uma vez finalizada a análise, o modelo segue para a equipe de produção, a qual irá produzir os desenhos 2D. Todos os desenhos necessários para a obra serão gerados a partir do modelo 3D, o qual será mantido atualizado sempre que houver alguma modificação no projeto, para garantir que os desenhos 2D estejam corretos e em concordância com o modelo. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 10

11 FIGURA 8 - Modelo 3D completo da PCH Fictícia. A próxima Figura mostra exemplos de desenhos que foram gerados a partir do modelo 3D completo. FIGURA 9 - Desenhos 2D produzidos a partir do modelo 3D completo. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 11

12 Além da produção dos desenhos 2D, o modelo irá servir para gerar uma planilha de quantidades automática. Esta planilha pode ser simples, indicando apenas os volumes dos materiais utilizados na obra, ou uma planilha mais completa onde podem ser adicionados os custos unitários de cada serviço, de modo a se obter uma estimativa do custo de implantação da obra. FIGURA 10 - Modelo 3D e sua respectiva planilha de quantidades. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 12

13 8. CONCLUSÕES O uso da tecnologia tridimensional no projeto de Pequenas Centrais Hidroelétricas vem demonstrando ser de grande ajuda na escolha mais adequada para a implantação do arranjo, já que com essa ferramenta pode-se estudar diferentes alternativas para o empreendimento. Conclui-se também que os profissionais das diferentes disciplinas envolvidas no projeto conseguem visualizar as interferências existentes de forma mais clara e rápida, economizando horas de verificação. Outro ponto de grande relevância é a agilidade para revisar os desenhos 2D com uma margem de erro muito pequena, uma vez que os desenhos estão vinculados com o modelo 3D, fazendo com que as mudanças sejam refletidas nos desenhos 2D automaticamente sem se esquecer de nenhum detalhe, reduzindo o custo das revisões. É importante ressaltar que a metodologia aqui descrita, empregada hoje nos projetos da INTERTECHNE Consultores ainda não reflete o estágio final da implantação de um verdadeiro modelo tridimensional totalmente inteligente, algo que seria a versão de um BIM (Building Information Model) para projeto de usinas hidrelétricas. Esse momento, contudo, está muito próximo e, quando ele chegar, será muito importante que fabricantes de equipamentos e construtores também estejam aptos a interagir nos modelos 3D, a fim de gerar simulações de construção, cronogramas ligados ao modelo e, também, chegar ao ponto em que o modelo é levado à frente de obra, facilitando a compreensão do projeto. Esse cenário já é realidade em muitas obras nos Estados Unidos e outros países e não deve demorar muito para chegar ao ponto em que modelos 3D inteligentes passem a ser uma exigência de contratantes. É um desafio para empresas de projeto, empreiteiras, fabricantes de equipamentos e todos os demais agentes desta indústria.[4] VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 13

14 9. AGRADECIMENTO Expresso meu agradecimento ao Eng. José F. Pinheiro Machado pelas contribuições na elaboração dessa publicação. Agradecimento ao Eng. João Alfredo pelos ensinamentos de técnicas de modelagem em AutoCAD. PCH, Metodologia, Modelos 3D 10. PALAVRAS CHAVE 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] What is BIM? - por Professor Charles M. Eastman, Director of AEC Integration Lab at Georgia Tech Last updated August, 2009 [2] BARRAGEM, (2008) - Apostila de Civil3D aplicada em; Frazillio e Ferroni Informática Comércio e Serviços Ltda., São Paulo. [3] FIALHO, A. B. (2008) SolidWorks Office Premium 2008: Teoria e Prática no Desenvolvimento de Produtos Industriais Plataforma para Projetos CAD/CAE/CAM, 1. Ed. São Paulo: Érica; [4] CAD, Guia do gerente de; Dassault Systèmes do Brasil Ltda Disponível em: Acesso em 24 de janeiro de 2010; VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 14