AUTOMAÇÃO E OTIMIZAÇÃO CAD/CAE NO PROJETO DE ESTRUTURAS METÁLICAS PLANAS, UTILIZANDO PERFIS TUBULARES

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1 AUTOMAÇÃO E OTIMIZAÇÃO CAD/CAE NO PROJETO DE ESTRUTURAS METÁLICAS PLANAS, UTILIZANDO PERFIS TUBULARES Maurício Guilherme Quilez Souza Renato Henrique Ferreira Branco João Alberto Venegas Requena maurigq@yahoo.com renatohfbranco@yahoo.com.br requena@fec.unicamp.br Laboratório de Mecânica Computacional LabMeC, Departamento de Estruturas - DES, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo FEC, Universidade Estadual de Campinas UNICAMP. Av. Albert Einstein, 951, Cidade Universitária Zeferino Vaz, Caixa Postal 6021, CEP , Campinas SP Brasil. Resumo. Este trabalho tem como objetivo apresentar um pacote de programas de computador que tem a finalidade de automatizar as etapas principais de um projeto de estruturas metálicas através das linguagens Delphi5 e AutoLISP. Os projetos de estruturas metálicas em estudo são os de coberturas com treliças planas constituídas de barras com perfis tubulares laminados sem costuras da Vallourec & Mannesmann do Brasil. Estes perfis tubulares, ainda pouco utilizados em estruturas planas no Brasil, vêm sendo disseminados através do uso de programas que ajudam os engenheiros a utilizá-los adequadamente em seus projetos tendo em vista que resultam em estruturas mais leves e de fácil fabricação. Desta forma, houve a necessidade de desenvolver um sistema CAD/CAE, para automatizar a geração das geometrias das estruturas planas, além das representações gráficas do sistema geral tridimensional de contraventamentos da estrutura CAD; exportar os dados para um programa integrado que realiza um processo otimizado de toda a análise estrutural e dimensionamento CAE e, finalmente, retornar os dados processados no CAE de volta para o ambiente CAD, para realizar o detalhamento automático das ligações da estrutura treliçada analisada. Todos os procedimentos adotados para automação dos projetos seguem recomendações de normas técnicas brasileiras principalmente a NBR8800. Keywords: Estruturas Metálicas, CAD/CAE, Automação de Estruturas, Projeto Estrutural, Perfis Tubulares.

2 1. INTRODUÇÃO Com o objetivo de automatizar o projeto de treliças metálicas planas constituídas de barras com perfis tubulares laminados, de acordo com a Norma Brasileira NBR 8800 (ABNT 1986), está em desenvolvimento um pacote de programas computacionais no Laboratório de Mecânica Computacional (LabMeC), do Departamento de Estruturas DES, da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas (FEC UNICAMP), em convênio com a empresa Vallourec & Mannesmann do Brasil S.A.. Os perfis tubulares laminados são também conhecidos como perfis tubulares sem costura, pois são fabricados em processo de extrusão. Portanto, a principal intenção foi desenvolver uma ferramenta computacional que facilitasse a apresentação dos conceitos básicos para que os calculistas de estruturas metálicas e estudantes de engenharia adquirissem familiaridade em projetos de estruturas metálicas planas, utilizando os referidos perfis tubulares. Historicamente, no início do uso de softwares de CAD (Computer Aided Design), o principal objetivo era o de aumentar a produtividade na elaboração de projetos técnicos. Dessa maneira, o CAD conseguiu se popularizar, devido aos significativos resultados obtidos. Para alguns projetos, que seguem um determinado padrão, pode-se fazer a automação de sua execução, através de ferramentas do CAD, agilizando o processo e melhorando sua qualidade. Porém, o CAD sozinho concentra-se apenas na questão do desenho. Para isso, foram elaborados softwares denominados CAE (Computer Aided Engineering), que são responsáveis por análises estruturais em engenharia e que buscam lincar os projetos desenvolvidos no CAD aos procedimentos de cálculo desenvolvidos no CAE. O que está sendo desenvolvido no LabMeC DES FEC UNICAMP é um sistema CAD/CAE, que automatiza a criação das geometrias de estruturas planas aporticadas formadas por perfis tubulares além de representações gráficas do sistema geral da estrutura de cobertura com seus respectivos contraventamentos - CAD; exporta os dados para um programa integrado que realiza um processo otimizado de toda a análise estrutural e todo o dimensionamento CAE e, finalmente, o retorno dos dados processados no CAE de volta para o ambiente CAD, que realiza o detalhamento automático das ligações da estrutura treliçada analisada. O pacote de programas se soma a outros já desenvolvidos e tem a tarefa de ajudar a disseminar a tecnologia do uso de estruturas de aço constituídas de perfis tubulares, automatizando todo o desenvolvimento de um projeto. Desta forma, essa tarefa será composta de cinco etapas: (i) geração automática de geometrias; (ii) lançamento automático dos carregamentos; (iii) análise dos esforços e reações; (iv) dimensionamento das barras em perfis tubulares e, finalmente, (v) detalhamento básico das ligações. Para o desenvolvimento deste pacote foram utilizadas duas linguagens de programação: o Object Pascal, através do software Delphi5, e o AutoLISP, linguagem nativa do AutoCAD. O primeiro programa tem como objetivo principal desenvolver o sistema CAE, para análise estrutural e o segundo programa tem como objetivo desenvolver o sistema CAD, para definições e representações gráficas. O programa desenvolvido em Delphi5 e o programa em AutoLISP trabalham de forma integrada, para que o objetivo final de automação e otimização de projetos seja alcançado de forma ágil, precisa e amigável, permitindo que em pouco tempo de trabalho o projetista possa estudar diversas soluções e escolher a mais adequada. 2. O AUTOLISP E O AUTOCAD - CAD Pode-se utilizar livremente o AutoLISP devido ao fato do AutoCAD ser um sistema

3 aberto, que permite uma série de alterações em seu ambiente de modo a facilitar a interação com o usuário (GAAL, 1997). O AutoCAD é um dos maiores best-sellers mundiais em software para PC, e foi desenvolvido com o intuito de constantemente aumentar a atividade das ferramentas de desenhos e projetos geométricos disponíveis aos profissionais desta área. O benefício-chave subjacente ao usuário sempre foi o pronto acesso para utilização de uma linguagem de programação própria e já incorporada, o AutoLISP. Como linguagem de programação, o AutoLISP pode ter seus arquivos escritos em um editor de texto em ASCII. Ao ser executado, um programa em AutoLISP tem suas instruções interpretadas pelo AutoCAD, que as executa criando e ou manipulando suas entidades. Com o AutoLISP, dispõe-se de todos os recursos do sistema gráfico do AutoCAD, e pode organizá-los em seqüências da forma que for conveniente. O resultado será um desenho no AutoCAD, que não terá diferença absolutamente nenhuma de um desenho gerado por um usuário qualquer, a não ser pelo tempo necessário para sua execução. Portanto, uma vez executada uma rotina em AutoLISP é possível alterar-se o desenho criado da forma que for necessária utilizando-se normalmente as ferramentas do AutoCAD. Uma das ferramentas mais utilizada no AutoCAD é, sem dúvida o chamado layer. Os layers são como se fossem várias folhas independentes, com nomes, cores e tipos de linhas diferentes, que podem ser ligados, desligados ou até trancados aleatoriamente de acordo com a necessidade do usuário. Quando um layer está desligado, os elementos que ele contém não são mostrados no desenho, como se tivessem sido apagados; já um layer trancado (na linguagem do CAD, lock ) tem seus elementos mostrados na tela, mas não sujeitos a modificações de nenhum gênero. A grande vantagem destes layers é que facilitam muito o trabalho do usuário que, além de visualizar cores diferentes para cada tipo de elemento do conjunto, pode utilizar um arquivo menos carregado, apenas com os elementos que lhe interessam. Além disso, permitem a superposição de todos os layers, ou de dois ou três de cada vez, de acordo com a necessidade de quem estiver utilizando o arquivo. Para deixar este conceito mais claro, pode-se ter, por exemplo, num mesmo arquivo, um layer com a planta estrutural de um edifício, um outro com seu projeto hidráulico, outro com sua arquitetura, ou seu projeto elétrico e assim por diante. A cada profissional especializado que trabalhar neste projeto vai interessar uma destes layers em particular, enquanto que os outros podem permanecer desligados. 2.1 Geração Automática de Geometrias Dentro do objetivo de automação e otimização do desenvolvimento de projeto de estruturas metálicas, utilizando perfis tubulares, foram elaboradas rotinas de geração de geometrias para a estrutura treliçada básica através da linguagem AutoLISP. Com os dados de entrada do usuário, as rotinas do programa realizam uma série de testes para verificar a validade e interferências dos dados do usuário. Caso os dados estejam incorretos, ou seja, que não seja possível executar o desenho da geometria a partir dos dados fornecidos, o programa é encerrado com uma mensagem de erro ao usuário. Em alguns casos pode existir uma solução matemática para a geometria da estrutura, mas por alguma razão não ser a mais econômica ou construtiva, então não é indicado como solução do problema. Nesses casos, o programa faz o desenho seguindo exatamente os dados de entrada do usuário, porém, exibe uma mensagem de alerta, mostrando possíveis correções. Os critérios de projeto seguem especificações e limitações impostas por normas técnicas de dimensionamento, fabricação e montagem dessas estruturas. Além das recomendações normativas, o programa leva em

4 consideração a forma otimizada de geometrias em busca de melhores soluções para obtenção dos menores esforços nas barras da estrutura em função das posições dos carregamentos. A automação da geometria é realizada de acordo com alguns parâmetros básicos da estrutura, como por exemplo, tipo de treliça plana de cobertura, vão livre e distância máxima entre terças. As rotinas criadas usando a linguagem AutoLISP são capazes de gerar as geometrias mais adequadas às informações impostas pelo calculista. A Fig. 01 ilustra algumas geometrias geradas no AutoCAD, exemplificando uma treliça em duas águas convencional (a), e três treliças em duas águas de banzos paralelos (b1, b2, b3), apoiadas em pilares. (a) (b1) (b2) (b3) Figura 01: a) Geometria convencional; b1),b2),b3) Geometrias de banzos paralelos. 2.2 Geração Automática de Sistema Geral da Estrutura Na seqüência do objetivo de representação gráfica de projeto, foram elaboradas rotinas de geração automática de geometrias do sistema geral da estrutura, contendo as posições das treliças, posições das terças, posições dos contraventamentos e seus respectivos cortes. Para isso, basta apenas que o usuário entre com as informações referentes à estrutura, como comprimento total da estrutura, distância entre os pilares e de quantas barras do banzo superior a estrutura deve ser contraventada. O programa armazena e manipula os dados e apresenta o desenho na forma de prancha de projeto no AutoCAD, compreendendo o desenho da geometria da treliça, o desenho do sistema geral da estrutura com os contraventamentos, terças, linhas de corrente e com seus respectivos cortes. Todo esse trabalho gráfico que é apresentado como resposta do programa desenvolvido é mostrado na tela do microcomputador em poucos segundos. A Fig. 02 ilustra um sistema geral de uma estrutura gerada a partir das rotinas do programa. Esta tela do AutoCAD mostra

5 o resultado de uma estrutura formada por uma treliça em duas águas convencional, com 20 metros de vão livre, 90º de ângulo de arranque (ângulo da primeira montante), inclinação do banzo superior de 10º, inclinação do banzo inferior de 0º, altura projetada (do primeiro montante) de 1 metro, distância máxima permitida entre terças de 2 metros, e altura de pilares de 5 metros, comprimento da estrutura de 55 metros e distância entre pilares de 5 metros. Figura 02: Tela gerada no AutoCAD com um sistema geral de estrutura. Para fazer o desenho, as rotinas seguem algumas características fixas, indicadas por recomendações de projeto. No caso da Fig. 02, vê-se que o programa criou uma fileira de contraventamentos do meio da estrutura, além das já definidas nas extremidades, diminuindo o espaço entre módulos não contraventados na estrutura, de nove para quatro. Para o contraventamento da primeira montante participante do fechamento lateral, a primeira tentativa do programa foi um contraventamento em X. Como o ângulo resultante foi inferior a 15º, o programa criou um sistema treliçado, aumentando a rigidez da estrutura. A Fig. 03 mostra o detalhe. Para as linhas de corrente, o programa cria uma ou duas linhas, dependendo da distância entre as treliças. Caso a distância seja inferior a seis metros, o programa cria apenas uma linha de corrente; caso contrário, duas linhas de corrente são criadas, conforme a Fig. 04.

6 Figura 03: Disposição das barras de contraventamento do fechamento. Figura 04: Detalhe das linhas de corrente. Todos os pontos de contraventamento, definidos automaticamente na estrutura, serão de extrema importância para as definições dos comprimentos de flambagem das barras da estrutura exigidos no programa de análise estrutural CAE, integrado no procedimento de desenvolvimento de projeto, para o dimensionamento estrutural. 3 O OBJECT PASCAL E O DELPHI5 - CAE O Object Pascal é uma linguagem de programação orientada objeto que permite desenvolver rotinas separadas em classes sem a necessidade de serem seqüenciais possibilitando a integração de tarefas conforme a necessidade. Todos os procedimentos que são conhecidos como memória de cálculo de um projeto estrutural são realizadas no sistema CAE. O programa permite a importação e exportação de dados através de arquivos texto ou arquivos dxf, gerados no AutoCAD. Portanto, a integração CAD/CAE permite realizar automação e otimização de projetos de estruturas metálicas que exigem a transferência simultânea de dados de geométrias como de algoritmos. Através de uma parceria entre a UNICAMP e a empresa Vallourec & Mannesmann do Brasil S.A. foi desenvolvido um programa de computador denominado AutoMETAL 1.01

7 V&M do Brasil-UNICAMP com a linguagem Delphi5, representando nosso sistema CAE que permite realizar todas as tarefas de projeto com o auxílio da integração com o sistema CAD. Este programa desenvolvido tem a capacidade de importar os dados geométricos de uma estrutura metálica, em dxf, gerados no programa feito em AutoLISP, e realizar as tarefas de automação dos carregamentos, análise estrutural e otimização do dimensionamento. A partir deste ponto, realiza a exportação dos resultados, em arquivo texto, de volta ao sistema CAD para a realização do detalhamento automático da estrutura. 4 EXEMPLO NUMÉRICO Treliça metálica convencional com os seguintes dados: Vão livre: 20 metros; Ângulo de arranque (inclinação do primeiro montante): 67º Inclinação do banzo superior: 10º Inclinação do banzo inferior: 0º Altura projetada (do primeiro montante): 0.9 metro; Máxima distância entre terças: 2 metros; Altura dos pilares: 5 metros; Comprimento da estrutura: 40 metros; Distância entre treliças: 5 metros. Entrando com os dados no programa, o resultado nos retorna as telas exibidas nas Fig. 05 e 06, em que se observa a distribuição automática dos nós da treliça e definindo os comprimentos das barras do banzo superior, assim como seus comprimentos de flambagem em x-x igual a 1.64 metros e em y-y igual a 3.28 metros: Figura 05: Tela de treliça gerada automaticamente no AutoCAD.

8 Figura 06: Tela de contraventamentos gerada automaticamente no AutoCAD. Com os dados exportados, o CAE realiza um processo otimizado de toda a análise estrutural e todo o dimensionamento da estrutura. A Fig. 07 mostra uma tela do AutoMETAL 1.01 V&M do Brasil-UNICAMP, exibindo a importação dos dados da treliça gerada no CAD, e a Fig. 08 mostra os resultados do dimensionamento. Figura 07: Tela do CAE mostrando a importação dos dados do CAD.

9 Figura 08: Resultados do dimensionamento obtidos pelo programa CAE. Após realizado o dimensionamento da estrutura, o CAE executa a transferência dos dados encontrados de volta ao ambiente CAD. Nesse ambiente, o programa realiza o detalhamento da estrutura, conforme a Fig. 09: Figura 09: Detalhamento básico depois de processado do CAD.

10 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS O pacote de programas de computador CAD/CAE, apresentado neste trabalho, representa uma grande contribuição para a disseminação de estruturas de aço constituídas de treliças planas com barras tubulares, de acordo com a Norma Brasileira NBR8800. Estas estruturas ainda pouco utilizadas no Brasil têm um grande potencial de uso no mercado nacional. Outros programas no sistema CAD/CAE já estão sendo desenvolvidos na FEC/UNICAMP como novas ferramentas computacionais de fácil utilização para uso tanto de alunos de engenharia civil quanto de profissionais da área de estruturas metálicas. 6 AGRADECIMENTOS A equipe de desenvolvimento do programa agradece a Vallourec & Mannesmann do Brasil S.A. e a UNICAMP pelo incentivo e apoio ao desenvolvimento desta tecnologia. 7 REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT, Ações e Segurança nas Estruturas, NBR8681, Rio de Janeiro/RJ. Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT, Projeto e Execução de Estruturas de Aço de Edifícios, NBR8800/86, Rio de Janeiro/RJ. Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT, Forças Devidas aos Ventos nas Estruturas, NBR6123, Rio de Janeiro/RJ. AutoDesk, AutoLISP Programmer s Reference, AutoDesk, USA. AutoDesk, AutoCAD: Reference Manual, AutoDesk, USA. Bertolino, Jr. R., Sistema Integrado para Análise, Dimensionamento, Detalhamento e Desenho de Estrutura de Aço, Tese (Livre-docência) Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, SP. Bertolino, Jr. R., Automação de Desenhos Estruturais de Aço, XXVIII Jornadas Sul Americanas de Engenharia Estrutural, Vol. 01, São Carlos SP. Branco, R. H. F.; Santos, R. M.; Requena, J. A.V.; Araújo, A. H. M., Automação do Projeto de Pórticos Metálicos Planos Constituídos de Barras Tubulares, II CICOM, São Paulo/SP. Belley, Ildony H., Edifícios Industriais em Aço Projeto e Cálculo, Editora Pini, São Paulo. Cortês, C. F. M., Otimização de Treliças Planas, Dissertação de mestrado, orientada pelo Prof. Dr. Francisco A. Meneses, UNICAMP.

11 Gaál, J. A., Curso de AutoLISP, DeseCAD, Computação Gráfica S/C Ltda. M. E., Campinas SP. Motta, G. D., A Engenharia Virtual é Realidade, Revista CADWare nº 5. Packer, J. A.; Wardenier, J.; Kurobane, Y.; Dutta, D.; Yeomans, N., Design Guide for Rectangular Hollow Sections (RHS) Joints Under Predominantly Static Loading, CIDECT, Alemanha. Prudente, M., Otimização de Estruturas de Aço Treliçadas Planas com Variáveis Discretas, Tese (Doutorado) USP São Carlos. Requena, J. A. V.; Beer, S. C.; Callejas, I. J. A., Automação e Dimensionamento de Estrutura Metálica para Arcos Circulares Treliçados, CILAMCE XXI Rio de Janeiro.