PROCEDIMENTO PARA AUTOMATIZAÇÃO DE VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE UMA TORRE METÁLICA DE TELECOMUNICAÇÕES

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1 PROCEDIMENTO PARA AUTOMATIZAÇÃO DE VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE UMA TORRE METÁLICA DE TELECOMUNICAÇÕES Glauco José de Oliveira Rodrigues Coordenação de Pós Graduação e Pesquisa / Engenharia Civil UNISUAM Av. Paris 72, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. glaucoj@unisuam.edu.br Departamento de Engenharia Civil FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. Rua Real Grandeza, 219, A504, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. glauco@furnas.com.br Alex Leandro de Lima Faculdade de Engenharia Civil de Nova Iguaçu UGB Rua Antenor de Moura Raunhetti 152, Nova Iguaçu, RJ, Brasil. alex_leandro@lamcso.coppe.ufrj.br Resumo: Com objetivo de melhorar a qualidade e atender a demanda no sistema de telecomunicações da empresa Furnas Centrais Elétricas S.A., que utiliza maciçamente o sistema de comunicação por microondas, tornou-se necessária a modernização, através de digitalização, da rota de telecomunicações de Itaipu. Localizada na referida rota, encontra-se a torre situada à localidade de Angatuba, SP, que será acrescida de antena parabólica com 2,40m de diâmetro máximo. Torna-se então necessária uma reavaliação estrutural da mesma, devido ao acréscimo de cargas relativas à instalação desta nova antena parabólica. Para tanto, serão considerados acréscimos nas cargas verticais, que inclui o peso das antenas, bem como nas cargas horizontais, devido ao aumento da superfície vélica. O presente trabalho tem por objetivo apresentar os critérios de cálculo, bem como o interfaceamento entre as ferramentas computacionais utilizadas, com o objetivo de consolidar a metodologia de automatização do processo de análise e verificação estrutural, para que o mesmo possa ser adaptado a casos similares, bem como apresentar o resultado da avaliação estrutural da torre de Angatuba, dentro da metodologia proposta. A referida torre é descrita como estaiada, com 47,65m de comprimento vertical em seção triangular eqüilátera constante, com 1,25m de comprimento lateral. As barras verticais, bem como as diagonais, são compostas por cantoneiras de abas iguais. Serão utilizadas, basicamente, duas ferramentas computacionais: O software comercial Metálicas 3D (Cype Ingenieros) e o software freeware Auto Ventos Torres (UNICAMP). Palavras-Chave: Estruturas metálicas; Torres estaiadas; Automatização de projetos.

2 1. INTRODUÇÃO As torres utilizadas para a sustentação de antenas variam principalmente quanto à geometria, ao modelo e ao material utilizado, porém, de uma forma geral, podemos ter as seguintes formas básicas: torres estaiadas quadradas, torres estaiadas triangulares, torres autoportante quadradas, torres autoportante triangulares e postes de concreto ou metálico. As torres estaiadas são constituídas por um corpo metálico esbelto e modulado, fixo por estais ao longo de sua extensão. Este corpo metálico é formado por módulos com cerca 5m ou 6m cada, contendo montantes (colunas), diagonais, travessas, barras de travamento (diafragmas), com ligações parafusadas ou soldadas, possuindo seção transversal quadrada ou triangular. Os estais são constituídos por cordoalhas de aço fixadas ao longo da torre e às fundações (blocos de ancoragem). Estas torres são as mais econômicas e fáceis de montar, porém, exige um terreno de área considerável para sua instalação, na ordem de dez vezes a área daquele utilizado em uma estrutura autoportante de mesma altura. Não existe padrão de referência para caracterização ou padronização de todos os modelos de torres metálicas estaiadas. Normalmente, estas torres são projetadas com base em características de torres existentes, de modo a atender necessidades específicas. Os perfis estruturais mais comumente utilizados são cantoneiras simples de abas iguais de aço ASTM A36, conhecido comercialmente no Brasil como MR250, que tem tensão de ruptura entre 400MPa a 500MPa e módulo de elasticidade igual a 205GPa. Deve-se instalar próximo ao topo das torres metálicas estaiadas um dispositivo especial que, através da utilização de estais adicionais num mesmo nível e afastados dos montantes formando braços de alavanca adequados, absorvam os esforços de torção, sendo, portanto conhecidos como dispositivo antitorção. Os estais são, em geral, constituídos de cabos de aço de sete fios (1+6) com alma de aço e protegidos contra corrosão com capa protetora de zinco. Os cabos devem ser do tipo HS (High Strenght) ou EHS (Extra High Strenght) com diâmetro máximo de 16mm. Os cabos de aço estão sujeitos a dois tipos de deformação longitudinal: a elástica e a estrutural. A deformação elástica é diretamente proporcional à carga aplicada e ao comprimento do cabo e inversamente proporcional ao seu módulo de elasticidade e a área da seção do cabo. A deformação estrutural, por sua vez, é a deformação causada pelo ajustamento dos fios do cabo, sendo permanente e começando logo que é aplicada uma carga no mesmo. 2. FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS UTILIZADAS Existem no mercado, alguns softwares para análise e dimensionamento de estruturas metálicas. Estes são amplamente utilizados pelos calculistas de estruturas metálicas, devido à competitividade do mercado e a grande produtividade que proporcionam. Neste trabalho, será utilizado o software Metálicas 3D (Cype Ingenieros). O Metálicas 3D é um software para cálculo de estruturas metálicas usuais, constituídas por perfis laminados, perfis soldados e perfis de chapa dobrada. O software permite gerar geometrias automaticamente ou importá-la no formato dxf. A análise é feita pelo método da rigidez direta e a verificação é feita pelo Método dos Estados Limites, com base na NBR 8800/86. O programa conta ainda com uma poderosa ferramenta para otimização automática dos perfis.

3 Dentre os carregamentos atuantes em uma torre, destaca-se a ação do vento. Esta foi considerada com o auxílio da ferramenta Auto Ventos Torres (Forti & Requena), segundo critérios de cálculo da NBR 6123/ MODELO ESTRUTURAL COMPUTACIONAL O modelo estrutural da torre metálica estaiada estudada neste trabalho possui seção triangular eqüilátera, com 1,25m de lado. Esta torre está apoiada diretamente em um bloco de fundação através de um dispositivo articulado, que permite que a torre gire em torno do eixo vertical da mesma. O primeiro nível de estais está posicionado a 17,6m da base e o segundo está posicionado a 39,5m da base. Os perfis constituintes da superestrutura são cantoneiras de abas iguais em aço laminado A36 e os estais são em cabo de aço EHS em cordoalha de sete fios (1+6), fixados através de blocos de ancoragem. A Figura 1, mostra a geometria da torre e a locação dos estais. No ponto de conexão dos estais com a torre foi considerado um apoio que impedisse as translações horizontais e deixasse livre a translação vertical. Na base da torre, foram considerados elementos rígidos ligando os montantes da torre e considerado apenas um apoio no centro da seção da base da torre, permitindo que a torre possa girar em torno do seu eixo vertical. Os nós de fixação dos estais são considerados nós horizontalmente indeslocáveis. Elementos rígidos Montante Ponto de conexão Figura 1 Elementos estruturais da torre descritos em sua seção transversal A Tabela 1, mostrada a seguir descreve a relação dos materiais constituintes da estrutura. Tabela 1 Relação dos materiais das barras Elemento Perfil Montantes (nos 12 primeiros metros) L 4 x 5/16 Montantes (nos 35,65m restantes) L 3 x 5/16 Diagonais L 2 x 3/16 Elementos do dispositivo antitorção L 2 x 3/16

4 Figura 2 Vista em elevação e seção da torre

5 A ferramenta Metálicas 3D (Cype Ingenieros) reconhece um modelo gráfico 3D, em formato dxf onde foi pré-modelada a estrutura. O programa interpreta cada interseção entre barras como nó e cada segmento de reta como barra estrutural, ficando como função do usuário a posterior definição dos tipos de perfis, tipos materiais, tipos nós, condições de vinculação da estrutura (apoios) e carregamento. A Figura 3 mostra o modelo gerado pelo AutoCAD 2006 (Autodesk), e que serve como modelo gráfico 3D, e a Figura 4 mostra este mesmo modelo importado pelo Metálicas 3D, já convertido em modelo estrutural 3D. Figura 3 - Modelo gráfico 3D que será transformado em modelo estrutural 3D Figura 4 - Modelo estrutural em 3D

6 A vantagem da utilização do modelo gráfico 3D em dxf é que, com auxílio das ferramentas da família CAD, torna-se fácil a tarefa da definição da geometria, coordenadas etc, no auxílio da geração do modelo estrutural de forma mais rápida e precisa, do que utilizando-se os recursos da própria ferramenta de cálculo estrutural. Neste modelo todos os nós foram considerados rotulados apesar das ligações serem, em geral, conectadas por dois ou mais para parafusos alinhados (ocasionando o surgimento de pequenos momentos). Esta consideração se dá, pelo fato dos elementos estruturais serem bastante delgados. 4. AÇÕES E CARREGAMENTOS De um modo geral, as ações em torres metálicas são de natureza estática, sendo portando subdivididas em ações permanentes e ações variáveis, de acordo com a NBR 8800/86, Anexo B. As ações permanentes são constituídas pelo peso próprio de todos os elementos constituintes da estrutura, incluindo peso de equipamentos e instalações permanentes suportadas pela mesma. As ações permanentes atuantes neste projeto foram: o peso próprio da estrutura, peso das antenas, peso dos cabos coaxiais das antenas e peso da escada. As ações variáveis são aquelas decorrentes do uso ou da ocupação da torre, que neste trabalho foram constituídas pelas ações de vento e sobrecarga. As ações devidas ao vento, comumente conhecidas por forças aerodinâmicas, produzirão uma componente na direção do vento chamada de Força de Arrasto (F a ); para o cálculo desta força deve-se conhecer um parâmetro aerodinâmico chamado de Coeficiente de Arrasto (C a ). Para a determinação dos coeficientes de arrasto em torres reticuladas, a norma NBR 6123 apresenta um gráfico, no qual estes coeficientes variam de acordo com o índice de área exposta (η). Este índice é definido como sendo a razão entre a área frontal efetiva de uma das faces do reticulado e a superfície limitada pelo contorno do reticulado. Em torres de seção triangular eqüilátera, são consideradas três incidências de vento, uma a 0, outra a 30 e outra a 60º. Neste trabalho as forças de vento serão calculadas pelo método estático descrito na NBR A seguir são apresentados os dados das ações, tanto permanentes quanto variáveis, utilizadas neste trabalho. Ações Permanentes: Peso próprio da estrutura: considerado automaticamente pelo Metálicas 3D; Escada: 0,12 kn/m; Cabos coaxiais: 0,30 kn/m; Antena parabólica: 1,0 kn; Ações Variáveis: Pessoal de manutenção: 2,8 kn; Equipamento auxiliar: 1,5 kn; Forças de vento. As forças horizontais de vento são consideradas atuando na estrutura da torre, na escada de acesso (escada tipo marinheiro), nos cabos coaxiais das antenas e nas antenas. Os parâmetros usados para a obtenção das forças de vento são: Velocidade básica do vento V o = 45 m/s; Fator de ocupação S 3 = 0.95; Categoria de rugosidade do terreno I; Classe B.

7 Conforme já exposto, com o auxílio da ferramenta Auto Ventos Torres (Forti & Requena) e, com base nas características da torre informadas na seção 3, é determinado o carregamento horizontal devido ação do vento na torre. A Figura 5 mostra a tela de entrada de dados para a geração da geometria da torre no Auto Vento Torres. Vale observar que a torre em estudo tem altura H igual a 47,65m, portanto foi usado o valor aproximado de 48m devido uma restrição do programa (H/M e h/m devem ser exatos). Figura 5 - Fornecimento das características geométricas da torre para obtenção da carga de vento A Figura 6 mostra a tela para o cálculo dos coeficientes de arrosto; o dado de entrada necessário é a área de exposição ao vento para cada subdivisão da torre, que no presente trabalho foi de seis em seis metros. E a Figura 7 mostra os pontos de aplicação das forças calculadas para cada nível considerado. Figura 6 - Determinação dos coeficientes de arrasto

8 Figura 7 - Aplicação das componentes da carga de vento aos nós da torre de seção triangular A seguir, é apresentado um resumo da listagem de dados da ferramenta Auto Ventos Torres (Forti & Requena), contendo as informações necessárias para obtenção dos referidos carregamentos, bem como os valores resultantes dos mesmos. Dados: Velocidade básica Vo = 45 m/s Fator de ocupação S3 = 0.95 Categoria de rugosidade do terreno 1 Classe B Fator S1 a 6 m = 1 Fator S1 a 12 m = 1 Fator S1 a 18 m = 1 Fator S1 a 24 m = 1 Fator S1 a 30 m = 1 Fator S1 a 36 m = 1 Fator S1 a 42 m = 1 Fator S1 a 48 m = 1 1. CÁLCULO DA PRESSÃO DO VENTO a. MÉTODO ESTÁTICO Módulo Z(m) S2 Qest(N/m^2)

9 2. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE ARRASTO Módulo Phi Aefetiva(m^2) Ca(qualquer direção) CÁLCULO DA FORÇA DE ARRASTO a. MÉTODO ESTÁTICO Módulo Z(m) Qest(N/m^2) Fai(N)Vento a qualquer direção APLICAÇÃO DA FORÇA DE ARRASTO AOS NÓS DOS DIAFRAGMAS a. MÉTODO ESTÁTICO Vento 0º A B C D E F Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Vento 30º A B C D E F Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Vento 60º A B C D E F Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z = Z =

10 A Tabela 2 apresenta a força devido ao vento nas antenas, bem como a sua cota de aplicação. A antena situada na cota 35m é a antena que será acrescida, as demais são as já existentes. Vale observar que, estas forças estão sendo consideradas para a situação mais desfavorável, ou seja, aquela em que a maior área exposta da antena está de frente para o vento incidente. A Figura 8 mostra as forças de vento aplicadas nos nós da estrutura para o vento incidindo a 0º. As cargas são divididas em dois nós. Cota (m) Tabela 2 - Carga devido ao vento nas antenas e cota de aplicação q * (N/m 2 ) C a Área da antena (m 2 ) Força (N) ,00 1,2 1, , ,00 1,2 4, , ,00 1,2 1, , ,00 1,2 1, , ,00 1,2 1, ,2 * Obtida do Auto Torre Ventos Figura 8 - Aplicação de cargas ao modelo estrutural 3D, para a hipótese de vento 0º 5. RESULTADOS Após a obtenção dos esforços, para a condição mais desfavorável, seguindo os critérios de verificação segundo a NBR 8800/86, foram obtidos as seções dos perfis da estrutura da torre. Estes cálculos mostraram que os perfis utilizados atenderam aos diversos carregamentos impostos, tanto nos critérios de esforços máximos, quanto nos deslocamentos decorrentes.

11 A Figura 9 mostra o resultado da verificação dos perfis pelo Metálicas 3D em um trecho do comprimento da torre, enquanto que a Figura 10 mostra a deformada da torre para o vento incidindo a 0º. Figura 9 - Resultados da verificação dos perfis pelo Metálicas 3D Figura 10 - Resultado da análise para hipótese de carregamento de vento a 0º 6. CONCLUSÕES No presente trabalho, foi proposta uma metodologia para verificação estrutural de torres de telecomunicação que integra a utilização de três poderosas ferramentas computacionais.

12 A primeira, gráfica, consagrada na elaboração de modelos tridimensionais, o Autocad (Autodesk), utilizada na construção do pré-modelo estrutural, e definição das características geométricas. A segunda, o software Metálicas 3D (Cype Ingenieros), utilizada na construção do modelo estrutural tridimensional e na análise estrutural dos elementos constituintes da torre. A terceira, o software Auto Ventos Torres (Forti & Requena), fundamental na geração das cargas devidas ao vento em torres, em particular aquelas com seção transversal triangular eqüilátera. Para que se pudesse aplicar a metodologia aqui proposta, foi escolhida a torre da rota de telecomunicações de Itaipu, sob controle da empresa Furnas Centrais Elétricas S.A., situada na localidade de Angatuba, SP. A metodologia aqui apresentada mostrou-se bastante eficiente, principalmente no que diz respeito à rapidez na construção dos modelos estruturais tridimensionais, bem como na definição e aplicação dos carregamentos ao mesmo, não somente para torres estaiadas de seção triangular, como também nas torres autoportantes de seção quadrada. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AutoCAD 2002, Autodesk. CIMAF Cabos S.A., Catálogos. Forti,T.L.D. e Requena J.A.V., AutoVentos 1.01 Torres, UNICAMP, Lima, A. L., Torre Matálica Estaiada com 32,5 m de Altura para Rádio Difusão. Trabalho de Monografia, UGB/FERP, 2003, Nova Iguaçu, RJ. Metálicas 3D, Cype Ingenieros. NBR 6123, ABNT, Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro. NBR 8800, ABNT, Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios (método dos estados limites). Rio de Janeiro. Pfeil, W. & Pfeil, M., LTC editora, Estruturas de Aço, Dimensionamento Prático. Rio de Janeiro: 7ª ed. Rodrigues, G.J.O. e Lima, A.L., Projeto de Cobertura em Arco Infra-Atirantado III Congresso Internacional da Construção Metálica III CICOM, Ouro Preto, 2006.