AUTOMAÇÃO DO PROJETO DE TRELIÇAS METÁLICAS PLANAS CONSTITUÍDAS DE BARRAS TUBULARES (1)

Transcrição

1 AUTOMAÇÃO DO PROJETO DE TRELIÇAS METÁLICAS PLANAS CONSTITUÍDAS DE BARRAS TUBULARES (1) AUTOMATION OF THE DESIGN OF STEEL PLANE TRUSSES CONSTITUTED OF CIRCULAR HOLLOW SECTIONS MEMBERS João Alberto Venegas Requena (2) Nilto Calixto Silva (3) Luís Guilherme Paschoal (3) Afonso Henrique Mascarenhas Araújo (4) Resumo: Este artigo tem por objetivo apresentar um programa de computador desenvolvido para automatizar o projeto de treliças metálicas planas constituídas de barras tubulares, de acordo com a norma brasileira NBR8800/86. A estrutura metálica, em questão, é constituída de pórticos planos com cobertura em treliça. Os pilares são formados por barras tubulares. As traves em treliça seguem as seguintes formas: geometria em duas águas trapezoidal, geometria em duas águas com banzos paralelos, geometria em arco circular e geometria em arco parabólico. Estas treliças também são constituídas de barras tubulares. Foi utilizada, para desenvolver o programa, a linguagem de programação Object Pascal, através do software Delphi 5 (Programação Orientada ao Objeto) com o objetivo principal de servir de ferramenta computacional para disseminar esta típica categoria estrutural entre os engenheiros projetistas e os estudantes de estruturas metálicas. O programa apresenta interface ao usuário, automatizando todas as etapas de projeto que incluem a geometria da estrutura, os carregamentos, o cálculo dos esforços, o dimensionamento das barras tubulares e, finalmente, o dimensionamento e detalhamento das ligações. As barras tubulares utilizadas no projeto são do tipo circulares, fabricadas no Brasil. Finalmente, serão apresentados exemplos numéricos que demonstram a utilização do programa bem como sua potencialidade de automação. Palavras chave: Automação, Estruturas de Aço, Ligações Tubulares (1) - Contribuição Técnica a ser apresentada no IV Seminário Internacional O Uso de Estruturas Metálicas na Construção Civil / I Congresso Internacional da Construção Metálica (I CICOM) novembro, 2001 São Paulo, SP, Brasil. (2) - Prof. Doutor do Departamento de Estruturas - FEC/UNICAMP - Campinas, SP, Brasil. (3) Ex-Alunos de Graduação da FEC/UNICAMP - Campinas, SP, Brasil. (4) - Engenheiro Civil, - Vallourec & Mannesmann do Brasil Belo Horizonte, MG, Brasil.

2 Abstract: The goal of this paper is to present a software developed to automate the design of steel plane trusses constituted of circular hollow sections members, in agreement to the Brazilian code NBR8800/86. The steel structure, in subject, is constituted of plane frames with roof in trusses. The columns are formed of hollow sections. The trusses can be made of the following geometries: two waters trapezoidal, two waters in parallel chords, circular arch and parabolic arch. These trusses are also constituted of hollow sections members. It was used to develop the software the programming language Object Pascal, through the software Delphi 5 (Programming Guided to the Object) with main objective of serving for the computational tool to disseminate this typical structural category among engineer, designer and students of steel structures. This software presents an interface to the users, automating the design steps that include the geometry of the structure, the loading, the calculation of the efforts, the design of the hollow sections and, finally, the design and detailing of the connections. The members used in the design, are made of the hollow sections manufactured in Brazil. Finally, numerical examples will be presented demonstrating the use of the program and the automation potentiality of automation as well. Key words: Automation, Steel Structures, Hollow Sections Connections 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 NBR8800 (ABNT 1986), foi desenvolvido um programa de computador na Faculdade de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Campinas (FEC - UNICAMP), em convênio com a empresa Vallourec & Mannesmann do Brasil. 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 adquiram familiaridade em projetos de estruturas metálicas planas, utilizando os referidos perfis tubulares. O programa, denominado AutoMETAL - V & M do Brasil UNICAMP, tem a tarefa de ajudar a disseminar a tecnologia do uso de estruturas de aço constituídas de perfis tubulares, automatizando todo o processo de um projeto. Esta tarefa é realizada em cinco etapas: (i) geração automática das geometrias; (ii) lançamento automático dos carregamentos; (iii) cálculo dos esforços e reações; (iv) dimensionamento dos perfis tubulares das barras e, finalmente, (v) cálculo das ligações. O programa, citado, é provido de uma interface gráfica para o detalhamento básico automatizado das ligações. O corpo principal do programa foi desenvolvido em linguagem de programação Object Pascal, através do software Delphi 5 (Programação Orientada ao Objeto) e o módulo gráfico foi desenvolvido em linguagem de programação AutoLisp, em plataforma CAD.

3 2- AUTOMAÇÃO DA GEOMETRIA A automação da geometria é realizada de acordo com alguns parâmetros básicos da estrutura, como por exemplo, tipo de treliça plana, vão livre, tipo de telha, distância máxima entre terças. O programa é capaz de gerar a geometria mais adequada às informações impostas pelo calculista. A figura 1 ilustra a tela principal do programa exemplificando uma treliça em banzos paralelos, apoiada em pilares. Figura 1 Tela Principal do Programa AutoMetal V & M do Brasil UNICAMP Para gerar a geometria, citada na figura 1, deve-se acessar a tela de geração automática de geometrias, figura 2, desenvolvida para treliças em duas águas e treliças em forma de arco. No caso de duas águas o programa pode gerar geometria de treliça trapezoidal ou de banzos paralelos. No caso de arcos o programa pode gerar eixos circulares e parabólicos, com banzos paralelos, ou eixo circular com seção de inércia variável. Na figura 2 é exemplificada uma treliça gerada automaticamente com a tela de geração automática de geometrias para uma treliça em duas águas com banzos paralelos, com vão de 20 metros, inclinação de %, distância entre banzos de 0.60 metros, distância máxima entre terças de metros. As telhas podem ser escolhidas automaticamente, bastando para isto indicar o tipo de telha e a sobrecarga que irá suportar. Na figura 3 é ilustrada a tela de escolha das telhas de aço. O resultado é exportado para a tela da figura 2, apresentando a geometria gerada com a informação do coeficiente de utilização da telha escolhida, com o objetivo de alcançar o índice de 100% da telha escolhida. Cada tipo de telha, com forma e espessura escolhida, tem

4 uma limitação de distância entre apoios que definem as posições das terças e, consequentemente, as posições de nós no banzo superior das treliças. Figura 2 Geração Automática de Geometrias de Treliças Figura 3 Escolha Automática das Telhas 3- AUTOMAÇÃO DO CARREGAMENTO

5 O programa possibilita o lançamento automático das ações permanentes, das ações de sobrecarga e das ações devidas ao vento. A figura 4 ilustra a tela onde os dados sobre os carregamentos devem ser indicados. O programa já assume as posições das terças geradas na etapa anterior indicando, na cor azul, os nós que contém as terças. Desta forma, as áreas de influência dos nós carregados são calculadas automaticamente gerando as ações aplicadas. Figura 4 Dados dos diferentes carregamentos O preenchimento da tela da figura 4, com os dados referentes às ações permanentes e de sobrecargas podem ser efetuados diretamente. Porém, para preencher os dados referentes às ações devidas ao vento, segundo a norma brasileira NBR6123 (ABNT 1988), há a necessidade de efetuar os cálculos para determinações das pressões dinâmicas do vento e dos coeficientes de pressão e forma da estrutura. Neste caso, o programa é provido de telas que facilitam a automação dos referidos cálculos. Na figura 5 é ilustrada a tela para determinação das pressões dinâmicas do vento. Na figura 6 é ilustrada a tela com o mapa das isopletas para determinação das velocidades básicas do vento. Estas telas são de fácil utilização, pois integram os textos e roteiros da citada norma brasileira. Nas figuras 7 e 8 são ilustradas as telas que efetuam os cálculos dos coeficientes de pressão e forma que agem na estrutura. Estas telas devem ser preenchidas de acordo com as condições geométricas da estrutura e, principalmente, com as condições de aberturas de portas e janelas. Estas aberturas são de fundamental importância para a determinação dos coeficientes. Na figura 5 é exemplificado uma estrutura em terreno plano, categoria III, classe B, com altura da edificação de 7.37 metros e grupo 3. Resultando, fatores S 1 = 1.0, S 2 = 0.89, S 3 = 0.95, velocidade básica = m/s, velocidade característica = m/s e pressão dinâmica = Kg/m 2. A velocidade básica foi obtida através da figura 6, mapa das isopletas, para uma região próxima a cidade de Belo Horizonte/MG. Na figura 7 é exemplificada uma estrutura com dimensões de 20 m por 40 m, em projeção horizontal, com altura das paredes de 5 m e altura máxima do telhado de 7.37 m. As aberturas

6 de janelas fixas são de 10.0 m 2.. As aberturas de janelas e portões móveis são de 20 m 2. Todas as aberturas são localizadas nas paredes longitudinais. Os resultados das combinações dos coeficientes de pressão e de forma da estrutura são ilustrados na figura 8. Figura 5 Cargas Devidas ao Vento em Edificações

7 Figura 6 Mapa das Isopletas Figura 7 Definição dos Coeficientes de Pressão e Forma (NBR6123/87)

8 Figura 8 Coeficientes Finais de Pressão e Forma (NBR6123/87) 4- CÁLCULO DOS ESFORÇOS Para a etapa de determinação dos esforços nas barras das treliças e reações nos apoios (ou pilares) o programa utiliza o método dos elementos finitos trabalhando com dois tipos distintos de elementos. O primeiro tipo, elemento de treliça, apresenta apenas esforços axiais. Este elemento é empregado em todas as barras da treliça, e possui dois graus de liberdade por nó. O segundo tipo, elemento de pórtico, com três graus de liberdade por nó. Este elemento é empregado apenas nos pilares, pois trabalham também à flexão. O procedimento de cálculo é feito no regime elástico linear. De acordo com as normas brasileiras NBR8681 (ABNT 1984) e NBR8800 (ABNT 1986) que trabalham com o método dos estados limites o programa apresenta a tela de combinações das ações, figura 9, para as devidas combinações dos carregamentos e consequentemente a tela de combinações dos esforços finais, figura 10.

9 Figura 9 Combinações das Ações Figura 10 Esforços Finais nas Barras 5- DIMENSIONAMENTO DOS PERFIS TUBULARES O dimensionamento dos perfis das barras das treliças é realizado com perfis tubulares de aço, sem costura, V & M do Brasil. O dimensionamento das barras dos pilares pode ser realizado com seção retangular, em concreto armado, ou com os perfis tubulares de aço, citados. O dimensionamento é realizado de acordo com a norma NBR8800 (ABNT 1986). Para o dimensionamento é necessário definir os pontos de contraventamentos das treliças, pois definem os comprimentos de flambagem das barras, fora do plano das treliças. A figura 11 ilustra a tela de grupos de barras contraventadas exemplificando o 4 0 grupo de CTV para as barras 25 e 26 com o comprimento de 2.538m. Desta forma, a tela da figura 12 pode ser acessada para realizar o dimensionamento das barras de acordo com o tipo de aço escolhido.

10 Figura 11 Grupos de Barras Contraventadas Figura 12 Dimensionamento de Perfis Laminados Tubulares Na figura 13, são ilustrados os perfis finais dos dimensionados, indicando a porcentagem de peso de cada grupo dimensionado. O peso próprio das barras é inserido no instante da escolha do perfil, ou seja, após o dimensionamento das barras o programa recalcula os esforços e verifica todos os perfis, figura 14. Caso necessário o programa troca automaticamente o perfil e altera o carregamento devido ao peso próprio. Novamente recalcula os esforços da estrutura e verifica os perfis. O processo é repetido até alcançar o dimensionamento otimizado final.

11 Figura 13 Perfis Dimensionados Finais Figura 14 Verificação de Perfis Circulares 6- CÁLCULO DAS LIGAÇÕES O cálculo das ligações é realizado de acordo com a norma brasileira NBR8800 (ABNT 1986). Nas telas das figura 15, 16, 17 e 18 estão exemplificados os dimensionamentos das ligações de Tipo Padrão, Flange, Conexão e Base, respectivamente.

12 Figura 15 Automação do Cálculo da Ligação Tipo Padrão Figura 16 Automação do Cálculo da Ligação Flange

13 Figura 17 Automação do Cálculo da Ligação Conexão Figura 18 Automação do Cálculo da Ligação Base

14 7- DETALHAMENTO BÁSICO IV Seminário Internacional O Uso de Estruturas Metálicas na Construção Civil e O detalhamento básico automatizado é realizado em plataforma CAD. Na tela da figura 19, estão exemplificados os principais detalhes para a estrutura em banzos paralelos. O programa gera a prancha de desenho básico para que o projetista possa realizar os acabamentos finais. Na tela da figura 20 é ilustrado o detalhe básico da ligação de uma emenda com flange. Figura 19 Automação do Detalhamento Básico da Treliça em Banzos Paralelos

15 Figura 20 Detalhe da Emenda da Barra com Flange Parafusada Na tela da figura 21 é exemplificado o detalhamento básico para uma treliça trapezoidal. Na tela da figura 22 é exemplificado o detalhamento básico para uma treliça em arco circular. Figura 21 Automação do Detalhamento Básico da Treliça Trapezoidal em Duas Águas

16 Figura 22 Automação do Detalhamento Básico da Treliça em Arco Circular 8- CONSIDERAÇÕES FINAIS O programa de computador apresentado representa uma contribuição para a disseminação de estruturas de aço em treliças planas constituídas de barras tubulares, de acordo com a norma brasileira NBR8800 (ABNT 1986). Através da automação de todo o projeto, desde a geometria da estrutura até o detalhamento básico, foi desenvolvida uma nova ferramenta computacional de fácil utilização tanto para alunos de engenharia quanto para profissionais da área de estruturas metálicas. 9- REFERÊNCIAS [1] Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, 1984, Ações e Segurança nas Estruturas, (NBR 8681), Rio de Janeiro, RJ. [2] Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, 1986, Projeto e Execução de Estruturas de Aço de Edifícios: Método dos Estados Limites, (NBR 8800), Rio de Janeiro/RJ. [3] Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, 1988, Forças Devidas ao Vento em Edificações, (NBR 6123), Rio de Janeiro/RJ,. [4] CHEN, W. F., ZHANG, H., 1990, Structural Plasticity: Theory, Problems, and CAE Software, N.Y., Ed. Springer-Verlag. [5] KANCHI, M. B., 1993, Matrix Methods of Structural Analysis, N.Y., Ed. John Wiley & Sons. [6] PRUDENTE, M., ANTUNES, M. C. C., 1997, Otimização Discreta de Estruturas de Aço Treliçadas Planas, XVIII CILAMCE Congresso Ibero Latino-Americano de Métodos Computacionais para Engenharia, Brasília/DF, Vol. 1, pp [7] PACKER, J. A., HENDERSON, J. E., 1997, Hollow Structural Section Connections and Trusses a Design Guide, Canada, Canadian Institute of Steel Construction. [8] ASSAN, A. E., 1999, Método dos Elementos Finitos: Primeiros Passos, Campinas/SP, Editora da UNICAMP.