relatório roberto (02-2012)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁPRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO DE PESQUISA

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC CNPq e PIBICUFPA

RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO (PARCIAL)

Período : Agosto/2011 a Janeiro/2012

IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO

Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho):Implantação do Laboratório de Infraestrutura de Transporte Ferroviário daAmazônia - AmazonFerr, FASE 1 - Ênfase em Ensaios Experimentais deElementos Estruturais e Desenvolvimento de Sistema de Monitoração on-Line dePontes e Viadutos.

Orientador:Remo Magalhães de Souza Ph.D em Engenharia Civil e Ambiental

Departamento :Faculdade de Engenharia Civil

Unidade:Instituto de Tecnologia

Laboratório:Grupo de Instrumentação e Computação Aplicada à Engenharia

Título do Plano de Trabalho:Desenvolvimento de um módulo de análise estrutural em um software paraanálise de pontes ferroviárias.

Nome do Bolsista:Roberto Araújo Zaidan Coêlho

Tipo de Bolsa:PIBIC/ CNPq



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1. INTRODUÇÃO

Devido ao tempo e as intempéries da agressividade ambiental, uma

grande parte das pontes em concreto armado da EFC apresenta um nível

considerável de patologias, em especial fissuração excessiva. Entretanto, aspeculiaridades do comportamento de estruturas em concreto armado exigem a

utilização de um procedimento de análise específico para este tipo de estrutura.

Para permitir a análise das Pontes e Viadutos da EFC, neste convênio, foi

utilizado o software comercial SAP2000, e para agilizar as atividades de

verificação das pontes e viadutos estudados neste convênio, foram

desenvolvidos, no próprio NiCAE, diversas rotinas computacionais, na linguagem

MatLAB.

Entretanto, ao longo do desenvolvimento do trabalho, percebeu-se que

embora o programa SAP2000 possua diversos recursos para análise de pontes,ele ainda apresenta severas limitações quanto ao uso neste tipo de aplicação. O

programa ainda possui alguns bugs indesejáveis, e infelizmente, diante das

limitações, várias análises precisam ser feitas com o auxílio das rotinas

computacionais complementares desenvolvidas no NiCAE.

2. JUSTIFICATIVA :A presente proposta se justifica sob diversos aspectos. Em primeiro lugar,

deve-se destacar que existe um grande interesse da VALE em aumentar o

volume de minério transportado na EFC, utilizando-se vagões com maior carga

por eixo. Para isso deve ser verificada a capacidade resistente da via

propriamente dita, e das suas diversas obras de arte especiais (pontes e

viadutos). Deve-se destacar que não existe atualmente no mundo, nenhuma

ferrovia em operação com esse nível de carregamento por eixo, e que este fato,

por si só, já é considerado um desafio internacional.

Essas questões têm levantado preocupações na equipe de manutenção da

ferrovia, pois no atual estágio de conhecimento, não é possível estabelecerprecisamente o período de vida útil dessas construções e os prejuízos financeiros

causados pelo colapso de uma ponte pode ir muito além do custo necessário para

sua construção.

3. OBJETIVOS:O objetivo geral da proposta é o de desenvolver o software com base no

paradigma da Programação Orientado a Objetos (POO) voltado para a simulação

computacional do comportamento estrutural de pontes ferroviárias com base no



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método dos elementos finitos, e verificação através de critérios normativos paraestruturas de concreto armado.

De acordo com a melhor utilização dos princípios da POO, para aestruturação do aplicativo, se tomará como ponto de partida de análise aidentificação de objetos modelando-se o mundo real (no que diz respeito ao

processo de análise e verificação das pontes e viadutos ferroviários).

4. MATERIAIS E MÉTODOS:O programa será construído através de três fases básicas, quais sejam, as

fases de análise, projeto e implementação do aplicativo, as quais serãofortemente fundamentadas nos conceitos e características da abordagemorientada a objetos. Nesta abordagem, o principal bloco de construção de todosistema é o objeto ou a classe. A aplicação da abordagem orientada a objetos emum determinado sistema permite que sejam inseridas ao mesmo inúmerascaracterísticas positivas, tais como: padronização, extensibilidade, documentação

(permitir maior controle sobre o programa), estruturação e usabilidade (ter fácilcompreensão, ser eficaz, satisfazer o usuário, ser facilmente relembrável), entreoutras.

A princípio, um software de grande porte deve ser constituído por umconjunto de módulos independentes, mas inter-relacionados, para em seguida serem integrados em uma única plataforma gráfica, empregando-se a linguagemC++, fundamentando-se na abordagem Orientada a Objetos, e utilizando a UML(Unified Modeling Language – Linguagem de Modelagem Unificada) e DesignPatterns (Padrões de Projeto). A abordagem orientada a objetos será aplicada nodesenvolvimento do aplicativo através da utilização da UML, que é umalinguagem bastante difundida e utilizada para modelar sistemas. De uma formasimples, a UML pode ser definida com sendo uma linguagem gráfica paravisualizar, especificar, construir e documentar os artefatos de um sistemacomputacional orientado a objetos. Assim, a UML será fundamental para facilitar acompreensão da relação entre os objetos e entre as classes no programaproposto.

O sistema deverá permitir a modelagem de estruturas com diversos tiposde rótulas nas extremidades, e a consideração de apoios elásticos.

O módulo deverá permitir a consideração de cargas móveis e comoresultados deverá fornecer:

a) Deslocamentos nodais e ao longo dos elementos, para permitir a

determinação da configuração deformada da estrutura;b) Reações de apoio nas fundações;c) Esforços internos nas seções dos elementos, com vistas à obtenção de

diagramas de esforços internos, e de histórico de variações de esforços no tempo,em função da posição das cargas móveis; Considerando cargas unitáriasisoladas, como caso particular de carga móveis, o módulo poderá fornecerinformações para traçado de linhas de influência.

5. RESULTADOSCálculo da área da seção (por trapézios)



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Desenho das seçõesO programa apresenta fácil modelagem de seção inserindo as seguintes

informações sobre a seção:Largura do balanço;Largura da longarina;

Largura da longarina (na seção do pilar);Largura da Mísula;Largura total da seção;Altura da laje em balanço;Altura total da seção;Altura da mísula;Altura da laje central;Vão de seção variável.

Retornando as seções discretizadas a cada 10% do vão de seção variável:

Figura 1

Figura 1 – Seção no trecho de longarina medindo 0,35m.



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Figura 2

Figura 2 – Seção no trecho de longarina medindo 0,525m, localizado no meio do vão.

A Figura 2 é um exemplo da interpolação entre os extremos da seção, oprograma produz n-1 seçãoes interpoladas, onde n é igual a 100 dividido pelaporcentagem de discretização desejada.



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Figura 3

Figura 3 – Seção no trecho de longarina medindo 0,70m, localizado no encontro com opilar, seção mais robusta devido ao aumento dos esforços cortantes.

A interpolação de coordenadas possiblita que o programa desenhe comprecisão as seções, podendo discretizá-la ainda mais, em virtude de outrasnecessidades.

Cálculo dos pesos-própriosCom a inserção de dados sobre a geometria e pesos específicos dos

materiais é possivel calcular o peso-próprio de cada parte que compõe a ponte,dentre elas:

Refúgio;Canaleta;Lastro;Transversina intermediária;Base do poste.

Multiplicando-se o peso específico do concreto e de argamassa pelasrespectivas áreas de cada parte que a compõe.



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Verificação dos PilaresFoi desenvolvida também uma rotina em Matlab para que os pilares

submetido a compressão simples podessem ser verificados.

%Autor: Roberto Araújo Zaidan Coêlho clc;

clear;

disp ('Dimensionamento de Pilar Submetido à Compressão Centrada') %Tensão à 0,2% Tsd = 420/10;

%Dados de Entrada disp ('Insira as Dimensões do Pilar [cm]') b = input ('Base - x = '); h = input ('Altura - y = '); c = input ('Cobrimento = '); Ac = b*h;

%Propriedades dos Materiais disp ('Insira as Propriedades dos Materiais [MPa]') Fck = input ('Resistência do Concreto = '); Fyk = input ('Resistência do Aço = '); Fcd = Fck/1.4/10; Fyd = Fyk/1.15/10;

%Esforços Solicitantes (Nsd,Msd,Qsd) disp ('Esforço(s) Solicitante(s) [kN]') Nsd = input ('Esforço Normal = ');

%Cálculo da área de aço V=0; while (V==0)

V=1; As = (Nsd-0.85*Fcd*Ac)/Tsd; disp('Área de Aço = '); disp(As)

%Verificação de armadura mínima e máxima Asmin = 0.004*Ac; Asmax = 0.08*Ac;

if (As <= Asmin)

disp('Será adotada a armadura mínima') Nbf = 2; Nb = 4; d = 1;

disp('Diâmetro da Barra = ') disp('Ø 10.0 mm') disp('Número de Barras em uma Face = ') disp(Nbf) disp('Número de Barras Total = ') disp(Nb)

elseif (As > Asmin && As <= Asmax) disp('LISTA DE BARRAS')

disp('Ø 10.0 - 1') disp('Ø 12.5 - 2')



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disp('Ø 16.0 - 3') disp('Ø 20.0 - 4') disp('Ø 22.2 - 5') disp('Ø 25.0 - 6') disp('Ø 32.0 - 7')

Q=0; while (Q==0) Q=1; z = input ('Escolha o número referente ao Diâmetro das Barras de

Aço = '); if (z == 1);

d = 1; elseif (z == 2);

d = 1.25; elseif (z == 3);

d = 1.6; elseif (z == 4);

d = 2;

elseif (z == 5); d = 2.22; elseif (z == 6);

d = 2.5; elseif (z == 7);

d = 3.2; else

Q=0; disp('Não existe esse diâmetro comercial.')

end end

%Dimensionamento da Armadura Asf = (pi*d^2)/4;

disp ('Número de Barras em uma das Faces do Pilar = ') Nbf = ceil((As/Asf)/2); disp(Nbf) %Comando Ceil(x) arredonda para o maior inteiro positivo

disp ('Número Total de Barras = ') Nb = Nbf*2; disp(Nb)

else clear b; clear h; clear Ac;

disp('A Taxa Máxima de Armadura foi Ultrapassada') disp('Aumente as Dimensões do Pilar')

b = input ('Base - x = '); h = input ('Altura - y = '); Ac = b*h;

V=0; end

end

%Cálculo dos estribos disp('Adotando Diâmetro do estribo = 5 mm')

de = 0.5;



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%Cálculo do espaçamento entre as barras longitudinais p=0; while (p==0)

p=1; disp ('Base (eixo-x) - 1')

disp ('Altura (eixo-y) - 2 ') w = input ('Escolha em qual das direções estarão as barras = '); if (w == 1);

l = b; elseif (w == 2);

l = h; else

p = 0; disp('Por favor, escolha uma das direções.');

end end

disp('Espaçamento das Barras Longitudinais [cm]');

sl = (l-2*(de+c)-Nbf*d)/(Nbf-1); disp(sl)

Dados ilustrativos para demonstração de funcionalidade do programade verificação de pilar:

Dimensionamento de Pilar Submetido à Compressão CentradaInsira as Dimensões do Pilar [cm]Base - x = 100Altura - y = 100

Cobrimento = 3Insira as Propriedades dos Materiais [MPa]Resistência do Concreto = 18Resistência do Aço = 500Esforço(s) Solicitante(s) [kN]Esforço Normal = 15000Área de Aço =

96.9388

LISTA DE BARRASØ 10.0 - 1

Ø 12.5 - 2Ø 16.0 - 3Ø 20.0 - 4Ø 22.2 - 5Ø 25.0 - 6Ø 32.0 - 7Escolha o número referente ao Diâmetro das Barras de Aço = 5 Número de Barras em uma das Faces do Pilar =

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Número Total de Barras =26



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Em segundo plano também foram estudadas as áreas de vibraçãomecânica, fator que tem levado torres de transmissão de energia no mundo todoe até mesmo no estado do Pará a entrar em colapso, para isso foi utilizado oPAVICA, equipamento para medição e análise de vibrações mecânicasdecorentes de ações dos ventos.

A partir de medições in’loco foi possível calcular as tensões dinâmicasatuantes, a fadiga acumulada e o mais importante, a vida útil de um cabo detransmissão de energia elétrica.

6. PUBLICAÇÕES:

Análise de segurança estrutural e monitoração de torres detelecomunicação e de linhas de transmissão de energia elétrica usadas noprograma navegapará.

7. ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES

As atividades a serem desenvolvidas nos próximos meses são:

a) Implementação Computacional - Nesta etapa serão realizadas acriação de módulos capazes de desenhar a ponte seção a seção, discretizá-la eposicionar a armadura em cada seção, bem como a criação dos módulos quepossibilitarão a análize estrutural das pontes;

b) Criação dos Modelos das Pontes - nesta etapa o bolsista modelar osprojetos de pontes no programa para análise computacional;

c) Análise dos Resultados - nesta etapa serão feitas comparações entreos resultados numéricos e experimentais no que diz respeito aos parâmetrosmodais, e os modelos computacionais serão devidamente aferidos;

d) Elaboração do Relatório Final, e Publicação de Artigos - Nesta etapaserão redigidos os relatórios finais, e artigos para apresentação em congressos esubmissão para periódicos.

8. CONCLUSÃO:

Através da comparação entre os resultados do programa SAP2000 eARTeMIS Extractror, observa-se uma boa correlação entre o modelo numérico e omodelo experimental simulado. Pois, uma vez que dentre os itens quesupostamente podem ocasionar discrepâncias entre os resultados, restou paraverificação somente o método de calculo utilizado, concluindo-se portanto, que ométodo SSI possui boa precisão com relação a identificação de freqüências emodos.

A quantidade de modos encontrada foi suficiente para verificar a boa

correlação entre os modelos experimental simulado e os modelos numéricos.



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9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Avelino Alvez Filho; “Elementos Finitos - A base da tecnologia CAE – Análise Dinâmica”.

Avelino Alvez Filho; “Elementos Finitos - A base da tecnologia CAE”

Walter Pfeil, Michele Pfeil; “Estruturas de aço: Dimensionamento prático (7ªedição)”.

Aloísio Ernesto Assan; “Método dos Elementos Finitos – Primeiros Passos”.

Paulo Roberto Labegalini, Jose Ayrton Labegalini Rubens Dario Fuchs EtAl; Projetos Mecânicos das Linhas Aéreas de Transmissão.

Amador, S.D.R., de Souza, R.M., (2006). “Full-Scale Experimental ModalAnalysis of an Overhead Transmission Line Tower Crossing Guamá River In The Amazon Region.” The Thirteenth International Congress on Sound and Vibration;Austria.

10. DIFICULDADES

O principal revés do projeto de criação do programa é a falta de umainterface gráfica, meio pelo qual torna-se-ia mais intuitiva a modelagem e aanálise dos resultados.

11. PARECER DO ORIENTADOR

O aluno apresentou bons resultados. O tempo previsto inicialmente paraelaboração dos modelos computacionais não foi suficiente, devido à própriacomplexidade destes modelos, os quais são compostos por centenas de barras. Ébastante notória a grande evolução do aluno no que diz respeito aosconhecimentos teóricos, e elaboração do texto do relatório.

DATA : ______/_________/________

_________________________________________ ASSINATURA DO ORIENTADOR

____________________________________________ ASSINATURA DO ALUNO



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FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃOCIENTÍFICA

O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTESASPECTOS DO RELATÓRIO :

1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorrerammudanças significativas, elas foram justificadas?

2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho ?

3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com osobjetivos propostos?

4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista?Comentar sobre a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenhasido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados parapublicação? Em que tipo de veículo?

5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório

6. Parecer Final:Aprovado ( )Aprovado com restrições ( ) (especificar se são mandatórias ou

recomendações)Reprovado ( )

7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) _____________ Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, odesenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação dorelatório.

Data : _____/____/_____.

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Assinatura do(a) Avaliador(a)

relatório roberto (02-2012)

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