SISTEMA CUSTOMIZADO PARA ANÁLISE ESTRUTURAL DE LANÇA DE GUINDASTE COM DANOS NOS MEMBROS

Fátima Maria Nogueira de Souza SOFTEC Software Technology Ltda.

Alexandre Hansen

UFRJ � Universidade Federal do Rio de Janeiro

Trabalho apresentado na VI Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos � COTEQ, Salvador, Bahia, agosto, 2002.

As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).

SINÓPSE Este trabalho descreve um sistema customizado a ser utilizado como uma ferramenta de inspeção em unidades de produção que dependem do uso de guindastes para avaliar a capacidade estrutural de uma lança de guindaste com danos(defeitos) nos membros e garantir que o guindaste possa operar temporariamente com uma carga específica. A análise é realizada através de simulação numérica com um programa de elementos finitos, Macros e rotinas desenvolvidas com as linguagens de programação UIDL(�User Interface Design Language�) e FORTRAN. São criadas janelas específicas de interface com o usuário, definidas em português, para facilitar a definição dos defeitos nos membros da lança e a visualização dos resultados obtidos. Os defeitos a serem modelados são os seguintes: exclusão, recuperação ou modificação de contraventamentos, deformação localizada (mossa), corrosão, excentricidade local e global. O sistema customizado fornece as curvas de Cargas Máximas Içadas x Ângulos de Inclinação da lança intacta e com defeitos. Pode-se também executar uma análise para obter a carga máxima a ser içada pela lança posicionada em um determinado ângulo. Neste caso, o sistema fornece um relatório com a definição dos membros que falharam e um �plot� com o fator de tensão combinado em todos os membros, isto é, a razão entre a tensão combinada calculada no elemento e a tensão admissível. Os resultados são verificados pelo código AISC. Entre os principais benefícios do sistema estão a rapidez na análise de uma lança com danos nos membros, a confiabilidade nos resultados obtidos, a redução dos custos e perdas de operação e conseqüentemente o aumento da produtividade e lucratividade.

1. INTRODUÇÃO Guindastes são equipamentos de grande importância em indústrias, portos, navios, plataformas de petróleo entre outros locais, os quais estão expostos a condições de operação que podem danificar os membros de suas lanças. Não sendo possível reparar os membros imediatamente, o guindaste em geral é desqualificado para operar causando problemas em unidades de produção. O sistema customizado foi desenvolvido para fornecer soluções rápidas e seguras que ajudem as empresas a minimizarem as perdas e despesas em operações que dependam de guindastes. A entrada de dados e a visualização dos resultados são realizadas através de janelas gráficas específicas, definidas em português, dentro do programa de elementos finitos, para tornar o sistema rápido e fácil de ser utilizado. Macros são desenvolvidas para calcular a carga máxima suportada pelos membros das lanças e fornecer curvas, relatórios técnicos e �plots� com informações sobre as condições reais de operação da lança. Os resultados são verificados pelo código AISC. Esta avaliação permite ao usuário decidir como utilizar o guindaste, temporariamente, com segurança, e ajudá-lo a planejar manutenções preventivas ou consertos dos membros de uma lança. O objetivo do sistema customizado é avaliar a integridade estrutural de uma lança de guindaste com danos(defeitos) em alguns de seus membros, fornecer as novas cargas e respectivos ângulos de inclinação da lança e garantir que o guindaste possa operar temporariamente com uma carga específica.

2. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA CUSTOMIZADO De acordo com a solicitação pelo cliente, o sistema apresenta as seguintes características: - fácil de ser usado por pessoas que não possuam experiência em FEA; - instalação no sistema operacional Windows em PCs; - interface gráfica amigável; - janelas específicas em português; - resultados verificados pelo código AISC; - resultados apresentados em relatórios técnicos, curvas de cargas e �plots�; - biblioteca com diversos modelos de lanças de guindastes, em arquivos de dados (.db); - manual de ajuda em português. 3. DESCRIÇÃO DO SISTEMA O pré-processador e o pós-processador do programa de elementos finitos são modificados. A interface gráfica em inglês é desativada e substituída pelas janelas específicas do sistema PROLAN, apresentadas nas Figura 1 a 3, as quais foram criadas por rotinas desenvolvidas com a linguagem UIDL (�User Interface Design Language�) que é uma ferramenta de programação pertencente ao programa de elementos finitos utilizado para realização da análise da lança.

Figura 1 � Principais Janelas do PROLAN � Menu Principal e Janelas Específicas do �Help� e da Seleção de Elementos da Lança para Aplicação dos Defeitos

Figura 2 � Janelas Específicas para Verificação das Propriedades Geométricas dos Perfis, Definição de Defeitos e �Zoom�

Figura 3 � Janela de Identificação dos Elementos, Propriedades Mecânicas das Seções dos Perfis e Botões Customizados(�Toolbar�) para Executar Funções Específicas

No pré-processador o usuário pode executar as seguintes funções: - acessar uma biblioteca de modelos de elementos finitos de lança e escolher um arquivo para trabalhar; - excluir, modificar (trocar o material e geometria) ou incluir contraventamentos acessando a janela de definição de defeitos mostrada na Figura 2; - modificar propriedades mecânicas (constantes reais) e propriedades dos materiais de todos os membros; - definir danos nos membros: excentricidades local e global, deformação localizada (mossa) e corrosão acessando as janelas de definição dos defeitos apresentada nas Figuras 2 e 5. Diversas Macros são desenvolvidas para calcular novas propriedades mecânicas dos elementos danificados e/ou modificar as propriedades físicas dos materiais dos membros. As propriedades antigas são salvas para serem reutilizadas quando o membro for reparado. O novo modelo pode ser salvo para ser utilizado em análises futuras. O �Solver� do programa de elementos finitos e as diversas Macros são utilizadas para realizar uma análise linear e calcular cargas de reação, deslocamentos, tensões nos membros e gerar curvas de carga e relatórios técnicos. Os dois tipos de análises disponíveis no sistema são descritos a seguir. 3.1 - CASO A

Esta análise fornece as cargas içadas e os correspondentes ângulos de inclinação da lança danificada, de 10 a 80 graus, variando de 10 em 10 graus. O usuário define o fator de carga dinâmico, os limites superior e inferior dos fatores combinados de tensões e o número máximo de iterações a serem realizadas pelo programa para cada ângulo de inclinação. Uma Macro executa iterações para determinar a carga para o qual o máximo fator de tensão combinado, sobre um elemento da lança, atinge um valor entre os limites superior e inferior definido pelo usuário ou �default� do programa. A curva de Carga Máxima a ser Içada x Ângulo de Inclinação da Lança apresentada na Figura 4 é uma ferramenta a ser consultada nas Unidades de Produção para definição da capacidade de carga de uma lança avariada e aproveitamento do guindaste com maior eficiência .

3.2 - CASO B Esta análise calcula a capacidade estrutural da lança para uma condição específica de operação. O usuário informa o fator dinâmico (dependente de condições externas), a carga a ser içada e o ângulo de inclinação a ser utilizado, entre 10 e 80 graus, acessando a janela mostrada na Figura 6. Uma Macro calcula as cargas e as condições de contorno a serem aplicadas no modelo de elementos finitos. O programa fornece um �plot� dos fatores de tensão nos membros da lança apresentados na Figura 7 e um relatório com informações sobre as cargas críticas de flambagem dos membros conforme Figura 8.

As análises são realizadas com o �Solver� do ANSYS e verificadas pelo código AISC. Figura 4 � Curva de Carga Içada x Ângulo de Inclinação da Lança Figura 5 � Modelo de Elementos Finitos de uma Lança e Janela para Definição das Dimensões das Espessuras Corroídas nos Perfis dos Membros da Lança

Figura 6 � Detalhe da Lança com o Número dos Elementos e a Janela de Definição da Carga a ser Içada e um Ângulo Específico de Inclinação da Lança

Figura 7 � �Plot� da Lança com a Definição dos Fatores de Tensões Combinadas em Todos os Membros

Figura 8 - Relatório com definição das cargas críticas para uma análise de tensões específica para um determinado ângulo de inclinação e a carga içada

4. DESCRIÇÃO DAS JANELAS Há quatro janelas permanentes no sistema, pertencentes ao programa ANSYS: 4.1 - ANSYS Main Menu (Menu Principal) Janela que contem as opções de Pré-processador, Solver e Pós-processador do programa, conforme Figura 1. Contém as seguintes funções: - Selecionar lança: escolha do modelo na biblioteca; - Carregar lança: carrega o arquivo que contém o modelo da lança modeloN.db; - Defeitos: escolha do tipo de defeito; - Análise: escolha do CASO A ou CASO B; - Resultados: vista da curva de carga, �plot� da lança com o fator de tensão combinado ou listagem de um relatório; - Zoom/Giro: vista do modelo de diferentes ângulos; - Imprimir: impressão do modelo, curvas, �plots� e relatórios; - Saída do sistema: encerra o sistema. 4.2 - ANSYS Graphics Local onde o modelo é plotado e modificado. É a janela gráfica usada no programa ANSYS original conforme mostrado na Figura 1 . 4.3 - ANYSYS Output Local onde aparecem as mensagens de processamento do programa e de erros. Janela original do ANSYS. 4.4 - ANSYS Toolbar Local onde são definidos os ícones especiais das funções que introduzem os defeitos nos membros da lança e apresentam os resultados, como apresentado nas Figuras 1 a 3. Contém as seguintes funções: Salvar � salva o novo modelo; Sair � encerra o sistema; Help � abre os manuais de ajuda; G. Relat � gera relatório; L. Relat � lista relatório; Pre-sele � ativa as funções selecionadas; Return � desativa as funções selecionadas; nos_on � ativa a numeração dos nós; nos_off � desativa a numeração dos nós; elem_on � ativa a numeração dos elementos; elem_off - desativa a numeração dos elementos; prop_on � ativa a numeração das propriedades mecânicas e as cores dos elementos; prop_off - desativa a numeração das propriedades mecânicas e as cores dos elementos; esys_on � ativa o símbolo do sistema de coordenadas locais do elemento; esys_off - desativa o símbolo do sistema de coordenadas locais do elemento; Replot � para ser usado depois das funções xx_on ou xx_off para ativá-las. Modelo � ativa a visualização dos elementos depois de verificar os resultados;

5. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS O sistema contém uma biblioteca com arquivos de modelos de elementos finitos (modeloN.db), criados previamente, das partes da lanças: pé, ponta e corpo. O usuário não pode alterar os modelos, mas pode montar uma lança com as partes existentes e incluir ou excluir defeitos usando as funções do sistema customizado. Os modelos das partes de uma lança são definidos com elementos de viga BEAM44 para representar os membros, cordas ou contraventamentos, e elementos de casca SHELL63 para representar as placas na ponta e no pé da lança como apresentado na Figura 5. A estrutura é restringida na base. A rotação no plano de inclinação da lança é livre. A carga resultante é aplicada na ponta da lança. O peso da lança é calculado com os dados de entrada: densidade e aceleração da gravidade. Alguns fatores são utilizados para múltiplas cargas, considerando diferentes condições de operação tais como vento, ondas nas plataformas fora da costa (�offshore�) entre outras. Os dados que definem a estrutura e as curvas de carga da lança e do guindaste (Carga Máxima de Içamento x Ângulo de Inclinação) são armazenados no modeloN.db (arquivo de dados). Estes valores são lidos no pós-processador para reproduzir as curvas originais e compará-las com as novas curvas das lanças avariadas. 6. MODELAGEM DAS AVARIAS Os defeitos são incorporados aos membros das lanças (elementos) através de modelos matemáticos. Os critérios definidos pelo cliente e pela SOFTEC são utilizados nas MACROS para modificar as propriedades mecânicas e dados da geometria dos elementos. O Main Menu Defeito � mostrado nas Figuras 1 e 2, acessa as seguintes funções usadas para definir os defeitos: Excluir um contraventamento: apaga um elemento do modelo; Adicionar um contraventamento: restabelece os elementos retirados com as mesmas propriedades ou substitui os elementos com novas propriedades. Dados de entrada: as novas dimensões das seções; Corrosão no elemento: modifica as propriedades mecânicas de um elemento. Dados de entrada: dimensões das espessuras corroídas; Mossa na corda: modifica as propriedades mecânicas de um elemento. Dados de entrada: �Offset� no valor da profundidade da mossa e redução da seção transversal do elemento;

Excentricidade Local: cria uma excentricidade em um elemento de corda. Dados de entrada: deflexões máximas nas direções locais Y e Z; Excentricidade Global: cria uma excentricidade na direção das lanças. Dados de entrada: deflexões máximas nas direções globais Y e Z; Diferentes defeitos podem ser definidos no mesmo elemento (membro). 7. SAÍDA DE RESULTADOS No Main Menu, os resultados são acessados pela função �Resultados�, mostrada nas Figuras 1 e 2. A saída depende do tipo de análise realizada. Seguindo o mesmo procedimento do programa de elementos finitos, somente as funções dos resultados disponíveis permanecem ativadas. No CASO A o usuário pode visualizar ou listar e imprimir as seguintes informações: - curvas de carga do guindaste e das lanças intacta e danificada, mostrada na Figura 4; - um relatório com o número de iterações para cada ângulo de inclinação e o máximo fator de tensão combinado para as cargas içadas. No CASO B o usuário pode visualizar ou listar e imprimir as seguintes informações: - uma plotagem dos elementos das lanças com diferentes cores e uma legenda com o range dos valores, representando o fator de tensão combinado, conforme a Figura 7; - um relatório com os resultados das tensões e uma descrição com o motivo de uma falha no elemento de acordo com a verificação do código AISC. A função Zoom/Giro, pode ser utilizada para visualizar diferentes posições da lança com os resultados. 8. MACROS DESENVOLVIDAS MACROS são rotinas desenvolvidas com a linguagem de programação do ANSYS (UIDL) e com comandos do FORTRAN. Elas não precisam ser compiladas. O sistema é definido com diversas MACROS desenvolvidas para executar as seguintes funções: - criação de janelas em português com UIDL, como mostrado na Figura 1; - desativar janelas do programa base; - selecionar partes das lanças; - definir defeitos; - calcular propriedades mecânicas dos perfis: L(cantoneira), tubo e retangular; - realizar análises dos CASOS A e B; - visualizar gráficos; - gerar relatórios; - imprimir gráficos e relatórios; - verificar os resultados com os critérios do código AISC.

Parte da MACRO do AISC, desenvolvida pela ANSYS, Inc.(2), foi utilizada no sistema com as mesmas considerações. Diversas modificações e novas características foram implementadas. 9. CONCLUSÃO O sistema customizado foi desenvolvido para fornecer a engenheiros e técnicos de inspeção uma ferramenta com capacidade para realizar uma avaliação técnica sobre as condições de operação de uma lança danificada. Os resultados permitem o uso de lanças com mais segurança e eficiência, ajudando o usuário a planejar a inspeção preventiva para melhorar a produtividade em setores que dependem das operações das lanças. 9.1. Vantagens do Sistema Customizado - Utilização em PC�s com configuração básica; - Interface gráfica amigável para facilitar a entrada de dados; - Fornece resultados confiáveis calculados com o �Solver� do ANSYS e verificados pelo código AISC; - Apresenta relatórios práticos, gráficos e �plots� muito úteis para avaliar a capacidade de operação das lanças. 9.2. Benefícios para o Usuário - treinamento rápido e fácil, pois o sistema é muito amigável, existindo um manual de ajuda em português que inclui todos os procedimentos necessários ao uso do sistema. Este benefício tem sido confirmado por muitas pessoas que foram treinadas; - fornece ao usuário dados necessários para decidir como utilizar, com segurança, as lanças de guindastes danificadas; - torna o trabalho do usuário mais rápido e mais eficiente porque ele obtêm dados da lança que o permitem tomar decisões em menor tempo. 9.3. Benefícios para a Empresa - Aumenta a produtividade em setores que dependem dos guindastes; - Minimiza os custos da operação e da perda da produção; - Permite a reutilização de um guindaste que esteja fora de operação, após uma avaliação das suas reais condições de operação; - Adia a aquisição de novos guindastes.

Uma análise não linear foi realizada com o programa de elementos finitos utilizando um modelo de elementos finitos de lanças com todos os tipos de defeitos. Os resultados foram similares aos valores obtidos na análise linear verificada pelo AISC. Algumas diferenças nos resultados mostram que os critérios usados no sistema customizado são conservativos. Para o tipo de problema proposto pelo cliente, a solução fornecida pelo sistema customizado é a mais apropriada para o usuário e a empresa. É mais fácil e rápida de ser realizada se comparada à análise não linear, possui uma saída de dados objetiva e pode ser utilizada por pessoas não experientes em análise de simulação computacional.

É, portanto, uma excelente ferramenta para técnicos e engenheiros que atuam na inspeção de equipamentos. 10. AGRADECIMENTOS

A empresa SOFTEC agradece a Eric Clevenger da ANSYS, Inc. pelo suporte técnico fornecido no uso da linguagem UIDL, Leonardo Vilain, Marco Maddalena e Calmon pela confiança em nossa equipe, pela oportunidade do desenvolvimento e aplicação desta tecnologia e pelas muitas sugestões, José Augusto Martins Júnior, responsável pela rotina AISC e pelos modelos das lanças de guindastes, Décio dos Santos Paiva, responsável pela verificação dos critérios de cálculo e Marcello Augustus pela edição deste paper. 11. REFERÊNCIAS 1- ANSYS, Inc, �ANSYS Programmer�s Manual�, Revision 5.2, Houston, PA, 1995. 2 - Swanson Analysis Systems, Inc., �Use of ANSYS to Specify and Evaluate AISC Structures for Revision 5.0�, Houston, PA, 1993. 3- AISC, �AISC Manual of Steel Construction - Allowable Stress Design�, 9th Edition, NY, 1989. 4 - SALMON, C. G. and Johnson, J. E., �Steel Structure-Design and Behavior�, 4th Edition, Harper Collins, NY, 1996.