Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

O objetivo deste trabalho é desenvolver uma ferramenta de automatização de cálculo para projeto estrutural de pórticos rolantes. Com o apoio da geração automática de um modelo de elementos finitos e um memorial de cálculo, o projeto estrutural desses equipamentos pode ser rapidamente verificado quanto ao limite de escoamento do material e resistência à flambagem. Optou-se pela utilização do método dos elementos finitos para o cálculo estrutural, pois se trata de uma ferramenta de cálculo moderna, que permite avaliar soluções para as quais não há ferramentas analíticas disponíveis. Porém, o tempo para geração de modelos de cálculo pode ser longo em relação ao cronograma do projeto, principalmente se houver a necessidade de se alterar a geometria inicial ou se existirem várias condições de carregamento a serem analisadas. A utilização de um pré-processador permite que várias alternativas sejam analisadas para escolha da que melhor atenda aos requisitos de projeto e de custo. Assim como ocorre com outras estruturas de engenharia, não existe uma equação de dimensionamento, mas sim de verificação; as estruturas ótimas são procuradas por tentativa e erro com base na experiência do projetista. Para facilitar a busca de uma estrutura ótima, implementou-se também uma rotina para otimizar as estruturas metálicas do pórtico. Adotou-se como função objetivo nesta implementação a minimização da massa, o que no caso dos pórticos implica em redução da área da seção transversal das vigas. Como restrições a esta redução adotaram-se o limite de escoamento do material e limite de estabilidade da estrutura (flambagem). Foram utilizados os aplicativos Excel (Microsoft), Ansys (Ansys Inc.) e Mathcad (Mathsoft) de maneira integrada a fim de se obter uma interface amigável, uma análise estrutural confiável e a elaboração automática de um memorial de cálculo. / The objective of this work is to develop a tool to generate an automatic structural design of gantry cranes. With an automatic generation of finite element models and also a design report, this routine allows a fast verification against yield of material and structural instability. The use of the finite element method was chosen for the structural design because it is a modern analysis tool that permits the evaluation of geometric configurations for which there are no analytical formulations available. However, the time necessary to build these models may be high, especially if there are changes in the initial geometry and many load cases. The use of a pre-processor allows the evaluation of a series of geometric alternatives, within which would be chosen the one with the lowest cost that attends the client’s specifications. Like many other engineering problems, there are no direct equations to find an adequate structure; there are only verification procedures available; the optimum structures are searched by trial and error, based on the designers’ experience. To accelerate this search process, an optimization routine was developed. Mass reduction was adopted as the objective function, which leads to reduction of the cross section area of the beams. Yield strength and buckling were adopted as restrictions to this optimization. Excel (Microsoft), Ansys (Ansys Inc) and Mathcad (Mathsoft) software were integrated to provide an user-friendly interface, reliable structural analysis and an automatic report generation.

O objetivo deste trabalho é desenvolver uma ferramenta de automatização de cálculo para projeto estrutural de pórticos rolantes. Com o apoio da geração automática de um modelo de elementos finitos e um memorial de cálculo, o projeto estrutural desses equipamentos pode ser rapidamente verificado quanto ao limite de escoamento do material e resistência à flambagem. Optou-se pela utilização do método dos elementos finitos para o cálculo estrutural, pois se trata de uma ferramenta de cálculo moderna, que permite avaliar soluções para as quais não há ferramentas analíticas disponíveis. Porém, o tempo para geração de modelos de cálculo pode ser longo em relação ao cronograma do projeto, principalmente se houver a necessidade de se alterar a geometria inicial ou se existirem várias condições de carregamento a serem analisadas. A utilização de um pré-processador permite que várias alternativas sejam analisadas para escolha da que melhor atenda aos requisitos de projeto e de custo. Assim como ocorre com outras estruturas de engenharia, não existe uma equação de dimensionamento, mas sim de verificação; as estruturas ótimas são procuradas por tentativa e erro com base na experiência do projetista. Para facilitar a busca de uma estrutura ótima, implementou-se também uma rotina para otimizar as estruturas metálicas do pórtico. Adotou-se como função objetivo nesta implementação a minimização da massa, o que no caso dos pórticos implica em redução da área da seção transversal das vigas. Como restrições a esta redução adotaram-se o limite de escoamento do material e limite de estabilidade da estrutura (flambagem). Foram utilizados os aplicativos Excel (Microsoft), Ansys (Ansys Inc.) e Mathcad (Mathsoft) de maneira integrada a fim de se obter uma interface amigável, uma análise estrutural confiável e a elaboração automática de um memorial de cálculo. / The objective of this work is to develop a tool to generate an automatic structural design of gantry cranes. With an automatic generation of finite element models and also a design report, this routine allows a fast verification against yield of material and structural instability. The use of the finite element method was chosen for the structural design because it is a modern analysis tool that permits the evaluation of geometric configurations for which there are no analytical formulations available. However, the time necessary to build these models may be high, especially if there are changes in the initial geometry and many load cases. The use of a pre-processor allows the evaluation of a series of geometric alternatives, within which would be chosen the one with the lowest cost that attends the client’s specifications. Like many other engineering problems, there are no direct equations to find an adequate structure; there are only verification procedures available; the optimum structures are searched by trial and error, based on the designers’ experience. To accelerate this search process, an optimization routine was developed. Mass reduction was adopted as the objective function, which leads to reduction of the cross section area of the beams. Yield strength and buckling were adopted as restrictions to this optimization. Excel (Microsoft), Ansys (Ansys Inc) and Mathcad (Mathsoft) software were integrated to provide an user-friendly interface, reliable structural analysis and an automatic report generation.

As vigas de rolamento são estruturas destinadas ao suporte de pontes rolantes, estas amplamente utilizadas para movimentação de cargas em galpões industriais. O presente trabalho apresenta um estudo sobre as vigas de rolamento de aço sem contenção lateral entre apoios, em geral projetadas com vão inferior a 7 metros, portanto destinadas ao suporte de pontes rolantes leves (capacidade nominal até 250 kN). A ausência de contenções laterais intermediárias aliada ao desalinhamento e à imprecisão na locação dos trilhos, bem como à presença de forças horizontais transversais ao eixo da viga (aceleração/frenagem do trole), impõem flexão lateral e torção, esforços que são equilibrados apenas pelas contenções nos apoios. A análise foi realizada utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF), considerando a análise não linear física e geométrica do problema, ou seja, um modelo mais próximo da viga real. Os resultados numéricos, quando comparados aos obtidos por meio da teoria de flexo-torção, mostraram uma inversão na distribuição esperada de tensões na mesa superior do perfil, ou seja, nos pontos onde deveria ocorrer aumento da tensão longitudinal de compressão, ocorreu redução. Esta inversão pode ou não ocorrer, dependendo da espessura da mesa superior, intensidade e posição da força vertical da roda da ponte. Além disso, os resultados determinados via MEF foram comparados com os obtidos via modelo tradicional de barra (momento de torção substituído por um binário de forças horizontais nas mesas). A comparação indicou divergência entre os resultados, podendo o dimensionamento pelo modelo de barra levar tanto a situações a favor da segurança como contra a segurança. / The runway girders are structures intended for support cranes, these broadly used to movement of loads in industrial buildings. This research presents a study about the runway girders without lateral bracing between support points, generally designed with span lower than 7 meters, therefore intended for support of light cranes (rated capacity until 250 kN). The absence of intermediate lateral bracing allied to misalignment and imprecision location of the rail, also the presence of the side thrust on the girder (acceleration/ braking of the trolley), causes lateral flexural and torsion, which are balanced only by the lateral containment on support points. The analysis was made using the Finite Element Method (FEM), which includes a nonlinear physical and geometric analysis of the structural problem, in other words, a model closest to the real girder. The numerical results, when compared to the results of the flexural-torsional theory, showed an inversion in the expected distribution of stress on the top flange of the shape, in other words, at the points where must occur increase of the longitudinal stress, reduction occurred. This inversion may or may not occur, depending on the thickness of the top flange, modulus and position of the load of the crane wheel. Besides, the numerical results were compared with the results of classical bar model for beams (torque is replaced by a couple of horizontal forces applied on the flanges). The comparison showed a divergence between the results, where the design by bar classical model can lead to situations of high safety or against safety.

As vigas de rolamento são estruturas destinadas ao suporte de pontes rolantes, estas amplamente utilizadas para movimentação de cargas em galpões industriais. O presente trabalho apresenta um estudo sobre as vigas de rolamento de aço sem contenção lateral entre apoios, em geral projetadas com vão inferior a 7 metros, portanto destinadas ao suporte de pontes rolantes leves (capacidade nominal até 250 kN). A ausência de contenções laterais intermediárias aliada ao desalinhamento e à imprecisão na locação dos trilhos, bem como à presença de forças horizontais transversais ao eixo da viga (aceleração/frenagem do trole), impõem flexão lateral e torção, esforços que são equilibrados apenas pelas contenções nos apoios. A análise foi realizada utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF), considerando a análise não linear física e geométrica do problema, ou seja, um modelo mais próximo da viga real. Os resultados numéricos, quando comparados aos obtidos por meio da teoria de flexo-torção, mostraram uma inversão na distribuição esperada de tensões na mesa superior do perfil, ou seja, nos pontos onde deveria ocorrer aumento da tensão longitudinal de compressão, ocorreu redução. Esta inversão pode ou não ocorrer, dependendo da espessura da mesa superior, intensidade e posição da força vertical da roda da ponte. Além disso, os resultados determinados via MEF foram comparados com os obtidos via modelo tradicional de barra (momento de torção substituído por um binário de forças horizontais nas mesas). A comparação indicou divergência entre os resultados, podendo o dimensionamento pelo modelo de barra levar tanto a situações a favor da segurança como contra a segurança. / The runway girders are structures intended for support cranes, these broadly used to movement of loads in industrial buildings. This research presents a study about the runway girders without lateral bracing between support points, generally designed with span lower than 7 meters, therefore intended for support of light cranes (rated capacity until 250 kN). The absence of intermediate lateral bracing allied to misalignment and imprecision location of the rail, also the presence of the side thrust on the girder (acceleration/ braking of the trolley), causes lateral flexural and torsion, which are balanced only by the lateral containment on support points. The analysis was made using the Finite Element Method (FEM), which includes a nonlinear physical and geometric analysis of the structural problem, in other words, a model closest to the real girder. The numerical results, when compared to the results of the flexural-torsional theory, showed an inversion in the expected distribution of stress on the top flange of the shape, in other words, at the points where must occur increase of the longitudinal stress, reduction occurred. This inversion may or may not occur, depending on the thickness of the top flange, modulus and position of the load of the crane wheel. Besides, the numerical results were compared with the results of classical bar model for beams (torque is replaced by a couple of horizontal forces applied on the flanges). The comparison showed a divergence between the results, where the design by bar classical model can lead to situations of high safety or against safety.