Procedimento para Automatizao de Verificao Estrutural

8/7/2019 Procedimento para Automatizao de Verificao Estrutural

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PROCEDIMENTO PARA AUTOMATIZAÇÃO DEVERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE UMA TORRE METÁLICA

DE TELECOMUNICAÇÕES

Glauco José de Oliveira RodriguesCoordenação de Pós Graduação e Pesquisa / Engenharia Civil – UNISUAMAv. Paris 72, Rio de Janeiro, RJ, [email protected]

Departamento de Engenharia Civil – FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A.Rua Real Grandeza, 219, A504, Rio de Janeiro, RJ, [email protected]

Alex Leandro de LimaFaculdade de Engenharia Civil de Nova Iguaçu – UGB

Rua Antenor de Moura Raunhetti 152, Nova Iguaçu, RJ, [email protected]

Resumo: Com objetivo de melhorar a qualidade e atender a demanda no sistema detelecomunicações da empresa Furnas Centrais Elétricas S.A., que utilizamaciçamente o sistema de comunicação por microondas, tornou-se necessária amodernização, 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 aoacréscimo de cargas relativas à instalação desta nova antena parabólica.Para tanto, serão considerados acréscimos nas cargas verticais, que inclui o pesodas antenas, bem como nas cargas horizontais, devido ao aumento da superfícievélica.O presente trabalho tem por objetivo apresentar os critérios de cálculo, bem como ointerfaceamento entre as ferramentas computacionais utilizadas, com o objetivo deconsolidar a metodologia de automatização do processo de análise e verificaçãoestrutural, para que o mesmo possa ser adaptado a casos similares, bem comoapresentar o resultado da avaliação estrutural da torre de Angatuba, dentro dametodologia 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 barrasverticais, 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.



1. INTRODUÇÃO

As torres utilizadas para a sustentação de antenas variam principalmente quanto àgeometria, ao modelo e ao material utilizado, porém, de uma forma geral, podemoster as seguintes formas básicas: torres estaiadas quadradas, torres estaiadas

triangulares, torres autoportante quadradas, torres autoportante triangulares epostes 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 móduloscom 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 porcordoalhas 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 terrenode área considerável para sua instalação, na ordem de dez vezes a área daqueleutilizado em uma estrutura autoportante de mesma altura.

Não existe padrão de referência para caracterização ou padronização de todos osmodelos de torres metálicas estaiadas. Normalmente, estas torres são projetadascom base em características de torres existentes, de modo a atender necessidadesespecíficas.Os perfis estruturais mais comumente utilizados são cantoneiras simples de abasiguais de aço ASTM A36, conhecido comercialmente no Brasil como MR250, quetem tensão de ruptura entre 400MPa a 500MPa e módulo de elasticidade igual a205GPa.Deve-se instalar próximo ao topo das torres metálicas estaiadas um dispositivoespecial que, através da utilização de estais adicionais num mesmo nível eafastados 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 almade aço e protegidos contra corrosão com capa protetora de zinco. Os cabos devemser do tipo HS (High Strenght) ou EHS (Extra High Strenght) com diâmetro máximode 16mm. Os cabos de aço estão sujeitos a dois tipos de deformação longitudinal: aelástica e a estrutural. A deformação elástica é diretamente proporcional à cargaaplicada e ao comprimento do cabo e inversamente proporcional ao seu módulo deelasticidade e a área da seção do cabo. A deformação estrutural, por sua vez, é adeformação causada pelo ajustamento dos fios do cabo, sendo permanente ecomeçando logo que é aplicada uma carga no mesmo.

2. FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS UTILIZADAS

Existem no mercado, alguns softwares para análise e dimensionamento deestruturas metálicas. Estes são amplamente utilizados pelos calculistas de estruturasmetálicas, devido à competitividade do mercado e a grande produtividade queproporcionam. Neste trabalho, será utilizado o software Metálicas 3D (CypeIngenieros).O Metálicas 3D é um software para cálculo de estruturas metálicas usuais,constituídas por perfis laminados, perfis soldados e perfis de chapa dobrada. Osoftware 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 dosEstados Limites, com base na NBR 8800/86. O programa conta ainda com umapoderosa ferramenta para otimização automática dos perfis.



Dentre os carregamentos atuantes em uma torre, destaca-se a ação do vento. Estafoi considerada com o auxílio da ferramenta Auto Ventos Torres (Forti & Requena),segundo critérios de cálculo da NBR 6123/87.

3. MODELO ESTRUTURAL COMPUTACIONAL

O modelo estrutural da torre metálica estaiada estudada neste trabalho possui seçãotriangular eqüilátera, com 1,25m de lado. Esta torre está apoiada diretamente em umbloco de fundação através de um dispositivo articulado, que permite que a torre gireem torno do eixo vertical da mesma. O primeiro nível de estais está posicionado a17,6m da base e o segundo está posicionado a 39,5m da base. Os perfisconstituintes da superestrutura são cantoneiras de abas iguais em aço laminado A36e os estais são em cabo de aço EHS em cordoalha de sete fios (1+6), fixadosatravés de blocos de ancoragem. A Figura 1, mostra a geometria da torre e alocação 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 baseda torre, foram considerados elementos rígidos ligando os montantes da torre econsiderado apenas um apoio no centro da seção da base da torre, permitindo que atorre possa girar em torno do seu eixo vertical.Os nós de fixação dos estais são considerados nós horizontalmente indeslocáveis.

Figura 1 – Elementos estruturais da torre descritos em sua seção transversal

A Tabela 1, mostrada a seguir descreve a relação dos materiais constituintes daestrutura.

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”

Ponto de conexão

MontanteElementos rígidos



Figura 2 – Vista em elevação e seção da torre



A ferramenta Metálicas 3D (Cype Ingenieros) reconhece um modelo gráfico 3D, emformato dxf onde foi pré-modelada a estrutura. O programa interpreta cadainterseção entre barras como “nó” e cada segmento de reta como barra estrutural,ficando como função do usuário a posterior definição dos tipos de perfis, tiposmateriais, tipos nós, condições de vinculação da estrutura (apoios) e carregamento.

A Figura 3 mostra o modelo gerado pelo AutoCAD®

2006 (Autodesk), e que servecomo modelo gráfico 3D, e a Figura 4 mostra este mesmo modelo importado peloMetálicas 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



A vantagem da utilização do modelo gráfico 3D em dxf é que, com auxílio dasferramentas 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 eprecisa, 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, pelofato dos elementos estruturais serem bastante delgados.

4. AÇÕES E CARREGAMENTOS

De um modo geral, as ações em torres metálicas são de natureza estática, sendoportando subdivididas em ações permanentes e ações variáveis, de acordo com aNBR 8800/86, Anexo B. As ações permanentes são constituídas pelo peso própriode todos os elementos constituintes da estrutura, incluindo peso de equipamentos einstalações 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, queneste 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 (Fa);para o cálculo desta força deve-se conhecer um parâmetro aerodinâmico chamadode Coeficiente de Arrasto (Ca). Para a determinação dos coeficientes de arrasto emtorres reticuladas, a norma NBR 6123 apresenta um gráfico, no qual estescoeficientes variam de acordo com o índice de área exposta (η). Este índice édefinido como sendo a razão entre a área frontal efetiva de uma das faces doreticulado e a superfície limitada pelo contorno do reticulado. Em torres de seçãotriangular eqüilátera, são consideradas três incidências de vento, uma a 0°, outra a30° e outra a 60º. Neste trabalho as forças de vento serão calculadas pelo métodoestático descrito na NBR 6123. 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, naescada de acesso (escada tipo marinheiro), nos cabos coaxiais das antenas e nasantenas. Os parâmetros usados para a obtenção das forças de vento são:

• Velocidade básica do vento Vo = 45 m/s;• Fator de ocupação S3 = 0.95;• Categoria de rugosidade do terreno I;• Classe B.



Conforme já exposto, com o auxílio da ferramenta Auto Ventos Torres (Forti &Requena) e, com base nas características da torre informadas na seção 3, édeterminado 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 torreno 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 doprograma (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 deentrada 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 pontosde aplicação das forças calculadas para cada nível considerado.

Figura 6 - Determinação dos coeficientes de arrasto



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 AutoVentos Torres (Forti & Requena), contendo as informações necessárias paraobtenção dos referidos carregamentos, bem como os valores resultantes dosmesmos.

Dados:Velocidade básica Vo = 45 m/sFator de ocupação S3 = 0.95Categoria de rugosidade do terreno 1Classe B

Fator S1 a 6 m = 1Fator S1 a 12 m = 1Fator S1 a 18 m = 1Fator S1 a 24 m = 1Fator S1 a 30 m = 1Fator S1 a 36 m = 1Fator S1 a 42 m = 1Fator S1 a 48 m = 1

1. CÁLCULO DA PRESSÃO DO VENTO

a. MÉTODO ESTÁTICOMódulo Z(m) S2 Qest(N/m^2)1 6 1.05 12352 12 1.1 13553 18 1.13 14314 24 1.15 14815 30 1.17 15346 36 1.18 15607 42 1.19 15868 48 1.2 1613



2. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE ARRASTO

Módulo Phi Aefetiva(m^2) Ca(qualquer direção)1 0.35 2.64 2.142 0.35 2.64 2.143 0.28 2.1 2.34

4 0.28 2.1 2.345 0.28 2.1 2.346 0.28 2.1 2.347 0.28 2.1 2.348 0.28 2.1 2.34

3. CÁLCULO DA FORÇA DE ARRASTO

a. MÉTODO ESTÁTICOMódulo Z(m) Qest(N/m^2) Fai(N)Vento a qualquer direção1 6 1235 69822 12 1355 76603 18 1431 70394 24 1481 72895 30 1534 75466 36 1560 76737 42 1586 78058 48 1613 7937

4. APLICAÇÃO DA FORÇA DE ARRASTO AOS NÓS DOS DIAFRAGMASa. MÉTODO ESTÁTICO

Vento 0º A B C D E FZ = 0 1396 0 768 0 1396 0Z = 6 2928 0 1611 0 2928 0Z = 12 2940 0 1617 0 2940 0Z = 18 2866 0 1576 0 2866 0Z = 24 2967 0 1632 0 2967 0Z = 30 3044 0 1674 0 3044 0Z = 36 3096 0 1703 0 3096 0Z = 42 3148 0 1732 0 3148 0Z = 48 1587 0 873 0 1587 0

Vento 30º A B C D E FZ = 0 873 524 663 384 1536 873Z = 6 1830 1098 1391 805 3221 1830Z = 12 1837 1102 1396 808 3234 1837Z = 18 1791 1075 1361 788 3152 1791Z = 24 1854 1113 1409 816 3264 1854Z = 30 1902 1141 1446 837 3348 1902Z = 36 1935 1161 1470 851 3405 1935

Z = 42 1968 1181 1495 866 3463 1968Z = 48 992 595 754 437 1746 992Vento 60º A B C D E FZ = 0 489 873 628 1082 628 1082Z = 6 1025 1830 1318 2270 1318 2270Z = 12 1029 1837 1323 2278 1323 2278Z = 18 1003 1791 1289 2221 1289 2221Z = 24 1038 1854 1335 2299 1335 2299Z = 30 1065 1902 1370 2359 1370 2359Z = 36 1083 1935 1393 2399 1393 2399Z = 42 1102 1968 1417 2440 1417 2440Z = 48 556 992 714 1230 714 1230



A Tabela 2 apresenta a força devido ao vento nas antenas, bem como a sua cota deaplicação. A antena situada na cota 35m é a antena que será acrescida, as demaissão as já existentes.Vale observar que, estas forças estão sendo consideradas para a situação maisdesfavorável, 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 daestrutura para o vento incidindo a 0º. As cargas são divididas em dois nós.

Tabela 2 - Carga devido ao vento nas antenas e cota de aplicação

Cota(m)

q *(N/m2) Ca

Área da antena(m2) Força (N)

43 1613,00 1,2 1,00 1935,635 1560,00 1,2 4,52 8468,730 1534,00 1,2 1,00 1840,828 1507,00 1,2 1,00 1808,420 1456,00 1,2 1,00 1747,2

* 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 oscritérios de verificação segundo a NBR 8800/86, foram obtidos as seções dos perfisda estrutura da torre.Estes cálculos mostraram que os perfis utilizados atenderam aos diversoscarregamentos impostos, tanto nos critérios de esforços máximos, quanto nosdeslocamentos decorrentes.



A Figura 9 mostra o resultado da verificação dos perfis pelo Metálicas 3D em umtrecho do comprimento da torre, enquanto que a Figura 10 mostra a deformada datorre 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 detorres de telecomunicação que integra a utilização de três poderosas ferramentascomputacionais.



A primeira, gráfica, consagrada na elaboração de modelos tridimensionais, oAutocad (Autodesk), utilizada na construção do pré-modelo estrutural, e definiçãodas características geométricas.A segunda, o software Metálicas 3D (Cype Ingenieros), utilizada na construção domodelo estrutural tridimensional e na análise estrutural dos elementos constituintes

da torre.A terceira, o software Auto Ventos Torres (Forti & Requena), fundamental nageração das cargas devidas ao vento em torres, em particular aquelas com seçãotransversal triangular eqüilátera.Para que se pudesse aplicar a metodologia aqui proposta, foi escolhida a torre darota de telecomunicações de Itaipu, sob controle da empresa Furnas CentraisElétricas S.A., situada na localidade de Angatuba, SP.A metodologia aqui apresentada mostrou-se bastante eficiente, principalmente noque diz respeito à rapidez na construção dos modelos estruturais tridimensionais,bem como na definição e aplicação dos carregamentos ao mesmo, não somentepara torres estaiadas de seção triangular, como também nas torres autoportantes de

seção quadrada.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• AutoCAD® 2002, Autodesk. http://usa.autodesk.com.• CIMAF Cabos S.A., Catálogos. http://www.cimaf.com.br/.• Forti ,T.L.D. e Requena J.A.V., AutoVentos 1.01 Torres, UNICAMP,

http://www.fec.unicamp.br/~requena/ • 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. http://www.cype.com.• NBR 6123, ABNT, 1988. Forças devidas ao vento em edificações. Rio de

Janeiro.• NBR 8800, ABNT, 1986. Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios

(método dos estados limites). Rio de Janeiro.• Pfeil, W. & Pfeil, M., LTC editora, 2000. 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.

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