ponte rolante

http://repositorium.sdum.uminho.pt

Universidade do Minho

Soares, Joo OliveiraProjecto e optimizao de pontes rolanteshttp://hdl.handle.net/1822/21787

MetadadosData de Publicao 2011

Resumo Com este trabalho, foi desenvolvido o projeto estrutural de uma ponterolante, fazendo a otimizao das suas dimenses em funo dasexigncias inerentes ao espao de implantao e tipo de utilizao,evitando assim a utilizao de modelos standardizados sujeitos asobredimensionamento e consequentemente custos mais elevados. Nesteprojeto consta o dimensionamento da estrutura das vigas principais e dasvigas de suporte da ponte, incluindo todos os desenhos tcnicos, listas demateriais e l...

With this work, we developed the structural design of a crane, causingan optimization of their dimensions depending on the inherentrequirements of the area of deployment and usage, thus avoiding the useof standardized models subjected to excessive size and consequentlyhigher costs. This project included the design of the structure of mainbeams and support beams of the bridge, including all technical drawings,materials lists and lists of operations for manufacture and assembly ofthis...

Palavras Chave Ponte rolante, Vigas caixo, Elevao, Movimentao de cargas, Grua,Bi-viga, Travelling crane, Box type beam, Lift, Cargo handling, Crane,Double girder

Tipo bachelorThesis

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Outubro de 2011

Joo Oliveira Soares

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Projecto e optimizao de pontes rolantes

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Escola de Engenharia

Dissertao de Mestrado

Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

Trabalho realizado sob a orientao do

Professor Doutor Antnio Marques Pinho

Outubro de 2011

Joo Oliveira Soares

Projecto e optimizao de pontes rolantes


Escola de Engenharia

AUTORIZADA A REPRODUO PARCIAL DESTA DISSERTAO APENAS PARA EFEITOS

DE INVESTIGAO, MEDIANTE DECLARAO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE

COMPROMETE;

Universidade do Minho, ___/___/______

Assinatura: ________________________________________________

iii

DEDICATRIA

Dedico minha me

v

AGRADECIMENTOS

A concretizao deste trabalho s foi possvel devido dedicao, empenho e vontade de

vrios intervenientes, a quem gostaria de expressar os meus mais profundos e sinceros

agradecimentos.

Ao meu orientador Engenheiro Antnio Marques Pinho, quero expressar o meu enorme

reconhecimento pela ajuda, apoio e compreenso manifestados desde o incio, bem como

pelos conhecimentos e orientaes transmitidos.

Ao Engenheiro Decio Faria da Demag pela disponibilidade em fornecer todas as informaes

relativas aos produtos da empresa e ajuda na sua seleo.

minha Me e ao meu Irmo por todo o apoio ao longo deste percurso.

Rita pela disponibilidade, ajuda e estmulo.

vii

RESUMO

Com este trabalho, foi desenvolvido o projeto estrutural de uma ponte rolante, fazendo a

otimizao das suas dimenses em funo das exigncias inerentes ao espao de implantao

e tipo de utilizao, evitando assim a utilizao de modelos standardizados sujeitos a

sobredimensionamento e consequentemente custos mais elevados.

Neste projeto consta o dimensionamento da estrutura das vigas principais e das vigas de

suporte da ponte, incluindo todos os desenhos tcnicos, listas de materiais e listas de

operaes para o fabrico e montagem deste equipamento.

Foram tambm sugeridos os equipamentos no estruturais tais como o carro guincho, os

motores, equipamento eltrico, botoneiras e todos os restantes elementos essenciais para o

funcionamento da ponte rolante. Estes equipamentos foram selecionados diretamente nos

catlogos dos fornecedores, em funo dos requisitos necessrios para a correta operao da

ponte.

PALAVRAS-CHAVE: Ponte rolante, Vigas caixo, Elevao, Movimentao de cargas,

Grua, Bi-viga,

ix

ABSTRACT

With this work, we developed the structural design of a crane, causing an optimization of their

dimensions depending on the inherent requirements of the area of deployment and usage, thus

avoiding the use of standardized models subjected to excessive size and consequently higher

costs.

This project included the design of the structure of main beams and support beams of the

bridge, including all technical drawings, materials lists and lists of operations for manufacture

and assembly of this equipment.

We also suggested the non-structural equipment such as car winch, motors, electrical

equipment, control pendants and all other elements essential to the operation of the crane.

These equipment were selected directly into the suppliers catalogs, based on the requirements

necessary for the proper operation of the bridge.

KEYWORDS: Travelling crane, Box type beam, Lift, Cargo handling, Crane, Double girder

xi

NDICE GERAL

1. INTRODUO .............................................................................................................................. 1

1.1 Enquadramento temtico ......................................................................................................... 1

1.2 Apresentao Sumria ............................................................................................................. 2

2. PONTES ROLANTES .................................................................................................................... 5

2.1 Introduo ............................................................................................................................... 5

2.2 Normas e clculo de pontes rolantes ....................................................................................... 9

3. CLCULO DA PONTE ROLANTE. OPTIMIZAO .............................................................. 11

3.1 Introduo ............................................................................................................................. 11

3.2 Projeto das vigas principais da ponte rolante ........................................................................ 14

3.2.1 Momento de inrcia das vigas caixo ............................................................................ 14

3.2.2 Aes ............................................................................................................................. 15

3.2.3 Determinao dos Esforos Transversos e Momentos Flectores .................................. 21

3.2.4 Clculo da Flecha Mxima ............................................................................................ 24

3.2.5 Anlise das Tenses de Flexo ...................................................................................... 27

3.3 Dimensionamento dos reforos das vigas principais............................................................. 27

3.3.1 Reforos Verticais ......................................................................................................... 27

3.3.2 Reforos Longitudinais ................................................................................................. 29

3.4 Projeto das vigas de suporte e guiamento da ponte rolante ................................................... 31

3.4.1 Determinao dos esforos atuantes na viga ................................................................. 33

3.4.2 Determinao dos esforos transversos e momentos fletores ....................................... 36

3.4.3 Clculo da flecha mxima vertical ................................................................................ 37

3.4.4 Anlise das tenses de flexo ........................................................................................ 37

3.5 Dimensionamento dos Elementos de Ligao ....................................................................... 38

3.5.1 Soldadura ....................................................................................................................... 38

3.5.2 Parafusos ....................................................................................................................... 42

4. FABRICO, MONTAGEM E SELECO DE EQUIPAMENTOS PERIFRICOS DA PONTE

ROLANTE ............................................................................................................................................ 45

4.1 Introduo ............................................................................................................................. 45

4.2 Fabrico da Ponte Rolante ...................................................................................................... 45

4.3 Montagem da Ponte Rolante ................................................................................................. 52

4.4 Seleco de Perifricos .......................................................................................................... 59

4.4.1 Classificao da Ponte Rolante ..................................................................................... 59

4.4.2 Carro Guincho ............................................................................................................... 62

xii

4.4.3 Rodas e Mecanismos de Translao da ponte rolante ................................................... 64

4.4.4 Linhas de Alimentao .................................................................................................. 67

4.4.5 Botoneira ....................................................................................................................... 69

4.4.6 Limitadores de Fim de Curso ........................................................................................ 70

4.4.7 Inversores de Frequncia ............................................................................................... 71

4.5 Avaliao Econmica ............................................................................................................ 72

4.6 Plano de Inspeo e regras de utilizao da ponte rolante .................................................... 76

5. CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS .......................................... 79

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .......................................................................................... 81

ANEXOS............................................................................................................................................... 85

xiii

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Constituintes da ponte rolante .................................................................................. 5

Figura 2 Ponte rolante do sculo XIX movimentada a vapor ................................................ 6

Figura 3 Ponte rolante movimentada a vapor 2 ...................................................................... 7

Figura 4 Fbrica de montagem da aeronave Bell Corporation ............................................... 8

Figura 5 Ponte rolante com estrutura em trelia ..................................................................... 9

Figura 6 Seces da Viga Caixo ......................................................................................... 13

Figura 7 Movimentos da Ponte Rolante ............................................................................... 17

Figura 8 Efeito de pndulo provocado pelo movimento de translao da ponte rolante ..... 18

Figura 9 Efeito de pndulo provocado pelo movimento de direco do carro guincho ....... 20

Figura 10 Posio crtica do carro guincho .......................................................................... 21

Figura 11 Cotas das posies das cargas e ................................................................ 22

Figura 12 Diagrama do Esforo Transverso (kN) ................................................................ 23

Figura 13 Diagrama do Momento Flector (kN.m) ............................................................... 24

Figura 14 Diagrama dos deslocamentos verticais ................................................................ 25

Figura 15 Diagrama dos deslocamentos horizontais ............................................................ 26

Figura 16 Reforos verticais ................................................................................................. 28

Figura 17 Vista dos Reforos Longitudinais ........................................................................ 30

Figura 18 Viga principal com reforos longitudinais ........................................................... 31

Figura 19 Dimenses gerais das vigas de suporte e distncia entre eixos dos cabeotes .... 33

Figura 20 Posio extrema do carro guincho ....................................................................... 34

Figura 21 Diagrama de esforos transverso na posio do carro guincho mais desvantajosa

para as vigas de suporte [kN] ................................................................................................... 34

Figura 22 Diagrama de momentos flectores na posio do carro guincho mais desvantajosa

para as vigas de suporte [kNm] ................................................................................................ 35

Figura 23 Diagrama de esforos transversos das vigas de suporte ...................................... 36

Figura 24 Diagrama de momentos flectores das vigas de suporte ....................................... 36

Figura 25 Flecha mxima vertical das vigas de suporte ....................................................... 37

Figura 26 Seco do cordo de soldadura ............................................................................ 39

Figura 27 Seco da viga principal ...................................................................................... 41

Figura 28 Esquema de soldadura de topo para espessuras inferiores a 6mm ....................... 41

Figura 29 Esquema de soldadura de topo para espessuras entre 6mm e 15mm ................... 42

xiv

Figura 30 Pormenor da verga de segurana ......................................................................... 43

Figura 31 Ligao entre a chapa inferior e as vigas de alinhamento .................................... 47

Figura 32 Ligao entre as chapas laterais e as vigas longitudinais ..................................... 47

Figura 33 Ligao entre a chapa lateral e a chapa inferior ................................................... 48

Figura 34 Ligao dos reforos verticais.............................................................................. 48

Figura 35 Ligao da segunda chapa lateral......................................................................... 49

Figura 36 Ligao da chapa de topo e placas de topo .......................................................... 49

Figura 37 Ligao da chapa superior.................................................................................... 50

Figura 38 Ligao das vergas de segurana, carris e batentes s vigas principais ............... 50

Figura 39 Ligao dos reforos e placas de topo s vigas HEB300 ..................................... 51

Figura 40 Unio das placas de ligao aos cabeotes .......................................................... 51

Figura 41 Acoplamento das rodas aos cabeotes ................................................................. 51

Figura 42 Ligao entre os cabeotes e as vigas principais ................................................. 52

Figura 43 Rotao dos topos das vigas de suporte (EN 1993-6) .......................................... 53

Figura 44 Pormenor da emenda dos carris ........................................................................... 54

Figura 45 Tolerncias das distncias entre carris ................................................................. 54

Figura 46 Tolerncia de inclinao dos carris ...................................................................... 55

Figura 47 Tolerncia dos empenos dos carris no plano horizontal ...................................... 55

Figura 48 Flecha mxima horizontal .................................................................................... 56

Figura 49 Deformao horizontal mxima do pilar de suporte da ponte rolante ................. 57

Figura 50 Diferena entre as deformaes horizontais mximas dos pilares de suporte da

ponte rolante ............................................................................................................................. 57

Figura 51 Flecha mxima vertical ........................................................................................ 58

Figura 52 Diferena das deformaes verticais entre as vigas de suporte ........................... 58

Figura 53 Carro guincho ....................................................................................................... 62

Figura 54 Linha de alimentao blindada Demag tipo DCL ................................................ 68

Figura 55 Sistema de alimentao com fitas e cabos ........................................................... 69

Figura 56 Botoneira .............................................................................................................. 70

Figura 57 Fins de curso Demag DGS/DGS-G ..................................................................... 71

Figura 58 Inversores de frequncia ...................................................................................... 72

Figura 59 UM Crane Calculator ........................................................................................... 97

xv

NDICE DE TABELAS

Tabela 1 Normas de desenho tcnico utilizadas ................................................................... 10

Tabela 2 Dimenses das vigas principais da ponte rolante, ver figura 6 .............................. 13

Tabela 3 Valor das variveis para o clculo da flecha vertical............................................. 24

Tabela 4 Valor das variveis para o clculo da flecha horizontal ........................................ 26

Tabela 5 Efeito da utilizao de reforos nas vigas principais ............................................. 31

Tabela 6 Valor das variveis para o clculo da flecha vertical............................................. 37

Tabela 7 Classificao de Gruas ........................................................................................... 59

Tabela 8 Classificao de equipamentos de manuseio de carga........................................... 61

Tabela 9 Equivalncia entre as classificaes dadas pelas vrias organizaes .................. 61

Tabela 10 Requisitos do carro guincho ................................................................................ 62

Tabela 11 Caractersticas do carro guincho .......................................................................... 63

Tabela 12 Requisitos das rodas e mecanismos de translao ............................................... 64

Tabela 13 Caractersticas gerais dos blocos de rodas ........................................................... 65

Tabela 14 Caractersticas dos blocos de rodas 1 e 2 ............................................................. 65

Tabela 15 Dados de potncia dos blocos de rodas 1 e 2 ....................................................... 66

Tabela 16 Caractersticas dos blocos de rodas 3 e 4 ............................................................. 66

Tabela 17 Custo da matria-prima dos cabeotes ................................................................ 73

Tabela 18 Custo da matria-prima da estrutura de suporte .................................................. 73

Tabela 19 Custo da matria-prima das vigas principais ....................................................... 74

Tabela 20 Custos dos equipamentos perifricos ................................................................... 75

Tabela 21 Custo total da matria prima da ponte rolante (euros) ......................................... 76

Tabela 22 Mtodos de Inspeco do Carro Guincho ............................................................ 89

Tabela 23 Mtodos de Inspeco das rodas Motrizes do Sistema de Translao Da Ponte . 90

Tabela 24 Mtodos de inspeco dos motoreductores ......................................................... 91

Tabela 25 Mtodos de inspeco do cabo de ao ................................................................. 92

Tabela 26 Tabela de materiais (Vigas Principais) ................................................................ 93

Tabela 27 Tabela de materiais (Cabeotes) .......................................................................... 94

Tabela 28 Tabela de materiais (Vigas de suporte)................................................................ 94

Tabela 29 Lista de operaes ................................................................................................ 95

xvii

NOMENCLATURA

Notao Unidade Descrio

mm Flecha na direo horizontal (y)

mm Flecha na direo vertical (z)

mm Altura da alma

mm Largura do banzo

I mm Margem do banzo

mm Espessura da alma

mm Espessura do banzo

GPa Mdulo de elasticidade

kg/ Massa volmica do ao

C mm Distncia entre eixos do carro guincho

mm Vo

Momento de inrcia da viga segundo o eixo z

Momento de inrcia da viga segundo o eixo y

Volume de ao

Volume da alma

Volume do banzo

kg Massa da viga principal

N/m Fora devido ao peso prprio

N Fora aplicada por cada roda

kg Massa do carro guincho

N Massa do carro guincho por roda

S Tempo de travagem

m/s Velocidade final

m/s Velocidade inicial

Acelerao

N Fora na direco vertical provocada pela

travagem

xviii

N Fora na direco vertical em cada roda,

provocada pela travagem

ngulo descrito

mm Distncia da carga ao cho, em balano

N Tenso provocada pela travagem no movimento

de translao da ponte rolante

N Componente vertical de

N Componente horizontal de

J Energia Mecnica na posio A

J Energia Mecnica na posio B

Kg Carga mxima


de translao da ponte rolante por roda

N Componente vertical de por roda

N Componente horizontal de por roda


de direo da ponte rolante

N Componente vertical de

N Componente horizontal de


de direo da ponte rolante por roda

N Componente vertical de por roda

N Componente horizontal de por roda

mm Posio crtica da roda 1

mm Posio crtica da roda 2

N Carga aplicada na posio

N Carga aplicada na posio

mm Flexo provocada pelo peso prprio

mm Flexo provocada pela carga

mm Flexo provocada pela carga

mm Metade do vo

xix

N Carga crtica de encurvadura

Adim. Coeficiente de atrito

MPa Tenso axial devida ao momento fletor paralelo ao

eixo da garganta

MPa Tenso de corte devida ao esforo transverso,

paralelo ao eixo de soldadura

MPa Tenso de corte devida ao momento torsor,

perpendicular ao eixo do cordo

Nm Momento fletor

T N Esforo transverso

Q Nm Momento esttico em relao ao eixo neutro do

plano A-A

A mm rea de seco transversal

Lf mm Comprimento de encurvadura de um pea

xxi

GLOSSRIO

FEM Federation Europeenne de la Manutention

CMAA Crane Manufacturers Association of America

REAE Regulamento de Estruturas de Ao para Edifcios

ISSO International Organization for Standardization

HMI Hoist Manufacturers Institute

NP Norma Portuguesa

EN Norma Europeia

AISE Association of Iron and Steel Engineers

Captulo 1 - Introduo

1

1. INTRODUO

1.1 Enquadramento temtico

As atividades industriais de transformao e produo, dependem de mecanismos de

transporte de cargas tanto dentro do processo produtivo como fora, na entrada de matria-

prima e escoamento dos bens produzidos.

Estes mecanismos de transporte sero sempre que possvel escolhidos e dimensionados

conforme as necessidades e restries fsicas, sendo que para uma tima disposio de

mquinas no processo e circulao de pessoas, devemos posicionar os equipamentos de

manuseio de cargas num plano acima do plano de circulao de materiais e pessoas.

Para este efeito teremos ento quatro tipos principais de equipamentos:

- Pontes rolantes Mono-Viga

- Pontes rolantes com dupla viga (Bi-Viga);

- Prticos rolantes;

- Semi-prticos rolantes;

As grandes diferenas entre estes equipamentos, tem a ver com as capacidades de carga, e as

condies de instalao dos equipamentos.

As pontes rolantes tm a vantagem de conseguir uma ampla cobertura, mas no entanto, torna-

se complicada a instalao e operao de mais pontes rolantes em paralelo, o que pode

condicionar o projeto, por ser muito complicado por exemplo, ter duas pontes rolantes com

cobertura total, devido s dificuldades existentes no seu cruzamento.

Os semi-porticos rolantes so normalmente uma soluo para estes problemas, por serem

equipamentos menos volumosos e por permitirem uma maior agilidade, embora estes

equipamentos sejam bastante menos capazes em termos de capacidade de carga e cobertura.

Os prticos rolantes so muito usados em exterior pela inexistncia de uma estrutura de apoio

ponte rolante, quando em espaos interiores a estrutura do edifcio no o permite, ou quando

se pretende a transio entre um espao fechado e um espao aberto. Em alguns casos,


2

pequenos prticos rolantes tm a enorme vantagem devido sua capacidade de cobertura e

funcionamento em paralelo com outros equipamentos de manuseio.

As pontes rolantes so utilizadas em ambiente industrial h muitos anos tendo sido na

revoluo industrial que a sua utilizao ganhou especial enfoque, pois nessa altura comeou

a ser necessrio o manuseio de grandes cargas em ambiente industrial, de uma forma rpida e

sem que isso afetasse outros processos produtivos e at o layout da empresa.

Por este motivo ao longo dos anos tm aparecido empresas especializadas na produo de

equipamentos de transporte e manuseio de carga, produzindo pontes rolantes para as mais

diversas utilizaes, produzindo essencialmente equipamentos standards e em muitos casos

sobredimensionados.

portanto melhor opo, caso haja capacidade para isso, a execuo de um projeto

dimensionado para o espao onde o equipamento vai funcionar, garantindo assim que o

projeto no seja sobredimensionado e tenha todos as caractersticas desejadas, obtendo ganhos

na sua performance, no seu custo de produo, montagem e funcionamento.

relevante no esquecer que no desenvolvimento do projeto de uma ponte rolante, que o

equipamento a que lhe pertence faz parte de todo o sistema, isto , se ele apoiar em alguma

estrutura, que a estrutura do edifcio, esta tambm far parte do custo inicial de

investimento.

Desta forma, o presente trabalho consiste no projeto e otimizao de uma ponte rolante para

utilizao industrial em que os dados relativos s necessidades foram fornecidos pela H.I.M.

Indstria Metalomecnica.

1.2 Apresentao Sumria

O presente captulo faz a introduo dissertao enquadrando o tema, projeto e otimizao

de pontes rolantes, com os conceitos que iro ser abordados nos captulos subsequentes,

apresenta ainda os objetivos da dissertao e a forma como esta se desenvolve.

O captulo 2 visa explicitar a necessidade da aplicao de pontes rolantes, tendo em conta a

sua evoluo, os conceitos e variveis que afetam o seu dimensionamento e utilizao. Este

captulo dedicar-se- ao estado atual dos conhecimentos.


3

O captulo 3 incide sobre o caso de estudo e dedicar-se- ao clculo estrutural da ponte rolante

bem como toda a estrutura de suporte e elementos de ligao.

O captulo 4 apresenta o plano de fabrico e montagem da ponte rolante abordada no captulo

anterior, a seleo dos equipamentos perifricos a adquirir e todos os custos relativos a cada

um destes processos.

Conclui-se a dissertao com captulo 5 onde se apresentam as concluses relativas ao estudo

desenvolvido apresentando ainda uma abordagem relativa a futuros trabalhos.

Captulo 2 Pontes Rolantes

5

2. PONTES ROLANTES

2.1 Introduo

Pontes rolantes so equipamentos utilizados para iar objetos, atravs de um guincho que

montado numa estrutura mvel, conhecido como carro guincho, o que lhe garante a

capacidade de se mover horizontalmente sob carris montados numa ou duas vigas. A ponte

rolante tem as extremidades da(s) viga(s) de apoio (vigas principais) assentes no cabeote

com rodas que se movimenta sobre carris (ver figura 1). As pontes rolantes esto situadas a

um nvel superior do edifcio, geralmente assente nas paredes laterais e paralelas de uma

fbrica ou armazm industriais.

Figura 1 Constituintes da ponte rolante

Fonte: Adaptado do Catlogo DEMAG, 2010.

Deste modo, a estrutura pode percorrer todo o comprimento do edifcio, enquanto o carro

guincho pode ser movido entre a largura total do edifcio, o que confere ponte rolante a

capacidade de cobrir toda a rea de um edifcio sem que a sua movimentao interfira com o

restante funcionamento e disposio de equipamentos das instalaes, pelo facto de funcionar

sempre a um nvel superior.


6

Grande parte das instalaes de pontes rolantes pertencem indstria pesada tal como

siderurgias e metalurgias, para movimentao dos produtos, indstrias de fundio, para

suportar os baldes de vazamento, e movimentar produtos acabados, centrais eltricas, para

instalar e movimentar as turbinas e os geradores para manuteno; Indstria do papel,

armazns de contentores etc.

A utilizao do sistema de elevao do tipo ponte rolante remonta ao sculo XIX, sendo que

grande parte das referncias bibliogrficas referem pontes rolantes a partir 1870 (figura 2).

Figura 2 Ponte rolante do sculo XIX movimentada a vapor

Fonte: DEMAG.

Na figura 3 apontado mais um exemplo de uma ponte rolante a vapor construda pelo

Engenheiro Thomas Smith de Rodley, Leeds. Esta ponte era utilizada numa serralharia de ao

para iar e transportar cargas at 15 toneladas e cobria toda a rea de trabalho do pavilho

sendo que o seu controlo era feito dentro de uma cabine acoplada extremidade de uma das

vigas principais, onde era mais fcil ver e controlar o movimento dos objetos.


7

Figura 3 Ponte rolante movimentada a vapor 2

Fonte: Scientific American Volume XXXI, supplement 794, 21 March 1981

Os movimentos de direo e translao da ponte eram proporcionados por dois motores a

vapor, um para cada movimento. Estes motores eram alimentados por uma caldeira a vapor

multitubular contgua cabine de controlo.

As vigas principais eram feitas em ferro forjado e todas rebitadas com perfil em caixo e com

um vo de 12 metros, os cabeotes tinham duas rodas de ao com dupla flange e eram

cobertos de borracha.

A Demag Cranes & Components Corp foi uma das primeiras empresas no mundo a produzir

em srie o primeiro guindaste a vapor.

A Alliance Machine, agora extinta, tem uma citao na AISE para uma das primeiras pontes

rolantes do mercado dos Estados Unidos da Amrica. Esta grua esteve em servio at 1980, e

est agora exposta num museu em Birmingham, Alabama. Ao longo dos anos inovaes

importantes, como o freio de carga Weston (que agora raro) e do diferencial de cabo (que

ainda popular), tm surgido.

A utilizao da ponte rolante teve grande impacto durante a revoluo industrial por ter sido

um grande aliado produo em massa.

Este tipo de equipamentos permitia transportar e manipular materiais de grande massa e

dimenses de uma forma fcil e rpida.


8

O seu papel na indstria da aviao nos perodos de guerra foi fulcral, derivado da enorme

procura e necessidade de avies militares (ver figura 4).

Figura 4 Fbrica de montagem da aeronave Bell Corporation

Fonte: United States Library of Congress's Prints and Photographs division, 1944.

As estruturas das vigas principais das pontes rolantes nos primrdios, eram geralmente

fabricadas em sistema de trelia por serem sistemas relativamente recentes na poca e

bastante utilizados por permitir grandes vos de uma forma econmica (ver figura 5).

No final do sculo XIX, os processos de soldadura ainda no estavam muito desenvolvidos

sendo que a utilizao de vigas em caixo, era poucas vezes utilizada devido dificuldade da

unio de painis que eram todos rebitados o que tambm dificultava a utilizao de reforos

internos.

Com o decorrer dos anos, e com a necessidade de garantir grandes vos, grande capacidade de

carga e resolver alguns problemas de toro e vibrao que os sistemas de trelia continham,

as estruturas das vigas das pontes rolantes comearam a aparecer principalmente sobre a

forma de vigas caixo, ou no caso de pontes mais simples e pequenas sob a forma de perfil em

I.


9

Figura 5 Ponte rolante com estrutura em trelia

Fonte: Secretaria de Transportes do Estado de So Paulo/Dersa.

2.2 Normas e clculo de pontes rolantes

O projeto de uma ponte rolante dever estar de acordo com as regras de clculo impostas pela

Federation Europeenne de la Manutention (FEM), as Diretivas Europeias, com as Normas

associadas, bem como com os Decretos-Lei Nacionais dedicados a este tipo de mquinas.

Est em vigor desde 1988 Portugal a norma NP 1939 dedicada aos equipamentos de elevao

e movimentao.

Na seco respeitante s bases de dimensionamento e classificao das pontes rolantes esta

norma remete para as normas FEM.

A European Federation of Materials Handling tem representado fabricantes europeus de

elevao, manuseio e armazenamento de materiais desde que foi fundada em 1953. FEM

uma associao profissional sem fins lucrativos sediada em Bruxelas para melhor representar

os seus membros e os seus interesses bem como as instituies europeias e os parceiros

europeus.

As Normas FEM sugerem o mtodo de determinao das cargas atuantes, sendo que para a

determinao dos esforos e dimensionamento da estrutura dever-se- utilizar o Regulamento


10

de estruturas de ao para edifcios de 1986, que foi recentemente substitudo pelo Eurocdigo

3 (NP EN 1993-1-1:2010).

So tambm fundamentais no fabrico de pontes rolantes outras normas; Eurocdigo 3 (EN

1993-6), para o projeto das estruturas de suporte da ponte rolante, NP 1748 de 1985, com

terminologia utilizada em equipamentos de elevao, e todas as normas de desenho tcnico

(Tabela 1).

Tabela 1 Normas de desenho tcnico utilizadas

Norma Aplicao

ISO 2553:1992 Simbologia de soldadura

NP 48 Formatos de papel

NP 49 Dobragem do papel

NP 62 Natureza e espessura dos vrios traos

NP 89 Letras e algarismos

NP 167 Representao grfica de materiais em corte

NP 204 Legendagem

NP 297 Cotagem

NP 327 Representao de vistas

NP 328 Cortes e seco

NP 717 Escalas

NP 718 Esquadrias

Captulo 3 Clculo da Ponte Rolante. Optimizao

11

3. CLCULO DA PONTE ROLANTE. OPTIMIZAO

3.1 Introduo

Este captulo inicia a apresentao do caso de estudo que consiste no projecto de uma ponte

rolante para utilizao industrial. Com os dados fornecidos relativos s necessidades desta foi

feito um estudo prvio de modo a fazer um pr-dimensionamento das vigas.

Para esse efeito foi concebida uma folha de clculo em Microsoft Exel desenvolvida no

mbito de uma anterior Unidade Curricular do curso. Esta folha de clculo, adaptada a este

trabalho baseia-se nos procedimentos efetuados nos prximos captulos, sendo que permitiu

de forma iterativa chegar a um valor limite do momento de inrcia necessrio para garantir a

segurana da ponte, e da ento, chegar a um melhor compromisso entre as dimenses da

seco da ponte, fazendo assim uma otimizao dimensional que favorecer a reduo do

custo da ponte rolante. Com os dados obtidos no pr-dimensionamento foi feita a confirmao

numrica para validar os resultados e chegar ento aos valores dimensionais finais.

No desenvolvimento do projeto, observou-se que em alguns aspetos o Eurocdigo 3 no faz

meno a diretrizes ou mesmo sugestes de parmetros a serem aplicados. Nestas omisses,

adotou-se o recomendado nas normas FEM e CMAA. Ocorrendo conflito, prevalecer o

estipulado pela Eurocdigo 3.

Este projeto partiu da necessidade de um estudo para a instalao de uma ponte rolante num

pavilho industrial, que deveria seguir os seguintes requisitos:

Tipo de aplicao: no siderrgica

Vo: 20 metros;

Altura ao solo: 8 metros;

Capacidade de carga: 20 toneladas;

Tipologia da ponte rolante: bi-viga;

De referir ainda que a distncia da ponte rolante ao teto, tal como outros possveis

atravancamentos, no foram indicados, sendo que foi concebida uma configurao da ponte

bastante baixa de modo a torn-la mais capaz de se adequar a qualquer espao.


12

Todos os restantes limites dimensionais e de funcionamento foram obtidos, seguindo as

prticas j existentes em construo de equipamentos idnticos.

O clculo da ponte rolante tendo por objetivo a otimizao, feito em 4 fases. A primeira diz

respeito ao projeto das vigas principais da ponte rolante. A fase seguinte trata do

dimensionamento dos reforos das vigas principais. A terceira fase incide no projeto das vigas

de suporte e guiamento da ponte rolante. O captulo conclui-se com a quarta fase onde so

dimensionados os elementos de ligao.

As vigas utilizadas em pontes so essencialmente sujeitas a esforos no sentido vertical.

Tratando-se este caso de estudo, uma estrutura mvel, estar tambm sujeita a pequenos

esforos no sentido horizontal e a vibraes, sendo que para uma maior resistncia a estes

esforos e de modo a minimizar as vibraes, foi utilizada uma configurao em caixo que

afasta as massas das almas e dos banzos dos eixos de flexo para maximizar o momento de

inrcia nos planos de flexo da viga

Para o seu dimensionamento, as vigas devem satisfazer as condies de tenses atuantes

menores ou iguais s tenses admissveis, assim como da flecha atuante deve ser menor que a

flecha admissvel, sendo o valor da flecha mxima admissvel normalizado pelo Eurocdigo 3

e igual a:

Flecha mxima vertical:

(1)

Flecha mxima horizontal:

(2)

Na utilizao da folha de calculo foram introduzidos, de forma iterativa, vrios valores de

espessuras de chapa e relaes de dimenses entre a alma e o banzo, de forma a obter a

relao que minimize as suas dimenses e por consequente o preo final, sempre de forma a

garantir que a flecha mxima imposta pelas normas no fosse ultrapassada.

Este processo permitiu, como se apresenta de seguida (ver tabela 2), obter os seguintes

valores para as dimenses das vigas principais da ponte rolante.


13

Tabela 2 Dimenses das vigas principais da ponte rolante, ver figura 6

Alma ( ) Banzo (b) Incluso (I)

Espessura da

chapa da alma

(

Espessura da

chapa do

banzo (

Dimenses

(mm) 1000 500 30 5 8

Para validar os resultados obtidos foi tambm necessrio conhecer os valores referentes ao

carro guincho e ao movimento de translao da ponte, para isso foram pr seleccionados

equipamentos em funo das dimenses necessrias e valores de velocidade mais correntes,

obtendo assim os seguintes valores:

Peso prprio: 2000kg

Distncia entre eixos (c) =1300 mm

Velocidade de elevao (y) = 0,133 m/s

Bitola = 1400 mm

Velocidade translao do carro guincho (direo de x) = 0,333 m/s

Velocidade de translao da ponte rolante (direo de z) = 0,667 m/s

Figura 6 Seces da Viga Caixo


14

Para efeitos de clculo foram utilizados os seguintes valores de densidade e mdulo de

elasticidade do ao:

= 210 GPa

= 7850 kg/

3.2 Projeto das vigas principais da ponte rolante

Nesta fase sero verificadas as dimenses da viga caixo. Para isso ser determinado o

momento de inrcia da viga, posteriormente sero determinadas as aes atuantes na viga e a

sua posio de modo a poderem ser determinados os esforos e a flecha mxima

3.2.1 Momento de inrcia das vigas caixo

Para o clculo do momento de inrcia da seco da viga em cada um dos seu eixos principais

de rotao, foi definida uma equao que corresponde ao somatrio dos momentos de inrcia

de cada uma das seces da alma e cada uma das seces do banzo, onde as variveis esto

definidas na figura 6.

i) Momento Inrcia (zz)

=

(3)

=

= 3,109


15

ii) Momento Inrcia (yy)

=

(4)

=

= 0,640

3.2.2 Aes

A ponte rolante que est a ser dimensionada ter uma tipologia bi-viga, pelo que para o

dimensionamento das vigas ser apenas necessrio dimensionar uma das vigas por se tratar de

uma estrutura simtrica.

Para o clculo da flecha mxima determinam-se as aes presentes. Como apenas

dimensionamos uma viga, uma das aes ser o peso prprio. Visto que todas as restantes

aes sero transmitidas viga pelo carro guincho, estas aes aps calculadas sero todas

divididas pelas quatro rodas do carro, sendo que as aes aplicadas na viga sero referentes

apenas a duas rodas ( ) pois as outras duas esto apoiadas na outra viga e tero sempre a

mesma distncia entre elas, que a distncia entre eixos do carro guincho.

i) Fora devido ao peso prprio

Para o clculo do peso prprio da viga foi calculado o volume de chapas que compem a alma

e o volume de chapas que compem o banzo, sendo o volume total posteriormente

multiplicado pela massa volmica do ao.

= 2 +2 (5)

= 2826 Kg (6)


16

Para efeitos de clculo foi adicionada uma carga extra de 500Kg, pois no peso prprio da viga

no foi considerado o peso dos carris e dos reforos, equipamentos eltricos e equipamento

extra que a ponte poder ter.

, peso total da viga e restantes equipamentos. (7)

ii) Fora por roda devido carga a transportar

(8)

iii) Fora devido ao peso do carro guincho

O valor do peso prprio do carro guincho considera-se uniformemente distribudo pelas

quatro rodas.

= 2000kg

(9)

iv) Fora provocada pelo movimento de elevao

No movimento de elevao e descida da carga (eixo y, figura 7), existe uma sobrecarga

devida acelerao no arranque e desacelerao na travagem da carga.


17

Figura 7 Movimentos da Ponte Rolante

Fonte: Adaptado do Catlogo DEMAG, 2010.

Atravs do valor do tempo de travagem e da velocidade de elevao (dados fornecido pelo

fabricante), foi determinada a acelerao, o que permite ento calcular a sobrecarga.

Tempo de travagem:

Velocidade no movimento elevao:

(10)

, desta forma vem:

(11)

= 665N (12)

v) Fora provocada pelo movimento de translao da ponte

Quando a ponte rolante entra em movimento ou trava neste sentido (eixo z, figura 7), a carga

tem tendncia a balouar, este balano vai dividir a tenso que era exclusivamente no sentido

vertical em duas componentes, uma vertical e outra horizontal.


18

Atravs da velocidade de translao (valor fornecido pelo fabricante) e considerando a

acelerao e travagem instantneas, podemos determinar o ngulo que a carga far com o eixo

vertical, podendo assim determinar as componentes horizontal e vertical da carga.

Este um caso extremo de funcionamento, pois a travagem em funcionamento normal nunca

to brusca, mas este clculo serve para salvaguardar a integridade da estrutura principal da

ponte no caso de encravamento ou qualquer outra anomalia.

A posio mais desfavorvel, ou seja, onde o balano maior, acontece quando a carga est

mais perto do cho (mais longe da ponte rolante, com uma altura h=8m).

Para a determinao da altura ao cho na amplitude mxima no movimento de balano da

carga considerou-se que existe conservao da energia mecnica.

Figura 8 Efeito de pndulo provocado pelo movimento de translao da ponte rolante

(13)

(14)

Quando a carga atinge esta posio ir definir um ngulo com o eixo vertical definido por:

(15)


19

Este ngulo permitir ento calcular a tenso no cabo ( ) e as suas componentes, horizontal

( ) e vertical ( ).

(16)

(17)

(18)

Esta tenso ir provocar foras, tanto horizontais ( ) com verticais (

), em cada

uma das rodas do carro guincho:

(19)

(20)

vi) Fora provocada pelo movimento de direo do carro guincho

No movimento de direo do carro guincho (eixo x, figura 7), acontece o mesmo fenmeno

que no movimento de translao da ponte rolante, pelo que o mtodo de clculo apenas difere

na velocidade utilizada.

Sabendo que a posio mais desfavorvel continua a ser quando a carga est mais perto do

cho, e continuando a considerar que existe conservao da energia mecnica.


20

Figura 9 Efeito de pndulo provocado pelo movimento de direo do carro guincho

(21)

(22)

Quando a carga atinge esta posio ir definir um ngulo com o eixo vertical definido por:

(23)

Este ngulo permitir ento calcular a tenso no cabo ( ) e as suas componentes, horizontal

( ) e vertical ( ).

(24)

(25)

(26)


21

Esta tenso ir provocar foras, tanto horizontais ( ) com verticais (

), em cada

uma das rodas do carro guincho:

(27)

(28)

3.2.3 Determinao dos Esforos Transversos e Momentos Flectores

i) Posio Crtica

A flecha mxima ir ocorrer quando o carro guincho estiver na posio capaz de provocar o

momento fletor mximo, fazendo com que esta seja a posio mais desfavorvel do carro

guincho para as vigas principais da ponte rolante.

Figura 10 Posio crtica do carro guincho

Para a determinao da posio critica primeiro foram determinadas as reaes de equilbrio,

sendo que = = .

(29)

(30)


22

(31)

Foram ento determinadas as equaes do esforo transverso e momento fletor no primeiro

tramo (0 ):

(32)

(33)

Para se obter o ponto crtico, ou seja, o mximo momento fletor necessrio calcular o

mximo da funo. Considerando ainda para efeitos de clculo que P =1kN.

(34)

Figura 11 Cotas das posies das cargas e

Sendo que as cotas , tomam os seguintes valores:

(35)

(36)

(37)


23

ii) Esforos Transversos e Momentos Fletores

Atravs da utilizao de software de clculo estrutural (F-Tool) foram calculados os esforos

transversos e momentos fletores mximos bem como os respetivos diagramas.

No software foram introduzidos os dados do perfil utilizado as condies de apoio da barra

(simplesmente apoiada) e as aes.

(38)

(39)

Atravs da observao da figura 12 podemos ver que o esforo transverso mximo ser de

73.2 kN situado na extremidade direita da viga, e que o momento flector mximo (figura 13)

de 609,5 kNm situado no ponto de aplicao de P1.

Figura 12 Diagrama do Esforo Transverso (kN)


24

Figura 13 Diagrama do Momento Flector (kN.m)

3.2.4 Clculo da Flecha Mxima

i) Flecha Mxima Vertical

Para o clculo da flecha mxima da viga, utilizou-se o princpio da sobreposio dos efeitos,

ou seja somando a flecha provocada pelo peso prprio (W) e pelas cargas transmitidas pelas

rodas estrutura (P1 e P2).

(40)

Em que:

Tabela 3 Valor das variveis para o clculo da flecha vertical

(N/m)

(N)

(MPa)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(

3,109


25

Este valor foi tambm confirmado em F-tool obtendo-se valores idnticos (ver figura 14).

Figura 14 Diagrama dos deslocamentos verticais

ii) Flecha Mxima Horizontal

Neste caso utilizou-se o mesmo mtodo de clculo da flecha vertical, sendo que aqui no

estar presente o peso prprio da viga nem as cargas P1 e P2, mas apenas a componente

horizontal da tenso provocada pelo movimento de translao da ponte.

(41)


26

Em que:

Tabela 4 Valor das variveis para o clculo da flecha horizontal

(N)

(MPa)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

(

0,640

Este valor foi tambm confirmado em F-tool obtendo-se valores idnticos (ver figura 15).

Figura 15 Diagrama dos deslocamentos horizontais


27

3.2.5 Anlise das Tenses de Flexo

(42)

, em que n o coeficiente de segurana dado pelo artigo 9 RSA (43)

Como > , garantida a resistncia flexo da viga sendo que como

a tenso de cedncia do ao de 250 MPa e a tenso mxima obtida de MPa,

dividindo estes valores, obtemos um valor para o fator de segurana da ponte rolante de 2,6.

3.3 Dimensionamento dos reforos das vigas principais

Sendo a ponte rolante um equipamento no esttico, ir estar sujeito a vibraes e

instabilidades localizadas, sendo que de modo a evitar e corrigir estes problemas foram

dimensionados reforos estruturais tanto verticais como longitudinais.

3.3.1 Reforos Verticais

Segundo a alnea c do artigo 52 do R.E.A.E., devem ser colocados reforos verticais de alma,

nervuras (ver figura 16) nas seces de apoio e nas seces em que atuam cargas concentradas

fixas importantes, no sendo necessria a sua existncia em seces intermdias quando a

relao entre a espessura da alma e a sua altura livre for superior a 0,014 sendo que neste caso

de estudo de 0,005).


28

Figura 16 Reforos verticais

Ainda segundo o artigo 52 do R.E.A.E., estes reforos devem ser dimensionados como (...)

barras comprimidas axialmente para uma fora igual ao valor do esforo transverso na seco

correspondente da viga, e considerando para comprimento de encurvadura a distncia entre as

suas ligaes extremas.

Sendo que estes reforos sero comprimidos axialmente, iro encurvar.

A encurvadura ou flambagem um fenmeno que ocorre em peas esbeltas quando

submetidas a um esforo de compresso axial. A encurvadura considerada uma instabilidade

elstica, assim, a pea pode perder sua estabilidade sem que o material j tenha atingido a sua

tenso de escoamento. Este colapso ocorrer sempre na direo do eixo de menor momento de

inrcia de sua seco transversal.

Para a determinao da carga crtica de encurvadura utilizada a equao de Euler que para

este caso em que os reforos verticais sero bi-encastrados toma a seguinte forma:

(44)

Como o valor que se pretende conhecer a o da espessura mnima dos reforos para que eles

no entrem em encurvadura, a equao ser resolvida em funo do momento de inrcia de

modo a obter ento a sua espessura mnima, sendo a carga crtica substituda pelo esforo

transverso mxima na viga.

(45)


29

(46)

(47)

Embora se tenha obtido este valor, perfeitamente aceitvel que a espessura dos reforos seja

de 5mm de modo a ser congruente com a espessura da alma, visto que nestes clculos no

consideramos outros elementos estruturais, tais como os reforos longitudinais e cordes de

soldadura que vo contribuir para a diminuio da encurvadura.

Esta dimenso tambm coerente pois o Artigo 12 do REAE que diz que no devem ser

utilizados elementos estruturais de espessura inferior a 4mm.

3.3.2 Reforos Longitudinais

Sendo a estrutura das vigas principais composta por chapas esbeltas, ser mais propcio o

aparecimento de vibraes, que podem por em causa o bom funcionamento e at a integridade

da estrutura.

No projeto estrutural das vigas principais da ponte rolante foram previstos reforos

longitudinais. Estes reforos so utilizados de forma a diminuir tanto a flexo como a toro

das vigas, mas tem como principal objetivo a reduo de vibraes causada pelos esforos

dinmicos a que a ponte rolante ir estar sujeita devidos movimentao das cargas.

Este tipo de dimensionamento exige uma anlise de modos de vibrao da estrutura bastante

complexa, o que no objetivo principal deste trabalho pelo que para a escolha destes


30

reforos foi feita uma seleo baseada no que existe, ou seja, no que habitualmente feito

pelos principais fabricantes de pontes rolantes,

Tal como podemos ver na figura 17 foram selecionadas, para cada uma das almas, 3 vigas

L50 que iro ser soldadas tanto s almas como aos reforos verticais.

Figura 17 Vista dos Reforos Longitudinais

Estes reforos foram testados em software SolidWorks, para que fossem conhecidos os efeitos

destes componentes nas tenses resultantes e na flecha da estrutura da ponte rolante.

Devido complexidade da estrutura no foi possvel testar a ponte rolante inteira, tendo sido

apenas testado uma das vigas, sendo que sem os cabeotes, no foi possvel ter uma superfcie

para a apoiar, pelo que a viga teve que ser considerada bi-encastrada nas suas extremidades, o

que no corresponde realidade, e consequentemente acabou por provocar maior

concentrao de tenses nesta zona da viga (figura 18).


31

Figura 18 Viga principal com reforos longitudinais

Tal como podemos ver na Tabela 3 a utilizao dos reforos verticais e longitudinais iro

provocar um aumento da tenso mxima de 35% e uma diminuio de 15,4% da flecha

mxima.

Tabela 5 Efeito da utilizao de reforos nas vigas principais

Sem reforos Com reforos

verticais

Com reforos

verticais e

longitudinais

Relao entre

viga com e sem

reforos.

Tenso mxima

(MPa) 174.88 237,29 268,28 + 35%

Deslocamento

mximo (mm) 17,52 15,07 14,83 - 15,4%

3.4 Projeto das vigas de suporte e guiamento da ponte rolante

No clculo das vigas de suporte da ponte rolante, e tendo em conta que os vos so de cinco

metros, a configurao ideal das vigas so perfil em I.

No caso prtico estas vigas so adquiridas com comprimentos de dez metros e so soldadas de

topo s demais vigas.

Nestas condies e considerando que os carris sero tambm soldados a estas vigas, o que ir

provocar um aumento da rigidez, o dimensionamento foi feito considerando a viga bi-


32

encastrada, sendo esta, uma aproximao realidade, em que se obtiveram valores bastante

prximos dos valores obtidos com software de engenharia (CYPE).

Tal como no dimensionamento das vigas caixo, para o dimensionamento das vigas de

suporte e guiamento da ponte as vigas devem satisfazer a condio de tenses atuantes

menores ou iguais s tenses admissveis (250 MPa minorada pelo fator de segurana 1,7), e

tambm a flecha atuante deve ser menor que a flecha admissvel, sendo o valor da flecha

mxima admissvel normalizado pelo Eurocdigo 3 e igual a:

Flecha mxima vertical:

=

= 8,33mm

Flecha mxima horizontal:

=

= 8,33mm

Para a determinao da seco destas vigas foi utilizado software de clculo estrutural

(CYPE) por permitir a otimizao das dimenses da rea de seco transversal diminuindo

assim a massa, e consequentemente o seu custo.

Aps a obteno da seco das vigas, foi ento feita a validao numrica dos valores obtidos

no software (CYPE).

Foi obtida uma viga HEB 200 com as seguintes caractersticas (figura 19):

Alma com 200 mm;

Banzo com 200 mm;

Para a obteno destes valores foi tambm necessrio saber os seguintes valores (figura 19):

Entre eixos da cabeceira = 4m;

Vo = 5m;


33

Figura 19 Dimenses gerais das vigas de suporte e distncia entre eixos dos cabeotes

Estas vigas sero apoiadas em cabeotes ligados s colunas, tal como podemos ver na figura

19.

3.4.1 Determinao dos esforos atuantes na viga

i) Esforos Transversos e Momentos Fletores na Ponte Rolante

Para determinar os esforos mximos atuantes nas vigas de suporte e guiamento da ponte

rolante temos de colocar o carro guincho (a carga) o mais prximo possvel de uma das vigas

para que os esforos resultantes das cargas na ponte rolante e o peso prprio no sejam

descarregados de igual forma nas duas vigas de apoio, descarregando ento grande parte da

carga numa s viga, sendo essa a posio mais desfavorvel.

A carga na posio mais extrema do carro guincho situa-se a 1,3m do eixo das vigas de

suporte (figura 20), isto porque a ponte tem batentes limitadores do curso do carro guincho.


34

Figura 20 Posio extrema do carro guincho

(48)

(49)

Figura 21 Diagrama de esforos transverso na posio do carro guincho mais desvantajosa

para as vigas de suporte [kN]


35

Figura 22 Diagrama de momentos fletores na posio do carro guincho mais desvantajosa

para as vigas de suporte [kNm]

ii) Posio crtica da ponte rolante

Sendo que a distncia entre eixos da cabeceira de quatro metros e a dimenso da viga de

suporte de cinco metros, a posio crtica da ponte rolante sobre as vigas de suporte ir

acontecer quando apenas um dos eixos da cabeceira estiver sobre esta viga e localizada

exatamente a meio da viga.

iii) Clculo das aces provocadas pela ponte rolante

Atravs do grfico dos esforos transversos (figura 21) podemos determinar as aes que cada

viga da ponte rolante provoca na viga de suporte, sendo que o esforo transverso mximo de

119,2 kN em cada viga.

Como a transmisso dos esforos vai ser feito pelas duas rodas da cabeceira a carga em cada

roda ir ser de 119,2 kN.

Foi adicionada uma carga extra de 5000N referente ao peso prprio das cabeceiras, e de todos

os elementos do mecanismo de movimentao.

(50)

(51)


36

iv) Fora devido ao peso prprio

= +2 = 0,039 (52)

= 306 Kg (53)

(54)

3.4.2 Determinao dos esforos transversos e momentos fletores

=

Figura 23 Diagrama de esforos transversos das vigas de suporte

Figura 24 Diagrama de momentos fletores das vigas de suporte


37

3.4.3 Clculo da flecha mxima vertical

(55)

Em que:

Tabela 6 Valor das variveis para o clculo da flecha vertical

(N/m)

210000 5,5

Figura 25 Flecha mxima vertical das vigas de suporte

3.4.4 Anlise das tenses de flexo

(56)


38

, em que n o coeficiente de segurana dado artigo 9 RSA (57)

Como > , garantida a resistncia flexo das vigas de suporte

sendo que como a tenso de cedncia do ao de 250 MPa e a tenso mxima obtida de

MPa, dividindo estes valores, obtemos um valor para o fator de segurana das vigas

de suporte da ponte rolante de 1,78.

3.5 Dimensionamento dos Elementos de Ligao

A ligao entre as vrias chapas constituintes da ponte rolante ir ser realizada por soldadura,

sendo que neste subcaptulo ser verificado o dimensionamento dos cordes de soldadura,

bem como o dimensionamento dos parafusos que iro fazer a ligao da ponte rolante aos

cabeotes.

3.5.1 Soldadura

Segundo o artigo 11. do REAE O metal de adio para soldadura deve apresentar

propriedades mecnicas no inferiores s do metal de base

Os cordes de soldadura de ngulo devem ser verificados segurana, tendo em conta a

alnea b) do artigo 60. do REAE que indica a frmula da tenso de cedncia equivalente, das

vrias componentes da tenso, sendo ento possvel atravs desta formulao determinar a

espessura mnima do cordo de soldadura capaz de resistir aos esforos presentes na viga.

Temos ento:

(58)


39

Figura 26 Seco do cordo de soldadura [REAE]

Onde, tal como se pode observar na figura 26, representa a tenso axial devida ao

momento fletor paralelo ao eixo da garganta, representa a tenso de corte devida ao

esforo transverso, paralelo ao eixo de soldadura, representa a tenso de corte devida ao

momento torsor, perpendicular ao eixo do cordo, a representa a espessura e representa

o coeficiente de segurana do cordo de soldadura que segundo o REAE artigo 60, em casos

correntes toma o valor de 0,9.

A tenso axial devida ao momento fletor paralelo ao eixo da garganta, ir depender do

momento fletor Mf, do momento de inrcia ,e da distncia entre o topo da viga e o plano

de rotao A-A (ver figura 27).

(59)

A tenso de corte devida ao esforo transverso, paralelo ao eixo de soldadura, ir depender do

momento esttico em relao ao eixo neutro do plano A-A Q, do momento de inrcia do

esforo transverso T, e da espessura do cordo de soldadura a.

(60)

, sendo ainda necessrio calcular a rea da seco e centro de massa

= (61)

= 4800


40

, sendo que ir depender da massa unitria de cada seco e da sua

posio relativa ao eixo de referncia r (62)

= (0,60,0081)7850 = 37,68 kg

=

mm

(63)

, obtendo-se por fim os valores necessrios para a

determinao da tenso de corte devida ao esforo transverso, paralelo ao eixo de soldadura

, em funo da espessura da chapa a.

(64)

O artigo 60. do REAE indica um valor mximo para a tenso de corte devida ao momento

torsor, perpendicular ao eixo do cordo ( de 87 MPa, e considerando que

, podemos ento obter, da equao da tenso de cedncia equivalente, a espessura

mnima do cordo de soldadura, que garante a sua integridade e consequentemente a

integridade da ponte rolante:


41

Figura 27 Seco da viga principal

Segundo a alnea a) do artigo 29. do REAE a espessura dos cordes no deve ser inferior a

3mm, logo devemos considerar para as soldaduras de ngulo uma espessura de 3mm

sabendo que como 3> 0,42 temos garantida a segurana dos cordes de soldadura.

Ainda segundo a alnea a) do artigo 60. do mesmo regulamento, quando se refere a cordes

de topo, no necessrio comprovar por clculo a sua segurana desde que sejam satisfeitas

na execuo as condies enunciadas nos artigos 11., 29., 30. e 31..

Logo, segundo o artigo 29., alnea b) a espessura dos cordes de ngulo no deve ser superior

a 0,7 da menor espessura dos elementos a ligar, portanto no dever ser maior que 3,5mm

( .

O regulamento referido anteriormente ainda nos informa que para as zonas onde sero

soldadas as chapas de topo de 5 mm sero aplicadas as normas do artigo 30 da alnea a), que

nos diz que no caso de a espessura no exceder 6 mm e ser possvel realizar a soldadura

pelas duas faces esta poder executar-se em geral sem prvia formao de chanfros(ver

figura 28).

Figura 28 Esquema de soldadura de topo para espessuras inferiores a 6mm [REAE]


42

Para as zonas onde sero soldadas as chapas superiores de 8mm sero aplicadas as normas

segundo o REAE Artigo 30 alnea b) que nos dizem que no caso de a espessura estar

compreendida entre 6mm e 15mm executar-se-, em geral, um cordo em forma de V (ver

figura 29).

Figura 29 Esquema de soldadura de topo para espessuras entre 6mm e 15mm [REAE]

3.5.2 Parafusos

A ligao entre as vigas principais e os cabeotes garantida por 6 parafusos e respetivas

porcas em cada um dos extremos de cada viga. Estes parafusos foram dimensionados de modo

a garantir a fora de atrito necessria para que no haja escorregamento entre os dois planos.

Para que tal acontea, a fora de atrito ter de ser maior ou igual ao esforo transverso

mximo, que tal como foi visto na alnea 3.4.1 tomar o valor de 119kN, afetado de um

coeficiente de segurana de 3, por ser uma zona muito solicitada fadiga e tambm de modo

a manter a coerncia com os coeficientes de segurana obtidos anteriormente.

(65)

(66)

kN

Para a obteno desta reao normal, foi selecionada uma soluo composta por 6 parafusos,

sendo que cada parafuso ter de ter um esforo resistente de pelo menos 132,22kN.

O artigo 28 do REAE indica que nas ligaes aparafusadas pr-esforadas devem ser usados

parafusos da classe de qualidade 8.8 ou superior..


43

Recorrendo s Tabelas Tcnicas de parafusos para a classe 8.8 foram selecionados

parafusos M20 com um esforo resistente trao de 176,4kN, que garante perfeitamente o

contacto entre as duas peas.

Para alm dos parafusos e das respetivas porcas, dever ser introduzido tambm ao sistema

uma anilha do lado da cabea e outra do lado da porca. (REAE artigo 64 alnea d)).

Para que seja garantida a inexistncia de escorregamento, dever ser dado o binrio de aperto

mximo, que segundo a norma ISO 898/1, tem o valor de 385 N.m

Embora estes parafusos estejam dimensionados de modo a no permitir o escorregamento

entre as duas placas, foi previsto uma verga metlica nas extremidades de cada viga (figura

30), viga esta que garante o apoio da ponte em caso de desapertos, e tambm ajuda a

montagem e alinhamento.

Figura 30 Pormenor da verga de segurana

Captulo 4 Fabrico, Montagem e Seleco de Equipamentos da Ponte Rolante

45

4. FABRICO, MONTAGEM E SELECO DE EQUIPAMENTOS

PERIFRICOS DA PONTE ROLANTE

4.1 Introduo

Aps o dimensionamento da ponte rolante ser necessrio elaborar um plano para a sua

concretizao. Este captulo est dividido em cinco fases distintas. A primeira fase trata do

fabrico da ponte rolante, ou seja, a ligao entre todos os elementos metlicos da sua

estrutura. A segunda fase referente sua instalao no local de destino, bem como a

montagem de todos os equipamentos perifricos necessrios para o seu funcionamento. Este

subcaptulo contempla tambm todos os testes que a ponte dever efetuar, antes de estar

completamente operacional, que lhe garantem segurana, fiabilidade e em que s deste modo

poder obter certificao CE. No terceiro subcaptulo mostrada a forma como foi feita a

seleo dos equipamentos. O quarto subcaptulo respeitante aos custos da matria-prima e

equipamentos perifricos, no sendo considerados os custos da mo-de-obra, processos de

corte e soldadura, transporte e movimentao dos materiais e seu armazenamento, entre

outros. Para finalizar este captulo feita uma abordagem aos mtodos de inspeo e regras de

segurana aconselhveis utilizao da ponte rolante.

4.2 Fabrico da Ponte Rolante

O processo de fabrico da ponte rolante ir ser dividido em duas fases. Na primeira fase sero

preparados cada um dos elementos principais constituintes da ponte rolante (Anexo III e

Anexo IV), sendo a segunda fase reservada sua unio.

No projecto da ponte rolante foi considerado que as chapas superiores, inferiores, reforos

longitudinais, carris e vigas de alinhamento, sero fornecidos com comprimentos de 10

metros, isto deve-se ao facto de estes componentes terem na sua totalidade um comprimento

de aproximadamente 20 metros o que complicaria o seu transporte.

Deste modo, todos estes componentes, devero ser soldados de topo conforme as normas

previstas no subcaptulo 3.5, e caso seja necessrio, serem cortados de modo a perfazer as

suas dimenses finais previstas nas tabelas de materiais (Anexo III), e nos desenhos tcnicos

(Anexo VI).


46

Como todas as chapas e vigas longitudinais sero entregues em duas partes de 10 metros e

apenas a chapa superior tem a medida total final de 20 metros, as restantes chapas/vigas

devero ser cortadas medida apenas numa das duas partes, isto para que as soldas no

coincidam todas na mesma seco.

Posteriormente os elementos sujeitos a operaes especiais conforme a lista de operaes

(Anexo IV) devero ser preparados com o apoio dos desenhos tcnicos (Anexo VI).

Aps a preparao dos elementos da ponte rolante segue-se o processo de ligao, que

consistir na soldadura entre os vrios elementos, em que devem ser respeitadas todas as

normas e indicaes presentes no subcaptulo 3.5, bem como as tolerncias dimensionais dos

desenhos tcnicos (Anexo VI).

No processo de ligao dos elementos principais da ponte rolante, ser importante a utilizao

de gabaritos de modo a controlar possveis desalinhamentos, pois no processo de soldadura de

chapas finas, bastante difcil controlar empenos sem a sua utilizao

Foram tambm definidos neste projeto as bases de apoio, para as calhas eltricas e para caixas

standard que acomodam os inversores de frequncia e demais equipamentos eltricos (Anexo

VI).

O processo de fabrico da ponte rolante poder ter sequncias diferentes em funo do

projetista e das condies para o fabrico, sendo que para este trabalho foi proposta a seguinte

sequncia de unio:

Inicialmente ser soldado chapa inferior as vigas de alinhamento (figura 31), de modo a que

as chapas laterais possam posteriormente ser alinhadas por encosto.


47

Figura 31 Ligao entre a chapa inferior e as vigas de alinhamento

Aps esta etapa devero ser preparadas as chapas laterais, em que lhes sero soldadas os

reforos longitudinais (figura 32). especialmente importante nesta fase a utilizao de

gabaritos, por ser esta, uma chapa fina, com um comprimento muito grande e onde iro ser

feitos cordes de soldadura muito longos.

Figura 32 Ligao entre as chapas laterais e as vigas longitudinais

Nesta altura podemos ento comear a alinhar uma das chapas laterais com a chapa inferior, e

caso no existam empenos poder-se iniciar o processo de soldadura (figura 33).


48

Figura 33 Ligao entre a chapa lateral e a chapa inferior

Estando estes dois painis soldados, ser ento altura para soldar todos os reforos verticais,

soldando-os aos dois painis e tambm aos reforos longitudinais (ver figura 34).

Figura 34 Ligao dos reforos verticais

O seguinte processo ser o processo mais difcil e moroso, pois neste momento dever ser

soldada a outra chapa lateral (ver figura 35), sendo que esta ter de ser soldada tambm aos

reforos verticais o que obriga a que o soldador faa soldas num espao muito reduzido, nesta

altura poder ser necessrio rodar a viga de modo a que ela fique apoiada na face lateral de

modo a facilitar o trabalho do soldador.


49

Figura 35 Ligao da segunda chapa lateral

Estando esta tarefa concluda ser ento tempo de soldar em primeiro lugar as chapas de topo

e depois as placas de topo (figura 36).

Figura 36 Ligao da chapa de topo e placas de topo

Ser agora a vez de fechar a viga com a chapa superior, soldando-a as chapas laterais e placa

de topo (figura 37).


50

Figura 37 Ligao da chapa superior

Para concluir o fabrico das vigas principais, s falta a soldadura de verga de segurana, dos

carris, dos batentes (ver figura 38) e dos suportes dos equipamentos eltricos, que sero

apenas acoplados a uma das vigas, tal como previsto nos desenhos tcnicos (Anexo VI).

Figura 38 Ligao das vergas de segurana, carris e batentes s vigas principais

No fabrico das cabeceiras da ponte rolante, tendo as vigas HEB300 preparadas, bem como

todos os reforos, chapas de topo e placas de ligao, dever-se- iniciar o processo soldando

os reforos e as placas de topo s vigas HEB300 (ver figura 39).


51

Figura 39 Ligao dos reforos e placas de topo s vigas HEB300

Posteriormente, e sempre com o cuidado de verificar as tolerncias dimensionais, podero ser

soldadas as placas de ligao ao conjunto anterior (ver figura 40).

Figura 40 Unio das placas de ligao aos cabeotes

Para concluir o fabrico dos cabeotes sero acoplados os blocos de rodas (ver figura 41).

Figura 41 Acoplamento das rodas aos cabeotes

Finalmente todos os elementos estruturais esto prontos, podendo-se fazer a ligao entre os

cabeotes e as vigas principais.


52

O artigo 66 do REAE prev que as peas devem ser protegidas contra a corroso, sendo que

para isso dever ser feita um prvia limpeza da estrutura, retirando todos os vestgios de

ferrugem e gorduras de modo a permitir uma primeira de mo de aparelho, podendo depois

ser aplicada a tinta, com o cuidado de isolar os carris e os blocos de rodas, que no devero

ser pintados.

Os carris devero ser protegidos contra a corroso por massa grafitada.

Neste momento a estrutura da ponte rolante est acabada e preparada para ser montada e

equipada com todos os componentes eltricos inerentes ao seu funcionamento (figura 42).

Figura 42 Ligao entre os cabeotes e as vigas principais

4.3 Montagem da Ponte Rolante

Antes de colocar a ponte rolante na sua posio de trabalho ter de ser montada a estrutura

onde esta se ir movimentar, para isso sero colocadas inicialmente as vigas de suporte da

ponte rolante. Para a colocao das vigas de suporte ter de ser utilizada uma grua para a sua

elevao e montagem.

A norma EN 1993-6 permite que estas vigas sejam fixadas por soldadura por parafusos ou por

conectores do tipo surge. Os surge connectors so ligaes utilizadas quando a utilizao

da ponte rolante muito exigente, por serem ligaes que ao contrrio das outras previnem


53

problemas de fadiga, pois, tal como podemos ver na figura 43, permitem a rotao dos

extremos da vida.

Figura 43 Rotao dos topos das vigas de suporte (EN 1993-6)

Como a classe de utilizao da estrutura em estudo no ser extrememente exigente (ver sub

capitulo 4.4.1), optou-se por uma soluco em que as vigas so soldadas entre elas, mas so

fixadas ao pilar do pavilho por suportes aparafusados, de modo a que as vigas tenham

alguma liberdade longitudinal. Esta soluo foi escolhida para que as vigas de suporte

permitam as dilataes longitudinais, sem esforar os pilares do pavilho.

Aps a montagem das vigas de suporte devero ser montados os carris. A norma EN 1993-6,

permite que estas barras sejam ligadas tanto com fixadores como com pinos, parafusos ou

atravez de soldadura. aconselhada a utilizao de solda por ser um mtodo rpido eficaz e

mais adequado ao tipo de seco da viga.

importante ter em ateno que os carris nas suas emendas, devero ser cortados com um

angulo de 45 graus para suportarem possveis dilataes, e na sua ligao devero ter uma

junta de expano tal como mostra a figura 44.


54

Figura 44 Pormenor da emenda dos carris

Fonte: EN 1993-6 (2007).

Como podemos ver na figura 44, a junta do carril dever ser ligeiramente frente junta das

vigas de suporte, sendo que o troo que ultrapaa a junta da viga de suporte no dever ser

soldado, de modo a permitir o movimento livre de rotao dos topos das vigas de suporte.

Tanto durante a montagem destas vigas como no fim, devero ser verificadas as seguintes

tolerncias impostas pela norma EN 1993-6:

Mudanas de distncia entre carris S, e de altura h, ao longo de todo o percurso (figura 45):

S < 10mm

h < 10mm

Figura 45 Tolerncias das distncias entre carris

Fonte: EN 1993-6 (2007).


55

ngulo de inclinao das vigas de suporte e dos carris no dever ultrapassar 0,33 porcento

(Figura 46):

Figura 46 Tolerncia de inclinao dos carris

Fonte: EN 1993-6 (2007).

As normas tambm limitam os empenos dos carris tal como podemos verificar na figura 47.

Figura 47 Tolerncia dos empenos dos carris no plano horizontal

Fonte: EN 1993-6 (2007).

De salientar que, para desempenar os perfis se dever proceder execuo de pequenos

cordes ao longo do perfil de modo a que os cordes puxem o perfil onde tal for necessrio.

Aps a montagem das vigas de suporte e carris, e depois de verificadas todas as tolerncias

poder-se- ento, mais uma vez com a ajuda de um guincho, iar a ponte rolante para o seu

local de funcionamento.


56

Esta poder ser uma operao delicada e que dever ser estudada previamente, pois a estrutura

da ponte rolante uma estrutura muito grande o que far com que ela possa ficar encravada

no edifcio, ou que embata contra a estrutura do edifcio, podendo danificar tanto o edifcio

como a prpria ponte rolante.

Montada a estrutura, dever ser iado o carro guincho.

Neste momento, s faltar a instalao dos equipamentos eltricos, respetivas calhas e

ligaes.

Embora a ponte rolante tenha os valores limites calculados, esta dever passar por um

processo de testes onde se verificar se as flechas no ultrapassam os valores calculados. Para

isso dever ser iada a carga mxima prevista (20 toneladas), e ento simular o funcionamento

da ponte rolante, passando por todos os pontos extremos e simulando tambm travagens e

arranques em todas as direes e sentidos do movimento.

Os fins de curso devero ser testados e caso seja necessrio afinados.

Dever ser testado um caso de sobrecarga para saber se os limitadores de carga funcionam.

Para que a ponte rolante possa ser certificada ter que cumprir com as seguintes tolerncias

impostas pelas normas EN 1996-6, que devero ser testadas com a ponte em funcionamento e

com a respetiva carga mxima.

Flecha horizontal mxima (figura 48):

Figura 48 Flecha mxima horizontal

Fonte: EN 1993-6 (2007).


57

Deformao horizontal mxima da estrutura, ou pilar de suporte da ponte rolante (ver figura

49):

Figura 49 Deformao horizontal mxima do pilar de suporte da ponte rolante

Fonte: EN 1993-6 (2007).

Diferena entre as deformaes horizontais mxima da estrutura, ou pilares de suporte da

ponte rolante (ver figura 50):

Figura 50 Diferena entre as deformaes horizontais mximas dos pilares de suporte da

ponte rolante

Fonte: EN 1993-6 (2007).


58

Flecha mxima vertical (ver figura 51):

Figura 51 Flecha mxima vertical

Fonte: EN 1993-6 (2007).

Diferena das deformaes verticais entre as vigas de suporte de cada um dos lados da ponte

rolante (figura 52):

Figura 52 Diferena das deformaes verticais entre as vigas de suporte

Fonte: EN 1993-6 (2007).


59

4.4 Seleco de Perifricos

Para alm de toda a estrutura, a ponte rolante equipada com mecanismos e sistemas eltricos

fundamentais ao seu funcionamento, que no sero dimensionados neste trabalho, mas ser

feita uma sugesto dos perifricos a utilizar tendo em conta o tipo de previsto para a ponte

rolante.

Esta escolha foi feita consultando fabricantes e clientes deste tipo equipamentos, tendo sido

dada preferncia marca DEMAG por ser considerado um dos maiores fabricantes deste tipo

de equipamentos a nvel europeu, por ter representantes tanto no Porto como em Lisboa, e

acima de tudo pela disponibilidade e facilidade com que disponibiliza informao dos seus

produtos e meios para os selecionar.

4.4.1 Classificao da Ponte Rolante

Para a correta seleo dos equipamentos devemos ter em conta a classe de funcionamento da

ponte rolante, isto para que os equipamentos sejam selecionados em funo desta

classificao de modo a que tenham capacidade de satisfazer as necessidades requeridas.

O CMAA classifica estes equipamentos utilizando a seguinte matriz:

Tabela 7 Classificao de Gruas

Fonte: CMAA Crane Service Classes, 2009.

Classes de

Carga

Ciclos de Carga

N1 N2 N3 N4

L1 A B C D

L2 B C D E

L3 C D E F

L4 D E F F


60

Em que:

L1 so gruas que elevam a carga mxima excecionalmente e normalmente elevam cargas

leves;

L2 so gruas que elevam poucas vezes a carga mxima e normalmente elevam 1/3 da carga

mxima;

L3 so gruas que elevam muitas vezes a carga mxima e normalmente elevam entre 1/2 e 2/3

da carga mxima;

L4 so gruas que esto normalmente carregadas com uma carga prxima da mxima;

O ciclo de carga N1 corresponde a variaes entre 20000 a 100000 ciclos;



O ciclo de carga N4 corresponde a ciclos superiores a 2000000;

Seguindo esta classificao e tendo em

ponte rolante

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