Projeto Conceitual e Dimensionamento da Estrutura de um Pórtico Rolante, Teses (TCC) de Engenharia Mecânica

Baixe Projeto Conceitual e Dimensionamento da Estrutura de um Pórtico Rolante e outras Teses (TCC) em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!

Marcus Vinícius Amélio de Moraes

Projeto Conceitual e Dimensionamento da

Estrutura de um Pórtico Rolante

Rondonópolis-MT, V-1.

Marcus Vinícius Amélio de Moraes

Projeto Conceitual e Dimensionamento da Estrutura de um Pórtico Rolante

Monografia desenvolvida durante a disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso (Gradua- ção), apresentado ao Colegiado do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto de Ciên- cias Agrárias e Tecnológicas do Campus Uni- versitário de Rondonópolis da Universidade Federal de Mato Grosso, como exigência par- cial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Universidade Federal de Mato Grosso - Campus Rondonópolis Instituto de Ciências Agrárias e Tecnológicas Curso de Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Aguinaldo Soares de Oliveira

Rondonópolis-MT, V-1.

Aos meus pais pela dedicação e compreensão.

Agradecimentos

Primeiramente agradeço a Deus que iluminou meu caminho nesta caminhada. Ao meu orientador, Prof. Dr. Aguinaldo Soares de Oliveira pela orientação e au- xílio.

A todos os professores do curso, que foram tão importantes na minha vida acadê- mica e no desenvolvimento desta monografia.

Aos meus pais, que apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivaram meus estudos.

Aos integrantes e ex-integrantes da Equipe Aeroo pela convivência, pelo apren- dizado, pela diversão e pela amizade. Em especial ao Saulo Barbosa pelo empenho e dedicação à equipe.

Resumo

Neste trabalho é apresentado o projeto conceitual e o dimensionamento da estrutura de um pórtico rolante. O projeto conceitual foi desenvolvido com base em ferramentas de processo de desenvolvimento de produtos (PDP). O projeto es- trutural terá como base as normas NBR 8400 (1984) e NBR 8800 (2008). A NBR 8400 define as solicitações e as combinações de solicitações a serem consideradas nos cálculos e a NBR 8800 estabelece os requisitos básicos que devem ser obedecidos no projeto de estruturas de aço.

Palavras-chaves : Pórticos Rolantes. Processo de Desenvolvimento de Produtos. NBR 8400.

Abstract

In this work is presented the conceptual design and sizing of the structure of a gantry crane. The conceptual design was developed based in tools of product development process (PDP). The structural project will be based on NBR 8400 (1984) and NBR 8800 (2008) standards. The NBR 8400 defines the solicitations and the combinations of solicitations that have to be considered on the calculations and the NBR 8800 establish the minimum requirements to be followed on steel structures project.

Key-words : Gantry Cranes. Product Development Process. NBR 8400.

Lista de símbolos

L Vão do pórtico [m]

H Altura do pórtico [m]

A Área [ 𝑚^2 ]

𝜎𝑒 Tensão de escoamento [MPa]

E Módulo de elasticidade [GPa]

g Aceleração da gravidade [ 𝑚/𝑠^2 ]

𝐼𝑥 Momento de inércia em relação ao eixo x [ 𝑚^4 ]

𝐼𝑦 Momento de inércia em relação ao eixo y [ 𝑚^4 ]

𝐼𝑧 Momento de inércia em relação ao eixo z [ 𝑚^4 ]

𝑁𝑥 Força normal [N]

𝑉𝑦 Força cortante em y [N]

𝑉𝑧 Força cortante em z [N]

𝑀𝑦 Momento fletor em y [Nm]

𝑀𝑧 Momento fletor em z [Nm]

𝑒𝑦 Deslocamento em y [mm]

𝑒𝑧 Deslocamento em z [mm]

Sumário

• Figura 1 – Pórtico rolante
• Figura 2 – Talha elétrica
• Figura 3 – Modelo genérico PDP
• Figura 4 – Casa da qualidade
• Figura 5 – Função global do produto
• Figura 6 – Desdobramento das funções
• Figura 7 – Roda Giratória
• Figura 8 – Talha e trole manual
• Figura 9 – Características técnicas da talha
• Figura 10 – Características técnicas do trole
• Figura 11 – Reações no trole
• Figura 12 – Estabilidade longitudinal
• Figura 13 – Esquema estático da viga principal
• Figura 14 – Perfil W310x21
• Figura 15 – Perfil U152x12,2
• Figura 16 – Esquema estático da estrutura
• Figura 17 – Posições críticas do trole
• Figura 18 – Estrutura do pórtico deformada para posição
• Figura 19 – Coeficiente que determina as reações devidas ao rolamento
• Figura 20 – Coeficiente de flambagem por flexão de elementos isolados
• Figura 21 – Valores de (b/t)lim
• Figura 22 – Momento Nominal
• Figura 23 – Valores limites da relação largura espessura de seções I ou H
• Figura 24 – Esforços na viga 1 para posição
• Figura 25 – Esforços na viga 1 para posição
• Figura 26 – Esforços na viga 2 para posição
• Figura 27 – Esforços na viga 2 para posição
• Figura 28 – Esforços na viga 3 para posição
• Figura 29 – Esforços na viga 3 para posição
• Figura 30 – Esforços na viga 4 para posição
• Figura 31 – Esforços na viga 4 para posição
• Figura 32 – Esforços na viga 5 para posição
• Figura 33 – Esforços na viga 5 para posição
• Figura 34 – Esforços na viga 6 para posição
• Figura 35 – Esforços na viga 6 para posição
• Figura 36 – Esforços na viga 7 para posição
• Figura 37 – Esforços na viga 7 para posição
• Figura 38 – Deslocamentos na viga 1 para posição
• Figura 39 – Deslocamentos na viga 1 para posição
• Figura 40 – Deslocamentos na viga 2 para posição
• Figura 41 – Deslocamentos na viga 2 para posição
• Figura 42 – Deslocamentos na viga 3 para posição
• Figura 43 – Deslocamentos na viga 3 para posição
• Figura 44 – Deslocamentos na viga 4 para posição
• Figura 45 – Deslocamentos na viga 4 para posição
• Figura 46 – Deslocamentos na viga 5 para posição
• Figura 47 – Deslocamentos na viga 5 para posição
• Figura 48 – Deslocamentos na viga 6 para posição
• Figura 49 – Deslocamentos na viga 6 para posição
• Figura 50 – Deslocamentos na viga 7 para posição
• Figura 51 – Deslocamentos na viga 7 para posição
• Tabela 1 – Necessidades do cliente Lista de tabelas
• Tabela 2 – Matriz necessidade do cliente
• Tabela 3 – Requisitos do cliente
• Tabela 4 – Matriz requisitos de projeto
• Tabela 5 – Requisitos do projeto
• Tabela 6 – Especificações do projeto do produto
• Tabela 7 – Matriz morfológica
• Tabela 8 – Avaliação das alternativas de estruturas
• Tabela 9 – Avaliação das alternativas do sistema de deslocamento horizontal
• Tabela 10 – Avaliação das alternativas do método de deslocamento horizontal
• Tabela 11 – Avaliação das alternativas do sistema de deslocamento vertical
• Tabela 12 – Conceito final
• Tabela 13 – Propriedades da seção da viga principal
• Tabela 14 – Propriedades da seção da perna
• Tabela 15 – Esforços máximos sobre a estrutura
• Tabela 16 – Valores
• Tabela 17 – Classe de funcionamento
• Tabela 18 – Classes de utilização
• Tabela 19 – Duração de utilização dos equipamentos
• Tabela 20 – Duração de utilização dos mecanismos
• Tabela 21 – Estados de carga
• tura) em grupos Tabela 22 – Classificação da estrutura dos equipamentos (ou elementos da estru-
• Tabela 23 – Estado de solicitação dos mecanismos
• Tabela 24 – Grupo dos mecanismos
• Tabela 25 – Valores do coeficiente dinâmico
• Tabela 26 – Tempos de aceleração e acelerações
• Tabela 27 – Valores do coeficiente de majoração para equipamentos industriais
• Introdução
• I Processo de Desenvolvimento de Produtos
• 1 Metodologia do Projeto
• 1.1 Objetivo
• 1.2 Pórticos Rolantes
• 1.3 Processo de Desenvolvimento de Produtos
• 1.4 Norma ABNT NBR
• 1.5 ABNT NBR
• 2 Projeto Informacional
• 2.1 Definição do escopo do produto
• 2.1.1 Análise do problema de projeto
• 2.1.2 Pesquisa dos padrões/normas, patentes e legislação
• 2.1.2.1 ABNT NBR
• 2.1.2.2 ABNT NBR
• 2.2 Ciclo de vida do produto
• 2.3 Requisitos do cliente
• 2.3.1 Definição dos requisitos do cliente
• 2.4 Requisitos do produto
• 2.5 Especificações de projeto do produto
• 2.5.1 Desdobramento da função qualidade
• 2.5.2 Definição das especificações de projeto do produto
• 3 Projeto Conceitual
• 3.1 Verificação do escopo do produto
• 3.2 Modelagem funcional
• 3.3 Princípios de soluções para as funções
• 3.4 Avaliação dos conceitos
• 3.4.1 Estrutura
• 3.4.2 Sistema de deslocamento horizontal
• 3.4.3 Método de deslocamento horizontal
• 3.4.4 Sistema de deslocamento vertical
• 3.4.5 Sistema de acionamento do equipamento
• 3.4.6 Sistema de segurança
• 3.5 Definição e análise da arquitetura final
• II Dimensionamento do Pórtico Rolante
• 4 Solicitações segundo a Norma NBR
• 4.1 Classificação do Pórtico Rolante
• 4.1.1 Características principais:
• 4.1.2 Tempo médio de duração do ciclo
• 4.1.3 Tempo Médio de funcionamento diário
• 4.1.4 Duração teórica de utilização
• 4.1.5 Número de ciclo de funcionamento
• 4.1.6 Classe de utilização
• 4.1.7 Tempo total de utilização efetiva
• 4.1.8 Duração de utilização dos equipamentos
• 4.1.9 Duração total de utilização dos mecanismos
• 4.1.10 Classe de funcionamento dos mecanismos
• 4.1.11 Classificação da estrutura
• 4.1.12 Classificaçãos do mecanismo
• 4.2 Seleção do mecanismo de levantamento
• 4.2.1 Talha manual
• 4.2.2 Trole manual
• 4.3 Reações nas rodas
• 4.4 Solicitações que interferem no cálculo da estrutura do equipamento
• 4.4.1 Solicitações principais
• 4.4.2 Solicitações devidas aos movimentos verticais
• 4.4.3 Solicitações devidas aos movimentos horizontais
• 4.4.3.1 Efeitos horizontais devidos às acelerações ou desacelerações
• ao rolamento 4.4.3.2 Coeficiente que determina as reações transversais devidas
• 4.4.3.3 Efeitos de choques contra batentes ou pára-choques
• 4.5 Casos de solicitação
• 5 Dimensionamento da estrutura do pórtico rolante
• 5.1 Dimensões do pórtico rolante
• 5.2 Pré-dimensionamento da estrutura
• 5.2.1 Viga principal
• 5.2.2 Pernas
• 5.3 Cálculo das forças de inércia resultantes dos movimentos do pórtico rolante
• 5.3.1 Massa equivalente
• 5.3.2 Coeficiente 𝜇
• 5.3.3 Coeficiente 𝜓ℎ
• 5.3.4 Força de inércia
• 5.3.4.1 Sistema de levantamento e carga útil
• 5.3.4.2 Viga principal
• 5.3.4.3 Pernas
• 5.4 Solicitações sobre a estrutura do pórtico rolante
• 5.4.1 Peso próprio da estrutura ( 𝑆𝐺 )
• 5.4.2 Solicitações devidas aos movimentos verticais ( 𝑆𝐿 )
• 5.4.3 Solicitações devidas aos movimentos horizontais ( 𝑆𝐻 )
• 5.4.4 Forças de inércia
• 5.5 Análise dos esforços estruturais
• 5.5.1 Esforços calculados
• 5.6 Verificação das seções ao estado limite último
• 5.6.1 Vigas submetidas à tração
• 5.6.1.1 Força axial de tração resistente de cálculo ( 𝑁 𝑡𝑟 )
• 5.6.2 Vigas submetidas à compressão
• 5.6.2.1 Força axial de compressão resistente de cálculo ( 𝑁 𝑐𝑟 )
• 5.6.2.2 Fator de redução 𝜒
• 5.6.2.3 Índice de esbeltez reduzido ( 𝜆 0 )
• 5.6.2.4 Força de flambagem elástica ( 𝑁𝑐 )
• 5.6.2.5 Flambagem local de barras axialmente comprimidas
• 5.6.2.6 Valores dos parâmetros
• 5.6.3 Vigas submetidas à momento fletor e força cortante
• 5.6.3.1 Momento fletor resistente de cálculo ( 𝑀 𝑟𝑑 )
• 5.6.3.2 Força cortante resistente de cálculo ( 𝑉 𝑟𝑑 )
• 5.6.4 Vigas submetidas à combinação de esforços
• 5.6.4.1 Resistência à flexão composta com compressão
• 5.7 Verificação dos estados limites de serviço
• Conclusão
• Referências
• Anexos
• ANEXO A Tabelas e figuras da NBR
• ANEXO B Tabelas e figuras da NBR
• ANEXO C Tabelas e figuras do Pfeil (2010)
• ANEXO D Esforços solicitantes de cálculo nas vigas
• ANEXO E Deslocamentos calculados nas vigas

Parte I

Processo de Desenvolvimento de Produtos

19

1 Metodologia do Projeto

1.1 Objetivo

O objetivo deste trabalho é desenvolver o projeto de um pórtico rolante que irá operar no interior da instalação de uma fábrica de equipamentos agrícolas. Para o desen- volvimento do projeto será utilizado o processo de desenvolvimento de produtos (PDP), e o cálculo das partes estruturais e componentes mecânicos dos equipamentos de levan- tamento e movimentação de cargas terá como base as normas NBR 8400 (1984) e NBR 8800 (2008).

1.2 Pórticos Rolantes

Pórticos rolantes (figura 1) são máquinas de elevação e transporte normalmente utilizados para movimentação de cargas em áreas externas devido à ausência de estrutura do prédio porém é uma opção econômica para trabalho em áreas internas, pois é isento de fundações, colunas e vigas. O pórtico rolante atende todas as necessidades de movi- mentação aérea de carga com a vantagem de não comprometer a integridade do edifício e fornecendo ao proprietário da empresa a flexibilidade de mover o equipamento para insta- lações futuras^1. Para o levantamento das cargas são utilizados troles com talhas elétricas ou manuais, a figura 2 mostra uma talha elétrica de cabo de aço montada em um trole elétrico.

Figura 1: Pórtico rolante

Fonte: Material... (2013)

Figura 2: Talha elétrica

Fonte: CM... (2013)

(^1) Mollyn... (2013)