Comportamento de sistemas de armazenagem industrial do tipo Drive-in

ENGENHARIA CIVIL

Comportamento de sistemas de armazenagem industrial do tipo Drive-in

Arlene Maria Sarmanho Freitas^I; Marcílio Sousa da Rocha Freitas^II; Simone Rodrigues Campos^III

^ID. Sc., Professora, Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, UFOP, e-mail: [e-mail]

^IID. Sc., Professor, Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, UFOP, E-mail: [e-mail]

^IIIEngenheira Civil, Mestranda, Departamento de Engenharia Civil Escola de Minas, UFOP, e-mail: [e-mail]

RESUMO

Os sistemas de armazenagem industrial são estruturas utilizadas para armazenar produtos manufaturados e são conhecidos também como racks. Variam de pequenas estantes carregadas manualmente até estruturas de mais de 30 m de altura com carregamento automatizado. São fabricados em perfis formados a frio com perfurações ao longo da coluna. Nesse trabalho, é analisado o modelo de rack do tipo Drive-in através de software comercial. Foram feitas análises numéricas linear e não linear, considerando o modelo bidimensional e tridimensional. Na ausência de especificações brasileiras para o projeto de racks, foram utilizadas as prescrições americanas do Rack Manufacture Institute com certas modificações, já que essas prescrições não abrangem o sistema Drive-in. Foram realizados estudos comparativos das diversas análises, foi avaliada a importância da determinação dos dados experimentais e foi analisada a eficiência da aplicação de forças horizontais como forma de representar a estrutura fora do prumo.

Palavras-chave: perfis formados a frio, sistemas de armazenagem industrial, rack, análise numérica, Drive-in.

ABSTRACT

Steel storage rack systems are structures used to store manufacture products. These systems range from the simplest shelving structure a few meters high and hand loaded to rack clad buildings until 30 m high, served by automatic cranes. Racks are manufactured from cold-formed steel with holes in their columns. In this work is studied the Drive-in system by the commercial software ANSYS through linear and non-linear analysis, 2D and 3D models. The specific American code to steel storage racks systems of the Rack Manufacturers Institute - RMI - was used with some modifications because this code does not enclose the Drive-in system. In this study was researched the best analysis to represent the behaviour of the Drive-in, the importance of considering the experimental results and the efficiency of using horizontal forces to represent the effect of the out-of-plumb in the structure.

Keywords: Cold formed sections, Steel storage rack, rack, numerical analysis, Drive-in.

1. Introdução

Os sistemas de armazenagem industrial possuem elevada densidade de armazenagem, montagem prática e custo relativamente baixo. São estruturas compostas por perfis formados a frio, de variadas seções transversais. Suas colunas possuem características próprias, como perfurações ao longo de seu comprimento para possibilitar o encaixe de ligações, tornando, assim, uma avaliação analítica de seu comportamento bastante difícil. Diversos pesquisadores vêm contribuindo para a análise de vários desses tipos de sistemas, tais como Godley (1991), Godley et al. (2000), Baldassino e Bernuzzi (2000), Bernuzzi e Castiglioni (2001), Freitas et al. (2001), (2002)).

O modelo Drive-in possui, como característica fundamental, a ausência de vigas transversais, para permitir o deslocamento da empilhadeira em seu interior. Devido a isto, a estabilidade do sistema deve ser obtida através dos planos de contraventamentos e da rigidez das ligações. Além da ausência de vigas transversais, a estabilidade do sistema é afetada pela falta de prumo da estrutura no ato da montagem e pelas perfurações na coluna. A influência dessas perfurações na coluna e a rigidez das ligações foram quantificadas através de ensaios realizados por Oliveira (2000) e Campos (2003).

2. Materiais e métodos

As cargas consideradas nas análises são o peso próprio (DL) e a carga de armazenagem (PL), sendo o rack considerado totalmente carregado. As cargas foram impostas à estrutura seguindo a combinação de cargas mais crítica prescrita pelo RMI (1997) baseado no critério dos Estados Limites, o LRFD - Load and Resistance Factor Design.

Nesse trabalho, é utilizado o projeto de um sistema Drive-in fornecido pela empresa Águia Sistemas de Armazenagem (Águia, 1999). A estabilidade do sistema é garantida por meio de contraventamentos dispostos nos planos laterais, superior e fundos. As Figuras de 1 a 3 apresentam esses planos de contraventamentos junto com a identificação dos demais elementos que compõem a estrutura.

Os furos nas colunas têm a função de facilitar o encaixe das vigas (Figura 4). O efeito dessas perfurações na capacidade de carga das colunas é considerado através do parâmetro Q, que é o parâmetro redutor de forma, obtido através do ensaio da coluna curta prescrito pelo RMI (1997) e realizado por Oliveira (2000). Com esse parâmetro, é determinada a área efetiva da seção transversal da coluna.

Os estudos realizados objetivam definir qual é o melhor tipo de análise para esse tipo de estrutura. Assim, como comparação, foram realizadas análises linear e não linear, tridimensional e bidimensional e foi, ainda, avaliada a importância da utilização de dados experimentais e a aplicação de forças horizontais na direção X para representação da estrutura fora do prumo no plano XY. Essas análises foram realizadas no software em elementos finitos ANSYS (2001). A estrutura foi modelada com elementos de viga e elemento de mola para representar a rigidez das ligações. Na análise não linear, a carga foi aplicada em dez etapas através do método de Newton Raphson Padrão.

A Figura 5 apresenta o aspecto tridimensional do modelo com a indicação de algumas colunas. A estrutura bidimensional é composta pelo primeiro plano da estrutura tridimensional e carregada de forma semelhante ao carregamento desta.

Foram modelados dois tipos de estrutura, uma com um ângulo de inclinação em relação a vertical de 0,004 rad no plano XY chamada imperfeita e outra com todos os elementos na vertical, chamada perfeita. Foram utilizados os dados experimentais obtidos através de ensaios e de medição das dimensões da seção transversal da coluna e valores nominais de projeto. A Tabela 1 apresenta estes valores. Os dados geométricos dos demais elementos constituintes do Drive-in são de projeto.

3. Resultados

Para mostrar a influência da análise não linear nos resultados de uma estrutura do tipo Drive-in, foram realizados estudos não lineares e lineares para a estrutura perfeita tridimensional (Campos, 2003). A Figura 6 apresenta as comparações de tensão axial e deslocamento da coluna direita da estrutura. Nos gráficos comparativos de tensão axial, a numeração dos elementos aumenta juntamente com a altura.

A diferença entre uma análise não linear bidimensional e tridimensional nos resultados do sistema Drive-in foi estudada através da comparação das tensões axiais nas colunas de uma estrutura perfeita. A Figura 7 apresenta os resultados encontrados para a coluna direita das estruturas bidimensional e tridimensional.

Para quantificar a importância da obtenção dos dados experimentais, foi realizada uma análise não linear de uma estrutura perfeita tridimensional com e sem dados experimentais. As Figuras 8(a) e 8(b) comparam, respectivamente, o nível de tensão axial e momento fletor em torno do eixo global z para uma mesma coluna nos dois tipos de estruturas.

4. Discussão

Pela análise dos resultados, nota-se que a análise não linear fornece resultados superiores tanto de tensão axial (Figura 6(a)) como de deslocamentos na direção do eixo global x (Figura 6(b)). Observou-se, nas análises, que a estrutura em estudo tem um comportamento fortemente não linear em função da geometria dos elementos utilizados na estabilização do sistema. Assim a análise não-linear para o sistema Drive-in, apesar de ser complexa, é mais adequada em função da não linearidade do comportamento dessa estrutura.

A importância da consideração da estrutura tridimensional é justificada na Figura 7. Nesta é apresentada à diferença considerável para mais no nível de tensão axial da estrutura considerada tridimensional. Explica-se esse fato devido à interação do conjunto da estrutura na redistribuição dos esforços, o que é mais próximo à realidade.

Com relação à comparação entre os resultados experimentais e nominais, observa-se que: a área efetiva é muito próxima do valor da área líquida mínima (Tabela 1), o que gera pequena diferença entre os resultados; as rigidezes experimentais pouco influenciam no comportamento global da estrutura, quando são analisadas as tensões axiais, e que as diferenças são maiores nas comparações da distribuição dos momentos fletores devido à consideração das rigidezes das ligações. Assim a vantagem de modelar o sistema Drive-in com dados experimentais é interessante pela sua influência no momento fletor (Figura 8(b)), que é um dos esforços preponderantes no dimensionamento.

A eficiência da aplicação de forças horizontais Fx para representar a falta de prumo no plano XY pode ser comprovada pela Figura 9, onde tanto os níveis de tensão axial como de momento fletor para a estrutura perfeita com força Fx são maiores do que para a estrutura imperfeita, sendo, assim, a favor da segurança.

5. Conclusões

A partir dos resultados apresentados, sugere-se que o estudo da estrutura do tipo Drive-in deve ser realizado através de uma análise tridimensional, não linear, considerando os resultados experimentais e a aplicação de forças horizontais Fx como forma de representar a falta de prumo da estrutura no plano XY.

6. Agradecimentos

Ao CNPq e à empresa Águia Sistemas de Armazenagem Ltda.

7. Referências bibliográficas

Artigo recebido em 31/03/2003 e aprovado em 29/11/2003

• ÁGUIA. Projeto de sistemas de armazenagem industrial Tipo Drive-in (1999).
• ANSYS. User´s manual for revision 6 Swanson Analysis Systems Inc., Houston, PA, 2001.
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• CAMPOS, S. R. Estudo teórico-experimental de sistemas de armazenagem industrial tipo Drive-in Ouro Preto-MG: UFOP, 2003. (Dissertação de Mestrado).
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• RMI. Specification for design, testing, and utilization of industrial steel storage racks Rack Manufacturers Institute, Charlotte, NC: 1997.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  28 Abr 2004
• Data do Fascículo
  Dez 2003

Histórico

• Aceito
  29 Nov 2003
• Recebido
  31 Mar 2003