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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ESTRUTURAS E
CONSTRUÇÃO CIVIL
“Software Educacional Livre para análise não linear de
pórticos planos em estruturas metálicas”.
Paulo Cavalcante Ormonde
Dissertação de Mestrado
apresentado ao Programa de Pós-
Graduação em Estruturas e Construção
Civil da Universidade Federal de São
Carlos como parte dos requisitos para a
obtenção do Título de Mestre.
Orientador: Alex Sander Clemente de Souza
São Carlos
Ficha catalográfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitária da UFSCar
O73se
Ormonde, Paulo Cavalcante. Software educacional livre para análise não linear de pórticos planos em estruturas metálicas / Paulo Cavalcante Ormonde. -- São Carlos : UFSCar, 2013. 123 f. Dissertação (Mestrado) -- Universidade Federal de São Carlos, 2013.
- Estruturas metálicas. 2. Software e educação. 3. Pórticos planos. 4. Análise não-linear. I. Título.
CDD: 624.182 (20 a)
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, Francisco e Iara, por todas as calçadas da vida que junto caminhamos até aqui.
Meus agradecimentos póstumos aos meus avós e, em especial minha avó Nazareth, pelos exemplos de vida.
Aos meus filhos, Pedro e Mateus, à minha Esposa Mariza e a toda minha família, cerne de minha motivação.
Ao Prof. Dr. André Bartholomeu, grande amigo e que me iniciou na vida acadêmica.
Ao grande engenheiro Guerino Mário Pescarini e ao Prof. Vicenti Rossi Neto, minha dedicação póstuma pelo exemplo de amor à profissão e aos estudos.
À Profª. Drª Raquel Gonçalves, pela paciência e ensinamentos transmitidos tão docemente.
Ao Prof. Dr. Alex Sander Clemente de Souza, por tantas e memoráveis aulas.
Àqueles que habitam o invisível para os olhos mas que estão conectados ao meu coração.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. Dr. Alex Sander Clemente de Souza, pela confiança depositada, pela dedicação, conhecimento e motivação sempre presentes ao longo deste trabalho.
À Universidade Federal de São Carlos, em especial aos professores do Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Profª. Drª. Sivana De Nardin, Prof. Dr. José Carlos Paliari, Prof. Dr. Jasson Rodrigues de Figueire Filho, Prof. Dr. Roberto Chust Carvalho, Prof. Dr. Guilherme Aris Parsekian e ao Prof. Dr. Sidney Furlan Junior que, pela transferência de conhecimentos, contribuindo inequivocamente na minha formação profissional e na a conclusão deste trabalho.
À toda secretaria e funcionários do Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, em especial à secretária Solange Damha, por todo auxílio e orientação gentil.
ABSTRACT
ABSTRACT
The goal of this work was develop an free educational computation tool that automates the nonlinear geometric analysis (by simple and approximate methods), the design and classification based on displacement for planar frames. The classification is made by simple method (B1 and B2) give in the NBR8800:2008, that define the structures in lower, median and high displacement. The Knowledge of the displacement classification will provide the type of analysis and nonlinearities to consider.
The free source code allows the continuation of the project and the emergence of new research related to the topic.The development of this tool with a graphical and iterative interface wrote in Object-Pascal language will turn the analysis process more practical to educational or professional works. The use of this tool in steel structures contents of civil engineer courses and the knowledge of the type of analysis that must be use, from the displacement classification, are the results.
Through educational parameters implemented in this computational tool, we hope to contribute to a better dynamic in the disciplines of design of steel structures in civil engineering courses in Brazil.
Key-words: Educacional software, free software, nonlinear analysis, steel structures.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
Com o avanço dos recursos e modelos de análise de estruturas, alicerçados pelo constante desenvolvimento tecnológico dos computadores e softwares de projeto, a realidade das análises avançadas vem ganhando cada vez mais espaço dentro dos escritórios de engenharia, tanto em função de aspectos de competitividade como de maior segurança para as soluções propostas. Mas esse avanço não acontece sem erros e riscos.
Começam a surgir pelo Brasil casos severos de patologias e colapsos de estruturas, tendo por causa principal, o uso inadequado destas novas ferramentas. Conhecer profundamente a ferramenta que se utiliza e o quê se espera obter de seu uso, são conceitos fundamentais a serem adotados para minimizar os riscos de acidentes. Programas podem produzir erros de resultados, principalmente quando mal compreendidos, daí a importância de métodos e processos simplificados somados aos adequados fundamentos teóricos das análises utilizadas, para que o engenheiro tenha condições de perceber estes erros quando ocorrerem.
A importância de se introduzir, desde a graduação aos cursos de especialização, os conceitos mais avançados em análise de estruturas, vem de encontro com esta problemática como uma das possíveis soluções capazes de minimizar os riscos apresentados.
Dificilmente um único software comercial ou educacional atenderá a todas as necessidades pedagógicas e de projeto sem que lhe sejam introduzidas modificações ou complementos. Somente softwares de código livre projetados para este fim é que possibilitam tais adequações, abrindo espaço para integração entre pesquisas, disciplinas e para a continuidade de desenvolvimento, independente de interesses de autor ou empresa.
Dentro deste panorama foi desenvolvida uma solução computacional educacional de código livre, que automatiza a análise não-linear geométrica e a classificação de pórticos planos em estruturas metálicas quanto à deslocabilidade. O programa integra, por meio de uma plataforma gráfica, as etapas de pré-processamento, processamento e pós- processamento.
Com esta proposta de trabalho espera-se garantir por meio de adequadas estratégias de disponibilização, documentação, divulgação e manutenção, a continuidade e ampliação do desenvolvimento do programa para fins de ensino, pesquisa e de projetos em estruturas metálicas.
1.1 OBJETIVOS
Desenvolver uma solução computacional educacional de código livre, aqui denominada TRAME 4.0, aprimorando os recursos existentes no software gratuito TRAME 3.0, automatizando a classificação de pórticos planos em estruturas metálicas quanto à deslocabilidade (método B1 e B2), a análise não-linear geométrica simplificada (processo P- ∆).
Além de integrar etapas de projeto, este trabalho objetivou promover um ambiente de modelagem e simulação interativo, que abranja em uma única interface, as etapas do pré ao pós-processamento da estrutura. Nesta interface, se utiliza uma base CAD (Computer-aided design) independente, desenvolvida especificamente para estimular a experimentação.
Outro objetivo específico é servir de base para um desenvolvimento continuado por meio de adequadas estratégias de documentação, manutenção e divulgação do conteúdo proposto. Espera-se o contínuo desenvolvimento e aprimoramento do programa por meio de um modelo de software educacional livre.
1.2 JUSTIFICATIVAS
Muitos trabalhos relacionados ao desenvolvimento de programas computacionais para análise e dimensionamento de estruturas foram desenvolvidos em projetos acadêmicos nas últimas décadas. Infelizmente, pouquíssimas ferramentas encontram-se disponíveis ou suficientemente documentadas de forma a possibilitar o uso nas universidades e pela sociedade de um modo geral, ficando seu uso restrito aos seus respectivos desenvolvedores e grupos fechados de pesquisa.
Praticamente inexistem no Brasil softwares educacionais integrados para projetos de estruturas, ou seja, que abranjam as etapas de análise, dimensionamento e, em alguns casos, o detalhamento das estruturas metálicas. Em se tratando de programas de código aberto, bem documentados, interativos e que além de considerar as não-linearidades da
desenvolvimento de código livre, como o é o caso dos projetos Lazarus^3 e FreePascal^4 , ambos sob a licença GNU^5 GPL (GNU General Public License ou Licença Pública do GNU).
1.3 ESTRUTURA DO TEXTO
O trabalho consiste em descrever os conceitos e processos utilizados para o desenvolvimento de um software educacional livre para análise, classificação e dimensionamento de pórticos planos em estruturas metálicas, incluindo como resultado a validação do programa por meio de exemplos de aplicação numérica. A seguir, são apresentados os conteúdos dos capítulos deste trabalho.
Capítulo 1: apresentação do trabalho, introduzindo a problemática do tema, os objetivos, métodos e processos utilizados e a caracterização dos resultados.
Capítulo 2: breve histórico do desenvolvimento da ferramenta computacional TRAME que é a base deste projeto.
Capítulo 3: revisão bibliográfica sobre os conceitos de software educacional e de software livre. Neste capítulo é feita uma descrição de várias ferramentas computacionais disponíveis na internet e uma análise sucinta dos recursos de maior relevância com enfoque educacional.
Capítulo 4: revisão bibliográfica dos tipos de análise de estruturas, dos conceitos e métodos para consideração da não-linearidade geométrica na análise e dos métodos simplificados para classificação das estruturas quanto à deslocabilidade, propostos pelas normas de projeto.
Capítulo 5: apresentação dos métodos utilizados para desenvolvimento do programa, caracterização e divisão dos recursos em módulos. São descritos também, os métodos de validação do programa e as estratégias de promoção do projeto à comunidade.
Capítulo 6: descrição do desenvolvimento computacional realizado e breve apresentação dos recursos e comandos do programa.
Capítulo 7: validação do programa por meio de exemplos numéricos. Capítulo 8: considerações finais e sugestões para novas pesquisas.
(^3) www.lazarus.freepascal.org (^4) www.freepascal.org (^5) GNU (GNU is not Unix)
2. O PROGRAMA TRAME 3.
O TRAME^6 é um software proprietário, criado por Ormond (2004), para análise elástica linear do comportamento estrutural de treliças planas, com base no Método dos Deslocamentos. Este software foi especialmente desenvolvido para projetar treliças pré- fabricadas de madeira, utilizadas comercialmente na fabricação de estruturas de cobertura.
Este software foi criado fundamentalmente para importar a geometria da estrutura por meio de arquivos do tipo DXF, gerados em programas comerciais de desenho. Na Figura 1, observa-se uma estrutura de uma treliças pré-fabricada de madeira, cuja análise estrutural foi realizada com programa TRAME.
Figura 1: Cobertura projetada com o uso do software Trame 3.
Fonte: Autor - 09/05/2012.
O TRAME foi concebido no mês de novembro de 2004 a partir de um programa escrito em Scilab^7 , software gratuito para a resolução de problemas numéricos, com lançamento de dados e obtenção de resultados apenas em modo numérico. A linguagem de programação utilizada para o desenvolvimento do TRAME 3.0 foi o Object-Pascal, do DELPHI 4.0 e, mais recentemente o Tubo Delphi, ambos da empresa Borland.
(^6) www.ormond.com.br (^7) www.scilab.org
3. SOFTWARE NO ENSINO DE
ENGENHARIA DE ESTRUTURAS
3.1 SOFTWARES EDUCIONAIS
Para que um software seja considerado educacional, ele deve ser preferencialmente livre, permitir o desenvolvimento continuado por meio de uma documentação do código fonte, estar disponível e bem documentado. Atualmente, com o advento da Internet, a questão da disponibilidade do programa, do código fonte e da documentação se torna extremamente simples e viável.
O conceito de software livre coaduna-se com os próprios princípios de construção e apropriação do conhecimento por parte da sociedade, democratizando as possibilidades de gerar inovação, muitas vezes restritas a grupos com uma determinada gama de conhecimentos. A proposição de se estimular o desenvolvimento de softwares educacionais no modelo de software livre, visa permitir que as instituições de ensino, pesquisadores, professores e alunos possam adaptar os programas às suas necessidades pedagógicas e de pesquisa. Consequentemente, estimular um ambiente de maior cooperação, integração entre projetos e disciplinas.
Vieira (2011) propõe uma ficha para registro da avaliação de um software educativo com base em aspectos técnicos e pedagógicos, dos quais se destacam:
o software educativo deve ser pensado segundo teorias de construção
do conhecimento;
não descartar ou restringir a intervenção do professor como agente de
aprendizagem;
dentro de uma concepção construtivista, o software, para ser educativo,
deve proporcionar um ambiente interativo que permita ao aluno propor e
testar hipóteses;
a integração de diferentes disciplinas é uma característica importante na
classificação de um software como educativo;
tecnicamente, o software educativo deve apresentar uma boa qualidade
de telas, clareza de instruções, compatibilização com outros softwares,
recursos de hipertexto e hiperlink, help-desk, manuais técnicos com
linguagem apropriada ao professor e ao aluno, facilidade de manuseio,
etc.
A regulação sobre a desenfreada produção e comercialização de softwares educativos passa, segundo Vieira (2011), pela conscientização dos educadores sobre a escolha do software adequado à proposta pedagógica a ser desenvolvida, evitando-se aqueles que pouco ou nada contribuem.
Azevedo (2000) defende a utilização de softwares no ensino universitário sem, no entanto, limitar os cursos no mero treino de usuários dos programas adotados ou, ao contrário, limitar a uma abordagem totalmente teórica sem as aplicações práticas sistematicamente utilizadas no mercado de trabalho, sugerindo uma solução intermediária com maior ênfase nos aspectos teóricos.
Quanto ao tipo de aplicação, Azevedo (2000) divide os softwares em duas grandes categorias: os desenvolvidos localmente nas universidades e os desenvolvidos por empresas profissionais. Destaca que é necessário o compromisso de também dividir os alunos entre os que têm talento e interesse na programação, utilizando softwares desenvolvidos localmente com a totalidade do código fonte de domínio público, e os alunos que se dedicarão essencialmente à utilização de software profissional que, preferencialmente, apresente na documentação os fundamentos teóricos das tarefas realizadas.
A experiência de utilização de softwares como ferramenta didática, relatada por Veríssimo e Paes (2000), no Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Viçosa, resultou no desenvolvimento sistematizado de programas de dimensionamento de elementos e ligações metálicas em trabalhos de iniciação científica e tecnológica apoiados pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq. O uso de softwares isolados, ao contrário dos softwares de projeto integrado, permitiu uma melhor
Chamberlain Praiva e Kripka (2011) comentam a inexistência de pesquisas, no Brasil, destinadas a avaliar os erros provocados por uso inadequado de computadores e por programas que se autodenominam educacionais, e alertam para o uso cauteloso destas ferramentas. No trabalho, apresentam propostas para o uso e desenvolvimento de ferramentas computacionais que em resumo destaca-se por:
explicar e demonstrar os erros que podem ocorrer no uso dos computadores e programas para estruturas; alertar sobre as responsabilidades do usuário quanto ao uso do programa; demonstrar que o software não substitui a capacidade de interpretação e entendimento do comportamento da estrutura; escolher cuidadosamente os programas educacionais, procurando resolver exemplos simples coadunados com aplicações reais, com objetivo na fixação de conceitos e não na mera obtenção de resultados; preferir programas bem documentados, testados, com farto número de exemplos de uso e que chamem a atenção do usuário sobre a necessidade de verificação de dados e resultados. Gama et. al. (2008) apresentam o conceito de objetos educacionais na forma de APPLETS (pequenos programas de computador construídos na linguagem JAVA de programação) e dos repositórios NUMELOS^10 (Numerical Methods Learning Objects) e OE3^11 (Objetos educacionais para engenharia). Os autores destacam a acentuada carência de softwares de ensino e aprendizagem de conteúdos matemáticos avançados disponíveis na internet que podem ser aplicados na resolução de diversos problemas de engenharia, sugerindo que os objetos educacionais, em conjunto com os repositórios, como uma alternativa de suprir esta demanda com base nos seguintes conceitos e conclusões:
permitir o conhecimento disponível em qualquer momento e lugar por meio dos repositórios de objetos mantidos na internet; o uso repositórios como um banco de dados de informações padronizadas sobre os objetos educacionais confere rapidez de busca aos conteúdos desejados,
(^10) www.cesec.ufpr.br/etools/numelos (^11) www.cesec.ufpr.br/etools/oe
garantindo acessibilidade e qualidade das referências. Na Figura 2 é apresentada a página do repositório OE3, com as tabelas de classificação dos objetos; promover a construção de objetos educacionais reutilizáveis em diversos ambientes, independentes de plataforma (acessibilidade) e que garantam durabilidade (no sentido de se manter útil) e eficácia nos cálculos; objetos educacionais livres e de qualidade são resultado de pessoas de livre pensamento e interessadas na melhoria dos processos de ensino e aprendizagem dos futuros engenheiros; o uso de softwares ou applets de baixa qualidade podem comprometer a aprendizagem.
Figura 2: Repositório OE3, categorias de objetos educacionais.
Ao se tratar, no caso específico de programas de computador denominados livres, é importante destacar o significa este conceito baseado em quatro liberdades fundamentais, da criação em 1985 da Fundação do Software Livre (Free Software Foundation)^12 que define se um software é livre ou não. Com base no estudo de Falcão et al (2005) são elas:
(^12) www.fsf.org
