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PROPOSTA PARA UTILIZAO DA SIMULAO

COMPUTACIONAL EM ANLISE DE RISCO, AVALIAO DE DESEMPENHO E SISTEMAS DE

GESTO AMBIENTAL RESUMO O processo de simulao computacional consiste na utilizao de um programa de CAE (Computer Aided Engineering) para elaborao de um modelo matemtico de um produto ou processo, execuo de clculos por meio de um mtodo numrico e verificao dos resultados que representam o comportamento do modelo, quando submetido a condies de operao e carregamentos. Este trabalho tem por objetivo propor a utilizao de uma ferramenta de simulao computacional em anlise de risco, avaliao de desempenho e melhoria de sistemas de gesto ambiental. Os resultados apresentados mostram que a anlise de simulao pode fornecer diagnsticos e valores significativos para complementar o estudo dos processos ambientais das empresas. A ferramenta de simulao computacional pode ser um diferencial para auxiliar a organizao a aperfeioar seu sistema de gesto ambiental, a prevenir ou mitigar riscos e impactos ambientais, a elaborar produtos e processos com melhor desempenho, maior qualidade e confiabilidade. Conseqentemente, a empresa poder reduzir seus custos e se tornar mais competitiva e/ou lder de mercado nos setores nos quais atua. PALAVRAS-CHAVE: Simulao Computacional; Anlise de Risco; Avaliao de Desempenho; Gesto Ambiental.

PROPOSAL FOR USE OF COMPUTER SIMULATION IN RISK ANALYSIS, PERFORMANCE ASSESSMENT AND ENVIRONMENTAL

MANAGEMENT SYSTEMS ABSTRACT The process of computer simulation is the use of a program of CAE (Computer Aided Engineering) for developing a mathematical model of a product or process, performing calculations using a numerical method and verification of results that represent the behavior of the model, when subjected to operating conditions and loads. This paper aims to propose the use of a computer simulation tool in risk analysis, performance evaluation and improvement of environmental management systems. The results show that simulation analysis can provide significant diagnostic value and to complement the study of environmental processes of companies. The computer simulation tool can make a difference to help the organization improve its environmental management system, to prevent or mitigate environmental risks and impacts, to develop products and processes with improved performance, better quality and reliability. Consequently, the company can reduce costs and become more competitive and / or market leader in the sectors in which it operates. KEYWORDS: Computer Simulation; Risk Analysis; Performance Evaluation; Environmental Management.

RevistaIberoAmericanadeCinciasAmbientais,Aquidab,v.2,n.2,novembro,2011.ISSN21796858SEO:ArtigosTEMA:GestoAmbiental

DOI:10.6008/ESS21796858.2011.002.0003

FtimaMariaNogueiradeSOUZAhttp://lattes.cnpq.br/[email protected]://lattes.cnpq.br/[email protected]://lattes.cnpq.br/[email protected]://lattes.cnpq.br/[email protected]

Recebido:15/03/2011Aprovado:22/10/2011

Referenciarassim:

SOUZA,F.M.N.;SILVA,C.E.;AGUIAR,L.A.;ALMEIDA,J.R..Propostaparautilizaodasimulaocomputacionalemanlisede

risco,avaliaodedesempenhoesistemasdegestoambiental.RevistaIberoAmericanadeCinciasAmbientais,Aquidab,v.2,n.2,p.3963,2011.

SOUZA,F.M.N.;SILVA,C.E.;AGUIAR,L.A.;ALMEIDA,J.R.

RevistaIberoAmericanadeCinciasAmbientais v.2 n.2 Novembro de2011 P g i n a |40

INTRODUO

O processo de simulao computacional baseada no mtodo de elementos finitos consiste

na utilizao de um programa desenvolvido em uma linguagem tal como FORTRAN ou outra

similar, capaz de elaborar um modelo matemtico de um produto ou processo, efetuar clculos

por meio de um mtodo numrico e fornecer resultados que representem o comportamento do

modelo, quando submetido a condies de operao e a cargas diversas.

Os resultados obtidos com o modelo devem ser analisados por um profissional que

conhea o processo de simulao computacional e que tenha por objetivo dimensionar um

produto ou um processo, atestar a sua integridade e verificar os seus limites de operao ou de

carregamento.

Neste trabalho apresentada uma proposta para a aplicao desta ferramenta de

simulao, como fornecedora de resultados e comportamentos de produtos e processos, os quais

podem ser utilizados na anlise de risco e avaliao de desempenho ambientais e podem auxiliar

a empresa a aperfeioar seu Sistema de Gesto Ambiental, a elaborar produtos e processos com

melhor desempenho, maior qualidade e confiabilidade, a prevenir ou mitigar riscos e impactos

ambientais e a reduzirem custos entre outros benefcios que sero descritos ao longo deste

trabalho.

Segundo Corra (2009), com a implantao de um sistema de gesto ambiental, a

empresa pode se tornar mais inovadora, competitiva, obter maior retorno financeiro em suas

operaes e evoluir ambientalmente alm das exigncias da legislao, melhorando a sua

imagem perante as partes interessadas (stakeholders) e seus ndices no mercado financeiro, caso

a empresa possua aes em bolsas de valores.

At a dcada de 50, embora a tecnologia de simulao j estivesse em desenvolvimento,

ainda no havia programas comerciais. As indstrias eram obrigadas a utilizar altos fatores de

segurana para elaborar seus projetos e dimensionar seus produtos e processos, significando isto

um gasto excessivo de matria prima. Como os projetos no eram totalmente confiveis, havia

grandes perdas e desperdcios de materiais oriundos de erros de processos durante a produo e

de testes destrutivos, os quais precisavam ser realizados antes da fabricao dos produtos, para a

verificao do comportamento e da resistncia dos mesmos aos diversos carregamentos e s

condies de operaes.

Tambm nesta dcada muitas indstrias desenvolviam seus processos e produtos sem

abordar aspectos ambientais, tais como, sistema de gesto, risco e avaliao de desempenho

ambiental. Alm disto, no analisavam as conseqncias de suas atividades sobre o meio

ambiente e no providenciavam solues para minimizar os impactos ambientais causados por

suas aes.

Propostaparautilizaodasimulaocomputacionalemanlisederisco,avaliaodedesempenhoesistemas...


Segundo Filho (2003), na dcada de 1960, iniciaram-se em vrias disciplinas estudos

quantitativos sobre risco, definido como a possibilidade de que ocorram processos ou

circunstncias adversas que possam acarretar danos.

O risco ambiental foi definido por Dagnino e Junior (2007) como a possibilidade de

ocorrncia de eventos danosos ao meio ambiente e a anlise de risco ambiental como a avaliao

dos riscos que as atividades humanas impem ao meio ambiente.

De acordo com Filho (2003), os riscos ambientais de graves conseqncias, assim como

os advindos dos avanos tecnolgicos, comearam a ser considerados como chaves para a

compreenso das caractersticas, das transformaes e dos limites do projeto histrico da

modernidade. Estes riscos teriam origem no prprio desenvolvimento cientfico e tecnolgico, mas

adicionavam aos avanos positivos, uma incerteza quanto ao aproveitamento que lhes atribuem a

atividade econmica humana. Hoje se reconhece que somente por meio dessa perspectiva

possvel abordar, em sua complexidade, a estimativa dos riscos.

Segundo Almeida (2008), Moreira (2001) e Moura (2004) na reunio do Clube de Roma

(1968), foi divulgado o relatrio Os Limites para o Crescimento (Limits to Grow) e abordado o

tema da poluio dos rios europeus.

Ainda nos anos 60, surgiram tambm os primeiros programas comerciais de simulao

computacional, os quais foram desenvolvidos para modelar, para efetuar clculos variacionais

complexos, que demandavam meses de trabalho e para dimensionar com segurana, estruturas,

equipamentos, componentes mecnicos e processos sujeitos a condies de operaes e de

carregamentos, para os quais no existiam Normas tcnicas ou experimentos em laboratrios, tais

como o lanamento, as sobrecargas ou a exploso de um foguete.

De acordo com Almeida (2008), Moreira (2001) e Moura (2004), na dcada de 70 a

discusso das questes ambientais foi marcada pela Conferncia Internacional sobre Meio

Ambiente, que ocorreu em Estocolmo, em 1972. Neste evento foi abordada a degradao

ambiental causada pelos altos nveis de desenvolvimento dos pases ricos e a necessidade de se

efetuarem controles ambientais internacionais para a reduo de danos ao meio ambiente.

Em 1970, o ento presidente americano Richard M. Nixon assinou uma ordem executiva e

consolidou a criao de uma nica agncia ambiental americana: a Federal Environmental

Protection Agency (EPA). Muito embora o foco primrio da EPA tenha sido o de regulamentao e

cumprimento de leis governamentais, e no o desenvolvimento de sistemas de gesto ambiental,

suas atividades vm contribuindo para muitas empresas americanas desenvolverem uma cultura

ambiental sistmica.

Na dcada de 70 houve um aumento nas atividades de regulamentao e de controle

ambiental estimuladas pela EPA. Os Estudos de Impacto Ambiental (EIA) foram iniciados nos

Estados Unidos, como pr-requisito para aprovao de empreendimentos potencialmente

poluidores (MOURA, 2004). Surgiu tambm a Auditoria Ambiental como uma resposta presso



pelo crescente rigor da legislao ambiental e pela ocorrncia de acidentes ambientais de grandes

propores (ALMEIDA, 2004).

Ainda em 1970, o engenheiro John Swanson, da Westinghouse (Pittsburgh, EUA)

desenvolveu um programa de simulao computacional para dimensionamento de reatores

nucleares e fundou a empresa Swanson Analysis Systems para desenvolver o programa ANSYS,

com o qual foram realizadas as anlises estruturais e trmicas apresentadas neste trabalho, como

estudos que podem reduzir os riscos ambientais e melhorar o desempenho ambiental de produtos

e processos.

Nos anos 80, os conceitos de proteo do meio ambiente comearam a se expandir.

Degradaes, acidentes e desastres ambientais, tais como vazamentos, contaminaes com

inmeras mortes e danos fauna e flora, contriburam para mudanas nas polticas oficiais de

meio ambiente e nos conceitos de gerenciamento ambiental na indstria. Esta dcada foi marcada

por aes de planejamento ambiental e muitas indstrias comearam a incorporar a varivel

ambiental em seus planejamentos estratgicos. A discusso sobre o meio ambiente deixou de ser

um tema isolado, para se incorporar em vrios setores. Ainda nesta dcada surgiram ONGs

(Organizaes No Governamentais) de proteo ao meio ambiente, compostas por integrantes

dos movimentos ambientalistas dos anos 70 (ALMEIDA, 2008).

No Brasil, com o Plano de Controle da Poluio de Cubato em 1983, desencadeou-se

uma srie de exigncias para garantir a boa operao e manuteno de processos, tubulaes e

terminais de petrleo e de produtos qumicos das unidades industriais locais, dando-se incio ao

uso institucional do estudo de risco ambiental.

Ainda na dcada de 80, os programas de simulao computacional comearam a ser

ampliados para executarem anlises estruturais e trmicas no lineares tais como impactos,

choques, vibraes, rudos, fadiga, mecnica da fratura e superaquecimentos entre outros.

Tambm foram desenvolvidos mdulos para anlise de dinmica de fluidos, com aplicaes em

escoamento e misturas de lquidos e gases, combusto e exploses.

Nos anos 90 houve um grande impulso com relao conscincia ambiental. Muitas

empresas passaram a se preocupar com a racionalizao do uso de energia e de matrias-

primas, alm de terem um maior empenho na promoo da reciclagem e reutilizao de materiais,

para evitarem ou reduzirem os desperdcios.

A Conferncia Mundial de Meio Ambiente, sediada no Rio de Janeiro, em 1992, onde

foram assinados os tratados globais da biodiversidade e do clima, entre outros, traduz a

universalizao da discusso ambiental. As indstrias passaram a ser responsabilizadas pelos

efeitos ambientais de seus produtos e sub-produtos, desde a obteno da matria prima at a

disposio final dos mesmos como resduos, alm de comearem a ter responsabilidades

tributrias pela gerao de poluio (poluidor-pagador), visando a proteo ambiental (ALMEIDA,

2008).



Ainda nos anos 90, os programas de simulao computacional foram utilizados em

anlises trmicas e estruturais para simular incndios em plataformas offshore, visando identificar

as regies crticas da plataforma, que deveriam receber a proteo passiva, uma manta de

material isolante para revestir a estrutura metlica, capaz de resistir ao fogo e manter a

integridade estrutural e a segurana, durante um determinado tempo, necessrio para a

evacuao do pessoal. Nesta poca, estas anlises eram solicitadas pelos engenheiros de

segurana, mas ainda no se falava em anlise de risco e avaliao de desempenho ambientais

e sistema de gesto ambiental.

Ainda na dcada de 90, a Cmara Internacional de Comrcio (ICC - International Chamber

of Commerce), props estruturas lgicas que sistematizassem a gesto ambiental na indstria,

compatibilizando-as com o interesse de qualidade e produtividade, surgindo assim o Sistema de

Gesto Ambiental, formalizado pela British Standard Institution na Norma BS-7750 - Specification

for Environmental Management Systems (ALMEIDA, 2008).

Em 1996 foi editada a Norma ABNT NBR ISO 14001 Requisitos do Sistema de Gesto

Ambiental, que atualmente, na verso de 2004, utilizada na implantao do Sistema de Gesto

Ambiental (SGA) nas empresas e para efetuar a certificao do SGA, de servios, produtos e

processos da empresa, mediante auditorias ambientais.

Em 1999 foram criadas as Normas ABNT NBR ISO 14031 Diretrizes para a Avaliao do

Desempenho (Performance) Ambiental, que inclui exemplos de indicadores ambientais e a ABNT

NBR ISO 14032 - Exemplos de Avaliao do Desempenho Ambiental. Estas Normas podem ser

utilizadas por empresas que possuem ou no o SGA, para medir o desempenho ambiental da

empresa por meio de indicadores de desempenho gerencial e operacional e de condio

ambiental.

Neste contexto, o objetivo geral deste estudo foi de propor a utilizao da anlise de

simulao computacional por meio do mtodo de elementos finitos como uma ferramenta

complementar para a previso, anlise, avaliao, controle, gerenciamento e mitigao de riscos e

impactos ambientais, avaliao de desempenho ambiental e aperfeioamento do Sistema de

Gesto Ambiental da organizao.

REVISO DE LITERATURA

Simulao Computacional

A simulao computacional uma ferramenta que pode ser utilizada para anlises de

engenharia. O programa utilizado para a modelagem de um produto (modelo) ou processo,

incluindo suas condies de contorno ou de fixao e seus carregamentos de operao, tais

como, cargas estruturais, fluxos de calor, temperaturas, velocidades, aceleraes, correntes



eltricas e campos eletromagnticos. Por meio de um mtodo numrico o software executa os

clculos, simula o comportamento do modelo e gera os resultados que podem ser visualizados por

meio de figuras, grficos e listagens (BATHE, 2007).

Entre os principais resultados fornecidos pelo programa, ao longo do modelo, tm-se os

deslocamentos, tenses, presses de contato, deformaes, fatores de fadiga e de mecnica da

fratura, temperaturas, fluxos de calor, coeficientes de filme, velocidades de escoamento de fluidos

(lquidos e gases), concentraes de misturas, campos magnticos e correntes eltricas entre

outros (ANSYS, 2009).

Para a elaborao do modelo matemtico slido ou prottipo virtual pode-se utilizar um

programa de desenho do tipo CAD (Computer Aided Design) ou o programa de simulao

computacional CAE (Computer Aided Engineering), no qual o profissional tambm elabora o

modelo de elementos finitos, como apresentado na Figura 01, define o tipo de anlise a ser

realizada, solicita a execuo dos clculos e verifica os resultados, referente metodologia da

anlise de simulao computacional (MOAVENI, 2008).

Figura 01: Modelo de Elementos Finitos de uma Plataforma Offshore. Fonte: Programa ANSYS verso

2003.

Os programas de CAE so utilizados para desenvolver projetos de produtos e processos,

incluindo o dimensionamento, as modificaes e as otimizaes. Alguns programas, tais como o

ANSYS, possuem mtodos para a execuo de anlises probabilsticas de tenses (ANSYS,

2009).

Os principais benefcios das anlises de simulao para as anlises ambientais so:

Verificao da integridade estrutural de um produto ou o desempenho de um processo nas condies de projeto, de operao e de sobrecarga visando mitigar riscos e/ou efeitos de aspectos

ambientais e colaborar na melhoria de um Sistema de Gesto Ambiental (SGA);

Simulao de condies de carregamento para atendimento a requisitos de Normas tcnicas;



Melhoria de desempenho de produtos e processos por meio de anlises comparativas, alteraes e possveis otimizaes das variveis de projeto visando colaborar na avaliao de desempenho

ambiental;

Identificao de situaes de riscos e simulao de aspectos ambientais que podem causar danos ambientais, nas diversas etapas de operao ou de utilizao de produtos e processos;

Fornecimento de diagnsticos e dados numricos sobre o comportamento de produtos e processos, submetidos a condies de operao ou de acidente, a serem utilizados nas anlises de

confiabilidade, vulnerabilidade, causas e conseqncias, avaliao e gerenciamento de risco por

meio da anlise de riscos ambientais.

Na anlise dos resultados, o profissional pode verificar se os valores encontrados atendem

aos fatores de segurana exigidos pelas normas tcnicas ou pode identificar os pontos de falha

que levam a danos parciais, colapso do produto ou perda de controle de um processo, por no

atenderem os requisitos das normas ou por estarem submetidos a condies de acidentes.

Executando a anlise em etapas possvel reproduzir as situaes de riscos ou de

acidentes diversos em seqncia e analisar as causas, efeitos e consequncias de uma ao

sobre a seguinte.

Nas anlises de simulao pode-se efetuar modificaes ou combinaes de diversas

variveis de projeto de um produto ou processo. Os resultados obtidos podem ser utilizados para

avaliar o desempenho do objeto em estudo, por meio da comparao dos valores calculados nas

diversas condies de projeto.

Aplicaes em Estudos Ambientais

Entre as principais aplicaes da simulao computacional, para modelagem de situaes

complexas e fenmenos diversos, os quais so complexos ou muito difceis de serem

reproduzidos e testados em laboratrios ou bancadas, com o uso de prottipos fsicos, e que

podem causar danos, acidentes ou desastres ambientais, destacam-se:

Impacto ou choque de embarcaes transportadoras de leo ou produtos txicos contra obstculos diversos, que podem causar fraturas nas mesmas, levando ao derramamento destas substncias e

causando a poluio nos corpos dgua com destruio da fauna e flora;

Elevaes de presso ou de temperatura (sobrecargas), de equipamentos ou dutos com gases ou substncias txicas e/ou inflamveis, as quais podem causar trincas e/ou rupturas nos mesmos,

gerando vazamentos e exploses, com incndios e contaminaes ambientais diversas;

Aquecimentos e resfriamentos ou cargas e descargas repetitivas de equipamentos, que contenham substncias txicas ou perigosas, cujos ciclos de trabalho podem levar fadiga do material e causar

trincas que podem se propagar causando o rompimento do material e gerando vazamentos que

podem contaminar o ar, o solo e a gua;



Queda de aeronaves ou exploso sobre ou prximo ao edifcio do reator de usinas nucleares, as quais podem danificar ou romper o reator, devido s ondas de choque e vibraes, causando

emisses radioativas com contaminaes de pessoas, da fauna e da flora;

Incndios em instalaes diversas, tais como plataformas offshore, petroqumicas, indstrias qumicas e siderurgias, os quais podem causar exploses e danificar ou superaquecer estruturas e

equipamentos com produtos inflamveis e/ou txicos, levando perda de integridade estrutural e

colapso dos mesmos, trazendo como conseqncias mortes de pessoas, vazamentos e

derramamentos de substncias perigosas no ar, solo, e gua;

Deformaes permanentes (mossas) causadas por sobrecargas diversas em equipamento que armazena substncia perigosa ou txica. Estes danos podem comprometer a integridade estrutural

do equipamento e/ou de seus componentes mecnicos, gerando trincas (fissuras) que podem se

romper a qualquer momento, durante o seu ciclo de trabalho, causando vazamentos que levam a

contaminaes do ar, gua e solo;

Quedas de barragens, estradas e encostas com gerao de reas degradadas, poluio dos corpos dgua e mortes de pessoas, da fauna e da flora;

Incndio em equipamento situado em plataforma, navio, refinaria, indstria qumica e siderrgica entre outras, com emisses de radiao e aquecimento de equipamentos, estruturas e instalaes

prximas, que pode causar mortes de pessoas, alm da perda da integridade e colapso das

estruturas, com danos e acidentes ambientais diversos;

Superaquecimento de fornos e reatores, em siderrgicas e usinas nucleares, que podem causar danos ou destruio de materiais e/ou equipamentos, incndios, exploses e emisses de

radiaes, com mortes de pessoas e contaminaes ambientais diversas;

Vibraes e rudos em instalaes diversas e equipamentos, que podem causar desconforto ambiental para pessoas e gerar trincas e/ou danificar componentes mecnicos, gerando prejuzos

para as pessoas e a empresa.

Normativas de Gesto Ambiental

A Norma ABNT NBR ISO 14001:2004 que define os requisitos para a implantao do SGA

e a certificao ambiental e a Norma ABNT NBR ISO 14031:2004, que fornece as diretrizes para a

avaliao de desempenho ambiental no mencionam o uso da ferramenta de simulao

computacional. No entanto, a mesma pode ser utilizada para atender alguns dos requisitos destas

Normas, relativos a preveno de riscos ambientais, melhoria do Sistema de Gesto Ambiental e

avaliao de desempenho ambiental.

No item 4.4.7, a Norma ABNT NBR ISO 14001:2004 define que a organizao deve

estabelecer, implementar e manter procedimento(s) para identificar situaes potenciais de

emergncia e acidentes que possam ter impacto(s) sobre o meio ambiente e sobre como a

organizao responder a estes.



Uma das principais capacidades do programa de simulao o fornecimento de

diagnsticos, isto , comportamentos e resultados numricos, que podem ser utilizados na anlise

de riscos para minimizar riscos ambientais, os quais podem levar a acidentes ambientais.

Segundo Moreira (2001), quanto aos requisitos da Norma ABNT NBR ISO 14001:2004, a

organizao deve identificar as possveis situaes emergenciais e definir formas de mitigar os

impactos ambientais associados, para atender s situaes de emergncia. O Coordenador do

Plano de Emergncia deve efetuar a anlise dos riscos identificados no levantamento dos

aspectos ambientais e selecionar as situaes emergenciais de maior abrangncia.

De acordo com Serpa (1992, citado por ALMEIDA, 2007), a anlise de risco ambiental

consiste na identificao sistemtica de elementos e de situaes de uma instalao que possam

gerar riscos e o gerenciamento de risco a implantao de medidas e procedimentos tcnicos e

administrativos que tm como objetivos controlar e reduzir os riscos constatados na fase da

anlise. Estes procedimentos visam capacitar a empresa para que ela possa reduzir a

probabilidade de ocorrncia de acidentes e tomar medidas adequadas, quando da ocorrncia dos

mesmos.

Segundo Almeida (2007), dependendo do potencial de risco do empreendimento e das

caractersticas do meio onde ele se localiza, a anlise de riscos pode ser qualitativa, quando

preliminar e/ou quantitativa, quando so calculados os riscos e as vulnerabilidades, dependendo

da fase do projeto. Os objetivos das anlises so: Identificar e classificar os eventos perigosos por

meio de inspees, investigaes e questionrios entre outras aes; Determinar, por meio de

clculos de probabilidade, a freqncia com que estes eventos ocorrem, no caso de anlise de

risco quantitativa; Analisar, por meio de modelos matemticos, os efeitos e danos associados;

Determinar as tcnicas de controle e mitigao.

A elaborao de estudos quantitativos de anlise de riscos requer a estimativa das

freqncias de ocorrncia de falhas de equipamentos relacionados com as instalaes ou

atividades em anlise. Estes dados podem ser difceis de serem estimados, em funo da

indisponibilidade de estudos de histrias de acidentes ou de falhas, em bancos de dados de

acidentes, os quais no foram registrados ou os quais ainda no aconteceram, como o caso dos

riscos, falhas, acidentes e impactos ambientais que a explorao do pr-sal pode causar no meio

ambiente.

Os programas que utilizam a simulao computacional com prottipos virtuais podem

modelar condies de operaes e de acidentes, que na maioria dos casos no so possveis de

serem reproduzidas em laboratrio. O programa de simulao pode efetuar clculos e analisar

situaes complexas de eminncia ou ocorrncia de acidentes e fornecer informaes sobre a

integridade de estruturas, equipamentos e processos diversos durante suas operaes e aps a

ocorrncia de exploses, incndios, vazamentos, quedas, impactos, falhas diversas e rupturas

entre outras situaes.



Os diagnsticos fornecidos na simulao computacional so aplicveis anlise e

gerenciamento de riscos e nas previses de falhas de produtos e processos. Os resultados podem

fornecer contribuies significativas para a minimizao das situaes de riscos e impactos

ambientais, reduo da ocorrncia de acidentes e aumento da confiabilidade do objeto em estudo,

como mostrado nos estudos de casos.

Com relao s situaes de risco, Cremonesi (2000, citado por MOREIRA, 2001) afirma

que por meio da certificao ambiental que a organizao atesta que possui um gerenciamento

preventivo das situaes de risco potencial e que atende a todos os requisitos de uma Norma

Internacional, tal como a Norma ABNT NBR ISO 14001, para suas atividades, produtos,

processos e servios. Para a obteno desta certificao necessrio implantar inicialmente na

organizao um Sistema de Gesto Ambiental, no qual se analisam as situaes de risco

potencial, atravs da anlise de risco.

Por meio da simulao computacional possvel modelar, testar e analisar o

comportamento e/ou o desempenho de produtos e processos, em suas condies de operao,

sobrecarga e acidentes. Os resultados fornecidos podem ser utilizados na anlise e preveno de

situaes de risco ambiental potencial e na avaliao de desempenho ambiental.

O Item 3.1.1 da Norma ABNT NBR ISO 14031:2004, define que a Avaliao de

Desempenho Ambiental (ADA) um processo de gesto interna que utiliza indicadores para

fornecer informaes, comparando o desempenho ambiental, passado e presente, de uma

organizao com seus critrios de desempenho ambiental.

Como definido no Item 3.2.2 desta Norma, os indicadores de desempenho podem ser:

Gerenciais: que fornecem informaes sobre esforos gerenciais para influenciar o desempenho

ambiental das operaes da organizao; Operacionais: que fornecem informaes sobre o

desempenho ambiental das operaes da organizao; De Condies Ambientais: que fornecem

informaes sobre a condio do ambiental local, regional, nacional ou global.

Por meio da simulao computacional possvel combinar, estudar e otimizar as variveis

de projeto, as quais sero escolhidas com base nos aspectos ambientais significativos da

empresa, os quais so definidos pela Norma ABNT NBR ISO 14031:2004 no Item 2.2. como

elementos das atividades, produtos ou servios de uma organizao que podem interagir com o

meio ambiente. Desta forma possvel dimensionar os produtos e processos para se obter a

melhoria do desempenho ambiental dos mesmos e consequentemente da empresa, tais como,

redues de poluio, do consumo de energia, de materiais, de temperaturas, de nveis de rudo e

de vibraes dentre outros. As variaes de desempenho podem ser avaliadas e medidas por

meio de indicadores de desempenho ambiental operacionais.

A simulao computacional adequada para a anlise de questes ambientais, pois uma

ferramenta de tecnologia limpa que contribui para a preveno de danos ambientais. Por meio da

anlise numrica possvel efetuar diversos testes com o uso do prottipo virtual, com os

seguintes benefcios, reduzindo-se: O desperdcio de material, os quais podem ocorrer quanto



necessrio destruir o prottipo fsico em testes de bancada; Os acidentes, os quais podem

acontecer durante testes em laboratrio; Os custos de materiais e de energia, os quais so

consumidos durante os testes de bancada; O tempo do ciclo do projeto e do produto, uma vez que

os testes virtuais so muito mais rpidos do que aqueles realizados em bancadas e laboratrios.

Os testes com os prottipos virtuais tambm podem validar um teste de bancada, que seja

requerido por uma certificadora, ou complementar um ensaio no destrutivo.

Os fatos apresentados acima indicam que a ferramenta de simulao computacional

possui muitas vantagens, benefcios e aplicaes que podem auxiliar a comunidade cientfica em

projetos multidisciplinares envolvendo estudos ambientais. As anlises podem tambm

complementar a anlise de risco e a avaliao de desempenho ambientais, relacionadas s

Normas ABNT NBR ISO 14001:2004 e 14031:2004, e contriburem para o aperfeioamento do

Sistema de Gesto Ambiental da organizao.

Anlise de Simulao Computacional

Segundo Assan (2003), h mais de dois mil anos, filsofos gregos j haviam elaborado

teorias nas quais supunham que todas as coisas eram formadas por inmeras partculas, tais

como: Leucipo e Demcrito estabeleceram que tudo era constitudo por um nmero infinitamente

grande de partculas denominadas, pelo ltimo, de tomos; Eudxio criou o mtodo da exausto,

que consiste em inscrever e circunscrever figuras retilneas em figuras curvilneas, para calcular

reas de figuras curvas e volumes de slidos como esferas e cones. Ele pensava em discretizar,

isto , dividir a figura contnua em partes para facilitar certos clculos. Este raciocnio serviu de

base para a elaborao dos mtodos numricos utilizados atualmente nos programas que

executam anlises de simulao computacional.

Na dcada de 40, McHenry e Hrennikoff (1941, citados por ASSAN, 2003) substituram um

elemento estrutural contnuo, tal como uma placa, por uma estrutura formada por barras, seguindo

a geometria original e mantendo as mesmas condies de vinculao e cargas.

De acordo com Assan (2003) e Moaveni (2008), a primeira pessoa a desenvolver o Mtodo

dos Elementos Finitos foi Courant, um matemtico de renome, que utilizou interpolao polinomial

em sub-regies triangulares para investigar a toro de Saint-Venant, em sees transversais de

vigas vazadas em 1943. Moaveni (2008) relata que nos anos 50, a empresa Boeing, seguida por

outras, utilizou elementos de tenso triangular para modelar asas de avies.

Com a publicao do trabalho de Turner, Clough, Martin e Topp (1956, citados por

ASSAN, 2003), o Mtodo dos Elementos Finitos teve sua formulao estabelecida como

conhecida hoje.



Nos anos 60, pesquisadores comearam a aplicar o Mtodo dos Elementos Finitos em

anlises de transferncia de calor e escoamento de fluidos. Zienkiewicz e Cheung (1967)

escreveram o primeiro livro sobre Mtodo dos Elementos Finitos.

Embora a formulao de Clough (1980) fosse conhecida desde o incio dos anos 50, o

mtodo dos elementos finitos somente passou a ser mais difundido e aplicado em diversas reas,

alm da engenharia estrutural, com a evoluo e expanso dos computadores de grande porte e

posteriormente com os microcomputadores PCs (Personal Computers). O autor do nome deste

mtodo, em contraposio aos elementos infinitesimais do clculo diferencial, descreve em seu

artigo, o desenvolvimento do mtodo dos elementos finitos.

Segundo Moaveni (2008), h muitas questes na engenharia, para as quais no possvel

obter solues analticas ou exatas, devido a situaes, tais como: A natureza complexa das

equaes diferenciais que governam o comportamento da estrutura, equipamento, pea, processo

ou outro objeto a ser analisado; Dificuldades em se definir as condies iniciais e de contorno ou

de fixao do objeto a ser analisado.

Para resolver as questes citadas acima, foram desenvolvidos os mtodos numricos que

fornecem solues aproximadas em pontos discretos (ns) do objeto, o qual discretizado, isto ,

dividido em pequenas sub-regies denominadas de elementos, que so definidos por pontos

nodais.

Os mtodos que originaram a anlise matricial, embora considerem o meio contnuo

discretizado por elementos com propriedades de rigidez e elasticidade conhecidas, no

apresentam o aspecto conceitual implcito no Mtodo dos Elementos Finitos.

Segundo Zienkiewicz e Cheung (1967), h duas classes de mtodos numricos a serem

utilizados nos programas de simulao computacional para anlises estruturais e trmicas:

Diferenas Finitas: a equao diferencial escrita para cada n e as derivadas so substitudas pelas equaes de diferenas. Esta aproximao resulta em uma srie de equaes lineares.

Embora de fcil entendimento, este mtodo difcil de ser aplicado em problemas com geometrias

ou condies de contorno complexas e materiais no isotrpicos (com propriedades diferentes

nas direes x, y e z); Elementos Finitos: usa formulaes integrais para criar um sistema de equaes algbricas. Uma funo contnua assumida para representar a soluo aproximada

para cada elemento. A soluo completa gerada conectando ou agrupando as solues

individuais, permitindo a continuidade nas fronteiras dos elementos.

Segundo Assan (2003), o Mtodo dos Elementos Finitos consiste no apenas em

transformar o slido contnuo em um conjunto de elementos discretos e escrever equaes de

compatibilidade e equilbrio entre eles. Deve-se tambm definir funes contnuas que

representem, por exemplo, o campo de deslocamentos no domnio de um elemento. A partir da,

obtm-se o estado de deformaes correspondente que, associado s relaes constitutivas do

material, permitem o clculo do estado de tenses em todo o elemento, o qual transformado em

esforos internos que devem estar em equilbrio com as aes externas.



Ainda de acordo com o autor, esta formulao derivada do Mtodo de Rayleigh-Ritz que

se baseia na minimizao da energia potencial total do sistema, que leva equao de equilbrio

do mesmo. Esta equao escrita em funo de um campo predefinido de deslocamentos,

denominado mtodo dos deslocamentos.

Argyris e Kelsey (1960, citados por ASSAN, 2003) publicaram uma srie de trabalhos, nos

quais a formulao matricial do Mtodo de Rayleigh-Ritz ficou definitivamente determinada e foi

aplicada para analisar principalmente fuselagens e asas de avies, simulando-as como

constitudas por barras e painis.

Segundo Assan (2003), deve-se atentar para o fato de que os fundamentos nos quais o

Mtodo dos Elementos Finitos se sustenta, vm das teorias e/ou teoremas desenvolvidas por

pesquisadores, tais como, Bernoulli, Navier, Lagrange, Cauchy, Mohr, Maxwell, Clapeyron,

Castigliano, entre outros.

Nos anos 60 comearam a ser desenvolvidos vrios programas de simulao

computacional baseados no Mtodo dos Elementos Finitos. Entre estes programas, destacou-se o

NASTRAN, utilizado nos projetos aeroespaciais da NASA, para dimensionar as naves e seus

componentes mecnicos, com fatores de segurana adequados, visando evitar ou minimizar

riscos de falhas devido a fadiga, altas temperaturas e sobrecargas a que as aeronaves estariam

sujeitas, especialmente durantes as operaes de lanamento e retorno Terra. No entanto,

nesta poca no se abordavam temas como danos e desempenho ambientais.

Em 1971, foi lanada a primeira verso do programa ANSYS, desenvolvido por John

Swanson, que criou a empresa Swanson Analysis Systems. Inicialmente o programa era

composto de rotinas escritas na linguagem FORTRAN, para executar anlises estticas lineares

estruturais e trmicas, em computadores de grande porte.

Nos anos 80, o programa ANSYS, utilizado nas anlises apresentadas neste trabalho, se

expandiu com o desenvolvimento de novas rotinas de elementos para a execuo de anlises

dinmicas, transientes, no lineares, de mecnica da fratura e fadiga.

No incio dos anos 90, foi lanada a verso 4.0 para microcomputadores PC 386, que era

executada em sistema DOS. Novos elementos foram desenvolvidos, tais como elementos para

materiais compsitos, de contato, de radiao, vigas com perfis variados e cascas para anlises

no lineares. Tambm foi includa a anlise de escoamento de fluidos, por meio do programa

FLOTRAN, que pertencia empresa COMPUFLO, a qual foi adquirida pela Swanson Analysis

Systems. Novos desenvolvimentos foram realizados e o FLOTRAN passou a executar anlises de

interao fluido-estrutura, muito importantes para se avaliar o efeito do vento em estruturas e da

velocidade de fluidos no interior de dutos e equipamentos.

No final da dcada de 90, a empresa Swanson Analysis Systems se tornou uma Sociedade

Annima com aes na Bolsa NASDAQ e passou a se chamar ANSYS, Inc. Novas verses do

programa forma lanadas para sistemas WINDOWS, LINUX e HP entre outros, com interface



amigvel desenvolvida na linguagem BASIC. Foram desenvolvidos os mdulos de otimizao de

projetos, novos contatos estruturais e trmicos, elementos acsticos e elementos de casca

multicamadas entre outras capacidades, para competir com programas tal como o ABAQUS.

A partir de 2000 foi desenvolvida uma nova interface grfica, mais parecida com o

ambiente dos programas de CAD, com mdulos de modelagem slida, gerao de malha, clculo

de fadiga e de mecanismos para concorrer com o programa NASTRAN.

Mais recentemente, a empresa ANSYS, Inc. adquiriu as empresas CFX e FLUENT,

especialistas em programas de dinmica de fluidos e a CADOE, especialista em programas de

otimizao de projetos e anlises probabilsticas por meio do Mtodo Variacional.

O programa ANSYS utiliza somente o Mtodo de Elementos Finitos, que efetua e analisa

modelos virtuais nos quais o volume permanece constante. J o CFX e FLUENT pertencem a uma

gerao mais avanada de programas de simulao computacional, que utilizam o Mtodo de

Volume de Controle, o qual permite que o volume do modelo virtual varie.

Os programas CFX e FLUENT so apropriados para modelar escoamentos especiais e

efetuar algumas anlises, tais como: Escoamentos multifsicos: mistura de slidos, areia ou lama

com lquido e gs, muito comuns nas perfuraes de poos da indstria de petrleo e gs;

Combusto e reaes qumicas: mistura e escoamento de gases inflamveis que variam de

volume durante os processos de queima e reaes de gases, muito comuns nos incndios de

equipamentos em indstrias qumicas, petroqumicas e plataformas de petrleo.

Atualmente o programa ANSYS, com seus novos Mdulos de anlise dinmica de fluidos e

otimizao lder em seu segmento e realiza inmeros tipos de anlises multifsicas de

engenharia, sendo capaz de importa arquivos com modelos slidos de diversos programas de

CAD (Computer Aided Design).

METODOLOGIA

Em relao sua natureza, a pesquisa realizada neste trabalho se classifica como

aplicada. Neste estudo so apresentados os benefcios, as vantagens e as aplicaes das

anlises de simulao computacional para a evoluo dos Sistemas de Gesto Ambiental, como

complemento e refinamento para se efetuar:

A anlise de risco ambiental: quando no possvel modelar o fenmeno fsico por meio de experimentos, quando no h dados sobre freqncias e probabilidades de ocorrncias de

acidentes, para verificar causas e conseqncias de acidentes e simular seqncias de acidentes

(efeito domin) por meio de anlises em etapas;

A avaliao de desempenho ambiental: quando se objetiva melhorar o desempenho de produtos e processos para melhorar os indicadores operacionais de desempenho ambiental;



A implantao e melhoria do Sistema de Gesto Ambiental: quando se pretende adequar processos e produtos para atender os requisitos ambientais, tais como reduo dos nveis de poluio, rudos,

vibraes e calor entre outras exigncias.

Quanto forma de abordagem, a pesquisa efetuada qualitativa. Neste estudo so

pesquisados os procedimentos, as ferramentas e as normas utilizadas atualmente para se efetuar

a anlise de risco, a avaliao de desempenho e a implantao e melhoria do Sistema de Gesto

Ambientais, com os objetivos de conhecer e entender melhor, alm de verificar o contexto e as

etapas das anlises, os dados necessrios para a utilizao das ferramentas disponveis e os

requisitos das normas ambientais, buscando identificar situaes em que possvel aplicar a

anlise de simulao computacional como uma ferramenta que possa complementar e agregar

valor aos recursos j utilizados.

Quanto aos objetivos, a pesquisa foi do tipo exploratria. Neste estudo efetua-se um

levantamento bibliogrfico, definem-se hipteses e apresentam-se estudos de caso, com anlises

das aplicaes da simulao computacional, as quais podem ser aplicadas em analise de risco,

na avaliao de desempenho e na melhoria do Sistema de Gesto Ambientais. As coletas foram

efetuadas em livros, normas tcnicas e manuais de instituies tcnicas citados nas referncias

bibliogrficas, artigos cientficos indexados de revistas e jornais (journals) cientficos encontrados

em bases de dados do Portal CAPES tais como Scopus, Compendex on Engineering Village,

SciFinder Scholar, ISI Web of Knowledge, peridicos acesso livre, bancos de dissertaes e teses

de bibliotecas disponveis na internet, manuais e relatrios de consultorias realizadas com o

programa ANSYS.

Mtodo e Tcnica da Pesquisa

Neste estudo, so apresentados os fundamentos, benefcios, vantagens e aplicaes da

simulao numrica a qual se prope utilizar em anlise de risco, na avaliao de desempenho e

na melhoria do Sistema de Gesto Ambientais.

Neste caso, utiliza-se o raciocnio indutivo para se propor que a ferramenta de simulao

seja utilizada nas anlises e certificaes ambientais, pela induo de que os inmeros benefcios,

aplicaes e resultados obtidos nas anlises de simulao, apresentadas nos estudos de casos,

se aplicam s anlises de risco, avaliao de desempenho e certificao ambientais.

Neste estudo se utilizou a tcnica de Observao no Estruturada ou Assistemtica, que

consiste em recolher e registrar fatos da realidade, no sendo necessrio que o pesquisador

utilize meios tcnicos especiais ou precise fazer perguntas diretas. Neste trabalho a observao

do tipo individual.



Definio do Programa ANSYS de Simulao Computacional

Os programas que executam uma anlise de engenharia por meio de simulao

computacional, tal como o ANSYS, so compostos de rotinas matemticas, em geral,

desenvolvidas na linguagem de programao FORTRAN, com interfaces grficas elaboradas em

BASIC, JAVA ou outra ferramenta de programa, tendo como exemplo o Programa ANSYS, o qual

utilizado como referncia neste trabalho.

H diversos tipos de rotinas que compem o Programa ANSYS: a) Rotinas comuns aos programas existentes no mercado tais como: de elaborao de malha de

elementos finitos, de aplicao de cargas e condies de contorno ou de fixao, de montagem e

inverso de matrizes definidas com parmetros geomtricos e dos materiais do objeto, propriedades

mecnicas e fsicas dos materiais, de algoritmos de soluo dos sistemas de equaes

denominados Solvers, de figuras, listagem de resultados e elaborao de relatrios entre outras.

b) Rotinas especficas com as equaes que representam o comportamento dos diversos tipos de

elementos, os quais fazem parte da biblioteca de elementos do programa, as quais criam

diferenciais e valor cientfico para os programas, quanto s suas capacidade de: Modelar diferentes

tipos de objetos tais como trelias, vigas cascas, slidos, contatos pontuais e de superfcie,

sistemas massa/mola/amortecedor, campos magnticos e escoamentos de fluidos; Representar

comportamentos simples (lineares) ou mais complexas (no lineares) tais como: plasticidade,

fluncia (creep), processos trmicos tais como conduo, conveco e radiao, escoamento de

fluido, gerao de um campo magntico, combusto e reaes qumicas entre outros fenmenos

fsicos e qumicos;

c) Rotinas especficas para representar fenmenos tais como: trincas, fadiga, terremotos, escavaes,

rupturas/fraturas de materiais, delaminao (descolamento das camadas de um material

compsito), vazamentos e exploses entre outros.

Em geral os programas de simulao so divididos em 03 mdulos. No Programa ANSYS

tem-se: a) Pr-processador: mdulo com funes para modelagem do objeto, definio dos atributos do

modelo (tipo de elemento, material e propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas), elaborao da

malha de elementos finitos, definio e aplicao dos carregamentos e das condies de contorno

ou de fixao;

b) Modulo de Soluo: mdulo onde so definidos os parmetros de convergncia da anlise, o tipo de

algoritmo de soluo e os diversos tipos de carregamento, quando so aplicados em passos de

carga (load steps);

c) Ps-processador: mdulo de apresentao dos resultados obtidos, com funes de plotagem e

listagem dos valores calculados pelo programa. Inclui um sub-mdulo utilizado para gerar curvas

dos resultados obtidos nas anlises no lineares, em que se trabalha com iteraes e incrementos

de carga e nas anlises transientes, onde os resultados variam ao longo do tempo.



Tipos e Caractersticas das Anlises e dos Elementos Finitos

As principais anlises de simulao realizadas com o programa ANSYS so:

Estrutural: esttica, dinmica (modal/freqncias, superposio modal, transiente, ssmica), flambagem (anlise de instabilidade de estrutura ou equipamentos), fadiga, mecnica da fratura. As

anlises podem utilizar elementos com formulao linear ou com equaes que representem as no

linearidades geomtricas (grandes deslocamentos), de material (plasticidade) e de contatos;

Trmica: regime permanente ou transiente com conduo, conveco e radiao; Dinmica de fluidos: regime permanente ou transiente, escoamento laminar ou turbulento, com

misturas ou escoamentos multifsicos (lquido, slido e gs), combusto e reaes qumicas;

Eletromagntica: regime permanente ou transiente, com interao das foras ou de temperaturas oriundas de campos eletromagnticos, as quais so transferidas a uma estrutura ou fluido.

H diversos tipos de elementos finitos para modelos slidos e elementos de volumes finitos

para fluidos, os quais so utilizados na modelagem do problema. Estes elementos so definidos

por pontos nodais os quais possuem graus-de-liberdade, isto , variveis primrias, que so as

incgnitas do problema, as quais definem os movimentos do objeto em estudo tais como

deslocamentos, rotaes e velocidades nas direes X, Y e X (variveis vetoriais: com valores

diferentes em cada direo) e temperatura (varivel escalar).

O programa calcula tambm as variveis secundrias, tais como tenses, deformaes,

fluxos de calor, coeficientes de filme e presses de contato que dependem dos valores das

variveis primrias e so utilizadas para diversas verificaes e avaliaes do comportamento do

objeto, tais como deformaes permanentes, colapso, ruptura e superaquecimento entre outras.

O nmero de ns de um elemento corresponde ao tipo do polinmio de interpolao

utilizado para representar o comportamento das variveis primrias e secundrias. Elementos

com pontos nodais somente nos vrtices utilizam polinmio linear e elementos com ns

intermedirios, no meio das arestas dos elementos utilizam polinmio quadrtico.

Para cada tipo de anlise deve-se utilizar o elemento com a formulao que atenda ao tipo

de comportamento do objeto em estudo. Isto importante, pois caso a reao do objeto durante o

seu movimento seja no linear, os clculos somente sero corretos se as equaes inclurem os

termos que modelam e calculam as no linearidades.

Em geral, os elementos possuem as mesmas geometrias, diferindo nos graus-de-liberdade

e nas equaes, as quais so especficas para o clculo das variveis da anlise. Os principais

tipos de elementos com os correspondentes nmeros de ns so: Pontual: mola, massa e

amortecedor com 1 ou 2 ns e contato ponto-a-ponto com 2 ns; Linha (unidimensional): trelia ou

cabo (link), viga (beam), duto (pipe) com 2 ou 3 ns; Plano (bidimensionais: quadrado ou

tringulo): slido 2D (plane), casca (shell) e contato superfcie-superfcie com 4 e 8 ns; Slido

(tridimensionais: hexaedro ou tetraedro): slido 3D com 8 a 20 ns e contato superfcie-superfcie

com 8 ns.



As variveis primrias (graus-de-liberdade ou DOFs - degree of freedom) e as variveis

secundrias calculadas pelo programa, de acordo com o tipo de anlise realizada so as

seguintes: a) Estruturais: Variveis primrias: deslocamentos nodais; Variveis secundrias: tenses,

deformaes, presses de contato, foras nodais, reaes nos pontos de fixao entre outras;

b) Trmicas: Variveis primrias: temperaturas; Variveis secundrias: fluxos de calor, coeficientes de filme e gradiente de temperatura;

c) Dinmica de Fluidos: Variveis primrias: velocidades do escoamento nas direes X, Y e Z, presses, energia cintica, dissipao de energia, temperatura; Variveis secundrias: coeficientes

de filme, linhas de corrente, tenses superficiais, percentual de uma substncia em uma mistura ou

de novas substncias em reaes qumicas e taxa de combusto entre outras.

d) Eletromagntica: variveis primrias: intensidade de corrente, voltagem, fora de campo, temperatura; variveis secundrias: foras do campo magntico, voltagens, linhas de fluxo entre

outras.

Para diferentes tipos de anlises, h diversos tipos de elementos, os quais so compostos

por pontos nodais, com graus-de-liberdade, isto , variveis primrias que representam o

comportamento da estrutura, processo, escoamento ou campo magntico em diferentes direes.

Os principais carregamentos impostos ao objeto, processo ou escoamento so os

seguintes: Estruturais: foras nodais, presso na linha ou na rea, deslocamentos prescritos

(impostos), pr-tenso, temperaturas prescritas, velocidade ou acelerao inicial; Trmicos:

temperaturas iniciais, fluxo de calor; Escoamentos: temperaturas, velocidades, presso, energia

cintica e dissipao de energia.

As principais condies de fixao ou de contorno aplicadas ao objeto, processo ou

escoamento so as seguintes: Estruturais: deslocamentos e rotaes nulas, status de um contato

(fechado ou aberto); Trmicos: coeficiente de filme, temperaturas inicial, externa e interna em

torno do objeto; Escoamentos: temperaturas, velocidades, presso, energia cintica e dissipao

de energia.

As principais propriedades fsicas e mecnicas dos materiais utilizadas nas anlises so:

Estruturais: Mdulo de Elasticidade, Coeficiente de Poisson, densidade, curvas de tenso x

deformao, no caso de anlise com deformao permanente, coeficiente de dilatao trmica;

Trmicas: condutividade trmica, calor especfico, coeficiente de filme ou de conveco; Dinmica

de Fluidos: viscosidade, densidade.

As propriedades geomtricas so as informaes sobre a geometria do objeto, as quais

devem ser definidas, quando o elemento utilizado no um slido (volume). As principais

propriedades geomtricas dos elementos, chamadas de Real Constants no programa ANSYS, so

as seguintes: Trelia: rea da seo transversal; Viga: rea da seo transversal ou espessuras e

dimenses da mesa e da alma do perfil; Mola: rigidez, comprimento; Massa: valor da massa;

Contato: atrito entre as partes, rigidez; Casca: espessura total, nmero e espessuras das

camadas dos materiais (para compsitos).



Procedimento da Anlise de Simulao Computacional

Os principais passos para a execuo de uma anlise de simulao computacional so: 1) Definio do objetivo da anlise e dos resultados esperados;

2) Definio do tipo de anlise a ser realizado;

3) Anlise dos dados do objeto de estudo: desenhos com dimenses, fotos, arquivos do modelo slido

elaborado em um programa de CAD;

4) Obteno e definio das propriedades fsicas e mecnicas dos materiais;

5) Obteno e definio das propriedades geomtricas dos elementos que sero utilizados para

representar o objeto, tais como trelia, viga, casca, mola e contato entre outros;

6) Definio dos carregamentos e local de aplicao dos mesmos;

7) Elaborao do modelo slido bidimensional (plano) ou tridimensional (volume), utilizando as

estratgias de modelagem para gerar planos ou volumes distintos de acordo com os tipos de

materiais que compem a peas, com as posies dos carregamentos e dos pontos de fixao;

8) Escolha dos tipos de elementos a serem utilizado na discretizao (ns e elementos) do modelo;

9) Definio dos atributos do modelo para planos e/ou volumes tais como tipo de elemento,

propriedades dos materiais e propriedades geomtricas;

10) Elaborao da malha de elementos finitos. Nas regies onde h mudanas bruscas de geometria,

regies de furos e quinas, podem ocorrer concentraes de tenses (estrutura), os altos gradientes

de temperatura (processo) ou as turbulncias (fluido). Nestes locais deve-se preparar uma malha

mais refinada, para que os resultados sejam calculados com maior preciso;

11) Definio dos parmetros de convergncia da anlise e do algoritmo de soluo;

12) Escolha dos mtodos que aceleram a convergncia das anlises no lineares;

13) Armazenamento do modelo e de todos os dados definidos;

14) Execuo da anlise;

15) Verificao da convergncia da anlise e dos resultados obtidos;

16) Plotagem e listagem dos resultados;

17) Elaborao de curvas com os resultados das anlises no lineares (que variam com as iteraes de

convergncia) e/ou transientes (que variam ao longo do tempo);

18) Avaliao dos resultados: localizao de regies com altos gradientes de tenses, as quais podem

necessitar de refinamento, verificao de valores admissveis de acordo com as Normas tcnicas,

identificao de regies crticas, com concentraes de tenses e deformaes permanentes, que

apresentam resultados acima dos valores admissveis pelas Normas tcnicas de projeto e operao

e anlise do comportamento global do objeto entre outros;

19) Verificao dos erros do desvio padro e de energia;

20) Refinamento das regies crticas do modelo onde aparecem os maiores erros;

21) Modificao na geometria do objeto nos locais onde ocorrem altas concentraes de tenses;

22) Nova execuo da anlise e verificao dos resultados e erros, para comprovao da eficincia ou

no das alteraes efetuadas.



RESULTADOS

Os resultados que podem ser obtidos na anlise de simulao computacional dependem

dos objetivos do estudo. Para que os mesmos sejam calculados necessrio escolher o tipo de

anlise, o tipo de modelo (uni, bi ou tridimensional), os tipos de elementos com os graus-de-

liberdade que representam os movimentos do objeto e os carregamentos adequados, para que se

possa obter a representao dos fenmenos que se pretende reproduzir por meio da simulao e

dos seus efeitos no objeto de estudo.

Os resultados so calculados nos pontos nodais e nos elementos e plotados ao longo do

objeto em diferentes cores que correspondem aos valores obtidos. As cores so identificadas em

uma legenda, junto do objeto com faixas de valores da varivel para cada cor. Pode-se tambm

plotar curvas que representam o comportamento de uma varivel ao longo do tempo ou das

iteraes de convergncia, em um ponto nodal ou elemento especfico.

O movimento do objeto durante a anlise pode ser reproduzido em uma animao. Este

recurso do programa permite a verificao do comportamento do objeto durante a aplicao das

etapas (incrementos) de carregamento, do processo de aquecimento ou resfriamento e do

escoamento onde pode ocorrer a formao de reas de turbulncia ou a mistura de fluidos.

Tipos de Resultados Obtidos nas Anlises com o programa ANSYS

Os principais resultados que podem ser calculados, plotados e listados nos diversos tipos

de anlise de simulao computacional com o Programa ANSYS so os seguintes: a) Estrutural: Esttica: deformao global, deslocamentos, tenses, deformaes e presses de

contato; Dinmica: deformao global do objeto, deslocamentos, tenses e deformaes ao longo

do tempo e da frequncia, modos e frequncias de vibrao; Fadiga: vida til, tenso mxima e nmero de ciclos, fatores de segurana; Mecnica da Fratura: energia de deformao da trinca; Flambagem: modos de flambagem e cargas crticas.

b) Trmica: temperaturas, fluxos de calor, gradientes de temperatura e coeficientes de filme entre outras variveis;

c) Dinmica de Fluidos: velocidades, temperaturas, presses, energia cintica e dissipao de energia, percentual de cada fluido na mistura.

Nestas anlises pode-se simular situaes de sobrecarga do objeto, por meio da

aplicao de carregamentos e visualizao dos resultados em etapas (load steps), o que

permite efetuar a previso de riscos e acidentes ambientais, com a identificao da carga

limite ou da temperatura mxima de operao e com a verificao da alterao de um

processo e da variao de um escoamento, tais como:

Impactos entre plataformas, plataforma e navio ou outros obstculos que possam ser modelados. Estes impactos ou choques podem afetar a integridade estrutural da plataforma e

do navio, levando a rupturas e/ou colapsos, quedas de estruturas e equipamentos e/ou



afundamento dos mesmos com, exploses, derramamentos de substncias txicas na

plataforma, navio e mar, incndios e ferimentos ou mortes de pessoas;

Exploses e efeitos de ondas de choque tais como deformaes permanentes, rupturas, colapsos e incndios que podem causar vazamentos em submarinos nucleares, equipamentos,

dutos e navios que transportam leo e substncias txicas, poluindo o solo, gua e ar,

causando mortes de indivduos que operam estes equipamentos, alm de destruio da vida

marinha;

Rupturas de estruturas, componentes mecnicos ou equipamentos, com gases ou lquidos txicos, submetidos a cargas cclicas, tais como, altas variaes de presses ou de

temperatura, causando poluies ambientais diversas e mortes de indivduos;

Incndio em equipamentos causados por vazamentos de gases inflamveis, os quais se concentram na atmosfera e podem causar ignies e exploses. O aquecimento devido ao

incndio causa a perda de resistncia do material dos equipamentos e das estruturas onde

esto apoiados, levando a deformaes permanentes, rupturas ou colapso dos mesmos, com

danos irreversveis, mortes de indivduos e poluies diversas;

Exploso ou queda de uma aeronave sobre um reator nuclear, causando rupturas e vazamentos de substncias radioativas, ferimentos ou mortes de pessoas e desastres

ambientais no ar, gua e solo, muitas vezes irreversveis; Quedas de barragem, encostas e

estradas prximas a corpos dgua, com poluio dos mesmos, mortes de pessoas e da vida

aqutica.

Verificao e Validao dos Resultados Obtidos

Como a simulao computacional uma ferramenta de anlise que utiliza um mtodo

numrico para o clculo das variveis do problema, os resultados so aproximados. O profissional

responsvel pela execuo da anlise deve efetuar algumas verificaes e validaes para se

certificar da convergncia e da preciso dos resultados calculados pelo programa.

Inicialmente, devem ser verificados os dados de entrada do modelo: dimenses do objeto,

valores ou curvas das propriedades fsicas e mecnicas dos materiais, carregamentos, condies

de contorno e de fixao do objeto, tipos de elementos escolhidos com os graus-de-liberdade

adequados e o tipo de anlise. Caso um ou mais dados de entrada da anlise estejam errados, ou

seja, especificados inadequadamente, os resultados obtidos estaro errados, pois o programa

apenas executa os clculos com os valores e as formulaes especificadas pelo usurio.

Caso apaream regies com altos gradientes de tenses, temperaturas ou velocidades,

deve-se executar todas as verificaes indicadas a seguir ou algumas delas, dependendo do grau

de erro encontrado nos resultados ou da preciso obtida aps os primeiros refinamentos da

malha: a) Estudo de sensibilidade de malha: consiste no refinamento da malha, isto , reduo do tamanho

dos elementos do modelo nas regies com valores elevados e execuo de uma nova anlise.



Havendo alterao dos valores, deve-se efetuar novo refinamento at que se obtenha uma curva

assinttica, isto , uma curva na qual os resultados convergem para um determinado valor;

b) Verificao das tenses nos pontos nodais das regies crticas, que sejam comuns a vrios

elementos. Esta avaliao muito importante porque a formulao de elementos finitos no garante

a continuidade das variveis secundrias, tenses ou fluxos de calor nos pontos nodais dos

elementos. Isto significa que estes valores, em um n comum a dois elementos no so iguais. Para

que o clculo das variveis secundrias seja viabilizado, os matemticos definiram posies dentro

do elemento, onde estes valores podem ser calculados com preciso de engenharia. Estas

posies so denominadas de Pontos de Gauss. Os valores obtidos podem ser extrapolados para

os pontos nodais. Embora a princpio, esta situao possa parecer uma limitao do mtodo, na

verdade tornou-se uma medida da preciso dos resultados. Caso os valores encontrados para estas

variveis sejam muito diferentes (mais do que 5%) para um mesmo ponto nodal pertencente a

vrios elementos, a convergncia e a preciso dos resultados devem ser reavaliadas. Neste caso,

deve-se efetuar o refinamento da malha e realizar uma nova avaliao das diferenas dos valores

das variveis em um ponto nodal pertencente a vrios elementos;

c) Caso um modelo seja elaborado com um elemento de casca de 4 ns, com polinmio linear e

aproximao da equao da elstica, desconsiderando as tenses na espessura do objeto em

anlise, pode-se troc-lo por um elemento de 8 ns, com polinmio quadrtico, ou se elaborar outro

modelo com elemento slido, que utiliza a equao da elstica completa. Os resultados devem ser

semelhantes, caso contrrio, o elemento de casca no correto para representar o comportamento

do objeto em anlise;

d) Caso uma anlise seja linear e haja dvida sobre a existncia de alguma no linearidade, pode-se

trocar o elemento com a formulao linear por outro com a no linear;

e) Em casos mais complexos, aps o estudo de sensibilidade de malha, pode-se executar as anlises

com diferentes programas de simulao computacional, utilizando-se elementos com formulaes

simplificadas e completas. Os resultados devem ser similares. Este procedimento j adotado para

a certificao de produtos pela ISO 9001;

f) Em alguns casos, as certificadoras exigem testes de carga em laboratrio para validao dos

modelos computacionais. Neste caso, deve-se verificar se o objeto original ou o prottipo fsico

utilizado no teste possui o mesmo material, dimenses iguais ou proporcionais s do modelo virtual

e se submetido s mesmas condies de fixao ou contorno e localizao dos carregamentos,

utilizadas na simulao computacional. Caso contrrio, os resultados sero diferentes.

CONSIDERAES FINAIS

Nas ltimas dcadas houve um aumento significativo do nmero de acidentes ambientais,

com mortes de seres humanos e enormes danos fauna e flora do planeta Terra. Como

conseqncia do crescimento de desastres ambientais e devido a uma maior conscientizao das

autoridades e da populao com relao s questes ambientais, as legislaes ambientais esto

se tornando mais rigorosas e a sociedade est exigindo das empresas o desenvolvimento de uma

poltica ambiental e de sustentabilidade, visando a preservao do meio ambiente, por meio da



reduo do consumo de recursos no renovveis, da aplicao de medidas para eliminar e/ou

mitigar as diversas formas de poluio e do projeto e operao de processos limpos e de produtos

reciclveis que no causem danos ambientais e que possam ser re-manufaturados.

Diante das atuais exigncias, muitas empresas esto incluindo em suas estratgias a

Poltica Ambiental, a implantao de um Sistema de Gesto Ambiental alm da Anlise de Risco,

Avaliao de Desempenho e Certificao Ambientais, para a melhoria de seus processos,

produtos e servios, visando se tornarem mais competitivas e/ou lderes de mercados nos setores

nos quais atuam.

No entanto, para atrair mais consumidores, permanecer no mercado e se expandir, as

empresas esto percebendo que necessitam gerar diferenciais, os quais so designados por Kim

e Mauborgne (2005), professores do INSEAD (Institut Europen d'Administration des Affaires-

Instituto Europeu de Administrao de Negcios), como Estratgia do Oceano Azul. Este

diferencial pode ser alcanado por meio do uso de ferramentas de anlise numrica, tal como um

programa de simulao computacional, o qual pode trazer inmeros benefcios para a empresa.

A proposta apresentada neste estudo para utilizao da simulao computacional na

anlise de risco e avaliao de desempenho ambiental e na melhoria do Sistema de Gesto

Ambiental visa apresentar as aplicaes e benefcios que a anlise de simulao pode trazer para

a gesto ambiental das empresas. Os resultados obtidos podem auxiliar na soluo das questes

ambientais dessas empresas e colaborar para que elas alcancem um diferencial competitivo, o

qual poder se tornar o seu oceano azul.

As anlises de simulao computacional podem ser teis na preveno e/ou mitigao dos

riscos e impactos ambientais, na avaliao do desempenho ambiental dos produtos, processos e

servios e na melhoria do Sistema de Gesto Ambiental.

Para a anlise de risco ambiental, verificou-se que os resultados da anlise de simulao

so importantes, pois, para o uso das ferramentas e mtodos de anlise de risco, em muitos

casos so necessrios dados de riscos e/ou acidentes anteriores, os quais no so encontrados

em bancos de dados, uma vez que os riscos a serem analisados e os acidentes mais recentes

decorrem do uso de novas tecnologias e, portanto, so riscos e acidentes sem histrico e sem

dados precisos, especialmente quando necessrio realizar uma anlise quantitativa de riscos.

Muitos destes acidentes ambientais so causados por falhas em equipamentos ou

estruturas que utilizam novas tecnologias complexas e so submetidos a altos carregamentos,

como a boca de sino, ou sofrem danos por reaes qumicas, como a barragem, ambos

apresentados nos estudos de casos. Como no h normas tcnicas para o dimensionamento ou

anlise de tenses de alguns equipamentos e estruturas, a ferramenta mais adequada no

momento para a verificao da integridade e confiabilidade estrutural de objetos e do

comportamento de processos o programa de simulao computacional, que utiliza mtodos



numricos para calcular as variveis de projeto e fornece resultados com preciso requerida na

engenharia.

Pode-se tambm analisar comportamentos de equipamentos, estruturas e processos que

em muitos casos no podem ser observados em laboratrio, devido ao tamanho do objeto,

destruio do mesmo ou s prprias condies de riscos geradas durante os testes, no sendo

possvel acompanhar a seqncia dos eventos, fornecida na anlise de simulao em etapas.

Na avaliao de desempenho ambiental a anlise de simulao pode trazer inmeros

benefcios para a empresa, tais como os testes com prottipos virtuais, sem gastos de materiais e

reduo do consumo de energia, para se obter a melhoria e a otimizao de produtos e

processos, com redues dos custos de construo dos prottipos fsicos e do tempo de anlise.

Na anlise de simulao, aplicvel avaliao de desempenho ambiental, pode-se estudar

ndices de desempenho ambiental operacionais relacionados a consumos de material e energia,

tempo da pea em operao e emisses devido s operaes, como o calor. Na melhoria do

Sistema de Gesto Ambiental (SGA), a anlise de simulao pode trazer contribuies

significativas para a empresa, auxiliando no controle dos aspectos e impactos ambientais e na

preveno e/ou mitigao de riscos ambientais, como mostrado nos estudos de casos. No

mercado nacional e internacional, a valorizao das aes das empresas que possuem SGA e

especialmente a certificao ambiental tem sido significativa, enquanto as aes das empresas

que tm sido responsveis por desastres ambientais esto desvalorizando, como aconteceu

recentemente com a empresa British Petroleum.

Por meio das aplicaes citadas, verifica-se que a anlise de simulao possui inmeras

aplicaes e solues para as questes ou desafios ambientais que ocorrem nas indstrias

offshore, mecnica, siderrgica, nuclear, qumica, de energia e da construo civil entre outras

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