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Prof. Luiz Fernando Martha - PUC-Rio Rua Marquês de São Vicente, 225 - CEP 22453-900 - Rio de Janeiro, RJ Tel. +55 21 3114-1189 - Fax. +55 21 3114-1195 - E-mail: [email protected] - URL: http://www.tecgraf.puc-rio.br/~lfm
FTOOL
Um Programa Gráfico-Interativo para
Ensino de Comportamento de Estruturas
Versão Educacional 2.
Agosto de 2002
http://www.tecgraf.puc-rio.br/ftool
Sumário
prática. O processo de aprendizado dos métodos de análise melhoraria bastante se o estudante pudesse aprender sobre o comportamento estrutural simultaneamente.
Do seu objetivo básico decorre a necessidade do FTOOL ser uma ferramenta simples, unindo em uma única interface recursos para uma eficiente criação e manipulação do modelo (pré- processamento) aliados a uma análise da estrutura rápida e transparente e a uma visualização de resultados rápida e efetiva (pós-processamento).
Os usuários desta versão educacional do programa estão livres de qualquer compromisso para usá- lo. Entretanto, nem o autor, nem a PUC-Rio, nem o Tecgraf/PUC-Rio, nem qualquer outra Instituição relacionada são responsáveis pelo uso ou mau uso do programa e de seus resultados. Os acima mencionados não têm nenhum dever legal ou responsabilidade para com qualquer pessoa ou companhia pelos danos causados direta ou indiretamente resultantes do uso de alguma informação ou do uso do programa aqui disponibilizado. O usuário é responsável por toda ou qualquer conclusão feita com o uso do programa. Não existe nenhum compromisso de bom funcionamento ou qualquer garantia.
Download
- Ftool Versão 2.11 para Windows: ftp://ftp.tecgraf.puc-rio.br/pub/users/lfm/ftool211win.zip
- Ftool Versão 2.11 para Linux: ftp://ftp.tecgraf.puc-rio.br/pub/users/lfm/ftool211linux.tgz A versão disponibilizada é compatível com a biblioteca glibc 2.0 para Linux e utiliza as bibliotecas do OSF Motif (http://www.openmotif.org).
- Download deste manual em formato CHM ( Compiled HTML Help ): ftp://ftp.tecgraf.puc-rio.br/pub/users/lfm/ftool211pt.chm
- Download deste manual em formato PDF: ftp://ftp.tecgraf.puc-rio.br/pub/users/lfm/ftoolman211.pdf
Histórico
O FTOOL (Two-dimensional Frame Analysis Tool) foi desenvolvido inicialmente através de um projeto de pesquisa integrado, coordenado pelo professor Marcelo Gattass do Departamento de Informática da PUC-Rio e diretor do Grupo de Tecnologia em Computação Gráfica (Tecgraf/PUC- Rio) e com apoio do CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico). O idealizador e responsável pelo programa é o professor Luiz Fernando Martha do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. Participaram no desenvolvimento do programa os alunos de graduação Eduardo Thadeu Leite Corseuil, Vinícius Samu de Figueiredo e Adriane Cavalieri Barbosa, todos do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, como bolsistas de iniciação científica no período de março de 1991 a dezembro de 1992. O programa, desenvolvido na plataforma DOS, sofreu alguns aprimoramentos até abril de 1995.
Também colaborou para este programa o então aluno de doutorado da PUC-Rio Waldemar Celes Filho (atualmente professor do Departamento de Informática da PUC-Rio), que trabalhou no desenvolvimento da biblioteca de funções HED ( Half-Edge Data struture ), para representação interna dos dados, e no desenvolvimento do programa MTOOL, cuja interface gráfica e estrutura de dados foram tomadas como ponto de partida deste programa. O módulo de análise numérica do
programa recebeu a colaboração do então aluno de doutorado da PUC-Rio Ivan Fábio Menezes (atualmente professor do Departamento de Informática da PUC-Rio).
Durante o período do final de 1997 ao início de 1998, o FTOOL foi reescrito pelo professor Luiz Fernando Martha utilizando o sistema de interface IUP e o sistema gráfico CD, desenvolvidos pelo Tecgraf/PUC-Rio. Esta interface gráfica permite que o programa seja executado tanto no ambiente Windows quanto no ambiente Unix/X-windows. Em fevereiro de 1998 foi lançada a versão 2.00 do FTOOL. Deste então sucessivas versões do FTOOL foram lançadas, cada uma com pequenos melhoramentos.
Em agosto de 2000, a versão 2.08 foi também liberada na plataforma Linux. Na versão 2.09 de janeiro de 2001 foram incorporados procedimentos específicos para o auxílio ao ensino de análise estrutural, tais como consideração de barras inextensíveis ou infinitamente rígidas, e a aplicação de momentos concentrados em extremidades de barras para modelar cargas de hiperestáticos momentos fletores. Na versão 2.10 de novembro de 2001 foram adicionados o traçado de linhas de influência e a consulta de resultados por passos ao longo das barras. Na última versão 2.11 de agosto de 2002 foi melhorada a definição de seções transversais de barras, sendo criados diversos tipos de seções transversais especificadas por parâmetros e duas tabelas de perfis I. Também foram criadas importação de propriedades e atributos de modelos do FTOOL de outros arquivos, opção para desenhar diagramas de momentos fletores do lado das fibras tracionadas ou comprimidas da barra, opção para desenho de resultados transversalmente às barras e opção para desenho de valores por passos ao longo da barra, além de outras melhorias.
Desde o início, o FTOOL demonstrou ser uma valiosa ferramenta para o ensino de engenharia, sendo utilizado nos cursos de Análise Estrutural, Estruturas de Concreto Armado e Estruturas de Aço dos cursos de Engenharia Civil de diversas universidades no Brasil e no exterior.
Melhoramentos das versões 2.06 e 2.07 (abril de 2000)
- Criado o item Units & Number Formatting no menu Options que dispara um diálogo que configura unidades e formatação de números. O usuário pode especificar unidades para cada um dos parâmetros no FTOOL, bem como sua formatação numérica. Existem opções para especificar unidades padrão em SI (Sistema Internacional), em US (Sistema Americano), ou todas as unidades em kilo-Newtons e metros. As unidades padrão podem ser sempre trocadas pelo usuário.
- O menu Member Properties foi substituído pelos menus Material Parameters (parâmetros de materiais) e Section Properties (propriedades geométricas de seções transversais). Foram criadas opções para especificar propriedades padrão para Concreto e Aço.
- Criados apoios elásticos de molas translacionais e rotacionais.
- Textos passaram a ser desenhados na tela usando fontes em pixels ( raster ). As imagens exportadas ainda utilizam fontes vetoriais, com exceção dos formatos postscripts.
- Criadas opções para visualizar valores de cargas e reações de apoio junto com o desenho das cargas e reações.
- Criada uma opção para visualizar as cargas juntamente com os diagramas de esforços e configuração deformada da estrutura.
Melhoramentos da versão 2.10 (novembro de 2001)
- Criado o traçado de linhas de influência.
- Criado passo para consulta de resultados ao longo de barras e para definição de seção transversal para traçado de linhas de influência.
- Adicionado desenho do valor de um resultado na consulta a valores locais de diagramas.
- Adicionada exibição na área lateral de valores de resultados (passo a passo) ao longo de uma barra consultada (pressionando botão da direita do mouse na barra).
- Criado diálogo com a definição da convenção de sinais de esforços internos adotada no programa.
- Adicionado sinal nos valores dos diagramas de esforço normal e esforço cortante. Adicionada opção para mostrar sinal dos valores de momentos fletores no diagrama. A opção inicial é para não mostrar sinal de momentos fletores.
- Adicionado um traço no centro da seta que representa reações de apoio.
- Corrigido um erro na conversão de unidades de comprimento de polegada para metro (usado internamente no programa).
Melhoramentos da versão 2.11 (agosto de 2002)
- Melhorada a definição de seções transversais de barras, sendo criados diversos tipos de seções transversais especificadas por parâmetros e duas tabelas de perfis I.
- Criada uma opção para mudança do padrão para traçado do diagrama de momentos fletores. O diagrama pode ser desenhado com valores positivos tanto do lado da fibra tracionada quanto do lado da fibra comprimida.
- Criada uma opção para mudança do padrão para traçado de linhas de influência. Valores positivos podem ser desenhados do lado das fibras inferiores ou o traçado da linha de influência de um determinado esforço interno segue o padrão para traçado de diagrama do esforço interno correspondente.
- Criadas opções para importação de parâmetros globais (sistema de unidades, parâmetros de visualização, etc.) e de atributos (tabelas de propriedades de materiais e de seções transversais, tabelas de cargas, etc.) de um outro arquivo criado pelo FTOOL. As propriedades podem ser importadas globalmente ou tabelas de atributos e cargas também podem ser importadas em separado.
- Criada opção para mostrar valores de resultados dos diagramas desenhados transversalmente às barras de forma a não acavalar os valores.
- Criada opção para mostrar valores de resultados em passos definidos ao longo das barras no desenho dos diagramas.
- Disponibilizado na interface gráfica do programa o fator de escala utilizado para desenhar os diagramas de esforços internos. A escala é definida em termos de unidade de esforço por unidade de comprimento. A escala dos diagrama também pode ser ajustada pelo usuário editando o valor mostrado na régua de controle.
- Corrigido problema de ajuste da imagem do modelo na tela quando diagramas são mostrados. Agora o ajuste considera o tamanho total da imagem, incluindo o desenho do diagrama.
- Corrigido problema para realizar a análise da estrutura para arquivo de modelo com nome muito longo.
Créditos adicionais
- A primeira versão deste manual (para a versão 2.07) foi criada por Luís Fernando Kaefer, aluno de doutorado da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP), Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações (PEF) e Laboratório de Mecânica Computacional (LMC).
- A implementação de diversos tipos de seções transversais no FTOOL teve colaboração de Christiana Niskier, então aluna de Graduação em Engenharia Civil e atualmente aluna de mestrado em Engenharia Civil na PUC-Rio.
- A atualização do manual da versão 2.11 teve a colaboração de Pedro Cordeiro Marques, aluno de Graduação em Engenharia Civil na PUC-Rio.
Exportação de imagem através do Clipboard (Área de transferência)
Para obter os melhores resultados, siga os seguintes passos:
- Escolha a opção Export Screen/Clipboard do menu File , ou aperte o botão , ou ainda tecle Ctrl+C ("clicando" com o mouse antes na tela principal para deixar o foco nela). Isso vai copiar toda a imagem da tela principal do FTOOL para o Clipboard (Área de transferência). Observe que toda a imagem vai ser copiada e não somente os objetos que estiverem selecionados naquele instante.
- Abra o aplicativo que vai importar a imagem, por exemplo o MS-Word. No MS-Word, para as versões NT, 2000 ou XP, selecione a opção Paste ... ( Colar... ) do menu Edit ( Editar ) ou tecle Ctrl+V. Pode-se usar a opção Paste Special... ( Colar Especial... ), selecionando, em seguida, a opção Picture ( Figura ). Nas plataformas Windows 95 e 98, NÃO selecione a opção Picture (Enhanced Metafile – Figura (Metarquivo avançado) – pois isso vai criar uma figura com tamanho demasiadamente grande. Para Windows 95 e 98, a opção Picture ( Figura ) vai gerar uma imagem pequena que pode ser ampliada pressionando o botão do mouse sobre um dos cantos da figura selecionada. Esta figura é gerada pequena pois foi salva com um tamanho cinco vezes maior do que a tela do FTOOL. Isto resulta em uma melhor precisão de desenho.
- Edite a figura resultante. Nas plataformas Windows 95 e 98, pode acontecer que círculos resultantes de rótulas ou momentos apareçam preenchidos de preto ao se editar a figura. Não se conseguiu descobrir como evitar isso. Para corrigir, basta selecionar o objeto e retirar a cor de fundo ou preencher de branco (ou da cor do fundo). Este problema não ocorre para Windows NT, 2000 ou XP. Você pode engrossar as linhas (1/2 pt ou 3/4 pt são boas opções), trocar as cores dos elementos, etc.
- Se a impressora for preto-e-branco, melhores resultados serão obtidos se, antes de exportar a imagem, a opção de imagem preto-e-branco for selecionada. Esta é a opção Black Foreground do menu Display.
Criação e Manipulação da Estrutura
Menu de Edição
O menu de edição reúne os botões para a criação e modificação do modelo.
A inserção de barras, nós ou linhas de cota no FTOOL possui um comportamento que automaticamente atrai o cursor do mouse para uma entidade existente (um nó ou uma barra). O processo de criação pode ser auxiliado pelo uso do Snap (atração) para uma grade ( Grid ) de pontos (veja na seção de Controles da Visualização).
Criação de Barras e Nós
A criação de uma barra ou um nó se faz de maneira direta. Para inserir uma barra ( Member ), basta selecionar o botão e "clicar" em dois pontos do canvas. Instantaneamente são criados os nós nas extremidades da barra. Se a barra inserida interceptar uma barra existente, o nó da interseção das duas barras é automaticamente criado. Neste caso as duas barras são automaticamente subdivididas. Analogamente, para criar um nó, seleciona-se e "clica-se" com o mouse em um ponto do canvas. Se o ponto "clicado" estiver em uma barra existente, a barra é dividida em duas barras com a inserção do novo nó.
A entrada de linhas via mouse para a criação de barras é feita com dois "cliques" do mouse: um para o primeiro nó da barra e o outro para o segundo nó. Usualmente a entrada de linhas via mouse segue a regra "pressiona botão - arrasta mouse - libera botão". O modo em dois "cliques" permite que o usuário desista da inserção da barra depois do primeiro ponto, bastando para isso "clicar" com o botão da direita do mouse ou teclar Esc. Este tipo de entrada de linha também permite que o usuário dê um zoom ou translade a janela de desenho depois de ter entrado com o primeiro nó e antes de entrar com o segundo.
Criação de Linhas de Cota
Linhas de Cota ( Dimension Lines ) são linhas auxiliares que servem para criar anotações de distância na imagem da estrutura. Para inserir uma linha de cota, basta selecionar o botão correspondente no menu de edição e "clicar" em três pontos do canvas. Os dois primeiros pontos são os pontos de referência para cotagem de distância. O terceiro ponto serve para definir onde a linha de cota propriamente dita vai ficar localizada. Durante a construção da linha de cota, o programa atualiza na tela o desenho da linha de cota, até que o usuário entre com o terceiro ponto.
Menu de Undo e Redo
A opção de Undo permite desfazer as últimas ações. A opção de Redo permite refazer a última ação desfeita.
Menu Transform
O menu Transform fornece opções para manipular entidades já criadas. Existem opções de mover ( Move ), espelhar ( Mirror ), rotacionar ( Rotate ), aplicar um fator de escala ( Scale ) e repetir a última transformação ( Repeat ). Selecionando Leave Original , a transformação é aplicada em uma cópia das entidades selecionadas.
Controles de Visualização
Menu de Controle de Visualização
Este menu agrupa todos os controles para definição da janela de visualização do modelo.
A opção para ajustar o modelo à tela enquadra a estrutura na área de desenho do programa deixando uma margem de folga.
A escala do desenho na tela pode ser alterada de várias formas. A primeira é definindo um retângulo de zoom (área de visualização definida por um retângulo). A entrada de dois cantos opostos do retângulo de visualização é feita com dois "cliques" do mouse. O modo em dois "cliques" permite que o usuário desista da redefinição da área de visualização depois do primeiro ponto do retângulo, bastando para isso "clicar" com o botão da direita do mouse ou teclar Esc. Se os dois "cliques" forem dados no mesmo ponto da tela, ocorrerá um zoom centrado neste ponto.
O botão de Zoom+ aumenta o tamanho do modelo na tela, enquanto o botão de Zoom– diminui o tamanho. Este efeito também pode ser conseguido "girando" o potenciômetro ( dial ) que controla a escala do desenho. Em ambos os casos, a escala do desenho se dá centrada no ponto médio da área de desenho.
Configurações
Menu Options
Atualmente as únicas configurações possíveis no FTOOL são as de sistemas de unidades e de formatação de valores numéricos. A opção Units & Number Formatting do menu Options faz exibir um diálogo que permite estas configurações.
Formatação de Unidades e Valores Numéricos
Através do diálogo de interface Units & Number Formatting , o usuário pode definir unidades para os diversos parâmetros envolvidos em uma análise estrutural pelo FTOOL, bem como os formatos para exibição dos valores numéricos associados a estes parâmetros. Existem opções para especificar unidades padrão em SI (Sistema Internacional), em US (Sistema Americano), ou todas as unidades em kilo-Newtons e metros. Para especificar unidades padrão e as correspondentes formatações de valores, basta selecionar o botão correspondente no topo diálogo. O usuário pode sempre alterar uma unidade ou formatação padrão para o que achar mais conveniente.
Sistemas de Unidades
- As tabelas a seguir mostram, para cada parâmetro usado, as unidades implementadas no FTOOL
e os correspondes fatores de conversão para as unidades de referência interna, que estão indicadas em negrito. Internamente, o programa converte todas as unidades para estas unidades de referência.
- A primeira unidade de cada parâmetro é a unidade que aparece automaticamente quando o
usuário seleciona unidades SI (Sistema Internacional) ou unidades US (Sistema Americano).
- Na conversão para unidades que utilizam tonelada força (tf), foi adotado:
Parâmetro Unidades SI Unidades US Símbolo Nome Fator da Símbolo Nome Fator da
- APRESENTAÇÃO .............................................................................................................................................................
- Autoria do FTOOL ....................................................................................................................................................
- Visão Geral................................................................................................................................................................
- Download ..................................................................................................................................................................
- Histórico ....................................................................................................................................................................
- Melhoramentos das versões 2.06 e 2.07 (abril de 2000)............................................................................................
- Melhoramentos da versão 2.08 (agosto de 2000) ......................................................................................................
- Melhoramentos da versão 2.09 (janeiro de 2001)......................................................................................................
- Melhoramentos da versão 2.10 (novembro de 2001).................................................................................................
- Melhoramentos da versão 2.11 (agosto de 2002) ......................................................................................................
- Créditos adicionais ....................................................................................................................................................
- MANIPULAÇÃO DE ARQUIVOS ........................................................................................................................................
- Menu File ..................................................................................................................................................................
- Exportação de imagem através do Clipboard (Área de transferência) ....................................................................
- C RIAÇÃO E MANIPULAÇÃO DA ESTRUTURA .................................................................................................................
- Menu de Edição .......................................................................................................................................................
- Criação de Barras e Nós ..........................................................................................................................................
- Criação de Linhas de Cota.......................................................................................................................................
- Modo Teclado..........................................................................................................................................................
- Modo Seleção ..........................................................................................................................................................
- Menu de Undo e Redo .............................................................................................................................................
- Menu Transform ......................................................................................................................................................
- C ONTROLES DE VISUALIZAÇÃO....................................................................................................................................
- Menu de Controle de Visualização..........................................................................................................................
- Controle de Coordenadas.........................................................................................................................................
- Menu Display ..........................................................................................................................................................
- C ONFIGURAÇÕES .........................................................................................................................................................
- Menu Options ..........................................................................................................................................................
- Formatação de Unidades e Valores Numéricos .......................................................................................................
- Sistemas de Unidades ..............................................................................................................................................
- ATRIBUTOS DE N ÓS E BARRAS ....................................................................................................................................
- Menu de Controle dos Atributos dos Nós e Barras..................................................................................................
- Características Comuns aos Submenus....................................................................................................................
- Submenu de Parâmetros dos Materiais....................................................................................................................
- Submenu de Propriedades das Seções Transversais ................................................................................................
- Submenu de Condições de Apoio............................................................................................................................
- Submenu de Propriedades de Articulação de Barras ...............................................................................................
- Submenu de Restrições de Deformações de Barras.................................................................................................
- ATRIBUIÇÃO DE C ARGAS..............................................................................................................................................
- Menu de Controle das Cargas..................................................................................................................................
- Informações Gerais..................................................................................................................................................
- Submenu de Cargas Concentradas Nodais ..............................................................................................................
- Submenu de Cargas Momentos em Extremidades de Barras ..................................................................................
- Submenu de Cargas Distribuídas Uniformes e Lineares .........................................................................................
- Submenu de Solicitações de Variação de Temperatura ...........................................................................................
- R ESULTADOS................................................................................................................................................................
- Menu de Resultados ................................................................................................................................................
- Modos de Resultados...............................................................................................................................................
- Convenção de Sinais para Esforços Internos ...........................................................................................................
- Escala dos Diagramas e Linhas de Influência .........................................................................................................
- Resultados Pontuais.................................................................................................................................................
- Para conversão, foi adotada a aceleração da gravidade g = 9.81 m/seg 1 tf = 10 3 kg⋅g
- 1 Pa = 1 N/m • Unidades Pascal:
- 1 kPa = 10 3 N/m 2 = 1 kN/m
- 1 MPa = 10 6 N/m 2 = 10^3 kN/m 2 = 1 N/mm
- 1 GPa = 10 9 N/m 2 = 10^6 kN/m 2 = 1 kN/mm
- Distância e Comprimento m metro 1.0 ft pé 0. unid. ref. SI unid. ref. SI - cm centímetro 0.01 in polegada 0. - mm milímetro 0.
- Deslocamento mm milímetro 0.001 in polegada 0. - cm centímetro 0.01 ft pé 0. - m metro 1.
- Rotação rad radiano 1.0 rad radiano 1. - deg grau π/180.0 deg grau π/180.
- Tamanho de Seção mm milímetro 0.001 in polegada 0.
- Transversal cm centímetro 0.01 ft pé 0. - m metro 1.
- Área de Seção mm 2 0.000001 in 2 polegada^2 0.0254 - cm 2 0.0001 ft 2 pé 2 0.3048 - m 2 1.
- Momento de inércia mm 4 1.0e− 12 in 4 polegada^4 0.0254 - cm 4 1.0e− 08 ft 4 pé 4 0.3048 - m 4 1.
- Força kN kilo-Newton 1.0 kip kilo-libra 4. - N Newton 0.001 lb libra (força) 0. - tf tonel. força 9.
- Momento kNm 1.0 ft-k pé⋅klb. 1. - Nm 0.001 ft-lb pé⋅libra 0. - tfm 9.81 in-k polegada⋅klb. 0. - kNcm 0.01 in-lb polegada⋅libra 0. - Ncm 0. - tfcm 0. - kNmm 0. - Nmm 0. - tfmm 0.
- Carga Distribuída kN/m 1.0 k/ft klb./pé 14. - N/m 0.001 lb/ft libra/pé 0. - tf/m 9.81 k/in klb./polegada 175. - kN/cm 100.0 lb/in libra/pé 0. - N/cm 0. - tf/cm 981. - kN/mm 1000. - N/mm 1. - tf/mm 9810.
Atributos de Nós e Barras
Menu de Controle dos Atributos dos Nós e Barras
Os botões deste menu permitem visualizar os diversos submenus responsáveis pela criação e atribuição de propriedades às entidades do modelo. Estes submenus aparecem na área lateral da tela do programa.
Características Comuns aos Submenus
Os submenus para manipulação dos parâmetros de materiais, propriedades de seções transversais e valores de cargas possuem funcionamento básico igual. A lista drop-down (próxima figura) permite que seja selecionado um conjunto de propriedades através de seu nome. Os valores desta propriedade serão automaticamente visualizadas nos campos do submenu, permitindo sua edição.
Os botões mostrados na figura abaixo permitem a manipulação destes conjuntos de propriedades.
Para criar um novo conjunto de propriedades, deve-se selecionar o botão e atribuir um nome diferente das outras propriedades.
O botão aciona a importação da lista de conjunto de propriedades de outro arquivo gerado pelo FTOOL, porém o usuário deve atentar que se no arquivo importado existirem propriedades com o mesmo nome de propriedades do modelo corrente, elas serão ignoradas.
A função que condensa o conjunto de propriedades elimina aquelas que não estão em uso.
Submenu de Parâmetros dos Materiais
Para criar um novo conjunto de parâmetros de material, deve-se selecionar o botão e atribuir um nome diferente dos outros conjuntos existentes (figura abaixo à esquerda). Quando se cria um conjuntos de materiais, selecionando os botões Steel e Concrete cria-se automaticamente os materiais aço ( E = 205 GPa ) e concreto ( E = 25 GPa ).
Os parâmetros de material considerados são o módulo de elasticidade, o peso específico (não utilizado para nada no momento) e coeficiente de dilatação térmica.
