Simulação de Processos de Construção Naval para Análise de Estratégias Alternativas de Edificação
Marcos Thadeu Palmeira Baptista
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Luiz Felipe Assis
Rio de Janeiro Março de 2013
iii SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE CONSTRUÇÃO NAVAL PARA ANÁLISE DE
ESTRATÉGIAS ALTERNATIVAS DE EDIFICAÇÃO
Marcos Thadeu Palmeira Baptista
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.
Examinada por:
________________________________________________ Prof. Luiz Felipe Assis, D.Sc
________________________________________________ Prof. Floriano Carlos Martins Pires Junior, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Claudio Luiz Baraúna Vieira, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO de 2013
iv Baptista, Marcos Thadeu Palmeira
Simulação de Processos de Construção Naval para Análise de Estratégias Alternativas de Edificação / Marcos Thadeu Palmeira Baptista – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2013.
IX, 52 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Luiz Felipe Assis
Projeto de Graduação – UFRJ/ POLI/ Engenharia Naval e Oceânica, 2013.
Referencias Bibliográficas: p. 44-46.
1.Simulação de Processos de Construção Naval. I. Assis, Luiz Felipe II. Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III. Simulação de Processos de Construção Naval para Análise de Estratégias Alternativas de Edificação.
v Dedicatória
Primeiramente gostaria de dedicar meu trabalho a minha família, a base de tudo. Sem ela não seria possível alcançar ou concluir esta etapa na minha vida.
Dedico também à minha namorada, Polyana Rodrigues, que soube compreender os momentos em que não pude estar com ela, e pela força e motivação nesta penosa fase final.
Às amizades que foram feitas ao longo da faculdade, que tornaram possíveis, através de longos debates e discussões, enriquecer meu conhecimento e engrandecer o olhar crítico sobre todas as áreas navais.
Ao departamento de logística no qual eu pude desenvolver e aprimorar meus conhecimentos na área, além de gentilmente ceder espaço e infraestrutura, além de materiais de pesquisa que foram tomados como referência para o embasamento deste artigo.
Ao meu orientador, Luiz Felipe, pelo auxílio prestado. Por todo tempo, atenção e paciência dedicados.
A João Botelho da Cunha, cuja memória impulsionou os ventos necessários para a conclusão deste trabalho.
vi Agradecimentos
Agradeço aos professores Luiz Felipe Assis (Escola Politécnica/UFRJ) e Floriano C. M. Pires Junior (COPPE/UFRJ e Escola Politécnica/UFRJ); responsáveis pelo LABSEN.
À equipe com que tive o prazer de trabalhar no LABSEN:
Clarice Trevisani (COPPE/UFRJ), responsável técnica de produção.
Edson Azevedo Ferreira Junior (COPPE/UFRJ), responsável técnico de manutenção.
Estagiários Roberto Moreira Freire (Escola Politécnica/UFRJ) e Bruno Pereira Portugal (Escola Politécnica/UFRJ)
A Jean David Caprace (COPPE/UFRJ), pela instrução e contribuição para a conclusão deste projeto.
vii Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.
Simulação de Processos de Construção Naval para Análise de Estratégias Alternativas de Edificação
Marcos Thadeu Palmeira Baptista
Março/2013
Orientador: Luiz Felipe Assis
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
Em estaleiros de construção naval os processos de montagem, pré-edificação e edificação de blocos podem ser considerados críticos por sua complexidade de programação, justificada pelo grande número de blocos de portes e conteúdos de trabalho diferentes. Além das restrições técnicas, que exigem que determinadas sequencias de atividades sejam respeitadas, o compartilhamento de recursos de movimentação é outro desafio para a gestão de processos. O presente trabalho apresenta um modelo de simulação de eventos discretos para facilitar a análise dos principais processos de construção naval e diferentes estratégias de edificação (anel, camada e piramidal), avaliando-se a utilização de recursos e tempo de produção, proporcionando uma ferramenta genérica de estudo do comportamento de sistemas. É possível adequar o modelo a diferentes tipos de estaleiros, ou navios, bastando apenas alterar a base de dados acessados. O estudo pretende mostrar o potencial da técnica no suporte à tomada de decisões estratégicas, e no controle do desempenho de sistemas produtivos.
Palavras-chave: Processos de Construção Naval, Tomada de Decisões Estratégicas, Controle do Desempenho de Sistemas, Modelo de Simulação.
viii Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
Naval Construcion Process Simulation for strategic decision of Edification
Marcos Thadeu Palmeira Baptista
March/2013
Advisor: Luiz Felipe Assis
Course: Naval Architecture
In shipbuilding assembly, pre-construction and building blocks processes can be considered critical for its programming complexity, justified by the large number of blocks of sizes and different working content. Besides the technical restrictions, which require that certain sequences of activities are respected, resource sharing movement is another challenge for process management. This paper presents a model of discrete event simulation to facilitate the analysis of the main shipbuilding processes and different strategies of building (ring, layer and pyramidal), evaluating the use of resources and production time, providing a generic tool that allows study of the systems’ behavior. The model can be adapted to different shipyards or ships by simply changing the database accessed. The study aims to show the potential of the technique in the support of strategic decision making, and controlling the performance of production systems.
Keywords: Naval Construction Processes, Strategic Decision Making, Control System Performance, Simulation Model.
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Sumário
1. Introdução ... 1 1.1. Relevância do Estudo ... 1 1.2. Proposta de Trabalho ... 2 1.2.1. Processos Abordados ... 3 1.2.2. Estratégias de Edificação ... 6 1.3. Limitações do Projeto ... 6 1.4. Organização do Trabalho ... 7 2. Metodologia ... 9 2.1. Simulador QUEST ... 9 2.2. Formulação do Modelo ... 10 2.3. O Navio ... 142.3.1. Divisão de Blocos e Super-Blocos ... 17
3. Desenvolvimento do Modelo de Simulação ... 20
3.1. Pátio de Aço ... 21
3.2. Montagem de Blocos ... 23
3.3. Pintura e Jateamento ... 25
3.4. Pré-edificação ... 26
3.5. Edificação ... 28
3.6. Verificação e Validação do Modelo ... 29
3.6.1. Número de Replicações ... 30
3.6.2. Aleatoriedade ... 32
3.6.3. Utilização dos Transportes ... 33
4. Descrição dos cenários ... 36
5. Análise dos Resultados ... 40
5.1. Tempo de Construção ... 40
6. Conclusões e Sugestões para trabalhos futuros ... 42
7. Referências Bibliográficas ... 44
8. Apêndices ... 47
8.1. Apêndice I ... 47
1
1. Introdução
1.1. Relevância do Estudo
A aplicação e validação de diferentes estratégias construtivas constitui historicamente grande dificuldade para os estaleiros de construção naval. A formação destas estratégias, juntamente com a identificação de gargalos e elaboração de planos de construção representam os maiores desafios atuais para o planejamento da produção de estaleiros em funcionamento. Para auxiliar estas unidades de fabricação, a simulação de eventos discretos pode ser grande aliada.
Diversos são os estaleiros europeus que reconhecem o potencial da técnica atualmente, tais como Flensburger, Meyer Werft e Aker Ostsee, passando a utilizá-la para o estudo de processos de construção naval complexos, atingindo feitos como redução dos tempos de uso do dique e aumento da produtividade das estações de trabalho (Steinhauer et al., 2006). No caso do estaleiro alemão Flensburger, utiliza-se a simulação de processos para, além do planejamento de investimentos e concepção de processos, realizar a analise de variações no plano de produção de blocos, e no planejamento das operações diárias do chão de fábrica.
Sendo assim, observa-se que o uso de um modelo de simulação propicia numerosas aplicações para estaleiros em operação que possuem interesse de ampliar suas áreas de produção, instalar novas oficinas ou tomar decisões sobre o arranjo físico geral do estaleiro e o fluxo de materiais, tornando capaz o teste de diferentes sequências de produção e verificação da capacidade e desempenho das áreas, linhas e estações de trabalho. É possível avaliar o comportamento do sistema sob diferentes condições e níveis de incerteza (paradas de equipamentos, interrupções no suprimento de matéria prima, etc.), permitindo o estabelecimento de planos contingenciais.
A simulação apoia também os estaleiros que ainda se encontram em fase de planejamento e implantação de operações em procedimentos para a montagem de blocos ou super-blocos de diferentes tamanhos; quanto maior o custo de mudanças no sistema, ou de aplicação de
2 novos projetos, mais vantajosa se torna a simulação discreta para as organizações se manterem competitivas (Banks, 1999). A carga de trabalho para diferentes tipos de navios e os impactos da inclusão de processos como a adição de “outfitting” nas etapas de montagem de blocos podem ser facilmente visualizadas com o modelo.
1.2. Proposta de Trabalho
O objetivo do trabalho foi desenvolver, através de uma ferramenta de simulação de eventos discretos, um modelo computacional flexível capaz de simular processos industriais característicos da Construção Naval, de acordo com as atividades do estaleiro na etapa construtiva, com o intuito de analisar o impacto de diferentes estratégias de edificação para o processo de Construção.
Uma análise detalhada sobre emprego de simulação na Construção Naval foi realizado por Silva (2010), sendo a simulação usada para diferentes áreas, entre elas, a de edificação de navios. Segundo a autora, a probabilidade de sucesso da simulação e atendimento das expectativas pode ser aumentada a partir do conhecimento das suas aplicações específicas ao tipo de estaleiro, e do processo construtivo a ser simulado (Silva, 2010). Para a obtenção de um modelo de simulação de construção naval completo, é necessária a representação, integração e análise de todos os processos envolvidos, criando uma modelagem fiel e detalhada do sequenciamento de atividades presentes no estaleiro. Porém, a complexidade dos processos e subprocessos responsáveis pela montagem de minúcias necessárias para a fabricação do produto final inviabiliza a modelagem de todas as operações realizadas no estaleiro. Como alternativa frequente, opta-se pela representação dos principais processos a serem realizados pela fábrica, ainda que de forma simplificada. Shannon (1992) faz referência à “regra de Pareto”, afirmando que possivelmente oitenta por cento (80%) do comportamento do sistema pode ser representado por apenas vinte por cento (20%) dos componentes do modelo. A maior dificuldade é identificar os componentes realmente vitais para a simulação. A determinação de um nível apropriado de detalhes é uma decisão importante, pois muitos detalhes dificultam e consomem tempo de modelagem. Os modelos, ao invés de imitaram exatamente o sistema real, devem conter apenas os elementos que contribuam para as questões em estudo. O nível de detalhes também pode estar associado à precisão exigida dos resultados. Em um extremo, uma estação de trabalho
3 pode ser modelada como uma operação “caixa preta”, com entradas, saídas e tempos definidos. Em outro extremo pode ser simulado o movimento detalhado de uma máquina, correspondente a uma de suas operações.
Os principais processos construtivos do setor naval são citados como: Armazenamento e Tratamento de chapas e perfis; Processamento do aço (corte e conformação); Fabricação de estruturas (painéis e submontagens); Montagem e Pintura de blocos; Pré-edificação e Edificação. As atividades de acabamento avançado são usualmente realizadas nas etapas de montagem de blocos.
1.2.1. Processos Abordados
Para a simulação desenvolvida os processos de armazenamento de chapas, montagem de blocos, jateamento (blasting), pintura, pré-edificação e edificação foram selecionados e tiveram suas etapas simuladas em um mesmo modelo integrado, assim como os sistemas e equipamentos de movimentação e pátio de aço para o estoque das chapas.
O armazenamento de chapas de aço na maioria dos estaleiros é realizado em áreas abertas chamadas Pátio de aço (figura 1). O dimensionamento do pátio depende da necessidade da produção e dos intervalos de fornecimento. A área destinada ao pátio deve ser suficiente para que o fluxo de materiais ocorra de forma adequada, permitindo espaço para circulação das peças. Os recursos envolvidos são guindastes, empilhadeiras motorizadas, pórticos e pontes rolantes que posicionam as chapas nas pilhas (carregamento) e posteriormente, entregam as chapas a uma esteira rolante ligada à linha de tratamento (descarregamento) ou a áreas específicas caso o estaleiro não realize o tratamento em linha (tratamento químico). Alguns estaleiros possuem calandras que realizam o desempeno de chapas antes da entrarem no processo de tratamento.
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Figura 1: Pátio de Aço
A montagem de blocos corresponde à soldagem de painéis e submontagens formando estruturas maiores. O processo representa uma das etapas mais complexas e demoradas na construção de embarcações, devido à enorme quantidade de peças e elementos estruturais que são enviados pelas estações anteriores. Após a montagem é realizada a avaliação da qualidade das soldagens, pelo estaleiro, sociedades classificadoras e armadores.
Alguns estaleiros incorporam o conceito de Tecnologia de Grupo e classificam seus produtos de acordo com as características ou atributos semelhantes. Quanto maior a padronização de produtos e processos, maior a economia de escala, e mais fácil torna-se a aplicação de técnicas para balanceamento das estações de trabalho, e redução de estoques (Lamb, 1988).
As semelhanças entre os blocos planos são mais facilmente identificadas. Devido a esse fato, muitos estaleiros já operam suas estações de montagem de blocos planos em linha de produção. Os blocos curvos (com complexidade maior de montagem), usualmente, são montados em galpões e necessitam de instrumentos como pontaletes reguláveis para serem posicionados. Na montagem de blocos é iniciado o acabamento avançado, ou a colocação de acessórios, tubulações, e outros elementos.
Após o término da montagem e aprovação dos blocos, esses são transportados para a cabine de jateamento e pintura, onde inicialmente recebem um processo de preparação de sua
5 superfície (jateamento por granalha de aço, por exemplo) para a retirada da possível camada de ferrugem e para garantir uma boa aderência da tinta protetora (Storch, et al,1995).
Em seguida, é realizada a limpeza de todo o bloco removendo a granalha existente em seu interior. O bloco recebe duas camadas de uma tinta especial que evita corrosão por um período longo de serviço, o tipo e marca da tinta pode ser especificado pelo armador. Após a pintura, o bloco permanece na cabine para secagem. Um exemplo de estação de pintura e cabine de jateamento é apresentado na figura 2.
Figura 2: estação de pintura e cabine de jateamentode blocos
A área de pré-edificação é destinada à montagem de grandes blocos ou anéis. O equipamento de transferência do estaleiro normalmente limita o peso que os grandes blocos e anéis possuem.
Os grandes blocos (ou super-blocos) são construídos na pré-edificação segundo uma ordem previamente definida pelo departamento de projeto. Cada super-bloco é constituído por uma quantidade específica de blocos e um tempo final de processo diferente por esse motivo (Kim, et. al., 2002). Para que a pré-edificação de super-blocos atenda os prazos estipulados é necessário que o processo de montagem dos blocos esteja operando em sequenciamento e ritmo adequados.
A edificação corresponde ao último estágio de construção das embarcações. No início da maioria dos projetos de navais, os setores de planejamento do estaleiro definem toda a programação das atividades baseada nessa etapa. A estratégia de edificação incorpora e comunica todo o planejamento da produção para uma embarcação específica, série de contratos ou específico estaleiro (Lamb, 1994), interferindo nas sequências de pré-edificação, montagem, e no dimensionamento de estruturas (peso).
6 1.2.2. Estratégias de Edificação
Os principais métodos de edificação podem ser divididos em: construção em camadas, em anéis, ou em pirâmide. O método por camadas edifica primeiramente os blocos do fundo, e em seguida os blocos de costado. A terceira camada é formada por blocos de convés e segue formando as camadas restantes do navio. Na edificação em anéis, o navio é construído em seções de fundo, costado e convés (Kim, et. al., 2002).
A edificação em pirâmide é aplicada de forma semelhante à edificação em camadas, depois se assemelha à edificação por anéis. Após certo tempo de construção o método apresenta o formato piramidal. A aprovação das soldas e os ajustes necessários tornam essa fase crítica à construção do casco. As estratégias citadas podem ser vistas na figura 3.
Figura 3: Estratégias de Edificação: Anel, Camada e Pirâmide (Kim et. al, 2002)
Dentre as razões para o estudo de diferentes estratégias de edificação pode-se destacar o planejamento adequado de operações táticas a partir de ordens de produção, fluxo de materiais e programação da produção. Além disso, o estudo visa assegurar que os processos irão respeitar as restrições e requesitos do estaleiro, do cliente final e do ambiente de negócios. Esse estágio também é considerado crítico, pois, normalmente, o ciclo de produção no berço de construção determina a capacidade de produção do estaleiro. A atividade de soldagem de grandes blocos pode ser executada diretamente na carreira ou dique, ou na área de pré-edificação onde estruturas gigantescas podem ser movimentadas por pórticos ou empurradas por outros sistemas (macacos hidráulicos, por exemplo).
1.3. Limitações do Projeto
As simplificações realizadas na modelagem muitas vezes ocasionam erros, sendo uma alternativa pesarosa para o modelo de simulação, apesar de frequentemente necessária. Os
7 possíveis erros gerados pelas simplificações podem ser avaliados na fase de validação (Shannon, 1992). Alguns testes podem ser feitos para comparar esses indicadores com os sistemas reais. Os indicadores de desempenho, obtidos após a simulação, podem mostrar a razoabilidade do modelo.
A validação é a garantia de que o modelo atende aos objetivos da análise e a verificação é a garantia de que o modelo possui o funcionamento lógico adequado (Balci, 2003). A verificação do modelo procura responder se seu funcionamento está correto e de acordo com as expectativas do modelador. Carson (2003) cita que essa fase pode ser realizada com experimentações ou alterando-se as condições e dados do modelo. Os depuradores de erros, fornecidos pelos simuladores atuais, podem ser usados, assim como ferramentas específicas do próprio simulador e a animação. A revisão de profissionais experientes em simulação também pode ser útil.
O fato de um modelo compilar, executar e produzir resultados, não garante que ele seja válido para o estudo, ou que os resultados da simulação sejam representativos. Nesse sentido, a validação pretende responder se os resultados gerados são característicos do comportamento do sistema real, e se são confiáveis.
As dificuldades do estudo são relacionadas à modelagem dos estudos de caso; problemas como a indisponibilidade de dados precisos de entrada restringiu a validação de alguns resultados obtidos.
1.4. Organização do Trabalho
No primeiro capítulo é citada a relevância do estudo, a proposta de trabalho, limitações e organização da dissertação. No capítulo 2 é apresentada a metodologia para o projeto de simulação, com a ferramenta de simulação utilizada, a formulação do modelo e o produto a ser obtido. No terceiro capítulo é caracterizado o desenvolvimento do modelo de simulação; a programação e características das lógicas desenvolvidas para processo abordado estão presentes neste capítulo, juntamente com a verificação e validação do modelo desenvolvido. No quarto capítulo são apresentados os cenários simulados, com as diferentes estratégias de edificação e sequencias de montagem para tal. No quinto capítulo
8 são realizadas as análises dos resultados obtidos, são aferidos as criações de gargalo e tempo finais de construção. O sexto capítulo são realizadas as conclusões e propostas para trabalhos futuros.
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2. Metodologia
A infraestrutura computacional disponível no LABSEN (Laboratório de Simulação de Processos para a Construção Naval) da COPPE/UFRJ foi utilizada para o desenvolvimento do presente projeto, dando sequencia a trabalhos já realizados no LABSEN com intuito de analisar, através de simulações discretas, as operações em estaleiros de construção naval. O estudo da simulação processos industriais como ferramenta de apoio à gestão de estaleiros (Silva, 2010) pode ser citado, assim como o estudo do uso da simulação computacional em processos de montagem de blocos e pré-edificação de estaleiros (Martins, 2010) e o estudo de arranjo para estaleiro especializado na construção de balsas fluviais (Porto, 2009).
O uso da simulação discreta para analises de operações de Construção Naval tem se difundido na ultima década por todo o mundo, estabelecendo parcerias entre estaleiros e universidades.
2.1. Simulador QUEST
Como recurso disponível pelo LABSEN e utilizado para a modelagem das estações de trabalho, estrutura de produtos e processos necessários para a simulação de um estaleiro hipotético, foi utilizado o sistema QUEST (Queuing Event Simulation Tool), desenvolvido pelo grupo Dassault Systems, reconhecido internacionalmente como fornecedor de soluções voltadas para o gerenciamento do ciclo de vida dos produtos (PLM).
Segundo o fabricante, o programa QUEST atende indústrias do setor: automotivo, aeroespacial, de manufatura, eletro-eletrônico, bens de consumo e naval. Pode-se citar como usuário do simulador o estaleiro Yantai Raffles Shipyard (YRS) Ltd. Localizado na China, o estaleiro aumentou a produtividade e reduziu a taxa de HH (homens/ hora) a partir de modelos de simulação desenvolvidos. A empresa Baxi Potterton líder do setor europeu de equipamentos de aquecimento utiliza o simulador para avaliar configurações de produção e arranjos (Silva, 2010).
10 Em seu trabalho, Silva (2010) compara e destaca as qualidades e características do sistema QUEST, que o qualificam como um bom simulador para a Construção Naval, em relação a outros sistemas utilizados.
O programa possui visualização tridimensional realista e fornece relatórios estatísticos sobre filas, tempos de espera, utilizações, entidades no sistema, produção, etc. Gráficos dinâmicos podem ser visualizados enquanto o modelo está sendo executado. Relatórios podem ser gerados a partir de programação e vistas de áreas do modelo específicas podem ser definidas.
Falhas, turnos de trabalho e processos de reparo são facilmente associados a múltiplas máquinas. A associação de diferentes classes de operadores à diferentes processos é simples, bem como a alteração de parâmetros dos elementos (velocidades, geometrias, condições iniciais como níveis de estoque, por exemplo, produção máxima, etc.).
Recursos como cinemática podem ser associados à geometria de máquinas e sistemas de transporte. Esse artifício permite uma representação mais realista dos movimentos e do funcionamento dos elementos como máquinas, por exemplo. O simulador importa arquivos CAD em diversos formatos inclusive originados pelos programas Catia/Delmia V5 desenvolvidos pela Dassault. Arquivos externos como planilhas, documentos (no formato “txt”), e originados em sistemas de gestão de recursos e programação da produção podem ser importados.
Os arquivos contendo lógicas, modelos e geometrias de produtos e recursos são armazenados em uma biblioteca e podem ser totalmente reutilizados.
2.2. Formulação do Modelo
Para o projeto elaborado foi desenvolvido um modelo integrado de processos estocásticos para a simulação de um estaleiro hipotético, com sistema capaz de simular os processos de armazenagem, montagem, jateamento, pintura, pré-edificação e edificação de blocos.
11 Para a simulação dos processos foi definida uma área de estoque de chapas de aço, tendo como dimensões 140 m de largura e 120 m de comprimento. A área de montagem de blocos foi dimensionada em 240 metros de comprimento por 140 m de largura. A área das cabines de jateamento (blasting) apresenta 40 m de comprimento e 80 m de largura, constituída de duas cabines, enquanto a área de pintura possui 40 m de comprimento por 140 m de largura, sendo constituída de quatro cabines. O espaço físico alocado para a pré-edificação permite que o processo seja realizado para até doze super-blocos simultaneamente. A planta modelada pode ser visualizada na próxima figura.
Figura 4: Esquema da planta modelada
No modelo, optou-se para que a montagem do bloco somente ocorresse somente se houvesse disponibilidade de chapas de aço para a confecção de painéis responsáveis por compor o bloco. Deste modo, o modelo aproxima-se mais da realidade.
As velocidades dos equipamentos de transporte usados, sendo eles carros hidráulicos, pontes rolantes e pórticos, foram obtidas por fabricantes de equipamentos e, em todos os cenários simulados, esses parâmetros foram representados por funções determinísticas.
12 A figura 5 mostra o fluxograma dos processos modelados. Os conjuntos de chapas de aço são enviados para as áreas de montagem, em seguida os blocos são direcionados para as cabines de pintura. Os blocos são deixados na área de pré-edificação, onde ocorre a construção de super-blocos, respeitando os requisitos e sequencia de blocos para sua obtenção. As estações de pré-edificação transferem os super-blocos para a área de edificação até que seja construído o navio. Para o levantamento de informações tais como tempo e pré-requisitos dos processos, foi necessário a escolha de um produto a ser construído.
13
14 2.3. O Navio
Como parte do delineamento geral do problema, selecionou-se um tipo de embarcação e definiu-se o mapeamento e classificação de seus elementos. Foi selecionado para a simulação um Navio Gaseiro, ou Liquefied Natural Gas (LNG) Carrier, de 220 000m³, com 319 m de comprimento total, 303 m de comprimento entre perpendiculares. Somente a parte prismática do navio (5 tanques, 218.95 m de comprimento, 22 000 tons) foi considerada. A popa e a proa foram omitidas neste primeiro estudo. Outros tipos de navios podem ser simulados, bastando apenas uma simples alteração de arquivos externos que são acessados durante a execução do simulador.
A figura 6 mostra a embarcação representada. O objetivo da representação gráfica é facilitar a visualização e permitir o planejamento para divisão da embarcação em confecção. Seu corpo paralelo foi considerado dividido em oito anéis, seis destes contendo anteparas transversais.
Figura 6: Representação da Embarcação
O LNG utilizado corresponde ao utilizado nos estudos realizados por Jean-David Caprace em "Scantling multi-objective optimisation of a LNG carrier" e "Least Construction Cost of FSO Offshore Structures and LNG Gas Carriers" . Em seus trabalhos houve a modelagem, realizada no LABSEN, das seções de meia-nau e anteparas do LNG no software LBR-5. Duas seções foram importadas do programa MARS2000 (software de verificação de escantilhão baseado nas normas Bureau Veritas). A seção da embarcação pôde ser caracterizada pelo seu casco duplo, 50 metros de boca, 36 metros de pontal e 40,5 m de
15 comprimento. A figura 8 (b) mostra a seção a meia-nau do modelo e a figura 8 (c) mostra o cofferdan. Com base na simetria da estrutura, apenas metade da estrutura foi modelada.
A malha estrutural do modelo é mostrada na figura 7 (a), sendo composta de 41 painéis reforçados (figura 7 (b)).
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17 2.3.1. Divisão de Blocos e Super-Blocos
A estratégia de divisão desenvolvida para a simulação considera 800 tons de capacidade de içamento máximo pelo pórtico do estaleiro. O navio é, para tanto, dividido em 70 super-blocos, e 174 blocos para o uso da estratégia de 800 tons, conforme demonstrada a figura 9 (Caprace, 2011).
No processo de fabricação, alguns recursos têm uma elevada taxa de utilização e uma grande influência sobre todo o processo como, por exemplo, os recursos de transporte, como o pórtico ou os carros hidráulicos. A estratégia de divisão dos blocos e super-blocos terá um impacto sobre estes recursos, necessitando uma análise para a verificação de gargalos no sistema.
Figura 9- Estratégia de Divisão de Blocos e Super-Blocos (Caprace, 2011).
Para a divisão, foi utilizado um módulo de avaliação do orçamento, desenvolvido por Caprace (2010). O objetivo deste módulo é permitir a definição da quantidade de trabalho em horas para diferentes processos de trabalho como soldagem, preparação e retrabalho. Os resultados, gerados para cada bloco e super-bloco, são dados como o comprimento de solda, a posição de soldagem (plana, vertical, sobrecarga e horizontal), o tipo de solda, o processo de solda e a espessura da chapa.
18 A modelagem tridimensional auxilia na visualização da divisão (figura 10), permitindo o levantamento das características mencionadas.
Figura 10: Seção modelada e dividida em grandes blocos
Em resumo, a embarcação foi dividida em 8 anéis, formados por 18 ou 23 superblocos (correspondentes a anéis sem e com anteparas). Os superblocos foram constituídos de dois a quatro blocos menores, dependendo da complexidade da região a qual o superbloco pertence. No total, o navio é constituído de 70 superblocos, ou 174 blocos menores. A correlação entre anéis, superblocos e blocos, assim como seus pesos e posicionamento podem ser visualizadas no apêndice I.
Os arquivos externos ao simulador (e acessados por este) contêm as principais características das peças (Apêndice II). Além dos atributos dos blocos e super-blocos, tais como suas dimensões, os comprimentos e posições de solda (vertical, horizontal,
sobre-19 cabeça), o tipo de solda, complexidade de montagem, volume, peso e a quantidade de elementos, os mesmos contém os tempos de processos de montagem, pré-edificação e edificação já definidos. Para o cálculo, foi utilizado o método analítico, utilizando todas as informações disponíveis sobre a peça (Caprace, 2011). Entretanto, por motivo de confidencialidade, os coeficientes usados, provenientes de um estaleiro Europeu, não puderam ser acessados para publicação.
As sequências de produção dos produtos também foram organizadas nestes arquivos, podendo ser alterados ou substituídos permitindo a simulação de diferentes planos de produção, tornando o modelo flexível para qualquer navio, estratégia de divisão e ordem de produção.
Para o auxílio visual na ordenação da produção, foi realizada a representação gráfica simplificada do posicionamento dos super-blocos (figura 11).
Figura 11: Representação Esquemática de Posicionamento de Blocos
Com estas informações, os dados de entrada do modelo foram definidos, assim como os dados necessários para a elaboração de diferentes cenários para estudo de diferentes estratégias de produção foram levantados.
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3. Desenvolvimento do Modelo de Simulação
O modelo de simulação do projeto foi desenvolvido utilizando ferramentas próprias do simulador QUEST, cuja interface manual simples permite a fácil criação e modificação de elementos. Contudo, para a utilização de funções avançadas, a programação de lógicas mais complexas é necessária, sendo desenvolvidas rotinas computacionais para melhor representar o comportamento do sistema, aplicando o conhecimento na linguagem computacional SCL (Simulation Control Language).
Para uma maior flexibilidade, prevendo possíveis alterações no chão da fábrica tais como posicionamento ou quantidade de máquinas, permitindo assim a realização de testes de ampliação de áreas de produção que facilitariam a tomada de decisões sobre o arranjo físico geral do estaleiro e o fluxo de materiais, optou-se pelo desenvolvimento de todo o modelo em linguagem computacional. Desta forma, as alterações como as exemplificadas podem ocorrer com uma simples mudança de variáveis.
O arquivo principal do código possui, ao todo, 2025 linhas, sendo ainda necessários diversos outros arquivos com a definição de rotinas e procedures com trechos de códigos frequentemente utilizados pelo programa. Estima-se que, ao todo, foi necessária a criação de mais de 5000 linhas de código computacional. Há ainda os arquivos externos que possuem as características dos produtos fabricados (Apêndice II).
Sendo assim, é possível a montagem do modelo de simulação do estaleiro (figura 12) com apenas um clique.
O código escrito em linguagem SCL é executado no início da simulação e verifica a lista de tipos de blocos existentes, as propriedades de cada tipo de bloco, as propriedades de cada super-bloco, a lista dos blocos que compõem cada super-bloco, a sequencia de blocos a serem produzidos pelas estações de montagem, entre outros. O usuário deve fornecer a programação de blocos baseada na necessidade da edificação.
21 Figura 12 - Modelo de Simulação
3.1. Pátio de Aço
A entrada de peças (inputs) para o pátio de aço se dá a partir de um elemento chamado “fonte” (figura 13) que fornece as chapas de aço - necessárias para a confecção de conjuntos de peças e componentes de cada bloco do navio. A taxa de fornecimento das chapas foi definida pensando-se na chegada de um carregamento semanal, e com quantidade de peças estimada de acordo com a capacidade de processamento anual de um estaleiro semelhante ao modelado. Para essa capacidade, foi estimado o valor de 70000 toneladas por ano.
22 A fonte de peças é conectada de forma direta ao pátio de aço (figura 14), que é constituído por três linhas de armazenagem, cada uma contendo um pórtico independente. O pórtico é responsável pelo input e output de chapas na linha.
Cada linha é subdividida em áreas destinadas ao empilhamento de chapas. O número dessas áreas depende das dimensões da própria linha e das chapas recebidas. Desta forma, o modelo cria quantas áreas de armazenagem e empilhamento forem possíveis, considerando o espaço disponível para armazenagem e dimensões do produto armazenado.
A chapa entregue será endereçada a linha e a área com menor número de elementos abrigados. Para o comando de remoção de chapas, foi criada uma peça dummy. Quando esta peça encontra-se em qualquer uma das linhas de armazenagem, o pórtico entende que é necessária a retirada de uma chapa de aço. Se este estiver realizando algum transporte, o mesmo realizará a remoção da chapa uma vez que tiver concluído sua atividade pendente. A lógica implementada para a requisição de chapas de aço comunica a remoção da chapa na linha que possui maior numero de elementos abrigados.
O transporte das chapas para a área de montagem ocorre pelo uso de uma esteira rolante. Esta não possui restrição de capacidade de transporte de chapas, e sua velocidade foi obtida de fabricantes.
23 3.2. Montagem de Blocos
A sequência de montagem de blocos é onde se tem início a sequencia de produção do estaleiro. Segundo Lamb (1994), a estratégia de edificação incorpora e comunica todo o planejamento da produção para uma embarcação específica, série de contratos ou estaleiro específico, ou seja, a consideração de uma estratégia de edificação é responsável pela definição de uma sequencia de produção. Portanto, a sequência de montagem abordada nesta etapa será diretamente afetada pela sequência de edificação, sendo alterada em cada cenário desenvolvido, com intuito por simular cada estratégia de edificação.
Para o processo de montagem de blocos há a solicitação de um numero de chapas de aço equivalente ao peso do bloco a ser construído, considerando uma perda de 5% no peso do aço devido a desperdícios. O tempo do processo de montagem de cada bloco pôde ser obtido pela consulta a um estaleiro em funcionamento.
Para a criação de blocos, foi criada uma fonte, capaz de criar blocos definidos no arquivo externo, respeitando a sequencia e o tempo de operação descrito neste arquivo.
Para simular o efeito que a falta de chapas causaria na montagem, foi criada uma máquina capaz de balancear a quantidade de chapas de aço disponíveis para a montagem e a liberação do bloco montado para prosseguir para as seguintes etapas de construção. O cálculo de peso de aço necessário para a obtenção do bloco é realizado e, caso haja equivalência em peso de aço disponível em chapas, o bloco é liberado e as chapas de aço são dirigidas a um dissipador (sink), eliminando do sistema as chapas já utilizadas.
Caso não haja número suficiente de chapas para a fabricação do bloco, haverá um atraso na produção da estação de montagem, como exemplificado na figura 15.
24 Figura 15- Área de Montagem: Acúmulo de Blocos devido a falta de Chapas de Aço
O transporte dos blocos para a próxima etapa ocorre por meio de um carro hidráulico (figura 16). Sua capacidade de carga é de apenas um bloco e sua velocidade foi obtida por fabricantes de equipamentos. Como a movimentação de blocos depende da disponibilidade deste elemento, o mesmo pode atrasar a produção. Portanto, houve a necessidade de garantir que o mesmo não criaria um gargalo para o modelo.
25 3.3. Pintura e Jateamento
O bloco é, através do carro hidráulico, destinado a dois grupos de máquinas: Blasting (jateamento) e Painting (Pintura). O grupo de jateamento é composto por duas máquinas, enquanto o de pintura é composto por quatro (figura17). O sequenciamento de atividades obriga o bloco a passar primeiramente no grupo de blasting, e posteriormente no grupo de painting. O mesmo carro hidráulico faz a transferência de um grupo para o outro.
Figura 17- Cabines de Pintura e Jateamento
A lógica do modelo garante que o bloco será destinado a qualquer máquina livre que componha o grupo ao qual o bloco está destinado.
Para o tempo de processos, as máquinas utilizam-se de uma lógica que garante a leitura de arquivos externos, detentores das características do bloco (Apêndice II). Duas formas de cálculo de tempo de processos foram programadas: por peso ou por área. Para o estudo realizado, escolheu-se a utilização da lógica por peso.
As variáveis necessárias para o tempo de processo foram: o peso do bloco (em toneladas), o número de trabalhadores na estação de trabalho e operacionalidade de cada trabalhador: quantas toneladas de blocos têm seus procedimentos realizados por hora. Com informações cedidas por estaleiro europeu em funcionamento, estimou-se apenas um operário por
26 máquina, capaz de realizar os processos em 0.2 ton/h. Assim, a máquina é capaz de calcular o tempo de processo em cada bloco.
Para a criação de um modelo estocástico, é necessária a inclusão de uma variação no tempo de processos. Neste sentido, o procedimento a ser seguido usualmente envolve o levantamento de dados cedidos por sistemas semelhantes em funcionamento, com os quais é realizado um teste de aderência de métodos de distribuição, podendo ser citadas, por exemplo, as distribuições normal, triangular e uniforme. Para o modelo desenvolvido, foi arbitrada a distribuição normal, com a média definida como o valor do tempo de processo, e desvio padrão estimado em 5% da média do tempo de processo (Caprace, 2011). Segundo Caprace, tais estimativas foram utilizadas seguindo recomendações e experiência de gerentes de produção provenientes de estaleiro Europeu, não havendo medição real. Assim, este valor deve ser considerado como uma aproximação necessária para o desenvolvimento do modelo e utilizada devido à falta de outros dados disponíveis para estudo, tais como tempo máximo e mínimo da operação, entre outros que poderiam ser utilizados.
3.4. Pré-edificação
A zona de pré-edificação é responsável por montar qualquer tipo de super-bloco de qualquer tipo de navio. O bloco trazido novamente pelo carro hidráulico é descarregado através do pórtico presente nesta estação (figura 18). A movimentação de peças depende da disponibilidade do pórtico, que possui a função de, além descarregar os blocos que são trazidos, apoiar as operações de pré-edificação e edificação. É necessário garantir que o uso de um único pórtico não vá gerar um gargalo para o estaleiro. Sendo assim, foi necessária a análise do nível de utilização deste pórtico (apresentada no tópico “Análise de Resultados”).
Um vez descarregado o bloco, a estação de pré-edificação dá início imediato a montagem do super-bloco correspondente. Para dar sequencia ao processo, a estação deve receber os demais blocos responsáveis por compor o super-bloco. A sequencia de blocos para a pré-edificação (montagem do super-bloco) deve ser respeitada. A estação é capaz de receber e iniciar os procedimentos em até doze super-blocos simultaneamente.
27 Figura 18 - Área de Pré-Edificação de Blocos
A pré-edificação de blocos é composta pelos processos de preparação, soldagem e retrabalho, cujos tempos para a conclusão são obtidos de arquivos externos. Para a obtenção dos tempos de processo, foi necessária a utilização das características dos blocos empregados, sendo empregado o método analítico dependente dos atributos das peças (contidos nos arquivos externos e acessados pelo modelo (Apêndice II)), tais como: dimensões e localização do bloco, o sentido da solda (transversal, horizontal ou vertical), tipo de solda, comprimento e sequencia das soldas. Todas estas informações foram utilizadas, para a obtenção do tempo de processo, no entanto, por questões de confidencialidade, estes coeficientes não puderam ser acessados, provindo de um estaleiro Europeu. A variável "número de operários" também foi inclusa, sendo utilizado 2 funcionários por processo.
Para a programação do processo, além do cálculo do tempo, foi necessária a programação das peças necessárias para cada processo ocorrer. A lógica garante a criação de um processo diferente para cada preparação, soldagem e retrabalho realizados, cada um com
28 seu tempo e pré-requisito de blocos necessários para o início do processo. Cada par de blocos a serem unidos motivou a criação destes três processos. Ao todo 454 processos foram criados.
Novamente foi arbitrada a distribuição normal, com normal definida com o tempo do processo e desvio padrão de 5% da média do tempo do processo.
Uma vez que o super-bloco esteja concluído, ele pode ser movido para a área de edificação pelo pórtico; o equipamento de transferência dos super-blocos normalmente restringe o peso desses produtos.
3.5. Edificação
Vale lembrar novamente que a estratégia de edificação define o planejamento da produção, comunicando todo o sequenciamento da produção para as outras etapas de construção. É, portanto, nesta etapa que definiremos a estratégia de edificação, através da definição da sequência de edificação, responsável por definir o sequenciamento da montagem, pré-edificação e pré-edificação de blocos. Este sequenciamento será alterado em cada cenário desenvolvido, com intuito de simular as diferentes estratégias de edificação.
A edificação de super-blocos ocorre dentro do dique seco (figura 19) e, de forma semelhante a pré-edificação, é formada pelos processos de preparação, soldagem e retrabalho, sendo o tempo de cada processo calculado em função das propriedades de cada produto trabalhado (super-blocos) contidas em arquivos externos ao modelo (Apêndice II).
A sequência dos processos de preparação, soldagem e retrabalho é repetida para cada junção de blocos. Através de 508 processos programados, são definidos os super-blocos necessários para o início de cada processo.
Os super-blocos que tiveram seus processos de pré-edificação concluídos são imediatamente transportados para a área de edificação. Entretanto, com o uso de diferentes sequencias de produção (necessária para a análise de diferentes estratégias de edificação), um determinado super-bloco pode ser concluído antes de seu antecessor, necessário para sua correta alocação. Neste caso, o super-bloco será alocado em sua área de destino, mesmo
29 sem o bloco anterior; no entanto, os processos neste bloco só terão início quando o bloco antecessor chegar à área de edificação.
Figura 19 - Área de Edificação
No início da simulação é executado um procedimento que acessa todos os arquivos externos (Apêndice II) e armazena as informações necessárias à produção, isto é, os dados para a criação dos processos; seus tempos, pré-requisitos, componentes dos produtos e a programação da produção. Esse artifício evita o acesso constante desses arquivos, o que tornaria lenta a execução do modelo. A ordem de edificação dos super-blocos também deve ser informada antes da execução do modelo.
3.6. Verificação e Validação do Modelo
Segundo Balci (2003), a verificação é a garantia de que o modelo possui o funcionamento lógico adequado e a validação é a garantia de que o modelo atende aos objetivos da análise.
30 Para a verificação do modelo, utilizaram-se os depuradores de erro e ferramentas contidas no próprio simulador. A lógica verificada pode ser compilada com sucesso e o modelo foi capaz de cumprir a lógica inserida. A animação criada pelo simulador também pôde ser usada como forma de verificação; ao criar uma sequencia de produção para o teste dos processos efetuados pelo modelo, verificou-se que todas as etapas de construção simuladas pelo estaleiro apresentaram características condizentes com a realidade, mantendo-se dentro da lógica programada. Como a revisão de profissionais experientes em simulação também pode contribuir para a verificação, o modelo contou com a colaboração e revisão profissionais na área, cujas experiências anteriores contêm a formulação de simuladores de construção naval. Em análise de razoabilidade do modelo, nenhuma discrepância foi apontada, dentro das hipóteses e considerações realizadas.
Para a validação do modelo, é necessário observar se os resultados gerados são característicos do comportamento do sistema real, e se são confiáveis. Caso os resultados difiram demasiadamente do sistema real, uma calibragem pode ser necessária no modelo.
Uma dificuldade encontrada nesta etapa se deu pela indisponibilidade de dados para a comparação de resultados. A falta de confiabilidade em alguns dados de entrada, e impossibilidade de comparação dos dados obtidos com algum sistema real restringiu a validação de alguns dos resultados a serem obtidos. Após a comparação, a ser realizada em trabalho futuro, uma nova calibragem pode ser necessária, corrigindo o tempo de processos, assim como, talvez, sua forma de distribuição. Recomenda-se que, com dados precisos, seja realizado um teste de aderência para verificação da melhor forma de distribuição a ser adotada.
3.6.1. Número de Replicações
Os experimentos necessários para o estudo demandaram considerável volume de tempo de análise e processamento computacional devido ao grande número de peças produzidas e trabalhadas pelo modelo. Para reduzir esse tempo, especialistas pesquisam diferentes técnicas que podem ser aplicadas dependendo do tipo de sistema. Segundo Shannon (1992), um sistema dito terminativo possui eventos que cessam em algum ponto do tempo. Nesses sistemas, normalmente são estudados períodos particulares.
31 Em seu estudo, Shannon (1998) afirma que, para que se possa alcançar a precisão estatística sobre os resultados desejados, é importante que seja feito um estudo aprofundado das características do sistema. Essas características poderão indicar o período que deve ser simulado, o número de execuções (replicações), e a necessidade de remoção de tempos onde o sistema apresenta comportamento transitório.
Sabemos que, para modelos estocásticos, quanto mais dados obtivermos maior será a confiabilidade dos resultados. Entretanto, devido ao grande tempo tomado por simulação, foi necessário o estudo para determinar o melhor número de replicações.
Sendo assim, com a primeira sequencia de produção já definida para a validação do modelo, foi determinado o primeiro cenário a ser estudado. Com ele, foi realizado um teste com um número arbitrado de execuções. Cada rodada foi interrompida após a construção da embarcação. Foi definido ainda um tempo de aquecimento (“warm up”) para o sistema permitindo a tomada das estatísticas no momento onde o sistema atingiu seu ritmo padrão de produção. O resultado encontra-se na figura 20.
Figura 20: Estudo para determinação de Número de replicações
Podemos observar que, para 50 replicações, o tempo final do processo apresenta pequena variação de média acumulada. Como este número de replicações foi considerado viável para o tempo e capacidade de processamento computacional demandado, foi escolhido 50 replicações para o estudo de cada cenário.
32 3.6.2. Aleatoriedade
Como forma de teste no modelo, foi verificada, em etapa anterior, a aleatoriedade deste.
Foi removida toda e qualquer distribuição estocástica, sendo utilizada apenas a forma determinística para os processos empregados. Além de verificar a influência da variação do tempo de cada processo sobre o tempo total do sistema, buscou-se, com isto, a validação do modelo: Considerando o efeito não aleatório, o valor de tempo obtido para a conclusão dos processos simulados deve ser coerente com o tempo esperado de construção total da embarcação real, adquirido de um sistema semelhante em funcionamento, ou seja, o estaleiro Europeu.
O resultado do modelo determinístico encontra-se na figura 21.
Figura 21- Modelo Determinístico
O tempo obtido do modelo determinístico nas 50 replicações foi constante, aproximando-se do o tempo de construção total do navio real. Sendo assim, o tempo obtido foi considerado coerente e o modelo considerado calibrado dentro das hipóteses consideradas para este projeto.
Inserindo novamente as distribuições normais utilizadas nos processos, podemos verificar a influência que estas têm no tempo final do modelo. O resultado obtido encontra-se na figura 22.
33
Figura 22- Modelo Estocástico
Verificamos que as distribuições normais (com desvio padrão estabelecido em 5% de sua normal) detém certa influência sobre o tempo final, fazendo-o variar aproximadamente 1%.
3.6.3. Utilização dos Transportes
Além do tempo total de construção, como saída do modelo podem ser geradas as taxas de utilização de recursos como transportes, para verificar se estes apresentam gargalos para o simulador.
Carro Hidráulico
Como dito anteriormente, o carro hidráulico é responsável por grande parte do transporte de blocos no estaleiro. Como este só tem capacidade de carga para um bloco, é necessário garantir que o mesmo não criará um gargalo para a produção. Uma ferramenta simples do QUEST é capaz de gerar as informações sobre utilização do Carro Hidráulico ao longo do modelo, como mostra a figura 23.
34
Figura 23- Utilização do Carro Hidráulico
Como observado, o carro hidráulico é utilizado em apenas 17.5% do tempo de simulação, ficando ocioso na maior parte do tempo. Mesmo em seu período de maior utilização, o mesmo não representa gargalo.
Pórtico de Pré-edificação e Edificação
Assim como o carro hidráulico, é necessário realizar um estudo quanto a utilização do pórtico, pois o mesmo é o único responsável pelo apoio logístico das operações de pré-edificação e pré-edificação. Novamente, o QUEST é capaz de levantar os dados de utilização do pórtico, exibidos na figura 24.
35
Figura 24- Utilização do Pórtico
De forma semelhante ao carro hidráulico, o pórtico não apresentou gargalo, sendo utilizado apenas em aproximadamente 5% do tempo de execução do modelo.
Considerando o tempo total de simulação, os equipamentos de transporte são pouco utilizados. Com intuito de verificar se, nos períodos de picos de utilização, haveria demanda excessiva de blocos a serem transportados, foi feita a verificação visual do modelo, observando indícios de tal atividade, como a formação de filas ou empilhamento de blocos. Não sendo encontrado nenhum destes indícios, foi descartada a hipótese de formação de gargalo devido a estes equipamentos.
36
4. Descrição dos cenários
No planejamento estratégico, os métodos de construção e sequências são definidos, objetivando a otimização dos planos de produção para certas estações de trabalho. No caso específico da estação de edificação, a atividade de soldagem de grandes blocos é usualmente executada diretamente na carreira ou dique. Sabe-se que o ciclo de produção no berço de construção determina a capacidade de produção do estaleiro. Desta forma, há no estaleiro competitivo o desejo de otimizar a fase de edificação, aumentando sua produção.
Adicionalmente, a estratégia de edificação incorpora e comunica todo o planejamento da produção para uma embarcação específica, série de contratos ou estaleiro específico (Lamb, 1994), interferindo nas sequencias de pré-edificação, montagem, e no dimensionamento de estruturas (peso). A consideração de uma estratégia de edificação é responsável pela definição de uma sequência de produção. Sendo assim, a sequencia de edificação adotada é transmitida e altera diretamente também a fase de montagem e pré-edificação de blocos.
A atual etapa do projeto tem por objetivo a criação de diferentes cenários para a realização de testes de estratégias de edificação, a fim de se obter o menor tempo de produção possível.
A alteração necessária para a obtenção de diferentes cenários pôde ser realizada com uma simples mudança na variável "Elements_sequence", contida nos arquivos externos evidenciados no Apêndice II. Esta variável afeta a sequencia de montagem, e subsequentemente a sequencia de pré-edificação e edificação, criando as diferentes estratégias que se deseja simular.
Não foram consideradas variações no peso dos blocos, tendo sido estimados o peso médio de 165 toneladas. Planeja-se considerar a variação no peso médio em estudo futuro.
Algumas variáveis foram fixadas aos dados de entrada do modelo como o arranjo físico, as funções que representam os tempos dos processos e a velocidade dos sistemas de transporte. No presente estudo foram alteradas a sequencia de produção, resultando em uma
37 diferente ordenação na montagem, jateamento e pintura de blocos, pré-edificação e edificação dos super-blocos.
O primeiro cenário simulado foi desenvolvido para a verificação do modelo. Fixou-se, inicialmente, uma sequencia de chegada de blocos na área de edificação. Definida esta sequencia, a sequencia de produção de blocos e superblocos (ou seja, a sequência dos processos de montagem e pré-edificação) foram obtidas, considerando-se a ordenação necessária de chegada de blocos para o processo de edificação.
Diferentes sequências de montagem e pintura de blocos foram desenvolvidas em cenários seguintes, com o intuito de simular os principais métodos e estratégias de Edificação para Construção Naval.
No segundo cenário, objetivou-se a simulação de edificação pelo método de camadas. Nele, todo o fundo do navio é edificado, somente depois havendo a verticalização da embarcação. Em seguida ao fundo, ocorre a edificação de blocos de costado, chegando à terceira camada, que é formada por blocos de convés (figura 25). Para isso, definiu-se uma sequencia na montagem de blocos que focasse tal método de edificação.
Figura 25- Edificação por Camadas
O terceiro cenário foi desenvolvido para testar o método de edificação por anéis. Na edificação em anéis, o navio é construído em seções de fundo, costado e convés (Kim, et. al., 2002). O cenário 3 segue a ordenação de anéis da ré para a vante da embarcação (figura 26). No cenário quatro, a edificação por anéis inicia-se pela meia-nau, havendo alternância na edificação de anéis; primeiramente a ré, posteriormente a vante do navio já edificado.
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Figura 26- Edificação por Anéis
O cenário cinco objetiva a edificação do navio pelo método de pirâmide; posicionando-se um primeiro bloco do fundo do navio, a construção progride a partir deste bloco inicial, posicionando-se os blocos mais próximos da quilha e depois os mais altos, como ilustrado na figura 27.
39 Assim, concluem-se as definições dos cenários desenvolvidos para o estudo do sequenciamento estratégico, sendo resumidos na figura abaixo.
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5. Análise dos Resultados
5.1. Tempo de Construção
O modelo foi executado 50 vezes por cenário e, para cada rodada, foi levantado o tempo total de construção do navio. Foi feita a média aritmética simples para a obtenção da média de tempo de construção do navio por cenário. O resultado pode ser observado na figura 29.
Figura 29 - Tempo de construção dos navios
No modelo, o maior tempo médio para a construção do navio ocorreu para o cenário II, sendo de 164.62 dias (ou 5.487 meses). Com a mudança de cenários através da variação de sequencias de produção, pode-se chegar ao menor tempo de 164.14 dias, ou 5.471 meses. Observa-se, nesta fase final de coleta de resultado, pequena sensibilidade no modelo para diferentes estratégias de edificação.
Uma das formas de melhora da modelagem é pela associação de análise de sensibilidade, autocalibração e calibração manual, avaliando os resultados, comparando-os com dados produzidos por sistemas reais (Shannon, 1992). A validação pretende responder se os resultados gerados são característicos do comportamento do sistema real, e se são
41 confiáveis. Entretanto, uma limitação do estudo desenvolvido se refere a indisponibilidade destes dados, restringindo a validação de alguns resultados obtidos.
Para trabalhos futuros, com dados obtidos de estaleiros reais, pretende-se realizar a validação de resultados, realizando, se necessária, a calibração do sistema, e repetindo o experimento.
Outras análises poderiam ser realizadas, resultando em uma variação maior de tempos de obtenção do produto final, com alterações maiores na característica dos produtos entre cenários simulados. Uma possibilidade seria a redefinição do tamanho dos blocos menores que deixam a zona de montagem, aumentando ou reduzindo seu peso médio. Para avaliar uma nova divisão de blocos seria necessária apenas a alteração dos arquivos externos que contém as propriedades dos produtos e sequencias de produção (Apêndice II). As velocidades dos sistemas de movimentação também deveriam ser adequadas ao transporte de blocos com diferentes pesos.
A pré-edificação do navio em anéis também é possível através do modelo simulado. Novamente, a alteração dos arquivos contendo as propriedades dos produtos e sequencias de produção seria necessária, assim como o estudo da movimentação dos anéis deveria ser realizado, adequando a velocidade e capacidade de içamento do pórtico responsável pelo transporte entre as áreas de pré-edificação e edificação.
Outra análise que pode ser feita se refere a colocação de acessórios (“outfitting”), podendo ser realizado na fase de pré-edificação, por exemplo, resultando no aumento do tempo deste processo, ou na fase de montagem de blocos, permitindo uma redução do tempo de pré-edificação e edificação. Todavia possíveis riscos de retrabalho devido à deformação de estruturas sendo essas mais pesadas e maiores devem ser estudados. Cabe ao estaleiro avaliar os pontos positivos e negativos relacionados às estratégias de construção da melhor forma possível e utilizando as ferramentas adequadas. A simulação é uma das técnicas que auxilia esse tipo de tomada de decisões apresentando indicadores de desempenho do sistema sob diferentes cenários e circunstâncias.
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6. Conclusões e Sugestões para trabalhos futuros
A simulação demonstrou-se uma ferramenta útil para avaliar problemas de programação na produção em estaleiros de construção naval. Os resultados finais indicam que conclusões relevantes podem ser alcançadas e que a ferramenta de simulação pode ser aplicada com sucesso na construção naval brasileira.
O modelo desenvolvido demonstra o potencial da ferramenta de simulação, tanto em relação à visualização do produto, como em relação à capacidade de geração de informações e realização de análises, sendo voltados para estaleiros em fase de projeto e planejamento que estão definindo seus equipamentos e arranjo físico das estações e áreas de trabalho.
O estudo revela que a simulação tem como característica o suporte a análise de custo-benefício sobre a aquisição de equipamentos, e implementação de diferentes estratégias de construção, fluxo de materiais, entre outros. Além disso, outra vantagem que deve ser destacada se refere aos modelos que podem ser reaproveitados pelos estaleiros, uma vez que estes já estejam em funcionamento. Dessa maneira, os modelos servem como ferramenta de controle das operações e validação de planos de produção.
Os modelos apresentados são flexíveis e permitem a caracterização de diferentes produtos, recursos e processos a partir da leitura de arquivos externos, que podem ser facilmente alterados.
Todo o modelo foi desenvolvido através da criação de um extenso código computacional, bastando um clique no programa para a criação de todo o modelo de simulação. A alteração de características no estaleiro, como o numero de máquinas e trabalhadores ou diferentes localização de áreas de processos pode ser feita com a simples mudança de variáveis do programa desenvolvido.
43 A modelagem das regras operacionais e edição de lógicas computacionais foram as etapas mais críticas do estudo devido a complexidade de desdobramentos que são visualizados apenas após a execução do modelo.
Em mercados cada vez mais competitivos a simulação pode ser uma alternativa importante para a gestão dos estaleiros brasileiros. No setor naval, o uso da simulação como acelerador do processo de aprendizagem é pouco abordado na literatura técnica, contudo, o tema apresenta grande potencial de desenvolvimento conhecendo-se as dificuldades com a capacitação de mão de obra especializada.
Como desenvolvimento futuro, pretende-se criar parcerias maiores entre o laboratório e estaleiros. Desta forma, a troca de informação entre as partes poderá capacitar a calibração e validação do modelo desenvolvido e outros que vierem a ser produzidos, através da comparação com o sistema real.
Adicionalmente, está em estudo uma alternativa para construção de modelos com representação de grande numero de peças, a fim de agilizar o processo de simulação. A ampliação do modelo também está em desenvolvimento, integrando etapas como processamento e tratamento do aço. O acréscimo de uma nova área de trabalho, onde ocorrerá a fabricação e estocagem do outfitting também está sendo estudada.
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7. Referências Bibliográficas
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