Desvendando a Engenharia - Educação Hoje

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1ª EDIÇÃO

editora científica 2021 – GUARUJÁ – SP

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Jurídico

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Centro Universitário UniFBV, Brasil

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Laís Conceição Tavares

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Willian Douglas Guilherme Universidade Federal do Tocatins, Brasil

Evaldo Martins da Silva Universidade Federal do Pará, Brasil

Biano Alves de Melo Neto

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António Bernardo Mendes de Seiça da Providência Santarém Universidade do Minho, Portugal

Valdemir Pereira de Sousa

Universidade Federal do Espírito Santo, Brasil

Sheylla Susan Moreira da Silva de Almeida Universidade Federal do Amapá, Brasil

Miriam Aparecida Rosa

Instituto Federal do Sul de Minas, Brasil

APRESENTAÇÃO

Essa coletânea tem como principal objetivo auxiliar, você leitor, a desvendar a Engenharia, com toda sua abrangência e multidisciplinaridade. Um corpo de autores compostos por pesquisadores, alunos, professores, das mais diversas áreas da engenharia; os quais se dedicaram para que cada capítulo fosse especial, com tema atrativo, conclusão clara e objetiva. Que essa coletânea, some ao seu conhecimento!

Julianno Pizzano Ayoub

SUMÁRIO

CAPÍTULO01

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL E EXPERIMENTAL NA PRODUÇÃO DE UM CABO DO FREIO EM PRENSA HIDRÁULICA

Erlano Campos dos Reis; Gilmar Cordeiro da Silva; José Rubens Gonçalves Carneiro; Larissa Vilela Costa

DOI: 10.37885/201102172……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..15

CAPÍTULO02

INFLUÊNCIA DA ATMOSFERA DE USINAGEM NO DESGASTE DE METAL DURO DURANTE FRESAMENTO DE AÇO CARBONO

Rosemar Batista da Silva; Jalon de Morais Vieira; Heittor Cunha Carvalho; Rodrigo Nogueira Cardoso; Alisson Rocha Machado; Eder Silva Costa

DOI: 10.37885/201202426…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..29

CAPÍTULO03

IMPORTÂNCIA DA EXPERIÊNCIA PROFISSIONAL PARA EXERCÍCIO DA DOCÊNCIA NO CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL

Samuel Jônatas de Castro Lopes; Humberto Denys de Almeida Silva; Samuel Campelo Dias; Paulo Henrique Nogueira da Silva Filho; Hitalo de Jesus Bezerra da Silva; Emanuel Rodrigo Reis da Silva; Linardy de Moura Sousa

DOI: 10.37885/210202996……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………45

CAPÍTULO04

DIVULGANDO TRIZ PARA ALUNOS DE UNIVERSIDADES E DE ENSINO MÉDIO

Antonio Costa Gomes Filho

DOI: 10.37885/210203175…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….57

CAPÍTULO05

COMPARAÇÃO ENTRE FORMULAÇÕES DE PROBLEMAS DE CONFIABILIDADE ESTRUTURAL

Marcelo Araújo da Silva

DOI: 10.37885/210203176…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….67

CAPÍTULO06

AVALIAÇÃO DE DINÂMICA DE NÍVEL EM TANQUES EM SÉRIE

Camylla Renatha Queiroz Costa; Emilly Tuany do Nascimento Silva; Ruth Nóbrega Queiroz

DOI: 10.37885/210203183…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 85

SUMÁRIO

CAPÍTULO07

A ORGANIZAÇÃO DO POSTO DE TRABALHO NA ELIMINAÇÃO DO ERRO HUMANO: ESTUDO DE CASO NO SEGMENTO DE AUTOPEÇAS

Vitor de Araujo Rodrigues; Jorge Nei Brito

DOI: 10.37885/210203263……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………97

CAPÍTULO08

AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE VIDA NO TRABALHO BASEADO NO MODELO DE WALTON EM UMA EMPRESA DE REFORMA DE TRANSFORMADORES

Marcos Meurer da Silva; Higor Henrique Clemente; Marcos Barbosa Silvino; Marcelo Vasconcelos de Almeida

DOI: 10.37885/210203330………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….110

CAPÍTULO09

ESTUDO DA ATENUAÇÃO DE SINAL DE VAZAMENTO EM TUBOS DE PVC COM LONGARINAS METÁLICAS LONGITUDINAIS

Luis Paulo Morais Lima; Amarildo Tabone Paschoalini; Márcio Antônio Bazani; Vinícius Alberto Trench da Costa

DOI: 10.37885/210203343………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….123

CAPÍTULO 10

SÍNTESE DIRETA E CARACTERIZAÇÃO DA PENEIRA MOLECULAR MESOPOROSA AL-SBA-15 IMPREGNADA COM TRIÓXIDO DE MOLIBDÊNIO

Bruno Taveira da Silva Alves; Joyce Salviano Barros de Figueiredo; Ruth Nóbrega Queiroz; Bianca Viana de Sousa Barbosa; José Jailson Nicácio Alves

DOI: 10.37885/210203029………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….147

CAPÍTULO 11

FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE ECONÔMICA DE INVESTIMENTO DE PLANTAS DE PROCESSOS QUÍMICOS

Fabiany Bento da Silva; Luan Victor de Araújo Gomes; Sidinei Kleber da Silva

DOI: 10.37885/210303443………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 162

CAPÍTULO 12

APLICAÇÃO DA TRANSFORMADA WAVELET NA VERIFICAÇÃO DE DOBRAMENTO DE PERÍODO EM SÉRIES TEMPORAIS

Bruno Coelho Bulcao; Francisco Otávio Miranda Farias

DOI: 10.37885/210303554………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….177

SUMÁRIO

CAPÍTULO 13

ANÁLISE DE DIFERENTES ESTRATÉGIAS EM AVALIAÇÃO DE IMÓVEIS COM A INSPEÇÃO DE ENGENHARIA CIVIL ASSOCIADA À LÓGICA FUZZY

Vladimir Surgelas; Irina Arhipova; Vivita Pukite

DOI: 10.37885/210303732…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..191

CAPÍTULO 14

ANÁLISE ECONÔMICA COMPARATIVA DE EMPRESAS DE ÁGUA MINERAL QUANTO AO PORTE

Thays de Souza João Luiz; Daniel Henrique Ayres Rosa; Antonio Stellin Júnior

DOI: 10.37885/210304054…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………204

CAPÍTULO 15

IDENTIFICAÇÃO DE TECNOLOGIAS AFINS À INDÚSTRIA 4.0: APL CALÇADISTA DE NOVA SERRANA-MG

Débora Cristina de Souza Rodrigues; Stella Jacyszyn Bachega; Dalton Matsuo Tavares; Tassiana Watanabe Ferreira; Hamma Carolina Nogueira; Núbia Rosa da Silva

DOI: 10.37885/210404156…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..215

CAPÍTULO 16

DATAÇÃO DAS FORMAÇÕES RIO CLARO E PIRAÇUNUNGA POR TERMOLUMINESCÊNCIA

Sandra Regina Pizzolato Ferreira; Maria Rita Caetano Chang

DOI: 10.37885/210404181………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….232

CAPÍTULO 17

CLASSIFICAÇÃO FUZZY DE PADRÕES NÃO-MOTORES E INDICAÇÃO DA SEVERIDADE DA DOENÇA DE PARKINSON

Thiago Juvenal Ribeiro; Daniel Furtado Leite; Maria Tailani Borges; Rennan Alves Cardoso; Raquel Rezende Coelho; Sílvia Costa Ferreira; Daniel Ângelo Polisel

DOI: 10.37885/210404191………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….244

CAPÍTULO 18

IMPLEMENTAÇÃO EM FPGA PARA PESQUISA E ENSINO NA ÁREA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA DE MODULADOR PWM PARA CONVERSORES MULTINÍVEIS

Wilson Cesar Sant’Ana; Camila Paes Salomon; Germano Lambert-Torres; Erik Leandro Bonaldi; Bruno Renó Gama; Robson Bauwelz Gonzatti; Rondineli Rodrigues Pereira; Luiz Eduardo Borges-da-Silva; Denis Mollica; Joselino Santana-Filho

DOI: 10.37885/210404221………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….258

SUMÁRIO

CAPÍTULO 19

ANÁLISE DE SILÍCIO METÁLICO EM ESCÓRIA POR DESLOCAMENTO DE COLUNA DE MERCÚRIO

Aline Cristina P. Sousa de Caux; Fernanda Gonçalves Nascimento; Márcio Farias Silveira; Pedro José Nolasco-Sobrinho

DOI: 10.37885/210404252………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 273

CAPÍTULO20

CHARACTERISATION OF DUSTS AND SLUDGES GENERATED DURING STAINLESS STEEL PRODUCTION IN BRAZILIAN INDUSTRIES

Pedro José Nolasco-Sobrinho; Jorge Alberto Soares Tenório; Denise Espinosa

DOI: 10.37885/210404270 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………284

CAPÍTULO21

TEMPERING EFFECT ON THE LOCALIZED CORROSION OF THE 13CR4NI0.02C AND 13CR1NI0.15C STEELS IN A SYNTHETIC MARINE ENVIRONMENT

Renato de Mendonça; Neide Aparecida Mariano

DOI: 10.37885/210404299…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………298

CAPÍTULO22

SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO EM UMA PLACA COM FURO

Rafael de Souza Pereira; José Dásio de Lira Junior; Tiago de Sousa Antonino; Pablo Batista Guimarães

DOI: 10.37885/210404388…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………308

CAPÍTULO23

O BUSINESS PROCESS MANAGEMENT (BPM) APLICADO À GESTÃO DOCUMENTAL MUNICIPAL NO ÂMBITO DA MIGRAÇÃO DE PROCESSOS FÍSICOS PARA DIGITAIS

David José Françoso; Dalila Alves Corrêa

DOI: 10.37885/210404166…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 318

SUMÁRIO

CAPÍTULO24

ESTUDO DO REUSO DE EFLUENTE DE UMA ESTAÇÃO CONVENCIONAL DE TRATAMENTO DE EFLUENTES NO RIO GRANDE DO SUL

Frederico Campos Velho Glória; José Carlos Alves Barroso Júnior; Maria Cristina de Almeida Silva; Lígia Conceição Tavares

DOI: 10.37885/210404422………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 337

SOBRE O ORGANIZADOR……………………………………………………………………………………………………………………349

ÍNDICE REMISSIVO……………………………………………………………………………………………………………………………350

Simulação computacional e experimental na produção de um cabo do freio em prensa hidráulica

Erlano Campos dos Reis PUC – Minas

Gilmar Cordeiro da Silva PUC – Minas

José Rubens Gonçalves Carneiro PUC – Minas

Larissa Vilela Costa PUC – Minas

10.37885/201102172

RESUMO

A extrusão é um dos processos de conformação mais utilizados e se classifica em lateral,a frente e à ré. A extrusão é feita em prensas hidráulicas ou mecânicas, resultando em peças de excelente controle dimensional, acabamento superficial com vantagens econômicas sobre a usinagem. Atualmente, apresenta-se desafio a análise por elementos finitos e simulações de processo de conformar materiais e suas propriedades mecânicas do ponto de vista teórico e prático. Tem sido possível com relativo sucesso, a análise do processo de extrusão a frio bem como sua otimização ainda na fase de projeto. O forjamento é o termo genérico usado para descrever a aplicação prática da deformação plástica de diversos metais dentro de uma enorme variedade de formas controladas tecnicamente. Dependendo da forma desejada, sua conformação requer vários estágios, sendo que cada estágio é responsável por pequena deformação. A constante busca da diminuição do tempo de produção associado ao avanço tecnológico, fez com que se chegasse às máquinas multiestágios de forjamento a frio, produzindo, numa cadeia muito elevada, diversos componentes. No entanto, a obtenção da seqüência de produção ideal é com-plicada e, muitas vezes, obtida através de métodos empíricos, o que leva à realização de muitos testes e ajustes, que encarecem o projeto. Este trabalho avaliou as variáveis de processo bem como suas restrições no forjamento em matriz fechada de um terminal do cabo de freio de mão utilizado na indústria automobilística. Concluiu-se que a maté-ria-prima adequada para conformar o produto é o ABNT 1010 diferentemente do ABNT 12L14 e DIN 9SMn36, e, também, conseguiu-se reduzir a fabricação para 4 estágios em prensa hidráulica com economia de material.

Palavras–chave: Método de Elementos Finitos, Usinagem, Estampagem (Metal).

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

INTRODUÇÃO

Conformação de metal é um processo amplamente usado em fabricação em razão do mínimo desperdício, precisão dimensional e propriedades mecânicas ajustadas. Extrusão é o processo pelo qual um bloco de material é reduzido na seção transversal por forçá-lo através de um orifício sob alta pressão. Em razão das elevadas forças envolvidas, a maioria dos materiais são extrudados a quente onde a resistência à deformação é baixa. O processo de extrusão a frio (direto e indireto), é possível para muitos materiais e constitui importante alternativa de processo comercial.

A extrusão é feita em prensas hidráulicas ou mecânicas. As prensas mecânicas são de alta produtividade e elevado custo inicial em comparação às prensas hidráulicas. Conformação a frio resulta em alta produção de peças de material de baixo custo com excelente controle dimensional e acabamento superficial. Os aços mais utilizados na conformação a frio de ele-mentos de fixação são os aços de baixo carbono tais como ABNT 1010, em substituição aos aços usinados (ABNT 12L14 e DIN 9SMn36) e de baixa liga tratados termicamente (ABNT 10B22). Todos esses aços (com exceção do ABNT1010 e ABNT 10B22) são usualmente empregados para fabricação dos terminais elétricos em processo de usinagem. Alguns parâmetros que influenciam a conformabilidade de arames foram analisados tais como a composição química, desoxidação, microestrutura, qualidade da superfície, revestimento superficial e velocidade do recalque (Weidig et al, 1995; Ochiai et al, 1994). A fabricação da matéria-prima conformada a frio deve propiciar ausência de defeitos antes da operação através do controle de processo e recondicionamento por escarfagem. Os principais defeitos que podem ocorrer na conformação são de forma, dobras, defeitos de preenchimento, trin-cas e marcas em decorrência da matriz que prejudica o desempenho da peça em serviço.

A modelagem computacional de cada estágio do processo de conformação pelo método de elementos finitos pode tornar o projeto da seqüência mais rápido e eficiente, decrescendo o uso dos métodos convencionais de “tentativa e erro”, Lima et al (2000). A existência de um banco de dados obtido experimentalmente e em combinação com “software” específico de simulação de forjamento potencializa o valor da simulação, e, mais importante, a velocidade de desenvolvimento do processo. Justifica-se, portanto, este trabalho pela possibilidade que a simulação por elementos finitos proporciona em termos de se analisar as restrições do forjamento do terminal do freio de mão feito em prensa hidráulica em detrimento à prensa mecânica de alta velocidade de deformação em aços utilizados, na condição de conforma-do a frio ou submetido à operação de tratamento térmico. A conformação a frio apresenta vantagens econômicas sobre a usinagem, tais como: economia de material, produtividade e custo operacional.

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

O presente estudo empregou a modelagem numérica via elementos finitos (software comercial Deform 2D) e métodos experimentais na fabricação de terminal extrudado a frio em prensa hidráulica, para viabilizar a substituição da usinagem pela conformação a frio com otimização do número de estágios de operação.

METODOLOGIA

Análise Química/Metalográfica e propriedades mecânicas da matéria-prima

A Figura (1) mostra as dimensões do terminal após extrusão a frio. Esse terminal pode ser feito através de usinagem, utilizando-se as matérias–primas ABNT12L14, DIN9SMn36, ABNT 1010 (trefilado) ou ABNT 10B22 (esferoidizado ou temperado e revenido).

Figura 1. Dimensões em mm dos terminais obtidos após operação de usinagem.

A matéria-prima utilizada neste trabalho foi um fio-máquina produzido através de lingo-tamento contínuo, laminação de barra e, em seguida, trefilação, recozimento e fosfatização para a dimensão de 11,3 mm de diâmetro. As análises químicas das ligas foram obtidas em espectrômetro óptico de emissão e Leco. Os elementos químicos, carbono e enxofre foram analisados no Leco a partir de limalhas obtidas com brocas de 3/16” retiradas no fio-máquina de 11,3 mm.

As amostras para análise metalográfica foram cortadas no sentido perpendicular à direção da laminação. Essas amostras foram fresadas e, posteriormente, polidas em lixas com granulometrias de 180, 240, 320, 400, 500, 600 e 1000 mesh. Em seguida, foi feito polimento de acabamento em feltro impregnado com pasta de diamante com dimensões 7, 3 e 1 µm. Após o polimento de acabamento, as amostras foram analisadas sem ataque em microscópio óptico, marca Leitz, com aumento de 200X e microscópio eletrônico de varre-dura, marca Jeol e tensão de 20kV. Para observação da microestrutura, essas amostras

foram atacadas com nital 5%. 18

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Foi feito ensaio de microdureza Vickers em microdurômetro, marca Leitz, carga de 100gf para verificação das propriedades mecânicas. Os corpos-de-prova do fio-máquina de diâmetro de 11,3 mm para os ensaios mecânicos de tração foram cortados e usinados para as dimensões finais, conforme mostrado na Fig. (2), ASTM E-8M (1995).

Figura 2. Dimensões em mm dos corpos-de-prova utilizados no ensaio de tração retirados no fio-máquina na direção de laminação.

Foram retirados três corpos-de-prova na direção paralela à laminação. O equipamento utilizado para o ensaio de tração foi uma máquina universal Instron TTDML, com aciona-mento servo-hidráulico e célula de carga de 10t. A velocidade de deformação foi de 0,2cm/ min. O valor do limite de escoamento foi obtido do gráfico tensão versus deformação, a partir da deformação de 0,2%. Um extensômetro foi utilizado para a determinação da deformação na direção do comprimento do corpo-de-prova de 50 mm. Após esta deformação, retirou-se o corpo-de-prova da máquina e mediu-se, respectivamente, o comprimento e diâmetro finais.

O limite de resistência foi calculado através da Eq. (1):

O valor da carga máxima foi obtido no ponto máximo da curva carga em função da variação do comprimento inicial. O alongamento foi calculado pela Eq. (2):

onde 10 e 1n são, respectivamente, os comprimentos inicial e final. A deformação e tensão reais são dadas pelas Eq. (3) e (4):

onde e é a deformação convencional, e é dada pela razão entre a variação do compri-

mento e o comprimento inicial.

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O coeficiente de resistência k e o coeficiente de encruamento n foram calculados pela disposição de 4 pontos da região plástica em um gráfico da Eq. (5) linearizada, Garcia et al (2000).

onde, σ r e e são, respectivamente, as tensões e deformações reais.

Simulação Numérica

O software utilizado na simulação numérica (software comercial DEFORM V-8 2D®,) é formado por três módulos, sendo eles o pré-processador, o processador e o pós-processa-dor, estando o primeiro e o terceiro módulo no mesmo ambiente gráfico.

A seqüência de eventos para a simulação consistiu da entrada das variáveis de mate-riais tais como a curva de Hollomon, coeficiente de atrito, velocidade do punção e definição do pré-projeto inicial referente a geometria inicial das matrizes e dos punções de cada es-tágio do processo.

O pré-projeto inicial simulado envolveu o corte do tarugo inicial e cinco estágios sendo eles: calibração; primeira extrusão à frente; segunda extrusão à frente; extrusão invertida e recalque Fig. (3).

Figura 3. Desenho inicial das seis etapas consideradas necessárias para produção do terminal.

Os desenhos das matrizes e punções foram inseridos no programa submetidos às con-dições de contorno e geração de malha seguida de simulação. A peça foi considerada rígido–plástica, enquanto a ferramenta foi considerada rígida, Schünemann et al (1996). A Tabela 1 mostra os parâmetros de processo utilizados nas simulações da extrusão.

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Tabela 1. Valores dos parâmetros utilizados na simulação das operações de extrusão.

Material Velocidade do Punção ( v) Coeficiente de Atrito ( µ )

Temperatura

Curva Tensão versus Deformação

ABNT 1010 11mm/s 0,1 25°C

obtida experimentalmente

A velocidade de deslocamento do punção foi mensurada a partir do deslocamento do cilindro da prensa em função do tempo. O intervalo de tempo de cada passo de simulação foi obtido pela divisão entre a velocidade de deslocamento do punção e o número de passos iniciais de 50. Para esse número de passe inicial de 50, verificou-se a convergência dos resultados para números de elementos de malha entre 400 a 2000 elementos. As malhas foram geradas através do procedimento padrão do programa, sendo utilizado elementos isoparamétricos bi-lineares de 4 nós. O coeficiente de atrito utilizado foi estabelecido de acordo com a literatura e constante durante toda a simulação, Schünemann et al (1996).

Para simulação numérica do pré-projeto utilizou-se o ABNT10B22 na condição de esferoidizado. Constatou-se que foi possível a produção do produto nas dimensões do projeto, utilizando-se ou não o primeiro estágio que é a etapa de calibração. Sendo, assim, foi eliminado esse primeiro estágio nas etapas posteriores de experimentação em razão do valor de carga encontrado e obtenção do produto sem este estágio. Houve, também, o apa-recimento de dobra na sexta etapa de simulação do material ABNT 10B22. Verificou-se na simulação numérica que essa dobra ocorria em razão da profundidade da extrusão invertida com o recalque para a obtenção da flange. Para a correção desta anomalia, foi reduzida a profundidade da extrusão invertida do quarto estágio e alterado o projeto. O dimensional da altura de 13mm do diâmetro de (Ø11) mm foi alterado para a altura de 10,5mm, Machado (2006). Com isto, na operação posterior, houve a formação da flange através do recalque sendo esta nova seqüência utilizada para a simulação física dos materiais ABNT 1010.

Baseado nos resultados obtidos, o projeto final reduziu o número de etapas Fig. (4).

Figura 4. Desenho definitivo das etapas consideradas necessárias para produção do terminal.

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A seqüência final envolveu o corte do tarugo inicial e os estágios primeira extrusão a frente, segunda extrusão a frente, extrusão invertida, recalque e término da extrusão.

Para o projeto final foram realizadas simulações numéricas e experimentais com o aço ABNT1010. Os resultados obtidos no pós-processador foram as cargas de simulação para os diferentes estágios do projeto que, posteriormente, foram comparadas às cargas experimentais obtidas por simulação física.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Resultados Análise Experimental

A Tabela 2 mostra a análise química do material da pesquisa, em porcentagem em peso.

Tabela 2. Composições químicas em porcentagem em peso dos aços ABNT 1010, DIN9SMn36, ABNT12L14 e ABNT 10B22 utilizados nos experimentos.

AÇO ABNT 1010 DIN9SMn36

ABNT 12L14

ABNT10B22

C Mn 0,10 0,43 0,05 1,11 0,08 1,01

0,20 1,09

Si P S Pb 0,10 0,021 0,009 0,00 0,03 0,066 0,598 0,00 0,02 0,058 0,542 0,47

0,13 0,016 0,0024 0,00

Ti Al N(ppm) 0,001 0,032 33 0,001 0,004 64 0,001 0,000 47

0,0398 0,025 70

Observa-se que o aço ABNT 1010 foi desoxidado com alumínio, enquanto os aços DIN 9SMn36 e ABNT 12L14 foram desoxidados por silício. Como o projeto desses aços é para melhorar a usinabilidade não se pode ter inclusões de partículas duras de óxidos e, sim, a presença de inclusões de chumbo e enxofre para refrigerar a ferramenta de corte. Os níveis de outros elementos desoxidantes, tais como, Ti foi também baixo. No aço ABNT 10B22, a presença do Ti= 0,0398 se justifica pela fixação do nitrogênio em detrimento do boro. A efe-tividade do boro na temperabilidade se faz quando ele se encontra na condição de solução sólida e não combinado com o nitrogênio.

Evidenciou-se a presença de ferrita e perlita, nas amostras obtidas segundo as dire-ções de laminação nos aços ABNT 1010, DIN 9SMn36 e ABNT 12L14 e esferoidita no ABNT 10B22 Fig. (5a) ,(5b), (5c) e(5d).

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Figura 5. Amostras do aço ABNT 1010 (a) Din 9SMn36 (b), ABNT12L14 (c) ABNT 10B22 evidenciando a presença de ferrita, perlita, microinclusões e esferoidita (d). Ataque Nital 5% e picrato de sódio; Aumento 200X.

As Figuras (6a) e (6b) e Figuras (7a) e (7b), mostram as curvas log σ versus log e para os corpos-de-prova dos aços ABNT 1010, 12L14 , 10B22 e DIN 9SMn36.

Figura 6. Evolução da tensão de fluxo com a deformação para os aços ABNT 1010 (a) e ABNT12L14 (b) obtida no ensaio de tração em uma velocidade de deformação de 0,2cm/min.

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Figura 7. Evolução da tensão de fluxo com a deformação para o aço ABNT 10B22 (a) esferoidizado e fosfatizado e DIN9SMn36 (b) obtida no ensaio de tração em uma velocidade de deformação de 0,2cm/min.

A Figura (8) mostra a evolução da carga em função dos estágios. Observa-se que a elevação de carga foi mais acentuada no terceiro e quarto estágios. No terceiro estágio ocorreu a fratura das ligas DIN9SMn36, ABNT12L14.

Figura 8. Evolução da carga em função dos estágios de fabricação.

A partir dos dados obtidos deu-se início a simulação experimental e numérica somente para o material ABNT1010. A Figura (9a) mostra a curva carga versus deslocamento para a primeira etapa extrusão a frente do material ABNT 1010 e a Fig. (9b) mostra o início e término da simulação para o primeiro estágio. Observa-se que a carga evolui até 1000 Kgf, estabiliza-se neste valor e, em seguida, cresce até 9000kgf. Esta estabilização em 1000kgf ocorreu devido a compressão do material para a formação do diâmetro 9,62mm. A eleva-ção da carga para 9000 Kgf foi devido o escoamento do material na região de mudança do diâmetro de 11mm para o diâmetro de 9,62mm. Nota-se que a carga permaneceu constante após o escoamento do material com a formação do diâmetro de 9,62 mm.

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Figura 9. Curva de evolução da carga em função do deslocamento (a) e início e término da simulação para o primeiro estágio (b)

A Figura (10a) e (10b) mostra a curva carga versus deslocamento para a segunda etapa da extrusão a frente e o início e termino da simulação do material ABNT 1010. Verifica-se que o deslocamento inicial foi de 11mm em razão da conformação da primeira operação ter sido a base para o segundo estágio. Nos diferentes estágios da simulação, foram obtidas as novas propriedades mecânicas no programa Deform 2D a partir da curva tensão verdadeira versus deformação verdadeira inicial. No intervalo de deslocamento de 11 a 15mm houve acréscimo na carga de 0 a 1000 kgf devido a deformação por compressão para a calibração dos diâmetros de 9,72 mm e 11,68 mm. Em seguida, a carga elevou-se de 1000 a 6750 kgf para a formação do diâmetro de 13,84 mm.

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Figura 10. Curva de evolução da carga em função do deslocamento (a) e início e termino da simulação para o segundo estágio (b)

A Figura (11a) e (11b) mostra a curva carga versus deslocamento para a terceira etapa

de extrusão a frente e o início e termino da simulação do material ABNT 1010. Verifica-se que a carga necessária para a ascensão e formação do anel circular (ø13,90 xø11,25 x

10,5) mm foi de 28000 Kgf.

Figura 11. Curva de evolução da carga em função do deslocamento (a) e início e termino da simulação para o terceiro estágio (b)

A Figura (12a) e (12b) mostra a curva carga versus deslocamento para a quarta estágio (recalque para a formação do flange) e o início e término da simulação. Verifica-se que a carga necessária para a formação do flange foi de 35000kgf.

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Figura 12. Curva de evolução da carga em função do deslocamento (a) e início e término da simulação para o quarto estágio (b).

CONCLUSÃO

O método de conformação mecânica a frio proposto para a fabricação do terminal do cabo de freio de mão não apresentou problemas superficiais e as dimensões obtidas do produto final atenderam a especificação de projeto. Foi possível reduzir o número de etapas de fabricação com eliminação de dobra sob o punção na etapa de extrusão à ré.

AGRADECIMENTOS

À Antônio Alves Machado e a Acument Global Technologies pelo apoio prestado.

REFERÊNCIAS

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2. Lima Roque, C.M.O, and Button, S.T., 2000, “Application of the Finite Element Method In Cold Forging Processes” , Journal of the Brazilian Society Mechanical Sciences, v XXII,n0 2, pp 189-200.

3. Machado, A. , 2006, “Simulação Computacional para Fabricação Terminal Elétrico.” Mono-grafia Final de Curso Engenharia Mecânica.

4. Mackerle, , 2004, “Finite Element Analyses and Simulations of Manufacturing Processes of Composites and Their Mechanical Properties: a bibliography (1985-2003)”, Computational Materials Science, v.31, pág. 187-219.

5. Ochiai, I. Hiroshi, O. Kawama, A., 1994, “Effect of Titanium Addition on Strain Aging of Low CarbonSteel Wire Rod.” Wire Journal International, p. 74-83. 27

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6. Schünemann, , Ahmetoglu, M.A. Altan, T., 1996, “Prediction of Process Conditions in Drawing and Ironing of Cans”, Journal of Materials Processing Technology, v 59, p 1-9.

7. Weidig, C. Espídola, M. M. Gonzáles, B. M., Rodrigues, P. C. M., Andrade, M. , 1995, “Dy-namic Strain Aging in Low Carbon Steel Wire Rods”, Wire Journal International, v.28, p.82-85.

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Influência da atmosfera de usinagem no desgaste de metal duro durante fresamento de aço carbono

Rosemar Batista da Silva UFU

Jalon de Morais Vieira IF Sudoeste – MG

Heittor Cunha Carvalho UFU

Rodrigo Nogueira Cardoso UFU

Alisson Rocha Machado UFU

Eder Silva Costa CEFET – MG

10.37885/201202426

RESUMO

Tem sido cada vez maior a importância dada às questões de cunho ambiental, já que a ideia é garantir que sistemas produtivos não agridam ao meio ambiente e usuários, ou que danos sejam minimizados, fato que tem motivado o desenvolvimento de várias pesquisas, principalmente em operações de usinagem que, em sua maioria, utilizam fluidos de corte. Por outro lado, a não utilização de fluido de corte pode resultar em maiores taxas de desgaste das ferramentas e em maior custo na reposição de ferramentas, o que reflete no custo do produto final. Com isso, torna-se necessário encontrar um meio termo entre o uso de fluidos de corte e o impacto ambiental negativo que muitos deles proporcionam. Neste contexto, esse trabalho estudou a influência das atmosferas de usinagem (seco e com fluido de corte – aplicado pelas técnicas jorro, vazão reduzida e mínima quantidade de fluido (MQF)) – no desgaste de ferramentas de metal duro (P40) durante o fresamento de aço médio carbono. A velocidade de corte e avanço foram variados. O desgaste de ferramentas foi monitorado e as imagens das ferramentas desgastadas foram obtidas e analisadas a fim de identificar os mecanismos de desgaste existentes. Os resultados mostraram, no geral, que a menor taxa de desgaste das ferramentas foi observada na presença de fluido aplicado na forma de MQF e que a combinação entre esta atmosfera e condições mais brandas de usinagem foi aquela considerada ótima para o torneamento do aço NB 1045. A condição a seco foi a pior.

Palavras–chave: Fresamento, Metal Duro, Fluido de Corte, MQF, Desgaste.

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INTRODUÇÃO

Devido à importância do estudo dos processos de usinagem, principalmente das ope-rações de fresamento, visa-se sempre encontrar condições de corte ideais para um certo material a ser usinado, que nem sempre é uma tarefa fácil. Um dos parâmetros que pode ser otimizado é o desgaste da ferramenta utilizada durante a usinagem seja por meio da alteração dos parâmetros de corte já normalmente estudados (velocidade de corte, avanço, geometria e tipo de ferramenta) como também pela variação das atmosferas de usinagem (com ou sem fluido de corte).

Sabe-se que os fluidos de corte possuem as funções, dentre tantas, de lubrificar a zona de corte em baixas velocidades de corte; de refrigerar em altas velocidades de corte, como também de propiciar produção de peças com acabamento superior, pela redução ou eliminação da APC e pela redução das forças de corte devido ao efeito lubrificante (Machado et al, 2009). Eles também podem atuar na retirada do cavaco da zona de corte, pois, estes cavacos podem comprometer o acabamento e a ferramenta de corte. Esta função é espe-cialmente requerida nos processos como furação e brochamento. Além disso, os fluidos de corte atuam no sentido de evitar o aquecimento excessivo da peça, problemas de controle dimensional e queimaduras do operador, auxilia na quebra do cavaco quando injetado sob alta pressão como também promove a redução da área de contato cavaco-ferramenta pelo fato de gerar maior curvatura do cavaco e facilitando sua quebra (Machado (1990), Sales et al (2001), Booney (2004) e Da Silva (2006)) e, consequentemente, diminui a taxa de desgaste das ferramentas.

Há até poucas décadas atrás, a utilização de fluidos de corte em operações de usina-gem destinava-se quase que exclusivamente à promover a redução do custo de usinagem por meio redução do desgaste da ferramenta e/ou aumentar a taxa de produção, pelo em-prego de maiores velocidades de corte e maiores valores de avanços. Entretanto, o contato prolongado e freqüente com os fluidos de corte pode originar diversas formas de irritação da pele e em certos casos até câncer. Para amenizar estes e outros problemas causados pelos fluidos de corte, deve-se fazer frequentemente um controle adequado da quantidade de fungos, bactérias e do pH do fluido, aliado a uma prática de higiene pessoal por parte dos operadores, como por exemplo, a aplicação de cremes protetores apropriados antes do início do serviço e após o trabalho (Sales, 1999). Em dias atuais, fatores como custo e a pressão exercida por agências de proteção ambiental e de saúde estão apontando na direção da usinagem a seco sempre que for possível, ou pelo menos na redução da vazão do fluido de corte (usinagem com Mínima Quantidade de Fluido de Corte (MQF)) que está ilustrado de forma esquemática na Fig. 1. Esta técnica que tem a cada dia apresentado resultados

positivos em várias situações de usinagem tem sido cada vez mais empregada na indústria 31

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devido ao avanço tecnológico nas áreas dos materiais e geometrias das ferramentas de corte, o que torna possível a flexibilização na produção ou usinagem de peças.

Figura 1. Esquema de um sistema de aplicação de fluido de corte pela técnica MQF (adaptado de Teixeira (2001)).

Apesar do grande desenvolvimento tecnológico verificado na área de usinagem, prin-cipalmente no que se refere ao desenvolvimento de ferramentas de corte (geometria, novos materiais, revestimentos), a usinagem a seco, também chamada por muitos de “usinagem ecológica”, esbarra ainda em dificuldades de ordem econômicas e técnica, como alta taxa de desgaste e aquecimento excessivo da interface ferramenta-peça. Estudos mostram, por exemplo, que a usinagem totalmente a seco para muitas aplicações ainda não é possível, como por exemplo, na usinagem do alumínio e de alguns aços dúcteis (Novaski e Dörr (1999a e 1999b)), uma vez que não a utilização de um lubrificante pode culminar com desgaste adesivo. Além disso, na furação de ferro fundido cinzento, a falta do auxílio para a expulsão dos cavacos provoca danos às superfícies já usinadas e pode promover a quebra da broca (Costa, 2004). Outros materiais, como as ligas de titânio em sua maioria devem ser usinadas com presença de fluido de corte, para evitar elevadas taxas de desgaste e garantir elevada exatidão das superfícies usinadas (Da Silva, 2006). Neste contexto é que surgiu como alter-nativa a aplicação de sistemas que utilizam técnicas de usinagem com Mínima Quantidade de Fluido de Corte (MQF), a qual proporciona vantagem de funcionalidade da refrigeração e baixo consumo baixo de fluido de corte. A técnica MQF pode ser considerada como interme-diária entre a usinagem em condição com refrigeração/lubrificação e aquela absolutamente sem refrigeração (a seco) (Costa, 2004). MQF significa que somente uma pequena gota de óleo é lançada na área de corte para produzir um pequeno filme de lubrificante protetor. Na usinagem sem fluido de corte, além da seleção de parâmetros de corte apropriados

em função do material a ser usinado, a busca por uma geometria adequada da ferramenta como também aquela com propriedades melhoradas para cada necessidade é o ponto de

partida na tentativa de resolver os problemas causados pela usinagem a seco, visto que os 32

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mecanismos de desgastes são ativados com o aumento da temperatura e que consequen-temente promove redução significativa na vida da ferramenta.

OBJETIVO

Investigar influência das atmosferas de usinagem (seco e com fluido de corte – aplica-do pelas técnicas jorro, vazão reduzida e mínima quantidade de fluido (MQF)) no desgaste das ferramentas de metal duro durante o fresamento do aço médio carbono NB 1047 nas seguintes condições de corte: velocidades de corte de 200 e 260 m/min e avanços de 0,14 e 0,22 mm/volta.

Também foram investigadas duas situações de entrada da fresa na peça: na primeira situação, a pastilha entrava na peça a 90° (quina viva) e na segunda, a pastilha entrava a 45°, uma vez que após o primeiro passe, com entrada em quina, a ferramenta produzia uma rampa no material usinado, cuja inclinação é resultante do próprio ângulo de posição da fresa (45°).

MÉTODOS

O material utilizado foi o aço NB 1047 com dimensões 455 mm x 128 mm x 150 mm, que foi previamente preparado para remoção de camada bruta de fusão/camada oxidada. Estas barras foram fixadas sobre a mesa da máquina ferramenta (Fresadora CNC Interract IV com potência máxima de 7,5 CV, fabricada pelas Indústrias Romi S.A) por meio de castanhas.

Os testes de usinagem foram realizados com ferramentas de metal duro (insertos) clas-se P40 com denominação GC 4240 R245-12 T3 M-PM fornecidas pelo fabricante Sandvick Coromant®) nas seguintes condições de corte: velocidades de corte de 200 e 260 m/min e avanços de 0,14 e 0,22 mm/volta. Por cada inserto possuir quatro arestas, um inserto foi empregado em quatro testes. Os insertos foram fixados por meio de parafusos em uma fresa com diâmetro de corte de 125mm, com capacidade para alojar até 8 insertos.

Duas formas de entrada da ferramenta na peça foram investigadas sendo que: na pri-meira a aresta entrava na peça a 90º, e na segunda condição, a ferramenta entrava na peça a 45º, condição essa que acontece devido à inclinação do chanfro deixado na peça após a primeira passada com a ferramenta entrando a 90º. A Figura (2) ilustra estas duas formas.

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Figura 2. Esquemas das entradas das arestas de corte na peça: a) Entrada a 90°. b) Entrada a 45° (Costa et al, 2008)

(a) (b)

Foram realizados 32 testes de usinagem. A fim de aperfeiçoar a utilização do material de trabalho e estrategicamente promover a retirada da ferramenta ao fim de cada passe para análise de desgaste das ferramentas utilizadas nas duas condições de entrada, um programa CNC foi elaborado para realizar apenas uma passada e permitir a remoção da ferramenta para análise de desgaste e/ou sua substituição. Desta forma, foi possível utilizar diferentes arestas para analisar as diferentes formas de entrada.

Nos testes com fluido de corte alguns procedimentos foram realizados para adequar a vazão e as propriedades do fluido de corte de acordo com o proposto neste trabalho. Para a usinagem com fluido de corte na forma de jorro foi utilizado um sistema externo à máquina ferramenta para fazer o bombeamento do fluido, a vazão de operação foi de 4,6 L/ min. O fluido de corte utilizado foi uma emulsão de base vegetal emulsionável Vasco1000, fabricado pela empresa Blaser Swisslube, na concentração de 5%.

Este mesmo sistema de bombeamento foi utilizado para a usinagem com fluido aplicado na forma vazão reduzida, porém com uma vazão de 250 mL/min. Já a usinagem com mínima quantidade de fluido de corte (MQF), o sistema de bombeamento do fluido está mostrado na Fig. (3). Ressalta-se que esse sistema foi previamente calibrado e ajustado para conferir vazão de 60 mL/h e pressão do ar de 8 bar (0,8 MPa).

Figura 3. Sistema de bombeamento de fluido de corte pela técnica MQF

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O desgaste da ferramenta foi monitorado até o fim de vida da mesma. Para isso fo-ram adotados os critérios de rejeição pré-estabelecidos tais como o colapso da aresta ou desgaste de flanco máximo, VBMax = 0,6 mm. Para analisar o desgaste e observar sua evolução durante os testes, foi utilizada microscopia ótica. Algumas imagens foram obtidas com auxílio de um estéreo microscópio, marca Olympus modelo SZ61, com câmera CCD, Evolution LC Color acoplada.

RESULTADOS

Nesta sessão são apresentados os resultados dos testes de usinagem realizados neste trabalho dos quais foram inicialmente analisados o desgaste em função do comprimento usinado para diferentes valores de velocidades de corte e avanço, diferentes atmosferas e técnica de aplicação de fluido de corte, bem como as diferentes formas de entrada da ferra-menta na peça. São apresentadas também algumas imagens das ferramentas desgastadas a fim de facilitar o entendimento dos mecanismos de desgaste existentes nas ferramentas após o fresamento de aço NB 1047 em diferentes condições de corte.

Nas Fig. (4) e Fig. (5) são mostrados os comportamentos do desgaste de ferramentas de metal duro em função do comprimento usinado para diferentes valores de avanço e duas formas de entrada da ferramenta na peça (45° e 90°) durante o fresamento na condição seco com velocidades de corte de 200 e 260 m/min, respectivamente.

Nas Figs. (6a) e (6b) são mostradas as imagens de ferramentas desgastadas após usinagem a seco. Da Fig. (6b), a imagem de uma ferramenta desgastada após usinagem a seco com Vc=260 m/min e fz=0,22 mm/volta para a entrada da ferramenta a 90° pode ser observado a presença de lascamento na ferramenta, após o sexto passe.

Figura 4. Comprimento de usinagem versus desgaste durante a usinagem a seco com Vc=200 m/min

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Figura 5. Comprimento de usinagem versus desgaste durante a usinagem a seco com Vc=260 m/min

Nas Fig. (7) e Fig. (8) são mostradas as evoluções do desgaste das ferramentas de metal duro em função do comprimento usinado para diferentes valores de avanço e duas formas de entrada da ferramenta na peça (45° e 90°) durante o fresamento na condição com fluido de corte aplicado pela técnica jorro e velocidades de corte de 200 e 260 m/min, respectivamente.

Figura 6. Imagem do desgaste das ferramentas de metal duro após usinagem a seco do aço NB 1047 com Vc=260 m/ min e fz=0,22 mm/volta para a entrada a 90°; a) Primeiro passe; b) Sexto passe (detalhe para região com lascamento)

(a) (b)

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Figura 7. Comprimento de usinagem versus desgaste na usinagem com jorro, Vc=200 m/min.

Figura 8. Comprimento de usinagem versus desgaste durante a usinagem com fluido na forma de jorro com Vc=260 m/min.

Nas Figs. (9a) e (9b) são apresentadas as imagens das ferramentas desgastadas com Vc = 200 m/min e fz = 0,22 mm/volta para a entrada da ferramenta a 45° após o primeiro passe e sexto passe (fim de vida), respectivamente. Observa-se que no primeiro passe a ferramenta apresentava pouco desgaste (quase imperceptível pelo aumento (35X) do apa-relho utilizado para medição. Já na figura após o sexto passe é visível a forma de desgaste de flanco e que houve perda de material na ponta da ferramenta (lascamento). Lascamentos são comuns de ocorrer neste tipo de material de ferramenta quando são utilizadas condições severas de usinagem. Da Fig. (9) pode-se estimar que o mecanismo de desgaste nestas condições foi o de entalhe na aresta principal de corte. O mecanismo de desgaste de entalhe se desenvolveu por meio da formação de trincas térmicas, que ocorrem quando existe uma grade variação de temperatura durante o processo de usinagem, resultando no lascamento da aresta de corte observado na Fig. (9b).

Nas Figs. (10) e (11) são apresentados o comportamento do desgaste de ferramentas de metal duro em função do comprimento usinado para diferentes valores de avanço e duas

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formas de entrada da ferramenta na peça (45° e 90°) durante o fresamento na condição com aplicação de fluido de corte na forma de vazão reduzida, com velocidades de corte 200 e 260 m/min, respectivamente. Nas Figs. (12a) e (12b) são mostradas as imagens das ferramentas desgastadas após usinagem do aço NB 1047 com Vc=200 m/min e fz=0,22 mm/volta para a entrada a 45° nesta atmosfera, considerando o primeiro e sétimo passes, respectivamente.

Figura 10. Comprimento de usinagem versus desgaste durante a usinagem com aplicação de fluido na forma de vazão reduzida com Vc=200 m/min

Figura 11. Comprimento de usinagem versus desgaste durante a usinagem com fluido na forma de vazão reduzida com Vc=260 m/min

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Figura 12. Imagem do desgaste da ferramenta de metal duro após usinagem com fluido de corte com vazão reduzida do aço NB 1047 com Vc=200 m/min e fz=0,22 mm/volta para a entrada a 45°; a) Primeiro passe; b) Sétimo passe (lascamento)

(a) (b)

Nas (Figs. (13) e (14)) são mostradas as evoluções do desgaste com o número de passes de fresamento com o uso da técnica de aplicação de fluido com mínima quantidade de fluido (MQF), diferentes valores de avanço, duas formas de entrada da ferramenta na peça (45° e 90°) e com velocidades de corte 200 e 260 m/min, respectivamente. Já nas Figs. (15a) e (15b) são imagens das ferramentas desgastadas após a usinagem com esta atmosfera e Vc=200 m/min e fz=0,14 mm/volta para a entrada a 45° para dois diferentes números de passes.

Figura 13. Comprimento de usinagem versus desgaste durante a usinagem com fluido pela técnica MQF com Vc=200 m/min

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Figura 14. Comprimento de usinagem versus desgaste durante a usinagem com fluido pela técnica MQF com Vc=260 m/min

Figura 15. Imagem do desgaste da ferramenta de metal duro após usinagem com fluido de corte pela técnica MQF com Vc=200 m/min e fz=0,14 mm/volta para a entrada a 45°; a) Primeiro passe; b) Décimo terceiro passe (lascamento)

(a) (b)

DISCUSSÃO

Das Fig. (4) e Fig. (5), comprimento usinado versus desgaste da ferramenta, pode-se observar que o desgaste aumenta com o comprimento usinado e que este é mais acentuado para a entrada da ferramenta a 45° e com maior avanço, independente da velocidade de corte empregada. Já as melhores condições foram observadas para a entrada a 90° para ambas as velocidades de corte e maior avanço de 0,14 mm/volta.

Quanto a forma do desgaste, da Fig. (6), é possível inferir que mecanismo de desgaste por deformação plástica da aresta de corte sob altas tensões de compressão foi atuante e que levou à destruição da cunha, pela continuidade do processo de deformação. Maiores informações sobre este mecanismo são comentadas por Machado et al (2009).

Ao comparar os resultados da evolução do desgaste com o comprimento usinado após a usinagem nas atmosferas a seco e com fluido de corte (técnica jorro), observa-se que,

ao contrário dos resultados encontrados de desgaste em função do comprimento usinado 40

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na condição a seco (Figs (4) e (5)), das Fig. (7) e Fig. (8) pode-se notar que a entrada da ferramenta a 45º resultou em desempenho superior em relação à forma de entrada a 90º em relação a desgaste e comprimento usinado, quando utilizou-se fluido de corte na forma de jorro, sendo mais notável para a vc=200 m/min e f= 0,22mm/volta.

Das imagens apresentadas nas Figs. (9a) e (9b), ferramentas desgastadas com Vc = 200 m/min e fz = 0,22 mm/volta para a entrada da ferramenta a 45° após o primeiro passe e sexto passe (fim de vida), respectivamente, observa-se que no primeiro passe a ferramenta apresentava pouco desgaste (quase imperceptível pelo aumento (35X) do aparelho utilizado para medição. Já na figura após o sexto passe é visível a forma de desgaste de flanco e que houve perda de material na ponta da ferramenta (lascamento). Lascamentos são comuns de ocorrer neste tipo de material de ferramenta quando são utilizadas condições severas de usinagem. Da Fig. (9) pode-se estimar que o mecanismo de desgaste nestas condições foi o de entalhe na aresta principal de corte. O mecanismo de desgaste de entalhe se desenvolveu por meio da formação de trincas térmicas, que ocorrem quando existe uma grade variação de temperatura durante o processo de usinagem, resultando no lascamento da aresta de corte observado na Fig. (9b).

Das Figs. (10) e (11), evolução do desgaste de ferramentas de metal duro com o com-primento usinado após o fresamento na condição com aplicação de fluido de corte na forma de vazão reduzida (velocidades de corte 200 e 260 m/min, respectivamente), observa-se que para esta atmosfera, a usinagem com ferramenta entrando na peça a 90°, com menor valor de velocidade (vc=200 m/min) e maior avanço (f=0,14 mm/dente) apresentou desempenho superior em relação a maior velocidade e menor avanço em termos de maior comprimento usinado. Para esta atmosfera, ao analisar as ferramentas desgastadas nas Figs. (12a) e (12b), considerando o primeiro e sétimo passes, respectivamente, após a usinagem com Vc=200 m/min e fz=0,22 mm/volta para a entrada a 45°, nota-se que no sétimo passe da ferramenta na peça houve o lascamento da mesma, semelhante aquele encontrado na ferra-menta que realizou usinagem a seco (Fig. 6). Acredita-se que o desgaste na aresta alisadora de tais ferramentas tenha sido o responsável para determinar o fim de vida da ferramenta. Esse fim de vida foi obtido por deformação plástica da aresta de corte sob altas tensões de compressão (Machado et al, 2009).

Diversas tentativas têm sido feitas com o objetivo de diminuir estas altas temperaturas observadas. Fluidos de corte convencionais podem resfriar a ferramenta e a peça, mas não podem resfriar e lubrificar eficientemente a interface cavaco-ferramenta. No entanto, foi ob-servado que a MQF pode reduzir a temperatura média de corte de 5-10% dependendo dos níveis dos parâmetros do processo (Dhar et. al, 2006).

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Com relação ao comportamento do desgaste das ferramentas em função do número de passes realizados na atmosfera com fluido de corte aplicado via a mínima quantidade de fluido (MQF), (Figs. (13) e (14)), observa-se que a condição de usinagem mais branda Vc=200 m/min e fz= 0,14 mm/volta na forma de entrada de 45º possibilitou usinar 13 passes. Com o auxílio das imagens das ferramentas desgastadas após a usinagem com esta atmosfera e com Vc=200 m/min e fz=0,14 mm/volta para a entrada a 45° para dois diferentes números de passes, é possível, ao comparar o primeiro e décimo terceiro passes, que houve a perda da aresta de corte neste último. Este fato pode ser atribuído à deformação plástica da cunha cortante devido a altas tensões de compressão (Machado et al, 2009) que indica o fim de vida da ferramenta. Em seus experimentos comparando o desempenho da técnica MQF em diferentes vazões com a usinagem a seco do mesmo aço NB 1047, Viera et al (2009) observaram que esta técnica também resultou em um maior comprimento usinado e me-lhor qualidade da superfície usinada, o que foi atribuído à redução do desgaste de flanco e também das forças de usinagem. Para estes autores, a técnica MQF oferece como benefí-cio principal a redução da temperatura de corte, com adequadas condições tribológicas na zona de corte que minimizam o atrito entre o cavaco e a ferramenta e, consequentemente, mantém a aresta de corte afiada por mais tempo.

CONCLUSÃO / CONSIDERAÇÕES FINAIS

As seguintes conclusões podem ser retiradas após este trabalho sobre fresamen-to frontal de faceamento de aço NB 1047 com ferramentas de metal duro em diversas condições de corte:

Ausinagem a seco com a entrada da ferramenta na peça a 90º apresentou desem-penho superior em relação à entrada a 45º uma vez que o atrito da ferramenta com a superfície da peça eleva a temperatura e leva a menor vida da ferramenta.
Ao utilizar fluido de corte aplicado na forma de jorro observou-se um desempenho semelhante de ambas formas de entrada da ferramenta (45º e 90º), e o fim de vida da ferramenta foi determinado pelo colapso da aresta de corte.
Ausinagem com fluido de corte aplicado na forma de vazão reduzida (baixa vazão) gerou um desgaste na ferramenta considerado intermediário entre a usinagem a seco e com fluido na forma de jorro. O desgaste da aresta alisadora foi responsável pelo fim de vida das ferramentas utilizada nesta condição. Além disso, a usinagem com a combinação entre menores velocidade de corte e avanço aumentou a vida da ferramenta.
Autilização da técnica MQF resultou no melhor desempenho dentre todas as téc- 42

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nicas e atmosferas utilizadas neste trabalho nas condições investigadas, e este desempenho foi mais notável quando se empregou a menor velocidade de corte (Vc=200 m/min) e um menor avanço (fz=0,14 mm/volta), consideradas as condi-ções ótimas para usinagem deste aço NB 1047.

Uma versão deste artigo foi inicialmente publicada nos Anais do VI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 18 a 21 de agosto de 2010 – Campina Grande – Paraíba – Brasil, sob código CON10-1647 e título Influência de diferentes atmosferas de usinagem no desgaste de ferramentas e metal duro utilizadas no fresamento de aço médio carbono. Permissão da Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas foi concedida.

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Importância da experiência profissional para exercício da docência no curso de bacharelado em Engenharia Civil

Samuel Jônatas de Castro Lopes UFPI

Humberto Denys de Almeida Silva UFPI

Samuel Campelo Dias UFPI

Paulo Henrique Nogueira da Silva Filho CEUPI

Hitalo de Jesus Bezerra da Silva UFPI

Emanuel Rodrigo Reis da Silva UFMA

Linardy de Moura Sousa UNIFSA

10.37885/210202996

RESUMO

Introdução: o curso de bacharelado em Engenharia Civil é comumente organizado em disciplinas gerais, que são comuns para todas as engenharias, e disciplinas específicas, que, no caso da Engenharia Civil, estão voltadas para conhecimentos técnicos específicos, que servirão de embasamento para os profissionais desenvolver diversas atividades, tais como: projetar e construir estruturas eficientes, além de analisar e enfrentar problemas que busquem atender da melhor forma possível à necessidade da sociedade. Objetivo: assim sendo, o objetivo desse estudo é compreender a importância do conhecimento prático para o ensino da Engenharia Civil. Métodos: foi realizado um questionário simpli-ficado com docentes que atuam nos cursos de Engenharia Civil, com objetivo principal de avaliar a importância da experiência prática no momento da sua contratação, bem como no decorrer das suas atividades diárias como docente. Resultados: concluiu-se que para a maioria dos docentes, a experiência prática foi relevante para sua contratação, além disso, 100% dos entrevistados concordam que esse critério deve ser considerado para a contratação de qualquer docente do curso de Engenharia Civil. Uma maior segurança para a transmissão do conhecimento, um maior interesse dos discentes pela disciplina e as aulas se tornarem mais dinâmicas, também foram benefícios que os docentes elen-caram como primordial devido à suas experiências práticas. Considerações Finais: é de suma importância que os docentes do referido curso, principalmente para ministrar as disciplinas específicas, possuam além de conhecimento técnico, experiência prática para tornar mais eficiente o processo de ensino.

Palavras–chave: Docência, Ensino Superior, Engenharia Civil, Conhecimento Prático.

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INTRODUÇÃO

A docência no ensino superior, comumente, é executada por profissionais de diversas áreas de formação, sendo que, nos cursos de bacharelado, a grade curricular possui poucas cadeiras de formação que visam aprimorar as habilidades didáticas dos futuros profissionais. Com base nisso, é possível afirmar, que em múltiplas instituições de ensino superior, um dos critérios mais relevantes para contratação de professores do curso de engenharia é sua competência técnico-científica.

Outra via, de acordo com Zabala (2014), a docência consiste não apenas em conhe-cimento técnico-científico, mas também, em adotar procedimentos e atitudes que busquem tornar eficiente o compartilhamento de conteúdo do professor para o aluno. Neste sentido, restringindo-se aos cursos de engenharia, a prática do docente no mercado de trabalho proporciona que as aulas se tornem mais dinâmicas, objetivas e com exemplos mais inte-ressantes, potencializando o aprendizado do discente

Segundo Cunha (2015), um perfil para o docente é geralmente formulado pela co-munidade acadêmica, buscando classificar o professor em dois tipos: bom ou ruim, sendo que essa rotulação pode influenciar nas áreas sociais e profissional do indivíduo. Para o Ministério da Educação um professor adequado para os cursos de ensino superior é aquele que possui mestrado e/ou doutorado. Entretanto, é de suma importância ressaltar que em disciplinas específicas de engenharia o conhecimento prático do docente proporciona um ensino com maior aproveitamento.

Com base nisso, a falta de qualidade e didática nas aulas de engenharia, promovem um alto índice de desistência por parte dos alunos, principalmente nos primeiros semestres letivos. Com o avanço do curso, disciplinas específicas de cada engenharia demandam profissionais com ótimo conhecimento técnico-científico aliado com experiência prática para satisfazer as necessidades dos discentes. Esse contexto aponta diversos desafios para a Educação em Engenharia, buscando aprimorar os processos de ensino aprendizagem (MESQUITA et al., 2016).

A engenharia civil é um curso de bacharelado oferecido por diversas instituições de en-sino superior do Brasil, com base nisso, a qualidade do processo de formação dos discentes deve garantir que os futuros profissionais sejam capazes de executar suas atribuições da melhor forma possível. Através da engenharia civil é possível aplicar conhecimentos cien-tíficos para projetar, construir, analisar e enfrentar problemas sociais, buscando atender da melhor forma possível a necessidade da sociedade (CIVIL, 2018).

Com base nisso, essa pesquisa torna-se relevante devido ao curso de bacharelado em engenharia civil ser amplamente ofertado no país e qualquer melhoria no seu processo

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de ensino-aprendizagem influenciará representativamente no desenvolvimento técnico-e-conômico do Brasil.

OBJETIVO

Compreender a importância do conhecimento prático para o ensino da engenharia civil.

MÉTODOS

Este estudo se caracteriza pelo desenvolvimento de uma pesquisa qualitativa de con-teúdo exploratório, a fim de contribuir para o aprimoramento da formação dos engenheiros civis do país. Os docentes, atualmente, praticam o ensino de disciplinas específicas em dois centros universitários na cidade de Teresina – PI. Segundo Malhotra et al. (2005) a pesquisa qualitativa tem por objetivo a adquirir o entendimento qualitativo do problema. A mostra é obtida por uma pequena quantidade de casos.

Utilizou-se a aplicação de um questionário simplificado, para dez professores que atuam como docentes nos cursos de Engenharia Civil, com finalidade de entender a importância do conhecimento prático para o ensino da profissão. De acordo com Parasuraman (1991), um questionário pode ser entendido como sendo um conjunto de questões, produzido para se obter dados atingindo-se os objetivos no projeto de pesquisa. O questionário ainda pode ser definido como sendo um mecanismo desenvolvido cientificamente, formado por um compilado de perguntas organizadas por assuntos predefinidos, que almeja coletar dados de um grupo de pessoas (MARCONI; LAKATOS, 1999, P.100).

A tabela 1 apresenta o questionário aplicado a dez professores que atuam como do-centes do curso de bacharelado em Engenharia Civil na cidade de Teresina – PI. O objeti-vo geral deste questionário é fomentar a discussão sobre a importância do conhecimento prático para o ensino da Engenharia Civil. O questionário foi formulado com sete perguntas de múltipla escolha, onde cada professor deveria escolher apenas uma opção por questão.

Tabela 1. Questionário do tipo fechado aplicado aos docentes.

Questionário aplicado aos docentes

Tempo de exercício como docente do curso de Engenharia Civil Tempo de experiência prática como engenheiro civil

Relevância da experiência prática para a contratação do docente

Tipo de resposta

Menos de 1 ano, entre 1 e 3 anos, entre 3 e 5 anos ou mais de 5 anos. Menos de 1 ano, entre 1 e 3 anos, entre 3 e 5 anos ou mais de 5 anos.

Muito relevante, relevante, não influenciou, não se aplica.

Experiência prática deve ser um critério de contratação do docente

Benefícios que a experiência prática proporciona para um docente

Grau de importância da titulação acadêmica

Sim ou não.

Conseguir exemplificar melhor o conteúdo, fazer uma ótima relação entre teoria e prá-tica, proporciona mais segurança ao docente, a experiência prática não tem relevância.

Muito importante (somente os títulos acadêmicos já são suficientes); importante (entretanto o ideal é conseguir conciliar a prática com qualificação acadêmica) ou pouco importante (é mais necessária a experiência prática).

Titulação acadêmica suficiente Doutorado, mestrado ou especialização. 48

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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Didática no ensino da engenharia civil

A didática pode ser entendida como uma área de estudo da Pedagogia que relaciona as finalidades sócio-políticas e pedagógicas em busca de direcionar da melhor forma pos-sível o processo de ensino e aprendizagem (LIBÂNEO, 2017). Assim sendo, um professor que possui apropriada qualificação técnica para ensinar utiliza-se de diversas técnicas que promovem um aprendizado mais eficiente, e consequentemente proporciona ao aluno um melhor desenvolvimento na disciplina.

A comunicação é um dos processos fundamentais no exercício da didática, pois pro-move a troca de informações no processo de ensino. Segundo Duarte (2020), uma boa comunicação deve ser objetiva, simples, concisa e possuir uma variedade no vocabulário, afim de garantir que o interlocutor entenda a mensagem. Ainda assim, de acordo com Paulo Freire (2002), em seu livro Pedagogia da autonomia: saberes necessários à prática educativa, outros parâmetros são citados como importantes para que o ensino possua uma ótima qualidade.

[…] rigorosidade metódica; pesquisa; respeito aos saberes dos educandos; criticidade; estética e ética; a corporificação das palavras pelo exemplo; ris-co, aceitação do novo e rejeição a qualquer forma de discriminação; reflexão crítica sobre a prática; o reconhecimento e assunção da identidade cultural; consciência do inacabamento; o reconhecimento de ser condicionado; respeito à autonomia do ser do educando; bom-senso; humildade, tolerância e luta em defesa dos direitos dos educadores; apreensão da realidade; alegria e esperança; a convicção de que a mudança é possível; curiosidade; segurança, competência profissional e generosidade; comprometimento; compreender que a educação é uma forma de intervenção no mundo; liberdade e autoridade; tomada consciente de decisões; saber escutar; reconhecer que a educação é ideológica; disponibilidade para o diálogo; e querer bem aos educandos (FREIRE, 2002, p.34).

Com base, nesse pequeno trecho da obra de Freire é possível constatar a complexidade que existe por trás de um ensino de qualidade, além dos diversos pontos de melhoria que podem ser apontados na realidade atual dos cursos de bacharelado em engenharia civil. Através da engenharia é possível desenvolver novas metodologias de execução que otimizem os processos produtivos, gerando de forma direta retorno financeiro para a economia do país (PEREIRA; MOTTA, 2020). A indústria da construção civil é uma das principais engrenagens responsáveis pelo crescimento econômico de um país (VIEIRA; NOGUEIRA, 2018).

Com base nessa alta representatividade econômica da Engenharia Civil em um país, é de suma importância que as instituições de ensino superior promovam a formação de pro-

fissionais competentes, ou seja, dotados de habilidades que permitam um correto exercício 49

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da profissão. De acordo com Esteves (2016), a competência é um parâmetro responsável por diferenciar um profissional no mercado de trabalho.

A formação de um engenheiro com qualidade é uma ferramenta imprescindível para que o país enfrente os desafios do século XXI (SANTOS; SIMON, 2018). O curso de bacharelado em Engenharia Civil é composto por disciplinas básicas, comum para todas as engenharias, e cadeiras específicas, que variam com a especialidade de cada curso. É importante ressaltar que disciplinas básicas necessitam de uma maior qualificação acadêmica do docente, em nível de mestrado e doutorado, entretanto em disciplinas específicas torna-se mais interes-sante que o docente tenha experiência prática no mercado de trabalho.

A interligação entre teoria e prática propicia um diferencial ao estudante quando este for inserido no mercado de trabalho, tal fato torna-se possível quando os docentes detêm conhecimento prático das disciplinas específicas (CARDOSO et al., 2017). Tais cadeiras são responsáveis por embasar tecnicamente o discente para a realidade prática que o fu-turo profissional enfrentará no mercado de trabalho após sua formação. Com base nisso, é possível afirmar que o conhecimento repassado por um professor que atua no mercado de trabalho enriquecerá o processo de aprendizado do aluno.

Em complemento, torna-se ideal que além do conhecimento prático, o docente possua técnicas de didática, que são obtidas através de especializações lato e stricto sensu, em busca de conseguir transmitir as experiências práticas da forma mais eficiente. Quando o professor consegue apresentar situações práticas da Engenharia Civil para o discente, este consegue se comprometer de forma mais efetiva com o curso, além de solidificar melhor o conhecimento acerca da respectiva disciplina (RIBEIRO et al., 2019).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

No intuito de conseguir uma pesquisa mais sólida, com dados mais confiáveis, ou seja, respostas que reflitam a realidade, o primeiro questionamento buscou descobrir quantos anos de atuação como docente no curso de Engenharia Civil cada professor possuía.

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Figura 1. Tempo de exercício como docente do curso de Engenharia Civil.

Entre os dez docentes que responderam o questionário, oito possuem atuação como docente no curso de Engenharia civil acima de cinco anos e apenas dois docentes possuem experiência que variam entre três e cinco anos. Esse resultado é importante, uma vez que docentes com maior experiência conseguem transmitir de forma mais confiável a realidade e desafios enfrentadas na sala de aula.

Com base na figura 2 é possível afirmar que os docentes entrevistados, na sua totali-dade, possuem tempo superior a cinco anos de experiência prática como engenheiro civil. Durante cinco anos, o engenheiro civil que é atuante no mercado de trabalho se depara com inúmeros problemas com soluções específicas, além disso, desenvolve vários contatos sociais, pois precisa conversar com clientes e funcionários, isso melhora seu embasamento prático de solucionar problemas. De acordo com Vygotsky (2007), na sua teoria do sóciointe-racionismo, troca de ideias, experiências práticas e interação social são de suma importância para o processo de ensino e aprendizagem.

Figura 2. Tempo de experiência prática como engenheiro civil.

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Os resultados obtidos para a terceira pergunta do questionário, refletem o grau de re-levância da experiência prática de um engenheiro civil para atuar como docente do referido curso. Para 80% dos entrevistados, sua experiência prática, como engenheiro civil, foi rele-vante/muito relevante para sua contratação como docente. Outra via, para 20% a experiência prática não foi um fator determinante no momento da sua contratação.

Figura 3. Relevância da experiência prática para a contratação do docente.

O fato da experiência prática não ter sido um parâmetro crucial no momento da con-tratação, para 20% dos docentes, pode estar relacionado com diversos fatores, tais como: urgência no processo seletivo da faculdade, diferentes critérios adotados pela coordenação do curso no momento da contratação atribuindo pesos maiores para candidatos que pos-suíssem mestrado e/ou doutorado.

De acordo com os resultados mostrados na figura 4, para 100% dos entrevistados a experiência prática como engenheiro civil é um parâmetro que deve ser considerado no momento da contratação do docente. A unanimidade das respostas corrobora para a ideia central da pesquisa, que busca entender a importância da experiência prática para o ensino da Engenharia Civil. O convívio com situações reais vivenciadas em escritórios de projetos e canteiros de obras desenvolvem benefícios para o compartilhamento de conhecimento no processo de ensino e aprendizagem, conforme podemos observar na figura 5.

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Figura 4. Experiência prática deve ser um critério de contratação do docente.

Para 60% dos entrevistados a experiência prática possibilita que o docente faça uma ótima relação entre assuntos vistos na teoria e aplicados no mercado de trabalho. Cerca de 30% dos entrevistados concordam que com uma base de conhecimento prático o docente é capaz de citar exemplos mais ricos de detalhes, melhorando o processo de fixação do aluno para com o referido tema. Apenas 10% acham que o principal benefício oriundo da experiência prática é o fato de o docente possuir uma maior segurança para transmitir o conteúdo. Importante ressaltar que nenhum entrevistado considera irrelevante a experiência prática para o exercício da docência.

Figura 5. Benefícios que a experiência prática proporciona para um docente.

Os resultados apresentados na figura 6 retrata a importância de aliar a experiência prática com a titulação acadêmica em busca de alcançar uma melhor prática da docência no curso de Engenharia Civil. Os paradigmas de um saber disciplinado, sistemático e que não qualifica o discente para situações reais do mercado de trabalho estão perdendo força

no atual cenário mundial (GENGNAEL; FOLMER; MEURER, 2018). 53

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Figura 6. Grau de importância da titulação acadêmica.

Com base nessas informações é importante ressaltar que a qualificação acadêmica tem seu indiscutível grau de importância no disseminar dos saberes, entretanto, no ensino de disciplinas específicas do curso de Engenharia Civil, o peso da titulação acadêmica é relativamente tão importante quando a experiência prática do professor.

Assim sendo, a figura 7 buscou investigar, na opinião dos entrevistados, qual grau de titulação acadêmica é considerado suficiente para o ensino da Engenharia Civil.

Figura 7. Titulação acadêmica suficiente.

Foi constatado que 70% dos entrevistados consideram que uma pós-graduação do tipo lato sensu é suficiente para que um engenheiro civil atue como docente no referido curso. Outra via, 30% dos participantes consideram que o mestrado, pós-graduação stricto sensu, é a titulação acadêmica ideal para a atuação docente na graduação de Engenharia Civil. Além disso, é possível afirmar que o doutorado é um nível acadêmico extremamente mais

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importante em instituições de ensino superior pública, que buscam valorizar acima de tudo o esforço intelectual e trajetória acadêmica que o docente necessita possuir.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Em síntese foi possível constatar que o curso de bacharelado em Engenharia Civil possui cadeiras gerais e específicas, sendo que na segunda situação o embasamento prá-tico do docente é de suma importância para uma maior qualidade do ensino. Além disso, foi possível entender que a experiência adquirida pelo docente fora do mundo acadêmico, proporciona ao mesmo, uma melhor capacidade de conciliação do conhecimento prático com o teórico solidificando desta maneira um aprendizado mais completo aos discentes.

Na pesquisa também foi possível perceber que para alguns docentes, no momento de sua contratação, a experiência prática não foi exigida para assumir o cargo, entretanto através deste artigo é possível verificar que o conhecimento é pratico é de suma importância para o êxito de sua trajetória acadêmica como professor universitário, e para o ensino das disciplinas do curso de engenharia civil.

REFERÊNCIAS

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Divulgando TRIZ universidades e de

para alunos de ensino médio

Antonio Costa Gomes Filho UNICENTRO/PR

10.37885/210203175

RESUMO

A TRIZ possui vários métodos e o mais conhecido é o MPI – Método dos Princípios Inventivos. TRIZ é uma teoria que foi desenvolvida por mais de 40 anos, tendo iniciado na Rússia; essa teoria auxilia na resolução de problemas encontrados pelos inventores quan-do se defrontam com a questão da inovação. O objetivo geral da pesquisa foi divulgar a Teoria TRIZ para a comunidade acadêmica e para estudantes do ensino médio. Os mate-riais utilizados na pesquisa foram livros, teses, dissertações e artigos científicos sobre o assunto. Foi aplicado o Método dos Princípios Inventivos (MPI/TRIZ). Depois da análise dos quarenta princípios inventivos, foram utilizados quatro deles (PI4, PI9, PI24, PI28) para gerar alternativas de solução para o problema inventivo. Os resultados mostraram que o Método dos Princípios Inventivos apresentam maiores possibilidades quando os 40 Princípios Inventivos são usados livremente, sem o apoio da Matriz de Contradições.

Palavras–chave: Inovação Sistemática, Ensino, Inovação Ensino.

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

INTRODUÇÃO

A criatividade tanto de jovens, quanto de adultos, e até mesmo de pessoas idosas pode ser usada para inovar. Segundo Oech (1988), os idosos também podem ser criativos, ao afirmar isso, o autor contribui para quebrar alguns mitos populares. Para Ulbricht, Vanzin e Zandomeneghi (2010), a criatividade está ligada ao conhecimento, os organizadores do livro destacam o conhecimento que gera inovação. Nas palavras de Maldonado, Monterrubio e Arzate (2004), é possível entender que os jovens podem ser criativos e podem inovar cada vez mais; ele orienta os jovens com 17 conselhos e ao final do capítulo adiciona mais 4 conselhos; esse autor cita o caso de 2 meninas (uma de 6 e outra de 7 anos que possuem patentes registradas) e também fala da prática utilizada por inventores profissionais e da profissão – inventor.

Quando a criatividade é aplicada à área de negócios, (Mason, 1968) defende que várias cabeças pensando são melhores do que uma, e que isso é imprescindível no ambiente de empresas. No estudo de Gomes Filho (2010), a TRIZ aparece como solução para utilizar a criatividade na inovação de modelos de negócios de forma organizada e sistematizada, a obra é clara quanto ao uso do Método para Concepção de Negócios Sustentáveis baseado em TRIZ (MCNS-TRIZ); Prim (2006) criou o método Gestão de Processos de Negócios (GPN-TRIZ) e aplicou em dois casos: o processo de gestão de requisitos de mercado e o processo de gestão de dados de engenharia.

Na visão de Carvalho (1999), os métodos da Teoria TRIZ são utilizados para resolver conflitos na área de engenharia, de forma mais específica, no desenvolvimento de novas soluções tecnológicas para inovar nos conceitos de produtos, ele cita o exemplo de inovação em uma roçadeira. Para Prim (2006), o GPN-TRIZ pode ser aplicado na Gestão de Dados de Engenharia (GDE). No estudo de Alves et al (2007), o Método dos Princípios Inventivos (MPI -TRIZ) é utilizado juntamente com o Método para Análise e Solução de Problemas (MASP) para resolver um problema de produção de uma empresa que trabalha com massa asfáltica. O problema de pesquisa é o não conhecimento da Teoria TRIZ pela maioria dos alunos

que cursam uma universidade e o desconhecimento total por alunos que cursam o ensino médio no Brasil. Existe uma lacuna nesse conhecimento nos países da América Latina, e, no Brasil, esse assunto não faz parte das discussões no Ensino Médio, sendo, ainda, muito pouco discutido no nível de Graduação e tema incipiente nos estudos de Pós Graduação, com aproximadamente duzentos pesquisadores do tema no Brasil. Portanto, a relevância dos estudos para divulgação da TRIZ na América Latina junto aos alunos de Ensino Médio e de Universidades é facilmente perceptível.

O objetivo deste artigo é divulgar a Teoria TRIZ para a comunidade acadêmica e para estudantes do ensino médio. E de forma mais específica, conhecer os conceitos sobre 59

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criatividade e inovação; entender como a TRIZ se enquadra nessa literatura; ilustrar o uso da TRIZ na concepção de uma ideia para um projeto de um carro de papelão e divulgar em eventos para a comunidade acadêmica em nível de graduação e em nível de Ensino Médio.

MATERIAIS E PROCEDIMENTOS

Os materiais utilizados na pesquisa foram: livros, teses, dissertações e artigos científi-cos sobre o assunto. Foi aplicado o Método dos Princípios Inventivos (MPI/TRIZ) seguindo o fluxograma que não utiliza a Matriz de Contradições. Após a análise dos quarenta princípios inventivos, foram utilizados quatro deles (PI4, PI9, PI24, PI28) para gerar alternativas de solução para o problema inventivo. Também foi utilizado o mesmo formulário que Carvalho (2001) utilizou para aplicação do Método dos Princípios Inventivos da TRIZ na ideação de soluções para dois sistemas técnicos.

O objeto de estudo foi definido pela equipe como sendo um carro de papelão, com capacidade para um passageiro e para mobilidade urbana, esse veículo viria substituir as atuais motocicletas, oferecendo todos os requisitos de um veículo de quatro rodas, cuja função de utilidade é atender à necessidade de locomoção de uma pessoa para o trabalho, escola, academia e outros lugares encontrados em qualquer cidade. O veículo não seria indicado para viagens e locomoção entre cidades diferentes, mas tal qual uma motocicleta também poderia ser utilizado, ocasionalmente, para esse fim.

Os procedimentos de pesquisa consistiram em:

– seleção e leitura dos livros, com posterior elaboração de resenha pela equipe de pesquisa. Segundo Lakatos (2010, p.247), “resenha crítica é uma descrição mi-nuciosa que compreende certo número de fatos, é a apresentação de conteúdo de uma obra e consiste na leitura, no resumo, na crítica e na formulação de um conceito de valor do livro feito pelo resenhista.” Na definição de Alves (2003, p. 27), “resenha crítica é realizada quando se deseja fazer a apresentação de conteúdo de uma obra. Indicou-se a forma de abordagem sobre o tema e a teoria utilizada”. As resenhas críticas serviram de base para elaboração de artigos científicos. Quanto aos procedimentos, foram:

– buscas em bibliotecas com os temas: criatividade, inovação, inovação de empresas e seleção de livros e teses que tratam do tema;

– seleção de teses e dissertações.

– buscas na internet, site do Diretório de Grupos de pesquisa para entender como estão organizados e quem, no BRASIL, estava pesquisando sobre inovação, criati-vidade e TRIZ e, por fim, busca nas bibliotecas para entendimento dos conceitos de

resenha e de artigo científico. 60

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Foram elaborados trabalhos científicos para divulgação. Para Alves (2003, p. 29), “ar-tigo cientifico é um estudo resumido sobre o tema que trata das questões da natureza cien-tifica.” Na definição de Lakatos (2010, p.242), “os artigo científicos são pequenos estudos, porém completos, que tratam de uma questão verdadeiramente científica, mas que não se constituem uma matéria de um livro”.

RESULTADOS

No total de aproximadamente noventa horas dedicadas à pesquisa, foram lidos três livros completos, dois capítulos de livros, uma tese completa, uma tese parcial e uma dis-sertação completa. Foram elaboradas sete resenhas, constantes do quadro 1:

Quadro 1.Síntese das resenhas

AUTOR E ANO

OECH (1988)

MALDONADO; MONTERRUBIO; ARZATE (2004)

GOMES FILHO(2010)

CARVALHO (1999)

DEMARQUE (2005)

MASON (1968)

PRIM (2006)

OPINIÃO PESSOAL DO RESENHISTA

O autor fala sobre criatividade dos jovens inventores do mercado de hoje. Há um número cada vez maior de jovens inventores, inovando.

O capitulo do livro objetiva aconselhar jovens inventores sobre a profissão de inventor e os métodos para inovar.

O autor explica, claramente, sobre como se usa a TRIZ. Ele relata algumas partes importantes sobre o tema inovação com uso da TRIZ.

O autor fala sobre as evoluções dos métodos criativos, com destaque à inovação sistemática.

O autor fala bastante como se usa TRIZ no processo de fabricação de um carro, numa roçadeira, num celular, numa geladeira, e em outras situações.

Como pontos positivos, o autor consegue explicar bem os temas abordados, o tema central do livro que é: várias cabeças pensando é melhor que uma. Como pontos negativos, os exemplos abordados estão muito fora de época, muito antigos, o que dificulta o entendimento do livro para pessoas mais jovens.

A tese é bem interessante. O autor explica o que é TRIZ. Com figuras, gráficos e tabelas. O autor aplica TRIZ em algumas áreas. Fala de vários métodos que podem usar TRIZ, fala da eficiência e eficácia de projetos de gestão de processos de negócios.

Entende-se que pela complexidade do tema, o conhecimento sobre criatividade obtido e sobre TRIZ foi próximo do nível intermediário. Para explorar melhor o assunto havia ne-cessidade de aplicar TRIZ em casos práticos, o que foi feito posteriormente.

A criatividade está presente nos processos de inovação, tanto nas engenharias, quanto na área de negócios e outras. A literatura em português disponível sobre criatividade pode ser encontrada em livros, já a literatura sobre inovação sistemática com ênfase nos métodos da TRIZ é encontrada em artigos de eventos, teses e dissertações, com livros somente em espanhol e inglês.

A maneira mais simples de se aplicar o MPI/TRIZ é a aplicação direta dos Princípios Inventivos. Isso foi feito na ideia de conceber um veículo de papelão. Os resultados estão descritos a seguir:

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Quadro 2.Análise do Sistema Técnico Carro de Papelão

Passo do Método dos Princípios Inventivos

1. Identificação (nome) do Sistema Técnico (ST):

2. Identificação da função ou funções principais do ST:

3. Identificação dos principais elementos do ST e de suas funções:

4. Descrição do funcionamento do ST:

5. Levantamento dos recursos:

Identificação da característica a ser melhorada ou da característica indesejada a ser reduzida, eliminada ou neutralizada no ST:

7. Formulação do resultado final ideal (RFI)

Conceitos definidos pela equipe de pesquisa

Trata-se de um veículo para somente uma pessoa, o veículo deve ter banco confor-tável para o piloto e ser seguro, sem colocar a vida de outras pessoas em risco, deve ter espaço para mala de mão e no máximo uma mochila que ficará na parte traseira. Dar a sensação de ser pequeno para quem olha de fora, mas ser grande por dentro. Ter o motor na parte da frente. Troca de marchas no volante. Trata-se de um veiculo com 4 rodas para andar em terra, com rodas aro 8 mm de espessura.

Para se locomover mais rápido que uma pessoa andando a pé, para ir à academia, ao trabalho, à escola, à praia, à sua casa entre outros lugares.

Sistema de suspensão:

Molas: proteger contra impactos; Rodas: estabilizar o veículo; Freios: parar o veículo; Direção: determinar o percurso; Volante: controlar a direção; Assoalho: colocar os pés do piloto; Eixos: apoiar o sistema de suspensão;

Amortecedores: amortecer impactos; Colunas: proteger o motorista. Sistema motor:

Tanque de combustível: armazenar; Carburador: alimentar o motor;

Bateria: fazer o carro arrancar e fornecer energia aos componentes elétricos; Acelerador: controlar a velocidade; Embreagem: fazer o controle de marchas. Sistema de Segurança e Conforto: Bancos: deixar o motorista confortável;

Cinto de segurança: proporcionar segurança; Para-choques: proteger o carro e o piloto; Casco: proteger de chuva, batidas, e outros;

Espelhos: controlar visão traseira e proteger em manobras; Iluminação externa: clarear a visão fora do veículo;

Iluminação interna: clarear a visão interna; Air-Bag: proteger contra batidas; Banco ejetor: separar o banco do restante do veículo, útil quando em quedas de penhascos ou pontes.

O funcionamento do carro começa por chave que liga o motor, este, utilizando algu-ma fonte de energia possibilita colocar o carro em movimento. A rotação do motor aciona o sistema de suspensão colocando os eixos em movimento, que podem ser parados pelos freios ou por pane seca. O piloto controla a velocidade do motor por meio de um acelerador. O piloto controla a direção do carro manualmente por meio do volante. A sustentação do veículo é feita por molas, sistema de amortecedores e pelo próprio assoalho do veículo. O casco do veículo auxilia na estabilidade e tem a função de proteger o piloto contra as intempéries do tempo e colisões vindas da área externa ao veículo.

Recursos de substância:

Molas, poste, árvores, paredes, cercas, pedras, terra, ar, umidade, combustível, madeira, motor, poeira, gases de escape, cansaço do piloto, placa de sinalização; Recursos de energia:

Força da gravidade, forças dos ventos, energia solar, energia cinética do movimento das rodas, energia química do combustível, pressão e velocidade dos gases de escape, energia térmica dos gases de escape, energia térmica do ar, energia muscular do piloto, calor do ambiente, energia térmica do piloto;

Recursos de espaço:

Espaço entre o painel e o local para colocar bagagem, espaço entre as rodas e o sistema de amortecedores, espaço ao redor do veículo, espaço em volta do motor; Recursos de campo:

Campo de impacto reduzido pelas molas, condições do terreno, força gravitacional, campo elétrico, campo magnético do motor e terrestre, força dos ventos, recurso térmico do motor;

Recursos de tempo:

Tempo para dar a partida do veículo, tempo para o motor funcionar; Recursos de informação:

Liga/desliga, aceleração, direcionamento, frenagem, controle da velocidade, infor-mações mostradas no painel do veículo;

Recursos de função:

Transportar pessoas, reduzir tempo de locomoção, proteger das chuvas, proporcio-nar conforto sobre quatro rodas, aproveitar pequenos espaços no estacionamento, transportar pequenas bagagens.

A característica indesejada a ser reduzida eliminada ou neutralizada no carro de papelão é o uso de metal no casco ou carroceria do mesmo.

O carro de papelão deve proteger das condições climáticas adequadamente, sem

comprometer a segurança e proporcionando conforto ao motorista. 62

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Após a análise do Sistema Técnico, a equipe de trabalho consultou os quarenta prin-cípios inventivos, disponíveis em Demarque (2005); Prim (2006). Um dos componentes da equipe analisou os vinte primeiros Princípios Inventivos e outro componente da equipe analisou os vinte últimos Princípios Inventivos. Posteriormente houve inversão na análise e um terceiro componente da equipe, mais experiente no uso da TRIZ, promoveu a síntese dos resultados. Para resolver o problema definido na Formulação do Resultado Final (RFI), foram utilizados os Princípios Inventivos de números 4, 9, 24 e 28.

Quadro 3.Utilização direta dos Princípios Inventivos para o problema de criação de um carro de papelão

Princípio Inventivo Ideia (alternativa de solução gerada pela equipe)

PI 4. Assimetria: alterar a forma de objeto de si-métrico para assimétrico.

PI 9. Compensação prévia: se é necessário realizar uma ação com efeitos bons e ruins, esta ação deve ser trocada com anti-ações para controlar os efeitos indesejados.

PI 24. Mediador (intermediador): utilizar um ob-jeto intermediário de transferência ou processo intermediário.

PI 28. Substituição de sistema mecânico: substi-tuir um sistema mecânico por um sistema senso-rial (ótico, acústico, paladar ou olfativo).

Para o problema das condições climáticas, colocar um material, no caso uma película, que irá proteger o papelão das condições climáticas.

Para o problema da segurança, a ideia é rodear a parte de papelão com material resistente (borracha ou metal). Tradicionalmente isso é feito nas partes traseiras e dianteiras, com para-choque, há que se pensar também em proteger as partes laterais.

Para o problema da segurança, a ideia é colocar um sistema de controle remoto para abrir as portas, utilizando o sistema de códi-go que é mais seguro que o uso de maçanetas manuais. Também um sistema de controle de velocidade para não acabar matando pedestres ou o próprio motorista.

Para o problema do conforto ao motorista, colocar sistema de con-trole no volante. Colocar também um rádio de comando de voz sem que o motorista precise tirar a mão do volante.

Substituir, para resolver o problema do conforto ao motorista, um motor com barulho por um motor elétrico.

A Teoria TRIZ busca soluções ideais para as necessidades dos usuários dos Sistemas Técnicos, por exemplo, em vez de pensar em uma máquina para cortar grama, as soluções buscadas são no sentido de que o ideal seria que a grama, quando atingisse a fase de corte deixasse de crescer. Nesse sentido, não se busca um Sistema Técnico máquina de cortar grama, mas sim uma solução que não dependa desse Sistema Técnico. Infere-se que os Sistemas Técnicos ideais não existem.

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Figura 1: Primeira ilustração

Fonte: Elaborado pela equipe de pesquisa

Mas uma vez que o Sistema Técnico exista, a TRIZ pode ser utilizada para fazê-lo evoluir, como no exemplo do carro de papelão. Na análise da equipe de trabalho, o grande problema das grandes cidades é o pouco espaço existente e o uso ineficaz dos veículos. Qualquer observação empírica irá comprovar que as montadoras produzem veículos para cinco pessoas e normalmente se vê nas ruas apenas uma pessoa dirigindo, e os outros assentos vagos. Por outro lado, as motocicletas possuem rapidez no trânsito, possibilitando a locomoção de uma pessoa, mas sem o conforto de um veículo automotor. O ideal para a necessidade de locomoção das pessoas é que as mesmas andassem na velocidade de um veículo, dessa forma o uso de carros ou motos não seria necessário. Mas já que esses sis-temas técnicos (carro e moto) existem, neste estudo pensou-se em evoluir para um veículo que oferecesse o melhor dos dois sistemas técnicos citados, e esse é um dos usos que se tem feito com o auxílio da TRIZ.

CONCLUSÕES

Pensa-se que a pesquisa tenha contribuído para mostrar uma parte do que existe sobre criatividade e Teoria Para Resolução de Problemas Inventivos. No entanto, é um trabalho iniciante, sem pretensão de esgotar o assunto, visto que no Brasil e até mesmo na América Latina existe limitado material disponível em Português, e somente um livro em espanhol que fala sobre a TRIZ, que é conhecida também como inovação sistemática e ou criatividade para engenheiros.

Presume-se que os objetivos deste trabalho tenham sido atingidos, ao destacar o problema da criatividade e o não conhecimento da TRIZ pela maioria dos pesquisadores

que trabalham com criatividade aplicada a negócios. A equipe de pesquisa amadureceu o

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conhecimento sobre criatividade e inovação, pôde compreender como a TRIZ se enquadra nessa literatura e ilustrou o uso da TRIZ na concepção da ideia para o desenvolvimento de um carro de papelão.

Quanto ao objetivo geral, os resultados da pesquisa foram apresentados e publicados em dois eventos, a Semana de Iniciação Científica da Universidade Estadual do Centro-Oestei e o Encontro de Iniciação Científica Júnior, para alunos de Ensino Médioii, tendo sido divulgado para a comunidade acadêmica e para os alunos de ensino médio.

REFERÊNCIAS

1. ALVES, M. Como escrever teses e monografias. Rio de Janeiro: Campus 2003.

2. ALVES, A. de. C. et al. Aplicação da criatividade atraves da TRIZ e do metodo MASP para a melhoria de um processo produtivo. In: OLIVEIRA, M. do R. et al (Org.) Gestão estratégica para o desenvolvimento sustentável. Ponta Grossa: UEPG, 2007. p. 109-120

3. CARVALHO, M. A. de; BACK, N. Uso dos conceitos fundamentais da TRIZ e do Método dos Princípios Inventivos no desenvolvimento de produtos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE GESTÃO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO, 3., 2001, Florianópolis. Anais… Florianó-polis: […] 2001. p. […] Disponíveis em: <http://www.aditivaconsultorcom/artigo_c526319y. pdf>. Acesso em: 17 fev. 2009.

4. CARVALHO, M. A. Modelo prescritivo para solução criativa de problemas nas etapas iniciais no desenvolvimento de produtos. 1999. 167p. Dissertação de Mestrado (curso de pós-graduação em Engenharia de Produção) Universidade Federal de Santa Catarina. Floria-nópolis 1999.

5. DEMARQUE, E. TRIZ: Teoria para a Resolução de Problemas Inventivos aplicada ao Pla-nejamento de Processo na indústria automotiva. 2005. 160 f. Trabalho de curso (Mestrado Profissionalizante em Engenharia Automotiva) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2005.

6. GOMES FILHO, A. C. Inovação sistemática com responsabilidade social nos empreen-dimentos de base tecnológica: o modelo MCNS-TRIZ. 2010. 296p. Tese de Doutorado (curso de pós-graduação em Engenharia e Gestão do Conhecimento) Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis 2010.

7. LAKATOS , E. M. Fundamentos de metodologia cientifica. São Paulo: Atlas 2010. MALDO-NADO, M.C.; MONTERRUBIO, R.; ARZATE, E. R. (TRIZ) La metodologia más moderna para inventar o inovar tecnologicamente de maneira sistemática. México, D. F.: Panorama, 2004. 170p. Cap. 17

8. MASON, J. G. O dirigente criativo: Criatividade aplicada a direção de empresas. São Paulo: IBRASA, 1968. 281p.

9. OECH, R. V. Um toc na cuca. São Paulo: Livraria Cultura Editora, 1988. 153 p.

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

10. PRIM, M. F. A utilização da Teoria da Solução de Problemas Inventivos (TRIZ) em pro-jetos de Gestão de Processos de Negócios. 2006. 130f. Tese de Mestrado (Curso de Enge- nharia Aeronáutica e Mecânica) Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São Jose dos Campos, 2006.

11. ULBRICHT, V. R.; VANZIN, T.; ZANDOMENEGHI, A. L. A. Criatividade e Conhecimento. Florianópolis: Pandion, 2010. 272p.

12. i CRUZ, O. ; GOMES FILHO, A.C ; LIMA, S. O. . Conhecendo sobre Criatividade e Inovação Explorando a Teoria para R e- solução de Problemas Inventivos. In: XVII Semana de Iniciação Científica, 2012, Guarapuava. Anais XVII Semana de Iniciação Científica da UNICENTRO. Guarapuava: UNICENTRO, 2012. p. 01-04.

13. iiLIMA, S. O. Utilizando TRIZ para conceber a ideia de um carro de papelão. In: I Encontro de Iniciação Científica Junior, 2012. Guarapuava. Anais I Encontro de Iniciação Científica Junior da UNICENTRO. Guarapuava: UNICENTRO, 2012. p. 01-01.

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Comparação entre formulações de problemas de confiabilidade estrutural

Marcelo Araújo da Silva

10.37885/210203176

RESUMO

A formulação clássica dos problemas de confiabilidade estrutural, como aquela utiliza-da nos métodos GRG (Generalized Reduced Gradient) e FORM (First Order Reliability Method), é definida através de um problema de otimização, onde se tem as variáveis aleatórias como variáveis de projeto, o índice de confiabilidade como a função objetivo e a restrição de igualdade dada pela função de performance, calculada como a margem de segurança. O índice de confiabilidade pode ser definido como a menor distância, no espaço das variáveis reduzidas, entre a função de performance e a origem do sistema. Então o problema de confiabilidade é usualmente formulado como: determinar as variáveis de projeto (variáveis aleatórias) que minimizem a função objetivo (índice de confiabilida-de) sujeito à restrição de igualdade (margem de segurança). Como a função objetivo é a distância do projeto até a origem, no espaço das variáveis reduzidas, não importa na equação se estas variáveis apresentam valores positivos ou negativos. Este fato pode trazer problemas para a solução, pois o sinal destas variáveis interfere significativamente no cômputo da probabilidade de falha do modelo analisado. Serão mostrados exemplos onde esta formulação não é válida. Conclui-se no trabalho que as formulações mais adequadas são aquelas baseadas na definição do índice de confiabilidade como sendo a razão entre a média e o desvio padrão da função de desempenho. Formulações como o Processo de Monte Carlo (MC) usam esta definição e, portanto, não causam prejuí-zos aos resultados obtidos, sendo mais confiáveis, principalmente em problemas mais complexos, com um número significativo de variáveis aleatórias. Serão apresentados exemplos com a utilização do método GRG e do Processo de Monte Carlo e mostradas as discrepâncias daquele e dos resultados coerentes dados por este em alguns problemas clássicos. Sugestões para estudos futuros também serão apresentadas.

Palavras–chave: Confiabilidade Estrutural, Índice de Confiabilidade, Método GRG, Processo de Monte Carlo.

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INTRODUÇÃO

A análise dos problemas aqui apresentados tem por objetivo mostrar as limitações de alguns métodos extremamente usuais nos processos de determinação da confiabilidade estrutural. Serão utilizados os métodos GRG e o Processo de Monte Carlo. Aquele, por ter uma formulação baseada num problema de otimização, tem como variáveis de projeto as variáveis aleatórias, a função objetivo é o índice de confiabilidade e a restrição de igualdade é a função de performance, definida aqui como a margem de segurança do sistema estrutural analisado. Já o Processo de Monte Carlo é definido pela geração de valores aleatórios para as variáveis de projeto e então o cálculo da média e o desvio padrão da função de perfor-mance. Neste o índice de confiabilidade é definido como a razão entre a média e o desvio padrão da função de performance.

No caso do método GRG, o índice de confiabilidade é definindo como a distância entre o projeto atual e a origem do sistema no espaço das variáveis aleatórias reduzidas, respeitando-se a restrição de que a margem de segurança deve ser nula. Para o cálculo da distância, as variáveis reduzidas são elevadas ao quadrado, somadas e então computada a raiz quadrada desta soma. Ao se elevar ao quadrado as variáveis reduzidas, perde-se a informação se ela é positiva ou negativa. Por exemplo, num caso onde a variável de projeto é a carga atuante numa viga, deseja-se que esta carga seja majorada à partir de um valor médio. Neste caso a variável reduzida deve ser positiva para se ter uma segurança ade-quada. No caso da variável aleatória ser a resistência do material da viga, é desejável que a resistência considerada no cálculo seja um valor menor do que a média, portanto com a variável reduzida negativa. Observa-se que este projeto apresenta uma certa segurança, visto que a força externa considerada é superior à média e a resistência considerada é inferior à média.

Agora imagine uma situação onde a viga possui um projeto não seguro, onde para se obter o equilíbrio entre a carga externa e a resistência, minora-se a força (variável reduzida negativa) e majora-se a resistência (variável reduzida positiva) em relação à média. Neste caso, observe que o projeto não é seguro, mas ao se elevar ao quadrado as variáveis re-duzidas, perde-se a informação de que as mesmas são positivas ou negativas e portanto pode-se ter um índice de confiabilidade igual ao do projeto do parágrafo anterior, mas que não reflete a probabilidade de falha do modelo, muito pelo contrário, fornece uma informação errônea de que o projeto é seguro, mas que na verdade não é. Com o Processo de Monte Carlo, pelo fato da média do função de performance poder ser negativa ou positiva, não se perde a informação do sinal das variáveis reduzidas, conferindo à análise um índice de

confiabilidade correto que pode indicar claramente se o projeto é seguro ou não. 69

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Foi realizada uma revisão da bibliografia sobre os principais métodos para o cálculo da confiabilidade estrutural. Os trabalhos lidos vão desde uma revisão geral das principais ferramentas e conceitos básicos até aplicações avançadas com algoritmos e problemas específicos. Apesar da grande quantidade de referências disponíveis, procurou-se focar nos métodos e estruturas similares às analisadas no presente trabalho.

O trabalho de Tao (2017) apresenta um novo modelo, no qual ferramentas da lógica Fuzzi são combinadas para representar incertezas epistêmicas. Uma Markov Chain Monte Carlo (MCMC – Cadeia de Markov com Simulação de Monte Carlo) é usada para resolver problemas de confiabilidade introduzindo eventos intermediários que representam a ruptura do sistema estrutural. O uso da Simulação de Monte Carlo foi realizado por Li (2015) em cujo trabalho são analisados os componentes internos das engrenagens de uma turbina eólica visando melhorar o cômputo sua confiabilidade. A relação entre os diferentes componentes internos é abordada através de arvores de falhas. Os resultados obtidos nesta formulação foram validados através da metodologia de rede Bayesiana.

A comparação entre o Processo de Monte Carlo e o método FORM foi realizada por Sciuva (2003). Foram estudadas cinco diferentes variações destes métodos, os quais foram aplicadas a dois exemplos, sendo uma estrutura de material isotrópico e outra com material compósito laminado. As variáveis aleatórias consideradas foram as forças, a geometria e a propriedade dos materiais, todos com distribuição normal não-correlacionadas. O principal objetivo deste trabalho foi analisar a performance dos métodos utilizados. Jin (1993) utilizou o Processo de Monte Carlo juntamente com o Método dos Elementos Finitos para o cálculo da confiabilidade de um complexo sistema de rolamentos, trabalhando sob pressão, utilizado na indústria petrolífera. A conclusão do autor é que foram necessárias poucas simulações para se obter o valor da confiabilidade do sistema estrutural, mostrando o poder de aplica-bilidade dos métodos.

A aplicação do Processo de Monte Carlo, juntamente com uma versão modificada do procedimento de BRANZ, para avaliação de capacidade lateral de paredes de contraventa-mento em madeira, foi realizada por Foliente et al (2000). Uma das recomendações deste trabalho é que as forças sísmicas sejam tratadas introduzindo incertezas no sistema. Nesta mesma linha, Yen (1987) propõe que a análise da segurança de estruturas submetidas a carregamentos provenientes de fontes geofísicas seja realizada sob um ponto de vista es-tocástico, introduzindo-se incertezas tanto na estrutura quanto nos carregamentos. O autor aplicou o método MVFOSM e o Advanced First-Order Method, juntamente com uma árvore de falha para determinar a probabilidade de falha do sistema estrutural. Hwang et al (1979) utilizaram como sucesso o método do Lagrangiano aumentado (GLF) e o GRD para a solução

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de diversos problemas de confiabilidade e de otimização não-linear e afirmam que estes são os melhores métodos entre os muitos algoritmos existentes.

De acordo com Akpan (2015), o projeto tradicional de estruturas navais se baseia em uma combinação de experiência, bom senso e abordagens determinísticas e normalmente ignora o potencial de melhoria de design e outros benefícios oferecidos pelo uso de métodos de confiabilidade e estratégias de otimização estrutural. Neste trabalho foram otimizadas duas estruturas: (1) uma estrutura de navio simples e (2) uma estrutura de navio mais complexa, na tentativa de alcançar a redução de peso em face das restrições sobre a resistência final e capacidade de flambagem. Obteve-se uma redução de peso de 5,6% no caso (1) e de 2,0% no caso (2). Segundo os autores, esses resultados destacam os benefícios potenciais dos métodos de confiabilidade e estratégias de otimização estrutural e incentivam sua im-plementação durante a fase inicial do projeto estrutural do navio.

O estudo da confiabilidade ao longo do tempo de vigas caixão protendidas, levando-se em consideração a deformação lenta ao longo do tempo, foi realizado por Guo (2016). Ele estudou vários tipos de reforços e suas respectivas confiabilidades. A análise ao longo do tempo foi simulada através de uma análise estática incremental. Já Yanaka (2016) estuda também pontes construídas com vigas protendidas, mas foca em sua durabilidade anali-sando a confiabilidade da armadura quando esta está submetida a ataques de agentes que provocam corrosão. Este artigo trata do desenvolvimento de recomendações para o design de durabilidade de estruturas em ambientes marinhos do ponto de vista da confiabilidade, levando em consideração o custo do ciclo de vida de uma estrutura. Steinberg (1997) estuda a confiabilidade de conexões tipo “haunch” utilizadas em vigas de concreto protendido. Os re-sultados apresentados neste artigo mostram que o índice de confiabilidade para esses tipos de conexões é relativamente baixo em comparação com os níveis de confiabilidade encon-trados na maioria dos padrões de projeto atualmente em uso.

A análise da confiabilidade de tubos metálicos sob um processo de corrosão foi reali-zada por Gong (2017) utilizando-se o método FORM. A metodologia envolve primeiro cons-truir duas funções de estado limite equivalentes linearizadas para o segmento de tubulação no espaço normal padrão e então avaliar as probabilidades de vazamento e explosão do segmento incrementalmente ao longo do tempo com base nas funções de estado limite equivalentes. Makhduomi et al (2017) estudam três algoritmos do método de confiabilidade de primeira ordem (FORM) usando a direção de busca baseada no gradiente (steepest descent search direction). Os resultados são comparados para avaliar o índice de confiabili-dade de problemas de aço estrutural que são projetados pelo código de construção nacional iraniano. Os componentes de aço projetados pelo código iraniano mostraram bons níveis de confiança com o índice de confiabilidade na faixa de 2,5 a 3,0. O estudo de torres para

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suporte de geradores eólicos instalados offshore foi realizado por Kim (2015). É realizada uma análise dinâmica onde a resposta é expressa como a resposta estática multiplicada pelo fator de resposta de pico. O índice de confiabilidade é encontrado usando o método de confiabilidade de primeira ordem (FORM). A análise de falhas por fratura, com uma abordagem sob a ótica da confiabilidade, foi realizada por Beom-Jun et al (2016). Devido às incertezas relacionadas aos parâmetros de avaliação de falhas, como tamanho da falha, tenacidade à fratura, espectro de carga e assim por diante, o conceito de probabilidade é preferível ao determinístico na avaliação de falhas. Neste estudo, foram feitos esforços para desenvolver o procedimento de avaliação de falhas baseada na confiabilidade, que combina procedimentos de avaliação de falhas e os métodos de confiabilidade de primeira e segunda ordem (FORM/SORM). A validade dos resultados obtidos foi verificada comparando-os com os obtidos pela simulação de Monte Carlo. Foi confirmado que a metodologia desenvolvida funcionou perfeitamente no cálculo da confiabilidade sem a demorada simulação de Monte Carlo, segundo os autores.

Reddy (1994) realizou o projeto ótimo de diversos tipos de estrutura impondo um índice de confiabilidade mínimo. Neste caso, o índice de confiabilidade é obtido por interpolação de valores em torno de um valor médio designado. Nesta mesma linha, mas trabalhando no projeto de canais hidráulicos, Adarsh (2013) impõe um determinado índice de confiabilidade e varia demais parâmetros de projeto para se obter uma solução otimizada. Neste caso são utilizados um método avançado de segundo momento de primeira ordem e a Simulação de Monte Carlo, e verificou-se que os resultados de ambas as abordagens mostram boa con-cordância. Trabalhando também com Simulação de Monte Carlo e com método de segundo momento de primeira ordem, Kareem (1990) fez várias estimativas de confiabilidade de uma chaminé de concreto. Múltiplos modos de falha potencial são representados pela superação do momento admissível em qualquer nível da altura da chaminé. Os limites são estabeleci-dos com base na teoria existente, levando em consideração não apenas a probabilidade de falha dos modos individuais, mas também as probabilidades conjuntas de falha em quais-quer dois modos. Este autor sugere que a aproximação de segundo-momento de primeira ordem e os métodos de simulação, que combinam a técnica de Monte Carlo com técnicas de redução de variância, possam fornecer resultados precisos para análise de confiabilidade em casos práticos de estruturas excitadas pelo vento. De acordo com Saydam (2013), o índice de confiabilidade de um determinado sistema pode ser calculado usando o método de segundo momento de primeira ordem (FOSM). De acordo com este autor, este método é exato se ambos os efeitos de carga e resistência do sistema seguem distribuições normais ou lognormais. No entanto, a quantidade de erro introduzida pode ser significativa quando as variáveis aleatórias seguem distribuições diferentes de normal ou lognormal.

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Greiner (2012) apresenta uma abordagem para otimização simultânea da massa es-trutural e confiabilidade em estruturas de treliça. Além do dimensionamento de membros, a seleção de uma topologia ótima a partir de uma estrutura pré-especificada é uma caracte-rística da metodologia proposta pelo autor. Para permitir uma busca global, a otimização é realizada usando um algoritmo evolucionário multiobjetivo. No trabalho de Meng et al (2016) um novo método para calcular a probabilidade de falha de uma estrutura submetido à fadiga é proposto, lidando com problemas com incertezas e com variáveis aleatórias. O método é baseado no cálculo dos momentos da função de performance desenvolvendo-a em série de Taylor. Dois exemplos numéricos de complexidade crescente são empregados para de-monstrar a viabilidade da abordagem proposta.

Bian (2015) desenvolveu uma nova abordagem baseada em confiabilidade para a análise e projeto de estacas, incorporando os requisitos do Estado Limite de Serviços e do Estado Limite Último da norma LRFD. Três métodos para análise e projeto baseados em confiabilidade foram adotados, sendo eles o método MVFOSM, o AFOSM e o método de simulação de Monte Carlo. Este estudo recomenda o método AFOSM para executar a análise de confiabilidade. Continuando nos trabalhos aplicados a fundações em estacas, vale desta-car o trabalho de Kwak (2010), que como parte de um estudo para desenvolver parâmetros para a determinação de fatores de carga e resistência para projeto (LRFD) para estruturas de fundação na Coréia do Sul, calibrou os fatores de resistência para a capacidade de carga estática de estacas de aço no contexto da teoria de confiabilidade. Um banco de dados de 52 resultados de testes de carga estática foi compilado, e os dados foram classificados em dois casos: um valor-N padrão de penetração (SPT) na ponta da pilha (i) menor que 50 e (ii) maior ou igual a 50. Análises de confiabilidade e calibração de fator de resistência foram realizadas usando o método de confiabilidade de primeira ordem (FORM) e a simulação de Monte Carlo (MCS). Os índices de confiabilidade e os fatores de resistência calculados pelo MCS são estatisticamente idênticos aos computados pelo FORM. Índices de confiabilidade alvo foram selecionados como 2,0 e 2,33 para o caso de um grupo de estacas e 2,5 para o caso de uma estaca isolada. O autor ressalta que os fatores de resistência recomendados por este estudo são específicos para o projeto de fundação de estacas e as práticas de construção e as condições de subsuperfície na Coréia do Sul.

A utilização de dois métodos conjuntamente para a otimização e determinação da confiabilidade foram usados por Meng (2014). Os métodos são o Mean-Value First-Order Saddlepoint Approximation (MVFOSA) para o cálculo da confiabilidade e o Collaborative Optimization (CO) Method para o processo de otimização. Os autores mostraram que a combinação destes métodos proporcionou uma boa precisão em dois exemplos analisa-dos. De acordo com Haug (2008), devido ao uso de informações completas de distribuição,

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o MVFOSA é geralmente mais preciso do que o MVFOSM com o mesmo esforço compu-tacional. Ainda complementa que ele também é mais eficiente que o FORM porque não é necessário um processo de pesquisa iterativo para o chamado Ponto Mais Provável (ponto ótimo). Estas conclusões são confirmadas pelo autor através de quatro exemplos numéricos. Al-Harthy e Frangopol (1994) apresentam um procedimento baseado em confiabilidade

para o projeto de vigas de concreto protendido. O carregamento, as propriedades do ma-terial e os níveis de força de protensão são tratados como variáveis aleatórias. Métodos de confiabilidade, baseados no segundo momento, são usados para calcular as probabilidades de falha das vigas nos estágios inicial e final. Alguns exemplos são resolvidos e gráficos de projeto são fornecidos pelos autores para facilitar a implementação da abordagem proposta. Rackwitz e Flessler (1978) propuseram um algoritmo para o cálculo da confiabilidade es-trutural sob uma combinação de carregamentos. Cargas ou quaisquer outras ações sobre estruturas são modeladas como variáveis aleatórias independentes. A função de performance é aproximada em pontos por um hiperplano tangente. O algoritmo de iteração procura um ponto onde a probabilidade de falha dada pelo hiperplano tangente atinge o seu máximo. Qualquer tipo de função de performance e qualquer tipo de distribuição de probabilidade para as cargas podem ser tratados. O método é ilustrado em um exemplo com uma viga parede sem resistência à tração, carregada por um momento fletor e uma força normal.

Um trabalho que chamou bastante a atenção durante a realização desta pesquisa foi o de Pachás (2009), onde é apresentada uma versão do método FORM em bastante detalhes e possibilita uma boa implementação computacional. Além disso, é apresentado um resumo das principais ferramentas estatísticas envolvidas no processo de cálculo da confiabilidade estrutural. As aplicações são na área de estabilidade de talude. Além desse trabalho, ma-teriais didáticos contendo desde os conceitos básicos até abordagens mais sofisticadas, como também o Método dos Elementos Finitos, podem ser encontradas nos trabalhos de Melchers e Beck (2018), Nowak e Colloins (2012) e Ditlevsene Madsen (2005).

MATERIAIS E MÉTODOS

A probabilidade de falha de um modelo pode ser calculada utilizando-se um método de confiabilidade. Usualmente tem-se as variáveis aleatórias designadas por x e as variáveis reduzidas dadas por y. A relação entre elas é dada por

yi = (xi – µi)/σi, (1)

onde µ é o vetor das médias e σ o vetor dos desvios padrões. Sendo a média um nú-

mero positivo, observe em (1) que se o valor da variável aleatória xi for maior que a média, 74

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yi é positivo, e se for menor yi é negativo. No presente trabalho, por questões didáticas, foi considerado que todas as variáveis aleatórias apresentam distribuição normal.

Um clássico problema de confiabilidade pode ser definido como sendo um proble-ma de otimização:

determine que minimize

f(x) = h(y) = (y12 + y22 +…+ yn2)0,5 (2)

sujeito à

g(x) = F(x) = 0 (3)

Neste problema, as componentes do vetor das variáveis de projeto são as variáveis aleatórias x e F(x) é a função de performance que pode representar, na confiabilidade estru-tural, a margem de segurança do sistema. O índice de confiabilidade é β = f(x*) = min f(x), onde x* é a solução do problema definido pelas Equações (2) e (3). Quanto maior o valor de β menor a probabilidade de falha. Observe que na Equação (2) o fato de yi ser positivo ou negativo, tendo o mesmo valor absoluto, não interfere no resultado da equação. Este fato pode gerar erros no cálculo de β.

Figura 1. Probabilidade de falha Pf em função do índice de confiabilidade β (Brasil e Silva, 2019)

Uma outra definição para o β é a utilizada no Processo de Monte Carlo, sendo:

β = µF/σF, (4)

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onde µF e σF são, respectivamente a média e o desvio padrão da função de perfor-mance F(x). No Processo de Monte Carlo é gerada uma grande quantidade de números, aleatoriamente, para as variáveis aleatórias e a função F(x) é computada para cada conjunto de dados gerado. Finalmente são computadas a média e o desvio padrão de F e com isso calculado β. Observe agora que β pode ser tanto positivo quanto negativo. Um valor de β negativo significa que o sistema tem mais de 50% de chance de fracasso, enquanto que quando β é positivo o sistema tem menos de 50% de chance de fracasso. Existem situações, quando a segurança da estrutura é baixa, por exemplo, onde β é negativo. Na Figura 1 é mostrado um gráfico relacionando β com a probabilidade de falha.

Em resumo, β pode ser determinado tanto pela formulação das equações (2) e (3), onde foi utilizado neste trabalho o método GRG, quanto pela formulação dada por (4), onde se adotou o Processo de Monte Carlo para a resolução.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Considere um problema de uma barra (Figura 2) submetida a uma força de tração S (=

x1) e que possui uma resistência interna igual a R (= x2). Então a variável aleatória x1 é a força atuante, enquanto que a variável aleatória x2 é a resistência do material, com distribuição normal de probabilidade, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 2. Barra submetida à tração

A função de desempenho é

F = R – S = x2 – x1 (5)

Figura 3. Problema onde S < R

Observe na Figura 3 que µ1 = 1,00 e µ2 = 2,65. Os valores de σ1 = σ2 = 0,5. As variáveis reduzidas são calculadas pela expressão (1).

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Resolvendo-se o problema descrito pelas equações (2) e (3), com o método GRG, com os dados acima, tem-se que a solução ótima é

x* = [1,825 ; 1,825]T e y* = [1,65 ; -1,65] . (6)

Com isso o valor de β é

β = [ 1,652 + (-1,65)2 ]0,5 = 2,333 (7)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 0,98%. (8)

Observa-se de (8) que o projeto apresenta uma certa segurança.

Resolvendo-se o mesmo problema com o Processo de Monte Carlo (MC), gerando 1.000.000 de projetos, obtém-se

µF = 1,65 e σF = 0,71 (9)

o que determina um valor de β igual a

β = µF/σF = 2,34 (10)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 0,96%. (11)

Comparando-se os resultados do GRG (7) e (8) com os do MC (10) e (11) observa-se que os resultados são praticamente idênticos, convergindo para um mesmo valor. Neste caso, é válido lembrar que a média da solicitação é menor que a média da resistência, por-tanto obteve-se um projeto seguro.

Considere a mesma barra da Figura 2, sendo que as distribuições de probabilidade são

mostradas na Figura 4. Observe agora que µ2 (média da resistência) é menor que média da solicitação µ1. Trocou-se as posições no gráfico da Figura 3.

Figura 4. Problema onde R < S

Observe na Figura 4 que µ1 = 2,65 e µ2 = 1,00. Considere que σ1 = σ2 = 0,5. As variáveis reduzidas são calculadas pela expressão (1).

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Resolvendo-se o problema descrito pelas equações (2) e (3), com o método GRG, com os dados acima, tem-se que a solução ótima é

x* = [1,825 ; 1,825]T e y* = [-1,65 ; 1,65] . (12)

Com isso o valor de β é

β = [ (-1,65)2 + 1,652 ]0,5 = 2,333 (13)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 0,98%. (14)

Observa-se de (14) que o projeto, nesta formulação, apresenta uma certa segurança. Resolvendo-se o mesmo problema com o Processo de Monte Carlo (MC), gerando

1.000.000 de projetos, obtém-se

µF = – 1,65 e σF = 0,71 (15)

o que determina um valor de β igual a

β = µF/σF = – 2,34 (16)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 99,04%. (17)

Comparando-se os resultados do GRG (14) com o do MC (17) observa-se que os resul-tados são totalmente discrepantes. Embora o valor absoluto de β seja o mesmo em ambos os casos, eles apresentam sinais contrários, o que muda totalmente a probabilidade de falha do modelo. É intuitivo que quando a média da resistência é inferior à média da solicitação, que o projeto não é seguro e tem uma alta probabilidade de falha. Observa-se nesse caso que a formulação dada pelas equações (2) e (3) não é adequada.

Considere uma estaca circular vazada, com diâmetro de 42 cm, parede de 9 cm, armadura longitudinal de 8 barras de 12,5 mm (CA-50), com um d’ = 3,625 cm e fck = 40 MPa. O diagrama de interação dessa estaca é mostrado na Figura 5, sendo N a força axial e M o momento fletor, com seus respectivos índices que indicam resistência ou solicitação, conforme a NBR-6118 (ABNT, 2014).

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Figura 5. Diagrama de interação com S < R

Em verde no gráfico (Figura 5) é mostrada a média da resistência, enquanto que em vermelho é mostrada a média da solicitação. Observa-se que a resistência média é maior que a solicitação média, o que indica um projeto com uma certa segurança.

Neste problema, considere que as variáveis aleatórias são Nsd (= x1) e Msd (= x2). Os va-lores das médias e desvios padrões das variáveis aleatórias são µ1 = 110 kN, σ1 = 11 kN, µ2 = 85 kN.m e σ2 = 8,5 kN.m. Observe que neste caso

Mrd = Mrd (Nsd), (18)

ou seja, o momento resistente é uma função da solicitação axial. A função de performance é

F = Mrd – Msd (19)

Resolvendo-se o problema descrito pelas equações (2) e (3), com o método GRG, com os dados acima, tem-se que a solução ótima é

x* = [106 ; 100]T e y* = [-0,32 ; 1,77] . (20)

Com isso o valor de β é

β = [ (-0,32)2 + 1,772 ]0,5 = 1,8 (21)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 3,6%. (22)

Observa-se de (22) que o projeto, apesar de apresentar um valor baixo para β, com-parado com os indicados na literatura (Brasil e Silva, 2019) que é da ordem de 3, apresenta

uma certa segurança. 79

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Resolvendo-se o mesmo problema com o Processo de Monte Carlo (MC), gerando 1.000.000 de projetos, obtém-se um valor de β igual a

β = 1,8 (23)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 3,6%. (24)

Comparando-se os resultados do GRG (22) com o do MC (24) observa-se que os resultados são idênticos. Neste caso, é válido lembrar que a média da solicitação é menor que a média da resistência, portanto obteve-se um projeto seguro.

Considerando a mesma estaca, o diagrama de interação é mostrado na Figura 6. Novamente em verde no gráfico é mostrada a média da resistência e em vermelho a mé-dia da solicitação. Observa-se que a resistência média é menor que a solicitação média, o que indica um projeto com uma segurança muito baixa e certamente com uma alta proba-bilidade de falha.

Figura 6. Diagrama de interação com R < S

Neste problema, considere novamente que as variáveis aleatórias são Nsd (= x1) e Msd (= x2). Os valores das médias e desvios padrões das variáveis aleatórias são µ1 = 70 kN, σ1 = 7 kN, µ2 = 120 kN.m e σ2 = 12 kN.m. Observe que neste caso também Mrd = Mrd (Nsd) e que F = Mrd – Msd.

Resolvendo-se o problema descrito pelas equações (2) e (3), com o método GRG, com os dados acima, tem-se que a solução ótima é

x* = [71 ; 95]T e y* = [0,18 ; -2,08] . (25)

Com isso o valor de β é 80

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β = [ 0,182 + (-2,08)2 ]0,5 = 2,09 (26)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 1,8%. (27)

Observa-se de (27) que o projeto apresenta uma certa segurança.

Resolvendo-se o mesmo problema com o Processo de Monte Carlo (MC), gerando 1.000.000 de projetos, obtém-se um valor de β igual a

β = – 2,09 (28)

e a probabilidade de falha associada é

Pf = 98,2%. (29)

Comparando-se os resultados do GRG (27) com o do MC (29) observa-se que os resultados são totalmente discrepantes. Embora o valor absoluto de β seja o mesmo em ambos os casos novamente, eles apresentam sinais contrários, o que muda totalmente a probabilidade de falha do modelo. Em mais este exemplo observa-se que a formulação dada pelas equações (2) e (3) não fornece resultados adequados quando a resistência é menor que a solicitação.

CONCLUSÕES

Foram apresentadas no trabalho duas das principais formulações de problemas utiliza-das para o cálculo da confiabilidade de sistemas estruturais, sendo a primeira baseada em um problema de otimização, que foi resolvido aqui pelo método GRG (Generalized Reduced Gradient). A segunda fundamenta-se na definição do índice de confiabilidade e foi resolvida pelo Processo de Monte Carlo (MC). Mostrou-se através de dois exemplos resolvidos que a formulação baseada no problema de otimização foi eficaz nos casos onde a solicitação era menor que a resistência, porém ineficaz nos casos onde a resistência era menor do que a solicitação, apresentando valores totalmente contrários à intuição e também à correta solu-ção matemática do problema. Já o MC foi eficaz em ambas as situações e pôde computar com bastante precisão os valores dos índices de confiabilidade. Com isso, conclui-se que a utilização de métodos tais como o GRG e o FORM precisa ser cautelosa em problemas onde se pode ter os valores de resistência menor que a solicitação. Em casos mais complexos onde se possa ter muitas variáveis aleatórias pode-se perder a intuição de engenheiro para a solução do problema, aumentando a chance de falha na aplicação da primeira formulação. Sugere-se para futuros estudos explorar problemas com um grande número de variáveis de

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projeto e também a comparação de mais métodos para se identificar padrões de comporta-mento dos principais métodos de confiabilidade empregados.

AGRADECIMENTOS

O autor agradece aos Professores Jasbir S. Arora, da The University of Iowa, e Reyolando M.L.R.F. Brasil, da UFABC, pelo apoio e dicas preciosas durante condução deste trabalho. Grande parte desta pesquisa foi realizada na The University of Iowa com Bolsa de Pesquisa no Exterior (BPE) fornecida pela FAPESP sob o número do processo 2018/11820-2, a qual foi recebida com muita gratidão.

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26. A. Al‐Harthy and D. M. Frangopol, (1994), Reliability‐Based Design of Prestressed Concrete Beams, ASCE https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1994)120:11(3156) Journal of Struc-tural Engineering Vol. 120, Issue 11 (November 1994).

27. M. A. C. Pachás, (2009), Análise Limite com Otimizador de Grande Escala e Análise de Con-fiabilidade, Tese de Doutorado, PUC-R, Certificado Digital 0421307/CB – 188f.

28. R. Rackwitz and B. Flessler, (1978), Structural reliability under combined random load sequen-ces, Elsevier, Computers & Structures, Volume 9, Issue 5, November 1978, Pages 489-494 https://doorg/10.1016/0045-7949(78)90046-9.

29. E. Melchers and A. T. Beck, (2018), Structural Reliability Analysis and Prediction, 3rd Edition ISBN: 978-1-119-26599-3 Apr 2018 528 pages.

30. A. S. Nowak and K. R. Collins, (2012), Reliability of Structures, 2nd Edition, CRC Press, Pu-blished December 20, 2012, Textbook – 407 Pages – 200 B/W Illustrations ISBN 9780415675758 – CAT# Y119676.

31. O. Ditlevsen and H.O. Madsen, (2005), Structural Reliability Methods. (First edition published by John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 1996, ISBN 0 471 96086 1) Internet edition 2.2.5 July, 2005.

32. R. Brasil e M. A. Silva, (2019), Otimização de Projetos de Engenharia, Editora Edgard Blucher. Associação Brasileira de Normas Técnicas, (2014), Projeto de Estruturas de Concreto – Pro-cedimento, NBR-6118.

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Avaliação de dinâmica de nível em tanques em série

Camylla Renatha Queiroz Costa UFCG

Emilly Tuany do Nascimento Silva UFCG

Ruth Nóbrega Queiroz UFCG

10.37885/210203183

RESUMO

A avaliação de comportamento de tanques acoplados é de grande interesse industrial, por normalmente estarem presentes em várias partes de diversos processos, como por exemplo, em empresas petroquímicas, de celulose ou tratamento de água. Assim, como toda boa atividade que envolve Automação e Instrumentação Industrial, o controle de nível, quando utilizado de maneira criteriosa e planejada, reduz custos, aumenta a pro-dutividade e contribui com a qualidade e a segurança da produção em que você trabalha. Este trabalho busca modelar um sistema de tanques em série a partir das medições feitas em uma unidade piloto do curso de engenharia química da UFCG. O projeto é constituído por dois tanques em série, um reservatório de alimentação e uma bomba centrífuga que é responsável pela alimentação do primeiro tanque. Para a modelagem do sistema foram adotadas duas abordagens: a lei de Ohm e a primeira lei da termodinâmica aplicada a sistemas abertos. A partir da análise dos resultados, observa-se a clara aderência dos dados experimentais através de validação estatística.

Palavras–chave: Tanques em Série, Controle de Nível, Matlab ®.

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INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, o ensino de engenharia associado à pratica tornou-se uma metodo-logia indispensável na motivação dos estudantes de graduação. No entanto, a maioria das bancadas didáticas aplicáveis no ensino em nível de graduação, ou de pós graduação, é muito cara ou possui uma arquitetura fechada de hardware e software. Além disso, o em-prego exclusivo dessas bancadas suprime ao aluno a possibilidade de desenvolver uma das características mais importantes do profissional de engenharia, a de projetar, acompanhar e executar um projeto (COCOTA. et al, 2014).

Processos industriais usam com frequência tanques acoplados para várias finalidades, como por exemplo, armazenamento e transporte de líquidos. Indústrias petroquímicas, de celulose ou de tratamento de líquidos, costumam possuir processamento de líquidos por química ou tratamento de misturas. Este processamento sempre precisa de um controle criterioso sobre o nível do fluído, assim como regular o fluxo entre os tanques. O controle do nível de líquidos é um problema comum, pois para realizar qualquer ação precisa-se saber o nível dos tanques envolvidos, e no caso de transporte, o fluxo entre os tanques. Usualmente os tanques são acoplados em conjunto de modo que os níveis de interação também devem ser controlados na planta (LAUBWALD, 2015 apud ALPI, 2016).

OBJETIVO

Utilizar a metodologia de aprendizado Problem Based Learning (PBL);

Aplicar conceitos estudados nas disciplinas: termodinâmica, fenômenos de trans-porte, dinâmica e estatística;
Modelar um sistema de tanques em série;

Avaliar o comportamento do sistema quando exposto a perturbações externas; Va-lidar o projeto.

MÉTODOS

Funcionamento do sistema

A água é alimentada no reservatório abaixo dos tanques de nível, onde é levada para a alimentação na parte superior do Tanque de Nível (1) a partir do trabalho realizado por uma bomba. O Tanque de Nível (1) possui uma saída em sua parte inferior, cuja uma vál-vula esfera controla, manualmente, a alimentação do Tanque de Nível (2). Este por sua vez,

possui uma válvula esfera controla o retorno do fluido para o reservatório de alimentação.

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O reservatório de alimentação contém uma bomba centrífuga que é responsável por succionar o fluido que sai do reservatório, o qual retorna ao Tanque de Nível (1). A tubula-ção de saída da bomba possui um Tê que divide a saída da bomba em um “By Pass” e a alimentação do Tanque de nível (1).

A Figura 1 apresenta o diagrama do sistema de tanques em série.

Figura 1. Diagrama de tanques em série.

Metodologia

Esse projeto foi executado por alunos de graduação do curso de Engenharia Química da Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, baseado na metodologia de aprendizado PBL (Problem Based Learning) na qual o aprendizado é centrado no aluno, o qual deixa de ser o receptor passivo para ser o principal responsável pelo seu aprendiza-do. O projeto foi executado com base em um sistema de dois tanques em série durante a disciplina de Laboratório de Engenharia Química V.

Inicialmente, com o reservatório de alimentação em seu nível máximo, liga-se a bomba com a válvula esfera totalmente aberta na saída da bomba. Após o enchimento do Tanque de Nível (1), sua válvula de saída foi ajustada para assim iniciar o enchimento do Tanque de Nível (2). Quando os níveis dos tanques atingem uma condição estacionária em relação ao nível, mede-se o volume da saída do Tanque (2) à um tempo fixo de 5 segundos.

Após coleta dos dados, abriu-se a válvula By Pass e aguardou-se, novamente, os

níveis atingirem o estado estacionário, medindo-se as alturas dos tanques a cada minuto. 88

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Para assim, medir o volume de saída do Tanque (2). Repetiu-se esta etapa do experimento para diferentes aberturas da válvula By Pass. A partir dos dados obtidos experimentalmente realizou-se a simulação no software Matlab®. A Figura 1 apresenta o diagrama do sistema de tanques em série.

Para a etapa de modelagem foram feitas a seguintes considerações:

O sistema atua em estado estacionário; • A pressão atmosférica é constante;
O fluido é incompressível, tem massa específica constante; • A temperatura é uniforme e constante;
As resistências fluidas são lineares e constantes;

Qualquer tanque tem cessão uniforme, de área constante; • Os efeitos de inércia do fluido é igual a 0.

Desenvolvimento matemático – modelagem

O balanço de massa do sistema é definido como sendo:

(1)

Para os dois tanques o comportamento apresenta a seguinte característica:

(2)

Os modelos foram aprimorados em relação a vazão de saída, seguindo as duas abor-dagens. A primeira abordagem parte da lei de Ohm, onde é possível fazer uma correlação, pois a passagem dos fluxos de saída sofre uma resistência em função das válvulas. Então:

(3)

(4)

Já que o estado foi considerado estacionário, em alguns pontos a derivada é nula. Dessa forma:

(5)

(6)

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A segunda abordagem parte da primeira lei da termodinâmica aplicada a sistemas abertos, que tem como base a equação de Bernoulli. A vazão é dado por:

(7)

Adotando K, como a constante de proporcionalidade, dessa forma, têm-se:

(8)

(9)

A equação que representa a variação do nível dos tanques com tempo é:

(10)

Para que a segunda abordagem tenha um melhor ajuste à realidade, foi considerado a perda de carga pela tubulação de saída dos tanques:

(11)

(12)

RESULTADOS

No presente experimento, os dados de volume, altura e tempo de estabilização (te) dos tanques foram obtidos em triplicata para um tempo fixo de 5 segundos, com o intuito de

minimizar possíveis erros experimentais e validar estatisticamente. Com os dados obtidos, foi possível determinar a vazão, bem como, as constantes necessárias para as abordagens mostradas anteriormente. Estes valores estão dispostos nas Tabelas 1, 2, 3 e 4, que repre-sentam quatro tipos de casos analisados individualmente, conforme variação da abertura da válvula By Pass.

Tabela 1. Caso 1: Válvula By Pass totalmente fechada

t(s) h1(m) h2(m)

5 0,254 0,241

5 0,253 0,241

V(m3)

0,00096

0,00094

0,00092

Q (m3/s)

0,000192

0,000188

0,000184

Em que, a vazão média Qmed= 0,000188 m3/s.

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Tabela 2. Caso 2: Válvula By Pass 1⁄2 aberta

t(s) h1(m) h2(m)

5 0,230 0,210

5 0,230 0,209

V(m3)

0,00088

0,00090

0,00086

Q (m3/s)

0,000176

0,000180

0,000172

Em que, a vazão média Qmed = 0,000176 m3/s.

Tabela 3. Caso 3: Válvula By Pass 1 aberta

t(s) h1(m) h2(m)

5 0,178 0,139

5 0,178 0,137

5 0,178 0,135

V(m3)

0,00082

0,00084

Q (m3/s)

0,000164

0,000168

Em que, a vazão média Qmed = 0,0001653m3/s.

Tabela 4. Caso 4: Válvula By Pass 1 + ¼ aberta

t(s) h1(m) h2(m)

5 0,100 0,036

5 0,102 0,036

V(m3)

0,00066

0,00068

0,00066

Q (m3/s)

0,000132

0,000136

0,000132

Em que, a vazão média Qmed = 0,000133 m3/s.

Para o primeiro modelo, a vazão de saída e a altura de líquido no tanque são relacio-nadas pela seguinte relação:

(13)

Onde K é uma constante de proporcionalidade:

(14)

Como o sistema se encontra em estado estacionário (onde o que entra é igual ao que sai), ou seja, em alguns pontos a derivada é nula. Dessa forma:

(15)

(16)

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A Tabela 5 contém os valores das constantes de proporcionalidade calculados para o modelo de acordo com os dados obtidos experimentalmente.

Tabela 5. Valores de K1 e K2 para o primeiro modelo

Caso K1

1 0,0007401

2 0,0007652

3 0,0009429

4 0,0013157

0,0007800

0,0008407

0,0012068

0,0037037

A avaliação gráfica do modelo 1 (altura dos tanques em função do tempo) e dos da-dos obtidos experimentalmente, para cada abertura do by pass foi o utilizado o software Matlab®. O Gráfico 1 está disposto a seguir.

Gráfico 1. Alturas em função do tempo para a primeira abordagem.

Para a segunda abordagem o modelo foi baseado na primeira lei da termodinâmica em sistemas abertos, partindo da equação de Bernoulli.

(17)

A análise dos pontos segue a condição de estado estacionário onde qin = qout. Desta forma, temos que as constantes de proporcionalidade são calculados pelas Eq. 18 e 19.

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(18)

(19)

Onde:

A Tabela 6 contém os dados necessários para os respectivos cálculos.

Tabela 6. Dados necessários para o cálculo dos coeficientes de descarga

Dados

Diâmetro

Raio

Área

0,02398 m

0,01199 M

0,000451636 m²

0,002000497

A Tabela 7 contém os valores dos coeficientes calculados para o modelo de acordo com os dados obtidos experimentalmente.

Tabela 7. Valores de C1 e C2 para o segundo modelo

Caso C1

1 0,186467544

2 0,183447167

3 0,197374224

4 0,209375004

0,191431

0,19229

0,223286

0,351277

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Gráfico 2. Alturas em função do tempo para a segunda abordagem.

Para um melhor ajuste do modelo à realidade, seria necessária a adição das perdas por atrito no cálculo dos coeficientes de descarga. Foi realizado o cálculo do intervalo de con-fiança para validar os modelos estatisticamente. Foi adotado um a de 5% (MONTGOMERY. et al, 2003). Os gráficos abaixo apresentam o comportamento dos dados obtidos em relação ao intervalo de confiança. Pelos gráficos pode-se observar que a parte estacionária está dentro do intervalo.

Gráfico 3. Validação estatística dos modelos para intervalo de confiança de 95% (Tanque 1).

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Gráfico 4. Validação estatística dos modelos para intervalo de confiança de 95% (Tanque 2).

DISCUSSÃO

O sistema desenvolvido foi estudado por meio da aplicação de duas abordagens: Lei de Ohm e Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a sistemas abertos. A partir da análise dos resultados, pôde-se perceber que os dados experimentais se ajustaram melhor ao mo-delo proposto pela segunda abordagem, por este levar em consideração mais variáveis do sistema, o que o torna mais fiel a realidade.

Com base no resultado obtido por meio da validação estatística conclui-se que os dados no estado estacionário estão dentro do intervalo de confiança de 95%, sendo estes significativos, já no estado dinâmico apresentam leves discrepâncias, sendo essas possi-velmente explicadas por falhas nas medições de alturas nos intervalos definidos, dados de perdas por atrito, perdas localizadas e distribuídas.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O ensino da teoria associado à prática é, sem dúvidas, uma metodologia indispensá-vel na motivação de estudantes de graduação, formando novos profissionais mais motiva-

dos e mais humanizados, já que os estudantes podem ver de perto o resultado prático de 95

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suas investigações, interlocuções de disciplinas e a troca de informações entre elas.Além de estimular e desenvolver o trabalho em equipe e aumentar o senso de responsabilida-de dos estudantes.

Este projeto abrange a aplicação de muitos conceitos e serve também como apren-dizado para entender como estes conceitos se comportam na prática, e quais dificulda-des podem surgir.

REFERÊNCIAS

1. ALPI, L.B. Desenvolvimento de uma planta didática para o controle de nível de tanques acopla 2016. Disponível em: https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/hand-le/10183/150947/001009640.pdf?sequence=1.

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3. MONTGOMERY, D. C.; RUNGER, G.C. Estatística Aplicada e Probabilidade para Enge-nheiros. LTC; Rio de Janeiro, 2003.

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A organização do posto de trabalho na eliminação do erro humano: estudo de caso no segmento de autopeças

Vitor de Araujo Rodrigues UFSJ

Jorge Nei Brito UFSJ/DEMEC

Artigo original publicado em: 2020

Anais do XX CONEMI – Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210203263

RESUMO

Neste trabalho apresenta-se uma abordagem da Manufatura de Classe Mundial, mais especificamente do pilar de Organização do Posto de Trabalho, numa empresa do seg-mento de autopeças de Minas Gerais, Brasil. O foco centra-se na aplicação do Passo 4 (Step 4) que consiste no treinamento das características do produto. A aplicação prática se deu na concepção e desenvolvimento de um dispositivo à prova de falhas (Poka-Yoke). Este dispositivo assegurou a eliminação dos erros humanos a um índice de 92% de aprovação e ofereceu melhorias consideráveis no processo, principalmente nos métodos de trabalho e condições ergonômicas. Os resultados foram apresentados em diversas auditorias. Também foi avaliado por consultorias que aferiram a melhoria do processo como uma boa solução. Os auditores aconselharam aplicar essa metodologia em outros postos de trabalho.

Palavras–chave: Posto de Trabalho, Erro Humano, Falhas, Montagem Manual.

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INTRODUÇÃO

Tratar da organização do trabalho é saber separar entre o papel do fator humano e dos métodos aplicados no processo produtivo em relação às máquinas e materiais envolvidos. Deve-se ser cético quanto à decisão cara de uma automação precoce. Podem es-

tar envolvidos altos investimentos. Também pode-se requerer um acompanhamento da mão de obra no que concerne aos conhecimentos para operar e lidar com novas tecnolo-gias e sofisticação.

Por outro lado, a melhoria dos processos segue um fluxo lógico de incremento gradual. Isso possibilita a adequação do treinamento às características do produto.

Segundo estudo de Tessarini Junior e Saltorato (2018) a automação por si só promove substanciais ganhos de produtividade, mas não se livra de uma situação de desemprego tecnológico futura, ainda que taxada como uma revolução.

A automação pode reduzir a mão de obra e os custos relacionados, mas em muitas aplicações a enorme quantidade exigida de recursos pelos projetos de automação não pode ser justificada somente pela economia de mão de obra. Assim como acontece com outros fatores que afetam o projeto de processos de produção, o grau de automação apropriado para a produção de um produto/serviço deve ser impulsionado pelas estratégias de ope-rações da empresa.

Mariano (2020) discorre sobre as iniciativas de automação nas empresas, nas quais são utilizados modelos operacionais para conduzir projetos, desde o alinhamento com as áreas do negócio e concepção de oportunidades, até a implantação, operação e manutenção.

Assim sendo, é de extrema importância pontuar aqui que o presente estudo se apoia numa abordagem enxuta de maior participação da mão de obra, ainda que focado na na-tureza de suas falhas (naturais) no convívio com os métodos de produção de uma organi-zação. Esta participação, apoiada aqui em um dos pilares clássicos do Sistema Toyota de Produção, a autonomação, além da citada harmonização entre humanos e máquinas, dá ao colaborador a capacidade de detectar anormalidades e, sobretudo, parar o processo e resolver. Este dinamismo só é possível quando empresas têm uma cultura Kaizen, focali-zando o objeto real (produto) do início à conclusão, ignorando as fronteiras tradicionais de tarefas, profissionais e funções.

Cavalcanti (2019) apresenta que cada configuração de sociedade define seus critérios de trabalho qualificado ou qualificação para o trabalho. A distinção entre qualificado e não-qualificado é muitas vezes mais política e ideológica do que econômica e técnica pelo fato da influência de fatores locais como sindicatos, condições de mercado e, aqui interpreto, decisões da alta administração.

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Decerto, a decisão gerencial é baseada em diversos fatores e avaliada conforme o com-promisso de gestão e da organização como um todo; a clareza dos objetivos, o cronograma de melhorias; a alocação de pessoas e suas competências; tempo de atuação; orçamento; detalhes de projetos, expansões e a própria motivação dos colaboradores.

O fator humano é o principal ativo da empresa, é nele que se encontram os agentes da mudança, e o trabalho e o emprego estão no centro da vida humana em sociedade (Collares, 2017).

DEFINIÇÃO DE MANUTENÇÃO

O significado de manutenção, de acordo com Lima e Castilho (2006) consiste em: “o conjunto de atividades e recursos aplicados aos sistemas e equipamentos, visando garantir a continuidade de sua função dentro de parâmetros de disponibilidade, de qualidade, de prazo, de custos e de vida útil adequado”.

A definição formal do termo manutenção segundo a norma NBR 5462 (1994): “Manutenção é a combinação de ações técnicas e administrativas, incluindo as de supervi-são, destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma função requerida”.

Segundo as definições supracitadas a manutenção é responsável por garantir que um equipamento continue a desempenhar a função para a qual foi projetado dentro do desem-penho exigido. As atividades de manutenção são realizadas para evitar a degradação dos equipamentos e instalação causadas pelo desgaste natural quanto pelo mau uso.

Os equipamentos de uma planta desempenham um papel fundamental na produtividade e qualidade dos produtos, uma vez que se esses não estão produzindo conforme projetados, a competitividade da planta é colocada em risco. Sendo assim, a manutenção representa um fator de importância muito grande quanto ao desempenho dos equipamentos e o geren-ciamento eficaz da manutenção garante ganhos potenciais para a planta.

Muitos equipamentos dentro das empresas apresentam falhas intermitentes, que são consertadas de maneira rápida pela manutenção. Entretanto, a manutenção pode desen-volver melhorias nas condições iniciais dos equipamentos de forma a evitar a ocorrência de novas falhas, gerando um aumento na produtividade.

Com o auge da Segunda Guerra Mundial e com a ascensão da indústria bélica, as empresas deixaram de se preocupar em corrigir as falhas e passaram a dar mais importância em como evitá-las. Após o fim da guerra, uma nova área organizacional surgiu e começou a se desenvolver: a engenharia de manutenção, um departamento específico para gerenciar e eliminar as falhas dos equiapementos (Otani e Machado, 2008). Com o nascimento desta

nova área, o foco da manutenção nas empresas se estabeleceu na prevenção. 100

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Segundo Diniz e Távora (2004), a manutenção preventiva teve origem nos Estados Unidos e foi introduzida com sucesso no Japão na década de 1950.

INDICADORES DE PERFORMANCE

Os indicadores de manutenção são ferramentas desenvolvidas e utilizadas por gerentes para identificar onde e quais melhorias devem ser implementadas no processo visando atingir metas e destacar áreas onde o desempenho é satisfatório. Sendo assim, são instrumentos de análise fundamentais para a avaliação do desempenho de uma planta.

A utilização de indicadores possibilita a definição das estratégias e políticas que per-mitam alcançar os objetivos desejados da manutenção. Dessa forma, as ações são ade-quadamente priorizadas e os recursos direcionados.

Os indicadores devem pertencer a todos da manutenção, além de ser claros e com metas bem definidas. Um indicador coerente esclarece a todos os envolvidos quais são os seus componentes, o método de cálculo e objetivo. A falha em definir apropriadamente os indicadores pode distorcer os valores e levar a conclusões e priorização de esforços de forma incorreta.

Os indicadores utilizados na manutenção devem ser apresentados em dados absolutos, dados relativos, tabelas e gráficos e são selecionados de forma a serem capazes de apoiar a capacidade de orientar, ordenar, diagnosticar, corrigir, melhorar de forma a alcançar os objetivos estabelecidos pelas empresas.

Disponibilidade

Disponibilidade é a capacidade de um equipamento estar em condições de operar em um dado instante de tempo ou intervalo determinado, ou seja, é a proporção do tempo que o equipamento ficou disponível num dado intervalo de tempo. A disponibilidade de um item não implica que o mesmo esteja funcionando, somente que o mesmo se encontra em condições de funcionar (Diniz e Tavora, 2004).

A disponibilidade é apresentada graficamente por meio de uma evolução tempo-ral. Proporcionar a disponibilidade dos equipamentos ou sistemas é o principal objeti-vo da manutenção.

A disponibilidade (Up-Time), considerando somente manutenção corretiva, pode ser calculada através da Equação 1, onde TOP é o Tempo de Operação e TMC é o Tempo de Manutenção Corretiva.

101

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Tempo Médio Entre Falhas

O Tempo Médio Entre Falhas, do inglês Mean Time Between Failures (MTBF), é o prazo médio que identifica o tempo de operação decorrido entre duas falhas de um item. É a relação entre o tempo de operação programada, o tempo de manutenção corretiva e o nú-mero de falhas detectadas em um item durante um período definido de tempo. O MTBF é medido em unidades de tempo e é calculado segundo Equação 2, sendo n o número de paradas corretivas.

Tempo Médio Para Reparo

O Tempo Médio para Reparo, do inglês Mean Time to Repair (MTTR) é o tempo mé-dio necessário para desempenhar as operações de manutenção e é utilizado para estimar o tempo de paralisação de um item para o reparo de uma falha. O MTTR é definido mate-maticamente como a média aritmética dos tempos de reparo de um item. Esse indicador é medido em unidades de tempo e calculado segundo a Equação 3, onde TTMC é o Tempo Total de Manutenção Corretiva.

RESULTADOS

Uma empresa especializada em gestão de manutenção foi contratada por um fabricante de peças automotivas para realizar a gestão e as atividades de manutenção de alguns se-tores da planta. O software usado para o gerenciamento das ordens de serviço e histórico da manutenção é denominado GDM (Sistema de Gerenciamento da Manutenção).

Uma das áreas mais críticas da planta industrial são as linhas de montagens, onde paradas de longa duração representam grandes custos para a produção, afetando direta-mente os resultados mensais. Por isso, um acompanhamento das mesmas se faz necessá-rio para a realização de melhorias no design das máquinas e na resolução dos problemas

pela causa raíz.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

O acompanhamento é realizado tanto diariamente quanto mensalmente. Diariamente são coletados os índices de disponibilidade das linhas de montagem e verificado se ele tem a tendência linear de melhorar ou cair, Figura 1. Caso seja uma tendência linear negativa é realizado um plano de ação para a melhoria do mesmo.

FIGURA 1. Acompanhamento diário da linha de montagem do veículo Punto.

Fonte: Autor (2020).

No acompanhamento mensal é verificado o Up-Time acumulado do mês de todas as linhas de montagem, Figura 2.

FIGURA 2. Up-Time das montagens no mês de junho.

Fonte: Autor (2020).

Depois de verificar a pior linha de montagem, com relação a disponibilidade mensal, é feito um desdobramento da linha para identificar a máquina mais crítica da operação de montagem, Figura 3.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

FIGURA 3. Desdobramento de Quebras na Linha por Operação da montagem de veículo Punto.

Fonte: Autor (2020).

Com a identificação da linha de montagem e da operação é possível achar o compo-nente que apresentou maior problema no mês e fazer o estudo da causa raíz, Figura 4.

FIGURA 4. Componente com maior quebra.

Fonte: Autor (2020).

A caneta de medição instalada na máquina é um Poka-Yoke para verificar o ponto P do produto. Com a realização de vários ciclos, a caneta sai do lugar gerando reprovação em componentes bons. Foi confeccionado um dispositivo para melhorar a eficiência do Poka-Yoke. Foi feita a troca da base da caneta de posição aumentando a disponibilidade da mes-ma. Nas Figuras 5 e 6 tem-se a operação 50 antes e depois da melhoria, respectivamente.

104

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FIGURA 5. Operação 50 antes da melhoria.

Fonte: Autor (2020).

FIGURA 6. Instalação do dispositivo na Operação 50.

Fonte: Autor (2020).

Em Julho, foi acompanhado novamente a linha da montagem 310 para verificar se o problema havia sido realmente solucionado.

Na Figura 7 pode-se perceber que a operação 50 teve 10 quebras comparadas com 14 do mês anterior. Esse número, apesar de ter diminuído, ainda continua alto visto que a melhoria foi realizada somente na metade do mês de Julho.

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FIGURA 7. Acompanhamento da Montagem 310.

Fonte: Autor (2020).

No mês de Julho, a montagem 310 ainda apresentou uma operação com grande número de paradas de manutenção corretiva, Figura 7. Na Operação 10, o componente que mais apresentava falha era o de sustentação do coxim, devido ao alto número de ciclo realizado na máquina o anel o-ring que garantia a suspensão do coxim se rompia, conforme mostrado na Figura 8.

FIGURA 8. Quebras na Operação 10.

Fonte: Autor (2020).

No mês de Julho, foi possível realizar a troca do anel o-ring no mecanismo de sustenta-ção do coxim por outro que tivesse maior durabilidade. O anel o-ring original era de plástico, Figura 9, e foi substituído por outro de aço, Figura 10. O anel de aço tem alta propriedade elástica e apresentou a mesma eficiência do anel de plástico travando o componente so-mente após o mesmo ser fixado no coxim.

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FIGURA 9. Anel o-ring de plástico.

Fonte: Autor (2020).

FIGURA 9. Anel o-ring de metal.

Fonte: Autor (2020).

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A condição de zero defeitos envolve a realização de cinco perguntas: 1) O método está claramente definido? 2) É possível seguir o padrão como descrito? 3) O método é efetivo? 4) O padrão é visível e claro? 5) O padrão está atualizado?

Para cada fase de implantação foi monitorado os scores que permitiu a implantação do SOP (Standard Operation Procedure). Trata-se de um método detalhado e com padrão visual que garante que todos os operadores possam obter o mesmo resultado. É um padrão fácil de seguir, de ler e entender. Além de disposto em local adequado e revisado frequentemente.

Através do SOP alcançou-se um score de 92% de peças conformes, atingindo o ob-jetivo de reduzir drasticamente o índice de defeitos nas operações de montagem. Além

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disso, o benefício final de mais de U$50.000/ano, o que deu ao projeto um Benefício/Custo na ordem de 9,20.

Outro ganho significativo foi o índice FTQ (First Time Quality) que subiu consideravel-mente indicando que os refugos diminuíram, assim como os retrabalhos.

Como atuação de melhoria contínua, foi sugerida uma semi-automatização e incremen-tos no dispositivo de modo que haja mais sensores tornando-o robusto e capaz de garantir sua plena aplicabilidade em todas as famílias de produtos.

A complexidade tecnológica vem crescendo rapidamente. Há também uma lacuna cultural crescente entre ela e sua compreensão e assimilação. Isto, possivelmente, explica alguns erros humanos. O importante é entender que são fatores que se complementam e se auxiliam mutuamente.

Não basta examinar somente as ferramentas, técnicas, métodos e tecnologias que as pessoas devem usar para executar o trabalho. Assim, volta-se à questão de treinamentos e formação do operador como forma de trabalhar os motivos, desenvolver capacidades e compartilhar conhecimentos. Agindo assim, cria-se um repertório de comportamentos. A in-formação, a partir daí, juntamente com suportes ambientais, flui através dos instrumen-tos e benefícios.

Esta é a visão de Teixeira (2001) e da OECD (1996). Eles esclarecem que dado um elevado perfil de qualificação da mão de obra, são necessárias ações como: 1) Sistemas de recompensas que premiam a qualificação e o desempenho; 2) Treinamento intensivo e extensivo 3 3) Segurança no emprego e esquemas de promoção por mérito e antiguidade. Assim é possível uma High Performance Work Organization com colaboradores mo-

tivados e compromissados com o trabalho e a empresa.

REFERÊNCIAS

1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉNICAS. NBR5462 – Confiabilidade e Mantena-bilidade. Rio de Janeiro, ABNT, 1994.

2. CAVALCANTI, T. S. Programa de aprendizagem profissional: um estudo da relação juventude e trabalho na região leste fluminense do estado do Rio de Janeiro. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Pós-Graduação em Educação. Rio de Janeiro, 2019, 123 f.

3. COLLARES, L. V. O resgate da dignidade do trabalhador: da produção de fast fashion à rein-trodução da produção artesanal. Faculdade de Direito, UFRGS, 2017.

4. DINIZ, M. V. e TAVORA, J. L. Avaliação da implementação do STP/MPT: estudo de caso em uma empresa multinacional. Florianópolis: XXIV ENEGEP, 2004.

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5. LIMA, F. A. e CASTILHO, J. C. Aspectos da manutenção dos equipamentos científicos da Universidade de Brasília. Brasília: FACE, 2006.

6. MARIANO, A. F. Automação robótica de processos: uma análise sobre a governança de RPA para grandes empresas. Fundação Getulio Vargas, Escola de Administração de Empresas de São Paulo, 2020.

7. OECD. Technology, Productivity and Job Creation.Paris: Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico, 1996.

8. OTANI, M. e MACHADO, W. V. A proposta de desenvolvimento de gestão da manutenção industrial na busca da excelência ou classe mundial. Revista Gestão Industrial, Ponta Grossa, v. 4, n.2, p. 1-16, 2008.

9. TEIXEIRA, F. L. C. Tecnologia, organizações e produtividade: lições do paradoxo de Solow. Revista de Economia Política 21.2 (2001): 82

10. TESSARINI, e SALTORATO, Patrícia. Impactos da indústria 4.0 na organização do trabalho: uma revisão sistemática da literatura. Revista Produção Online. Florianópolis, SC, v. 18, n. 2, p. 743-769, 2018.

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Avaliação da Qualidade de Vida no Trabalho baseado no Modelo de Walton em uma empresa de reforma de transformadores

Marcos Meurer da Silva UFGD

Higor Henrique Clemente UFGD

Marcos Barbosa Silvino UFGD

Marcelo Vasconcelos de Almeida UFGD

Artigo original publicado em: 2016

VI COBREPRO – Congresso Brasileiro de Engenharia de Produção

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210203330

RESUMO

A qualidade de vida no trabalho tem mostrado fundamental importância para as empre-sas, ao passo que o trabalhador constitui o mais importante fator. Sendo assim, avaliar o nível de satisfação do colaborador se faz necessário, a medida que o mesmo influencia significativamente no desempenho da organização. O presente trabalho tem por objetivo avaliar a qualidade de vida no trabalho em uma pequena empresa de reforma de trans-formadores e construção de rede elétrica situada na cidade de Dourados – MS. Para este fim, utilizou-se um questionário baseado no modelo de Walton, com o objetivo de obter informações pertinentes a respeito da satisfação dos trabalhadores que permitisse tal avaliação. Com os resultados dos questionários foram analisadas as oito dimensões do modelo de Walton separadamente com o intuito de identificar pontos críticos em relação à satisfação do colaborador.

Palavras–chave: QVT, Modelo de Walton, Qualidade de Vida.

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INTRODUÇÃO

As organizações cada vez mais tem buscado aumentar a produtividade em um cenário competitivo, mediante a isso, o trabalhador tem relevante influencia neste processo, dado que é um dos principais recursos produtivos.

A satisfação profissional contribui no desempenho e rendimento da empresa. Desta maneira, questões motivacionais e perspectivas de crescimento influenciam no ambien-te de trabalho, afetando diretamente a eficiência e eficácia das atividades realizadas pe-los funcionários.

Com o intuito de avaliar a satisfação do trabalhador faz-se necessário um estudo so-bre a qualidade de vida no trabalho (QVT). A qualidade de vida é “o conjunto das ações de uma empresa que envolve a implantação de melhorias e inovações gerenciais, tecnologias e estruturais no ambiente de trabalho”. (FRANÇA, 1996).

Segundo Barbosa (2016) a Qualidade de Vida no Trabalho tem princípios intimamen-te relacionados com a saúde do trabalhador, abrangendo questões psicológicas, físicas e ambientais ligadas ao desempenho das atividades na organização.

“QVT refere-se às condições favoráveis ou desfavoráveis de um ambiente de trabalho para as pessoas. O objetivo básico é desenvolver cargos que sejam tão excelentes para as pessoas como para a produção” (DAVIS, 1981, p.286).

O QVT enfatiza o sucesso da organização, evidenciando os procedimentos e as ade-quações da gestão. Deste modo, a participação coletiva dos trabalhadores é importante para humanizar o trabalho, sendo necessário para este feito, condições trabalhistas favoráveis (BARBOSA, 2016).

Portanto, de acordo com Fernandes (1996), a ferramenta de QVT pode auxiliar a or-ganização no processo de renovação de ações gerenciais relacionadas ao trabalho, propor-cionando e elevação do nível de satisfação dos funcionários, assim como, a produtividade da empresa, a partir da efetiva participação de todos os envolvidos nos processos relacio-nados ao trabalho.

Assim, este artigo tem como objetivo avaliar a qualidade de vida no trabalho dos fun-cionários de uma empresa de reforma de transformadores e construção de rede elétrica, situada no município de Dourados – MS, a partir da aplicação do questionário baseado no modelo de Walton.

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REFERENCIAL TEÓRICO

A qualidade de vida no trabalho remota a antiguidade, mas foi em meados do século XX, que surgiu a abordagem do QVT. A evolução da qualidade de vida no trabalho está exposta no quadro 1.

Tabela 1. Evolução da Qualidade de vida do trabalho

1930 – Escola das Relações humanas

Escola Comportamental

1950 – Origem do QVT

1960 – Preocupação com os trabalhadores

1970 – Qualidade pessoal

1980 – Participação global

1990 – Saúde na organização

Hoje

Teve origem por volta de 1930 com a necessidade da administração de huma-nizar e democratizar, com uma abordagem humanística (CHIAVENATO, 2003).

Escola comportamental: é um desdobramento da Escola das relações huma-nas, que surge no final da década de 1940. Preocupa-se com o comporta-mento das pessoas e comportamentos organizacionais. (CHIAVENATO, 2003)

Com o surgimento da abordagem sociotécnica por volta de 1950, sendo a organização como uma combinação de tecnologia com um sistema social. (CHIAVENATO, 2003)

Surgimento de líderes sindicais, na busca de melhorar a forma de trabalho e reduzir os efeitos no bem estar dos trabalhadores. (FERNANDES, 1996).

“Discussões de qualidade pessoal como parte dos processos de qualidade organizacional através das ideias dos gurus da qualidade, Juran e Deming”. (FRANÇA,

2004, pg. 27).

Maior participação do trabalhador nas decisões da empresa, com o intuito de tornar o trabalho mais humanizado (OLIVEIRA, 2006).

Para Oliveira (2006) o QVT passa a ser necessário na organização, e não mais um modismo. “O QVT tornou-se foco de programas que estudam os fatores da saúde do trabalhador na organização, resgatando valores ambientais e humanísticos negligenciados em favor do avanço tecnológico”. (BURIGÓ, 1997, pg.94)

Baseia-se de acordo com Oliveira (2006) em atender todas as necessidades psicossociais dos trabalhadores, com o intuito de aumentar a satisfação no trabalho.

Fonte: Adaptada de Merino (2000)

Em vista do que foi mencionado, o objetivo do QVT é homogeneizar as relações de trabalho na organização, no qual está em constante busca (OLIVEIRA, 2006). Sendo as-sim, deve-se “manter uma relação entre produtividade e a satisfação do trabalhador no seu ambiente de trabalho”. (MERINO, 2004, p.17-31 apud OLIVEIRA, 2006, p.31).

Para avaliação de QVT vários modelos foram desenvolvidos ao longo dos anos. Dentre os principais autores destacam-se os modelos desenvolvidos por Walton (1973), Hackman e Oldham (1975), Westley (1979), Werther & Davis (1983) e Nadler e Lawler (1983).

Neste artigo utilizou-se o modelo proposto por Walton. Segundo Chiavenato (2002), para Walton existem oito dimensões da Qualidade de Vida no Trabalho:

Compensação justa e adequada: Coerência da remuneração praticada pela organi-zação (interno) e pelo mercado de trabalho (externo).

Condições de segurança e saúde no trabalho: Adequação do ambiente de trabalho

de modo a proporcionar condições favoráveis ao desempenho das atividades do trabalhador. 113

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Utilização e desenvolvimento de capacidades: Promover oportunidades para uti-lização do conhecimento e habilidade do funcionário, de modo a incentivar a autonomia e contínua busca de conhecimento acerca da atividade desenvolvida.

Oportunidade de crescimento contínuo e segurança: Possibilitar a ascensão da carreira dentro da organização, proporcionando um crescimento individual e de certa forma uma estabilidade profissional.

Integração social na organização: Retirada de políticas hierárquicas da organização, facilitando o relacionamento interpessoal do colaborador com as demais áreas da empresa. Constitucionalismo: Elaboração de normas e regras com as obrigações e direi-

tos do trabalhador.

Trabalho e espaço total de vida: A jornada de trabalho não deve ser em demasia de maneira a não interferir na vida pessoal e familiar do funcionário.

Relevância social de vida no trabalho: Realizar ações que despertem orgulho no trabalhador, atuando de forma a estabelecer uma imagem consolidada da empresa em re-lação às práticas administrativas.

METODOLOGIA

Para Gil (2002) a pesquisa tem um aspecto pragmático e racional que por meio de um conjunto de medidas, tem a finalidade de descobrir respostas para um problema em questão. Entretanto, as pesquisas assumem diferentes classificações de acordo com o interesse do pesquisador e das variáveis a serem analisadas. As classificações mais comuns são em relação à natureza da pesquisa, abordagem do problema, objetivo e procedimento técnico. Quanto à natureza, a pesquisa deste trabalho pode ser classificada como aplicada. Segundo Silva e Menezes (2005) a pesquisa aplicada consiste em adquirir conhecimento

para realizar a aplicação prática e dirigida à solução da problemática estudada.

Para Silva e Menezes (2005) a pesquisa quanto à abordagem do problema pode ser qualitativa ou quantitativa. A abordagem qualitativa baseia-se na interpretação de fenômenos subjetivamente aos olhos do pesquisador, não se utilizando de ferramentas estatísticas. Para os mesmos autores a abordagem quantitativa remete a tudo que pode ser transformado em valores numéricos.

Este trabalho pode ser classificado como uma combinação de pesquisa qualitativa e quantitativa, pois se baseia na aquisição de informações não numéricas por meio de questio-nários e entrevistas, ao passo que, se faz uso de ferramentas estatísticas para apresentar os dados em forma de gráficos facilitando a compreensão e avaliação das variáveis observadas. Quanto ao objetivo foi classificada como pesquisa descritiva. Para Gil (2002) a pes-

quisa descritiva é uma técnica muito utilizada para coleta de dados de um grupo, utilizando 114

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questionários e a observação sistemática, com o intuito de analisar levantamento de opiniões, condições de trabalho, atitude e crença de uma comunidade. A principal função da pesquisa descritiva é relatar as características de determinada população.

Dentre aos tipos de pesquisa em relação aos procedimentos técnicos, caracteriza-se a pesquisa como um levantamento. De acordo com Gil (2002) o levantamento é uma pes-quisa que envolve a solicitação de informações pertinentes ao assunto abordado, tendo como característica a interrogação direta das pessoas, para em seguida obter conclusões dos dados adquiridos através da análise quantitativa.

Para o levantamento de dados fez-se uso da aplicação de questionários baseado no modelo de Walton. Considerando as oito dimensões da qualidade de vida no trabalho, o ques-tionário foi composto 35 perguntas objetivas possuindo cinco alternativas para cada, sendo elas: Muito insatisfeito (1), insatisfeito (2), indiferente (3), satisfeito (4) e muito satisfeito (5). O questionário foi aplicado a quatro funcionários da empresa. Os mesmos responderam

sem a interferência de terceiros, além disso, não se identificaram no questionário, mantendo as respostas anônimas.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Com dados do questionário foi possível quantificar o percentual de satisfação dos funcionários em cada dimensão, utilizando-se gráficos que representam tais informações, auxiliando na identificação de pontos críticos nas dimensões analisadas.

De maneira geral, o gráfico a seguir mostra o percentual total em relação às respostas dadas pelos funcionários. De acordo com o gráfico, notou-se que 10% das repostas obtidas dos funcionários demonstraram-se que estão muito satisfeito em relação ao trabalho, 60% das respostas foram satisfeito, 25% como indiferente, 5% evidenciou-se insatisfeito e 0% como muito insatisfeito.

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Gráfico 1. Percentual total de níveis de satisfação

Fonte: Autores, 2016

Com relação a cada uma das dimensões da qualidade de vida do trabalho, foi elaborada a mesma representação gráfica, sendo então avaliada cada uma delas separadamente, de maneira a identificar aspectos que influenciam os níveis de satisfação dentro da organização.

Quanto à compensação justa e adequada, por meio da observação das respostas ob-tidas, pode ser verificado que 88% das respostas dos questionários estão como satisfeito, evidenciando o contentamento com a compensação entre trabalho e remuneração. Conforme o gráfico abaixo.

Gráfico 2. Níveis de satisfação em relação à compensação justa e adequada

Fonte: Autores, 2016

Considerando a dimensão utilização e desenvolvimento de capacidades, foi observado

que 21% das respostas obtidas dos funcionários foram indiferente e 79% foram satisfeito 116

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

com a autonomia, relevância, desempenho e polivalência do trabalho realizado. Sendo as atividades realizadas serem classificadas como simples de fácil execução, boa parte ou se consideraram satisfeito ou indiferente.

Gráfico 3. Níveis de satisfação em relação à utilização e desenvolvimento de capacidades

Fonte: Autores, 2016

No que se refere à integração social na organização, pode-se constatar que existe um bom relacionamento entre os colaboradores da empresa. Podendo ser ilustrado pelo gráfico a seguir.

Gráfico 4. Níveis de satisfação em relação à integração social na organização

Fonte: Autores, 2016

Com base na pesquisa notou-se que a empresa tem respeito para com o trabalhador e seus direitos, salientando a sua liberdade de expressão e individualidade no que se refere

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

ao ambiente de trabalho. Obteve-se a porcentagem de respostas de 58% satisfeito, 25% indiferente e 17 % muito satisfeito como mostrado no gráfico abaixo.

Gráfico 5. Níveis de satisfação em relação ao constitucionalismo

Fonte: Autores, 2016

Com relação ao espaço de trabalho e espaço total de vida, a empresa não interfere na vida dos funcionários, como por exemplo, preocupações com trabalhos extras, além disso, a empresa possui turnos adequados de horários. Os resultados das respostas obtidas podem ser visualizados no gráfico a seguir.

Gráfico 6. Níveis de satisfação em relação ao trabalho e espaço total de vida

Fonte: Autores, 2016

Quanto a esta dimensão observou-se vários pontos positivos no que se refere à rele-vância social de vida no trabalho, isso pode ser decorrente do orgulho que o mesmo sente

pela atividade realizada e qualidade do serviço prestado, e ainda pela forma que a empresa 118

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se relaciona com os recursos humanos, visto que 47% das respostas foram muito satisfeito, 37% satisfeito e 16% indiferente.

Gráfico 7. Níveis de satisfação em relação à relevância social de vida no trabalho

Fonte: Autores, 2016

Nesta dimensão 19% das respostas foram como sendo insatisfeito, isso pode ser pelo fato de haver pouca oportunidade de crescimento devido a ser uma empresa de pequeno porte, não sendo oferecidos incentivos, causando a insatisfação dos funcionários. Cerca de 37% das respostas foram indiferente, mostrando a pouca preocupação quanto a fatores relacionados a essa dimensão. De acordo com o gráfico a seguir.

Gráfico 8. Níveis de satisfação em relação à oportunidade de crescimento contínuo e segurança

Fonte: Autores, 2016

No que diz respeito às condições de segurança e saúde no trabalho foi observado

uma maior insatisfação quanto à jornada de trabalho semanal e o cansaço gerado pelas

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atividades realizadas representando 12% das respostas. Cerca de 25% das respostas fo-ram indiferentes, sendo os pontos relevantes a despreocupação em relação a segurança, podendo ser na visão dos funcionários como atividades que não oferecem riscos. Já 63% das respostas obtidas são satisfeito quanto a questões como insalubridade e tecnologias empregadas no trabalho.

Gráfico 9. Níveis de satisfação em relação às condições de segurança e saúde no trabalho

Fonte: Autores, 2016

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O estudo possibilita concluir que a avaliação de qualidade de vida do trabalhador é essencial para compreender os fatores que influenciam na satisfação profissional e pessoal, afetando diretamente o ambiente de trabalho e consequentemente a produtividade, eficiência e questões psicofisiológicas.

Com os dados obtidos, foi possível identificar os principais problemas da empresa em relação à qualidade de vida dos funcionários que estão atreladas às condições de trabalho e oportunidades no trabalho.

Em relação às condições do trabalho pode-se recomendar uma análise mais pro-funda com utilização de outras ferramentas como análise ergonômica para identificar pro-blemas relacionados ao conforto ambiental, posturas do trabalhador e levantamento de cargas. Na oportunidade de trabalho pode-se estabelecer parcerias com escolas técnicas para oferecer treinamentos e capacitação aos funcionários, promovendo a valorização pro-fissional e intelectual.

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A aplicação do modelo de questionário permitiu uma avaliação da qualidade de vida no trabalho, possibilitando a identificação de possíveis lacunas, e consequentemente, caminhos de prováveis melhorias na satisfação do colaborador.

REFERÊNCIAS

1. BARBOSA, Carla Valéria. Qualidade de Vida no Trabalho. Revista InterAtividade. Andradina, v.4, n.1, p.27- 37, 2016. Disponível em: <http://www.firb.br/editora/iphp/interatividade/ article/view/181/264>. Acesso em: 7 set. 2016.

2. BÚRIGO, Carla Cristina Dutra. Qualidade de vida no trabalho. Revista de Ciência Humanas. Florianópolis, v.15, 22, 90-110, 1997. Disponível em: <https://periodicos.ufsc.br/index.php/ revistacfh/article/viewFile/23495/21163>. Acesso em: 7 jun. 2016.

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6. FERNANDES, Eda. Qualidade de vida no trabalho: como medir para m Salvador: Casa da Qualidade Editora Ltda, 1996. 296 p.

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10. GUEST, R. H. “Quality of working life – learning from Tarrytown”. Harvard Business Review, 57, n.4, p.76- 87, jul/ago 1979.

11. HACKMAN, Richard J. e SUTTLE, Lloyd J. Improving Life at work: behavioral Science appro-ches to organizational change. Santa Monica: Goodyear, 1977.

12. KUROGI, Márcia Sumire. Qualidade de Vida no Trabalho e suas Diversas Abordagens. Re-vista de Ciências Gerenciais. Anápolis, v. 13, n. 16, 50-62, 2008. Disponível em: http://www. pgsskrotocom.br/seer/index.php/rcger/article/view/2642/2512. Acesso em: 7 jun. 2016.

13. MERINO, Eugênio. Qualidade de vida no trabalho: conceitos básicos. Florianópolis: UFSC/ PPGEP, 2000. P. 17-18.

14. NADLER, David A. e LAWLER III, Edward E. “Quality of Working Life: perspectives and di-rections”. Organization Dynamics, v.11, p.20-30, winter 1983.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

15. OLIVEIRA, Alizandra Cristina de. Qualidade de vida no trabalho segundo o modelo Walton: um estudo de caso frente à percepção dos funcionários da imperador calçados. 2006. 91 f. Trabalho de conclusão de curso – Universidade Do Vale do Itajaí, São José, 2006.

16. SILVA, Edna Lúcia da; MENEZES, Estera Muszkat. Metodologia da pesquisa e elaboração de dissertação. 4.ed. rev. atual. Florianópolis: UFSC, 2005.

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Estudo da atenuação de sinal de vazamento em tubos de pvc com longarinas metálicas longitudinais

Luis Paulo Morais Lima UNESP

Amarildo Tabone Paschoalini UNESP

Márcio Antônio Bazani UNESP

Vinícius Alberto Trench da Costa UNESP

10.37885/210203343

RESUMO

A água potável é um recurso indispensável e, por isso, é importante que se evite desper-dícios por quaisquer causas, dentre elas, vazamento em redes de distribuição. Porém, a detecção de vazamento em tubulações subterrâneas é dificultada devido ao material plástico do qual geralmente são feitos os tubos. Isso porque este material atenua as ondas mecânicas geradas pelos vazamentos e que servem, justamente, de sinal para que se possa detectá-los e localizá-los. Este trabalho propõe um novo tipo de tubo para reduzir o efeito natural, porém indesejável, da atenuação. Trata-se do mesmo tubo de plástico acrescido de longarinas metálicas longitudinais que tem a função não de enrije-cê-lo, mas de serem meios menos atenuantes para as ondas mecânicas. Esta proposta foi modelada matematicamente acoplando-se uma casca cilíndrica fina a uma viga que transmite ondas de flexão e compressão. As equações de movimento para uma longarina acoplada ao tubo foram obtidas e, a partir delas, foi determinada a relação de dispersão do sistema, a qual foi usada para avaliar a atenuação do novo tubo. Simulações numé-ricas usando o Método dos Elementos Finitos foram feitas para validar os resultados teóricos sem preencher o tubo com água. Os resultados do modelo mostraram uma melhora bastante expressiva para ondas longitudinais na casca, com redução de 96% da atenuação. Esta predição, entretanto, está superestimada devido a uma limitação do modelo, que não admite transmissão de energia entre a casca e as longarinas, a qual resultaria em mais atenuação.

Palavras–chave: Propagação de Ondas, Casca Cilíndrica Enrijecida, Detecção de Vazamentos.

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INTRODUÇÃO

Sistemas de distribuição de fluido são empregados nos mais diversos meios de produ-ção e para os mais diversos fins, seja para transportar matérias-primas brutas, subprodutos ou até mesmo produtos finais. Evitar desperdício nos tubos e dutos é, portanto, de muita importância para reduzir custos econômicos além extremamente importante para preservação ambiental. Porém, quanto maior o sistema de distribuição, e quanto mais difícil o acesso a ele, mais trabalhoso é a inspeção, detecção de falhas e manutenção. Um exemplo bastante importante são sistemas de distribuição de água potável em centros urbanos, os quais são quase completamente subterrâneos e, mesmo assim, ainda sofrem com alto volume de per-das. Dentre as técnicas de detecção de vazamento, algumas usam o ruído sonoro gerado pelo próprio vazamento ou seus efeitos sobre outras ondas mecânicas para detectá-lo e localizá-lo Puust et al. (27). lista várias dessas técnicas vibro acústicas, sendo algumas de-las: leak reflection method (método de reflexão de vazamento), que usa a reflexão de ondas causada pela presença de um vazamento na tubulação; impulse response analysis (análise de resposta ao impulso), que quantifica o amortecimento de uma onda transiente no tubo e o compara com um caso sem vazamento; ground penetrating radar (radar penetrante na terra), que usa ondas de radar refletidas pelas diferentes camadas e elementos presentes no solo; leak noise correlators (correlaciona- dores de ruído de vazamento), que identifica e localiza um vazamento correlacionando o ruído gerado por ele, e que foi medido em pontos distintos da tubulação, como mostrado na Figura 1. Dentre estas técnicas, as duas primeiras podem não ser viáveis para tubulações subterrâneas, pois exigem que ela seja excitada de uma forma específica para geração de uma onda transi- ente, enquanto que a eficácia das outras duas depende fortemente das propriedades do solo e da tubulação. À exceção da técnica de radar penetrante, as demais são também limitadas pela atenuação dos sinais medidos na tubulação, que é causada tanto pelo material do tubo quanto pelo meio em que ele se encontra, como o solo.

Como a atenuação de ondas mecânicas é inerente ao meio em que elas se propagam, e de- pende tanto do tipo de onda quanto da perda de energia no próprio material (16), este trabalho propõe uma modificação nos tubos de plástico comumente usados: acrescentar-se ao tubo um elemento metálico longitudinal -uma longarina, pois, sabidamente, o metal atenua vibração bem menos que o plástico. Esta abordagem é original, em primeiro lugar, porque em Vibrações Mecânicas e Propagação de Ondas não é usual tentar reduzir a atenuação, mas, pelo contrário, aumentá-la, como em sistemas de isolamento acústico. Em segundo lugar, apesar de já existirem tubos de plástico com elementos metálicos bastante usados em aplicações de Engenharia Civil, o metal é tratado como reforço estrutural, e longarinas

longitudinais raramente são usadas, sendo preferível reforços circulares ou helicoidais. 125

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

OBJETIVO

Fazer uma investigação inicial do comportamento de ondas mecânicas num tubo de plástico acrescido de longarinas metálicas longitudinais no vácuo. O objetivo principal, por-tanto, é desenvolver um modelo matemático que descreva este sistema. De forma específi-ca, quer-se: 1) descrever o novo tipo de tubo por meio de suas equações de movimento; 2) obter sua relação de dispersão de ondas na faixa de frequência característica do vazamento de água, e; 3) comparar os resultados da nova relação de dispersão com os obtidos em simulações numéricas usando o Método dos Elementos Finitos.

MÉTODOS

Este trabalho investiga as características de propagação de onda de um tubo de plás-tico acrescido de longarinas metálicas longitudinais. O tubo é representado por uma casca cilíndrica fina e as longarinas são vigas acopladas à casca, como mostrado na Figura 1. Este tipo de sistema é conhecido como casca cilíndrica longitudinalmente enrijecida e é amplamente utilizado em estruturas navais ou de aeronaves (24). Porém, na maior parte das aplicações e, consequentemente, na maior parte dos trabalhos publicados a respeito deste tipo de casca, saber as frequências naturais e os modos de vibração do sistema já é suficiente, o que não é o caso deste, pois precisamos descrever a propagação de ondas, e não vibração estacionária.

A abordagem usada foi inspirada nos trabalhos de Miller (24) e Rinehart e Wang (28). Estes autores usam Mecânica Lagrangiana para desenvolver o auto problema de uma casca cilíndrica finita e longitudinalmente enrijecida para, em seguida, calcular suas frequências naturais e seus modos de vibrar. A vantagem deste método é que as longarinas podem ser tratadas como elementos discretos e acoplados rigidamente à casca. Ambos substituem, no lagrangiano do sistema, um chute da forma dos modos de vibrar para obter o auto problema. Miller (24) usa equações de Euler-Lagrange, mas sem obter as equações de movimento, enquanto que Rinehart e Wang (28) integra o lagrangiano e substitui seu chute. Aqui, porém, obteremos a ação total do sistema em função do lagrangiano, o qual será mais simplificado que os destes autores, e a minimizaremos usando equações de Euler-Lagrange apropria-das, obtendo as equações de movimento. Depois disso, assumindo propagação de ondas harmônicas, obteremos a relação de dispersão de ondas no Sistema.

126

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Modelagem das longarinas

Esta seção apresenta o desenvolvimento das equações de movimento das longarinas usando Mecânica Lagrangiana: primeiro será definida a energia de deformação das longa-rinas, depois sua energia cinética, seu lagrangiano e a ação total, que será minimizada para obter as equações desejadas.

As longarinas são vigas de deslocamento bidimensional que serão rigidamente acopla-das à casca, como mostrado na Figura 1. Suas seções transversais são não-deformáveis e

sempre ortogonais às suas linhas neutras, sendo Uv o deslocamento axial de uma seção de uma longarina na posição x e no instante t, e wV o deslocamento transversal dessa mesma seção na direção ortogonal à casca. Deste modo, um elemento da viga sofre apenas esfor-

ços de compressão e flexão, como ilustrado na Figura 2, sendo que o eixo x das longarinas é paralelo e tem mesmas origem e orientação que o eixo da casca.

Figura 1. Coordenadas de uma casca cilíndrica longitudinalmente enrijecida por longarinas e deslocamentos de seus componentes.

Figura 2. Sistema de coordenadas na seção transversal de uma viga.

A deformação ɛx de um elemento de área dA em (z,y) na seção da viga da Figura 2 é a somadas parcelas de deformação devido à compressão, ɛcomp., e à flexão, ɛflex., que são (18)

(1)

(2) logo,

(3)

Pela Lei de Hooke, a tensão Óx no mesmo ponto (y,z) é 127 Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

(4)

sendo Ev o módulo de Young do material da viga. Desta forma, para uma longarina semi-infinita, de 0 a +∞ em x, podemos definir sua energia de deformação Vv, como sendo]

(5)

Quanto à energia cinética Tv de uma viga, esta é função do deslocamento dos pontos da seção transversal e, como ela não é deformável, este deslocamento é uniforme e inde-

pende da posição na seção. Portanto,

(6)

sendo PV, a densidade de massa do material da viga. Caso se deseje desconsiderar a compressão, basta fazer Uv = 0. Definindo o lagrangiano Lv da longarina como sendo.

Definindo o lagrangiano Lv da longarina como sendo

Lv = Tv − Vv (7)

a ação total Sv da longarina

(8)

é um funcional em uv e wv nas coordenadas x e t.

Acoplando casca e viga

Para representação do sistema casca-vigas, suas equações de movimento serão ob-tidas, assim como na seção anterior, usando-se Mecânica Lagrangiana. Os passos se-rão os seguintes:

1. definir o lagrangiano e a ação total do sistema somando-se o lagrangiano de cada viga ao da casca;
2. definir equações algébricas que representem o acoplamento entre a casca e as vigas;
3. reduzir o número de funções de deslocamento tanto quanto possível usando as restrições;
4. aplicar equações de Euler-Lagrange para obter as equações de movimento.

128

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Lagrangiano da casca

Valendo-se do trabalho de Leissa (23), tem-se que a energia de deformação Vc para uma casca de Donnell-Mushtari é

(9)

e a energia cinética Tc é

(10)

sendo que E, p e v são o módulo de Young, a densidade de massa e o coeficiente de Poisson do material do qual ela é construída, respectivamente, ß2 = h2/12R2 é o parâmetro adimensional de espessura da casca, e o operador

(12)

é o laplaciano em coordenadas cilíndricas. O lagrangiano da casca, portanto, é L = Tc + Vc. A teoria de casca de membrana pode ser obtida por simplificação, bastando fazer ß = 0.

Ação total do sistema, restrições de acoplamento e equações de movimento

Para definirmos a ação total do sistema, uma importante consideração deve ser feita: as longarinas estão distantes o suficiente entre si mesmas para que seus deslocamentos não afetem umas às outras. Isso implica que num ponto em que houver longarina, o movimento será governado pela equação acoplada da casca com a viga, enquanto num ponto só de casca e longe o suficiente de uma longarina, apenas as equações de casca atuam. Logo, para N longarinas posicionadas em θ1 … θn, a ação total do sistema é

(32)

sendo u(i), w(i) e L(i) os deslocamentos e lagrangiano da i-ésima viga.

As longarinas estão acopladas à casca de tal maneira que nas dadas posições θ = θi, com i = 1, . . , N, em que elas estejam, os deslocamentos transversais de suas linhas neu-

tras de flexão são iguais ao deslocamento radial da casca, e os deslocamentos longitudinais

129

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de suas seções transversais são iguais ao deslocamento longitudinal da casca naquelas posições. Algebricamente, pode-se escrever

(43)

(54)

Como estas equações definem vínculos holônomos, elas podem ser usadas para reduzir a de- pendência do funcional da Equação 12 de 3 + 2N funções para apenas três. Ao fazer isso, no entanto, perde-se informação de posições em que θ ≠ θi, o que resulta em equa-ções que descrevem o movimento apenas onde há longarinas. Por fim, pode-se simplificar a ação S ainda mais reaplicando- se a consideração inicial: não importa quantas longari-nas hajam, o comportamento de todas deve ser avaliado individualmente. Assim sendo, o somatório de de 1 a N será eliminado na Equação 12 e apenas uma longarina será considerara doravante.

Após simplificada, a ação total para a casca com uma longarina é

(65)

sendo L =Lc +Lv,e asequaçõesde Euler-Lagrange apropriadaspara minimizá-la são (23)

130

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Definindo ∇4= ∇2∇2, as equações de movimento resultantes são:

(76)

(87)

(18)

em que

Relação de dispersão

Os três deslocamentos da casca serão ondas harmônicas. A forma apropriada para cada uma delas é

(99)

sendo Un, Vn, e Vn a amplitude da onda, k é o número de onda axial, ω é a frequência angular e o parâmetro n é a ordem do modo de vibração circunferencial, cujas formas de 0

a 3 são mostradas na Figura 3. Substituindo o conjunto da Equação 19 nas Equações de 16 a 18 e eliminando os termos e−i(kx−wt),pode-se rearranjar na forma matricial [M]{U} = 0, sendo{U} = [UnVnWn]T e

(20)

que é a matriz de coeficientes, com

131

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onde K = kR, Ω = ωR/Cp e H = h/R são o número de onda, a frequência e a espessura da casca adimensionalizados. Por fim, como {U} = {0}, nos resta que

(21)

que é uma equação polinomial em K de oitavo grau para uma dada frequência Ω, e sendo ela a própria relação de dispersão do sistema.

Figura 3. Modos de vibração circunferenciais de uma casca cilíndrica

Acrescentando o fluido

A presença de fluido dentro do tubo resulta no chamado termo de carregamento do fluido 𝐹f 132

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descrito por Fuller e Fahy (12), que deve ser subtraído do elemento (3,3) da matriz de coeficientes [M] da Equação 20. Se o fluido estiver presente, então

(22)

(23)

sendo pf a densidade de massa do fluido, é o número de onda normalizado na direção radial, Kf=W(Cp⁄Cf) é o número de onda normalizado do fluido, Cf a velocidade de propagação do som no fluido, e Jn( ) a função de Bessel do primeiro tipo de

n-ésima ordem. A relação de dispersão passa agora a ser uma equação implícita em K de-vido a presença das funções de Bessel em Ff.

Simplificando a relação de dispersão

A matriz de coeficientes da Equação 20 pode ser simplificada fazendo considerações acerca do problema estudado. Primeiro, Fuller e Fahy (12) mostram que a maior parte da energia de vibração que se propaga em uma casca preenchida por fluido encontra-se nos casos em que n = 0 e 1. O primeiro é chamado de modo axissimétrico, e o segundo é o modo de viga. Contudo, como Gao et al. (15) bem observa, para um tubo enterrado no solo, o modo n = 1 não ocorre, tampouco há torção. Portanto, podemos adotar n = 0 e anular o deslocamento tangencial fazendo v = 0. A consequência é que as ondas harmônicas definidas no conjunto da Equação 19, deixam de depender de θ (daí o termo “modo axissimétrico”) e a Equação 17 desaparece completamente. Logo, todos os elementos de [M] perdem todas as parcelas que dependem de n e a própria matriz é reduzida de ordem três para dois. Hunaidi et al. (19), por sua vez, mostram que a maior parte do sinal de vazamento se encontra na água e embasam a consideração que muitos autores fazem — p.ex. Referências(4, 15, 25) — de que a frequência do sinal do vazamento está bem abaixo da chamada frequência de anel, que é aquela em que o comprimento de onda é igual à circunferência do tubo, isto é, quando K = 1. Com isso, é razoável eliminar os termos K3 e K4 por serem bem menores que a unidade. Ao fazer isso, o único termo remanescente da contribuição da longarina em M33

é Ω2(pv/p)(Av/HR2), o qual provém da flexão. Todavia, todos os termos de flexão da casca ou da longarina —K4 e, por consequência, ß foram eliminados. É, então, coerente eliminar

esta parcela também, o que leva à conclusão de que as ondas geradas por um vazamento não se propagam por flexão.

A matriz simplificada resultante é

133

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(24)

Caso não houvesse viga, isto é, anulando-se os termos ρv, Ev e Av, [M] seria a mes-ma matriz obtida pelas equações de Pinnington e Briscoe (17). Por último, seguindo es-

tes mesmos autores, pode- se simplificar Rf fazendo KR ® 0, o que faz com que J0(KR)⁄J′ (KR) ≈ −2⁄KR , e

(25)

fazendo com que det[M] seja uma função racional com polinômios em K de até quarto grau. Substituindo a Equação 25 em 24, a relação de dispersão então fica

(26)

sendo suas raízes dadas por P(K) = 0 com K ≠ Kf.

Ondas no fluido e na casca

Fuller e Fahy (12) observaram que há apenas dois modos de propagação de ondas axissimétricas abaixo da frequência de anel: uma onda chamada s = 1 cuja maior parte da energia se propaga pelo fluido, e outra onda s = 2 cuja maior parte da energia se propaga pela casca. Com isso pode-se simplificar ainda mais a Equação 26 usando as seguintes observações de Pinnington e Briscoe (26):

1. para uma onda s = 1 (no fluido), então maior que o de uma placa plana, com
2. para uma onda s = 2 (na casca), então

é muito maior que o do sistema casca-fluido.

, isto é, o número de onda é muito

, isto é, o número de onda no fluido

Ao se aplicar essas considerações individualmente, obtém-se uma ou ou-tra onda desejada.

Simulações numéricas

A fim de validar a modelagem matemática desenvolvida anteriormente, o Método dos Elementos Finitos implementado no COMSOL Multiphysics®(6) foi usado neste trabalho. Esta

134

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escolha foi feita para podermos comparar resultados provindos de formulações diferentes e in- dependentes entre si.

Uma representação ilustrativa do modelo usado nas simulações é mostrado Figura 4. A casca e as longarinas foram modeladas por elementos tridimensionais tetraédricos. O mo-delo foi excitado por deslocamento prescrito uniforme num de seus aros, enquanto o outro foi amor- tecido por uma força viscosa para reduzir a reflexão de ondas na fronteira. Por se tratar de uma pesquisa inicial, o fluido não foi incluído nas simulações. A malha final obedeceu às recomendações do COMSOL Multiphysics® de que nenhum elemento deva ter compri-mento maior que 1/6 do menor comprimento de onda esperado em simulações de onda, o que também já obedece a condição de convergência de Courant-Friedrichs-Lewy (7) de que as dimensões dos elementos não devem ser maiores que o menor comprimento de onda.

Figura 4. Representação do modelo usado nas simulações numéricas

número de onda pode ser medido por meio das funções de transferência TAB entre o deslocamento medido nos pontos A e B em x = a e x = b, respectivamente, com b > a, como

mostrado na Figura 4. Usando a Equação 19, para ondas axissimétricas e com atenuação, ou seja n = 0 e k = kRe + iklm, os deslocamentos axiais em A e B são

(27)

(28)

Tomando a transformada de Fourier { }em relação tempo t de ua(t) euB(t), e calcu-lando a função de transferência TAB = {uB(t)}/{uA(t)} ,tem-se

135

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com d = b − a, ‖ ‖ e ɸ(ω) sendo o módulo e a fase de um número complexo, respecti-

vamente, no caso, de TAB. Comparando-se as equações acima e, lembrando que é sempre real, e tem sempre módulo igual à unidade, então

Como existe acoplamento entre os deslocamentos radial e longitudinal, ωA(t)e ωb(t) também podem ser usados para estimar k sem perda de generalidade

RESULTADOS

Propriedades mecânicas do modelo

A casca usada neste trabalho foi baseada num tubo de policloreto de vinila (PVC) comercial com diâmetro externo de 50 mm e parede de 3 mm, que são geralmente usa-dos nos ramais de distribuição de água em regiões residenciais. A densidade do material foi medida usando-se um picnômetro, e seu módulo de Young foi calculado medindo-se a frequência natural de uma amostra anular excitada por um shaker, como mostrado na Figura 5, e aplicando-se as fórmulas de frequências naturais de anéis apresentadas por Blevins (2). As longarinas têm seção transversal quadrada cuja aresta mede o mesmo que a espessura do tubo, e são feitas de aço estrutural. Os fatores de perda adotados foram o mesmo usado por Gao et al. (15) para a casca, e o medido por Jung et al. (21) para as longarinas. O fluido adotado foi a água. A Tabela 1 resume as propriedades mecânicas e os parâmetros geométricos usados, sendo que para as simulações numéricas modelou-se uma casca de 25 cm de comprimento. Uma casca tão curta foi usada para que a não houvessem ressonâncias significativas abaixo de 1kHz.

Tabela 1. Propriedades dos materiais de construção e parâmetros geométricos da casca, das longarinas e do fluido.

Propriedade

Densidade (kg/m³) Módulo de Young (GPa) Coeficiente de Poisson

Fator de Perda

Tubo (plástico)

1.544 1,644 0,4

6.10−2

Longarina (aço)

7.800 200,0 0.3

2,3.10−2

Fluido (água)

1.000 − −

− 136

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Propriedade

Raio (mm) Espessura / Aresta (mm)

Velocidade do Som (m/s)

Tubo (plástico)

50 3

−

Longarina (aço)

0,05 0,003

−

Fluido (água)

− −

1.500

Resultados da relação de dispersão

Usando-se os dados da Tabela 1, pode-se calcular as raízes da relação de dispersão da Equação 26, mostradas na Figura 6.

Figura 5. Anel de plástico extraído do tubo de PVC e acoplado a um shaker com um acelerômetro.

Calculando também asvelocidades adimensionais e reu-nindo os resultados na Tabela 2, é possível perceber a influência do fluido na propagação.

Tabela 2. Velocidades médias de propagação.

Caso Velocidade, C (m⁄s)

Casca 1.030

Cp = c/Re{Cp }

0,916

Ct = C/Ct

0,687

Casca+ fluido (s = 1) Casca+ fluido (s = 2) Casca+ longarina

Casca+ longarina + fluido (s = 1)

Casca+ longarina + fluido (s = 2)

314,3 0,279 0,210 1.121 0,997 0,747 3,267 2,91 2,18 340,1 0,302 0,227

3.285 2,92 2,19

É conveniente também introduzir uma medida de atenuação x1⁄2:

(29)

que é a meia-distância da onda, isto é, distância percorrida por ela para que sua am-plitude decaia pela metade do valor inicial.

137

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figura 6. Raízes da relação de dispersão da Equação 26.

Figura 7. Meia-distância calculada para vários casos.

Para avaliar comparativamente as mudanças na atenuação, podemos calcular o coe-ficiente de atenuação m, que definimos como sendo o coeficiente angular das curvas da Figura 6b, e cujos valores foram calculas por regressão linear e estão listados na Tabela 3.

138

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Tabela 3. Coeficiente de atenuação (m) e razão de amplitude relativa (r/rcasca).

Caso Casca

Casca+ fluido (s = 1) Casca+ fluido (s = 2) Casca+ longarina

Casca+ longarina + fluido (s = 1)

Casca+ longarina + fluido (s = 2)

m 1,83.10−4 5,84.10−4 1,67. 10−4 5,57.10−6 5,28. 10−4

6,06.10−6

casca

1,00 1,85.10 4,81.10−2 3,16.10−1 2,41.102

1,66.10−2

Outro importante resultado é a razão entre deslocamento radial W0 e o longitudinal U0. Retornando à matriz [M] da Equação 24 e reescrevendo o sistema [M]{U0 W0}r = 0, temos que M11U0 + M12W0 = 0 e M21U0 + M22W0 = 0. Substituindo as raízes K em [M] para obtermos

seus elementos, a razão de amplitudes r é

(30)

cujo resultado é mostrado na Figura 8. Como a proporção entre as curvas é aproxima-damente constante, podemos usar regressão linear novamente e calcular o valor médio de

r/rcasca, que é a razão entre r e a razão de amplitude do caso mais simples da casca rcasca, e cujos resultados estão listados na Tabela 3.

Figura 8. Razão de amplitude entre deslocamento radial e longitudinal.

Resultados das simulações numéricas

As simulações numéricas foram realizadas no domínio do tempo. O deslocamento prescrito para o aro excitado foi um seno com frequência variando linearmente de 50 a 1.000 Hz em 0,1s, e com amplitude de 0,1 mm. O recíproco do passo no tempo foi de 12,8 kHz. Foram simuladas a casca sem longarinas e com N = 2 e 4 longarinas espaçadas uni-formemente entre si. Não foi possível testar casos com mais de quatro longarinas devido

139

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

ao alto custo computacional, pois mesmo com a malha muito refinada houve problemas de convergência na simulação.

As funções de transferência TAB foram calculadas em relação a entrada (x = 0) e me-dindo- se o deslocamento longitudinal em ponto sexplícitos do modelo, que são mostrado na

Figura 9, onde também estão destacados os aros excitado e amortecido. Houve pouquíssima diferença nos resultados se os dados fossem calculados num ponto numa longarina ou na casca na mesma posição em x, o que evidencia o fato de que a vibração é estacionária na direção tangencial. Os resultados de número de onda e razão de amplitude, então, foram calculados como sendo média aritmética dos resultados de todos os pontos, sem fazer dis-tinção entre pontos de longarina ou de casca.

O resultado do número de onda é mostrado na Figura 10. Observa-se que há bas-tante coerência entre os dados simulados e o resultado analítico no caso sem longarinas e para duas longarinas. Para quatro longarinas, o número de onda da simulação é menor que o predito pelo modelo, o que evidencia que a quantidade de longarinas deveria ter sido considerada matematicamente. Nota-se que este caso tendeu a uma casca cilíndrica metá-lica do mesmo material que as longarinas, o que sugere que exista um número mínimo de longarinas para que uma casca de plástico enrijecida seja considerada como equivalente a uma casca metálica.

Para calcularmos a razão de amplitude entre deslocamento radial e longitudinal r, basta aplicar a transformada de Fourier ao deslocamentos, ou seja,

. Com isso, obtemos o gráfico da Figura 11.

Figura 9. Modelo 3D usado no COMSOL Multiphysics®.

140

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Figura 10. Comparação entre o número de onda do modelo analítico e simulado por elementos finitos.

Figura 11. Comparação entre a razão de amplitude do modelo analítico e a simulada por elementos finitos.

DISCUSSÃO

Nota-se que a parte real (Figura 6a) tem comportamento bastante linear em função da frequência, o que indica que a propagação é muito pouco dispersiva. Se a considerar-mos como não-dispersiva, podemos obter a velocidade propagação c usando regressão linear, utilizando a equação , que é o inverso do coeficiente angular das curvas da Figura 6a.

As ondas no fluido (s = 1) são mais lentas que aquelas num fluido livre se propagando

a cf, enquanto que as ondas na casca (s = 2) são um pouco mais rápidas que as que se propagam numa casca vazia. A presença da longarina, por sua vez, causa um aumento da

rigidez do sistema, o que aumenta a velocidade de todos os tipos ondas.

141

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A parte imaginária do número de onda (Figura 6b), assim como a real, também tem comportamento linear e mostra que quanto maior a frequência, maior a atenuação.

O resultando da Equação 29 mostrado no gráfico da Figura 7 ajuda a interpre-tar os resultados:

Aatenuação é bem maior em ondas no fluido (s = 1) do que na casca (s = 2). Acima de 100 Hz as ondas no fluido decaem pela metade em menos de 10 m, enquanto que na casca, valores menores que essa meia-distância só acontecem para frequ-ências acima de 400 Hz.
Apesar de aumentar um pouco a velocidade de propagação, o fluido pouco altera a atenuação de ondas na casca (s = 2) quando comparada à casca vazia, assim como a longarina pouco influencia a velocidade das ondas no fluido (s = 1).
Aatenuação de ondas na casca (s = 2) reduz-se bastante quando se adicionam as longarinas, sendo bastante próxima daquela da casca vazia com longarina.

Pode-se observar que para uma casca com fluido, mas sem longarinas, a atenuação é muito maior em ondas no fluido (s = 1) do que na casca (s = 2). E também, mesmo que a longarina quase não mude a atenuação de ondas no fluido (s = 1), ao adicioná-las a ate-nuação em ondas na casca (s = 2) cai para menos de 4% do seu valor original, sendo que a mesma tendência é vista pode ser vista comparando-se uma casca vazia não-enrijecida com a enrijecida.

A melhora inesperadamente grande na atenuação talvez possa ser explicada por uma limitação do modelo analítico: ele não prevê a transmissão de energia entre a longarina e a casca, possivelmente consequência de vibração estacionária na direção tangencial, que re-sultaria em atenuação na direção longitudinal devido à demanda de energia na outra direção. Grice e Pinnington (17) demonstram a existência desse efeito para uma placa plana infinita enrijecida por uma viga. Seu método, entretanto, não pode ser diretamente estendido para uma casca cilíndrica porque nesta há propagação em apenas uma direção, enquanto que no problema da placa infinita há duas. Esta é uma limitação de todas as teorias de casca cilíndricas, pois elas consideram que a onda é estacionária em direções transversais ao eixo, o que é evidenciado pela presença dos termos seno e cosseno no conjunto da Equação 19 é ilustrado pelos modos circunferenciais da Figura 3. A inclusão deste fluxo de energia acrescentaria pelo menos mais um número de onda imaginário à relação de dispersão do sistema, estando ele relacionado a uma vibração evanescente partindo da longarina e trans-versal a seu eixo. Isto, por sua vez, modificaria o modo circunferencial da casca e, portanto, sua inclusão dependeria da escolha apropriada da forma do modo, o qual dependeria do

número de longarinas. 142

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

A presença da longarina acentua as características dos casos sem ela: quando não há fluido, as ondas na casca são predominantemente longitudinais, sendo que a presença da longarina reduz quase 2/3 a razão de amplitude, o que mostra um favorecimento da direção longitudinal; para ondas s = 1, a razão aumenta 10 vezes, e cai 2/3 para ondas s = 2.

As observações feitas até agora somadas aos resultados da Figura 7 sugerem que para aumentar a eficácia da adição de longarinas, deve-se fazer medições na direção longi-tudinal na intenção de detectar ondas s = 2. Entretanto, os trabalhos de Fuller e Fahy (12), Pinnington e Briscoe (26) e Hunaidi et al. (19) combinados mostram que o sinal gerado pelo vazamento pode ser melhor medido no fluido e, caso o uso de hidrofones seja inviável, as ondas s = 1 são melhores detectadas no deslocamento radial para tubos de baixa rigidez, como o plástico.

Simulações numéricas

Apesar de não ser possível quantificar a atenuação na simulação para corroborar esta conjectura, o fato da parte real do número de onda ter seguido a predição, sugere que a atenuação na casca enrijecida deve ser menor que na casca não-enrijecida.

Segundo a Figura 11, novamente, o caso sem longarina se ajusta bem aos valores teó-ricos, enquanto que os demais, desviam. Para duas longarinas, há um aumento expressivo do deslocamento radial. Isso se explica pelo fato de que o modo circunferencial ali é n = 2, o qual, para cascas cilíndricas finitas, tem frequência natural menor que o modo n = 0 e, por-tanto, é o mais fácil de ser excitado(24). Para quatro longarinas, a razão se reduz um pouco, mas ainda é superior ao valor predito. Suspeita-se que quanto maior o número de longarinas, maior é n, o que torna a forma do modo circunferencial mais próxima de n = 0. É possível que a presença do solo em volta de um tubo com longarinas restrinja o deslocamento radial de tal forma que a razão n tenda ainda mais para a predição devido a participação reduzida de modos n ≠ 0, os quais já nem são observados num tubo comum enterrado.

CONCLUSÃO

Este trabalho propôs o uso de longarinas metálicas longitudinais para reduzir a ate-nuação de ruído de vazamento em tubos de plástico, para que se possa aumentar a dis-tância máxima de detecção de vazamento usando técnicas vibro acústicas. O tubo com longarinas foi modelado como uma casca cilíndrica longitudinalmente enrijecida, e suas equações de movimento foram desenvolvidas usando Mecânica Lagrangiana. A relação de dispersão do sistema foi obtida usando-se ondas harmônicas, e foi simplificada conside-

rando-se frequências abaixo da frequência de anel do tubo. Os resultados analíticos foram

143

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

contrapostos com resultados de simulações numéricas usando um modelo de elementos finitos. A partir do estudo dos modelos analítico e numérico, pode-se resumir os resultados nas seguintes conclusões:

As equações mostram uma redução bastante expressiva da atenuação, mas estes da-dos não são definitivos devido a limitação do modelo desenvolvido que não prevê transmissão de energia entre a casca e as longarinas, nem a presença de modos não-axissimétricos.

O enrijecimento da casca é maior no modelo de elementos finitos do que no analítico, resultando em ondas de comprimento que tendem ao comprimento de ondas numa casca metálica com o aumento do número de longarinas.

A concordância dos valores dos modelos analítico e numérico para a parte real do número de onda, mais a tendência da casca enrijecida de se comportar com uma casca metálica, sugerem que a parte imaginária do número de onda, que não pôde ser medida nas simulações do modelo de elementos finitos, é menor que numa casca não-enrijecida, reduzindo a atenuação como desejado.

AGRADECIMENTOS

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Código de Financiamento 001. Além disso, ele foi fruto da orientação dos Profs. Amarildo T. Paschoalini e Márcio A. Bazani, a quem agradeço e peço que passem adiante minha gratidão a todos da Unesp que contribuíram direta ou indireta- mente para o desenvolvimento dele, especialmente para meus colegas do Labsin. Em especial, agradeço: aos meus pais, irmão e irmã, pois, assim como antes, ainda agora suportam comigo a distância que nos separa; aos amigos que perduram há anos e que escolho não nomear para que não incorra no erro de esquecer alguém, mas que ao lerem isto espero que saibam que falo deles e que sou grato por combaterem comigo mi-nha solidão; a Dijiane R. de Paula, Fernanda C. de Almeida e Otávio D. Z. Boaventura, que contribuíram de forma muito valiosa durante minha estada nesta cidade; a Noir e Fernanda Aranha, que me proporcionaram ensinamentos e experiências maravilhosas dentro e fora de rodas de capoeira; e a todos aqueles com quem convivi por me engrandecerem e forta-lecerem. Muito obrigado a todos.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

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Síntese direta e caracterização da peneira molecular mesoporosa AL-SBA-15 impregnada com trióxido de molibdênio

Bruno Taveira da Silva Alves UFCG

Joyce Salviano Barros de Figueiredo UFCG

Ruth Nóbrega Queiroz UFCG

Bianca Viana de Sousa Barbosa UFCG

José Jailson Nicácio Alves UFCG

10.37885/210203029

RESUMO

Os materiais mesoporosos têm sido de grande interesse da indústria e da comunidade acadêmica, devido a sua aplicação na área de catálise. A peneira molecular SBA-15 possui elevada área superficial, alto diâmetro médio de poros e estabilidade térmica que tornam este material muito promissor para a catálise. Porém, devido a inexistência de sítios superficiais ativos, a SBA-15 apresenta baixo desempenho catalítico em dife-rentes reações químicas. Em decorrência disso, o trióxido de alumínio foi incorporado a estrutura da SBA-15 por meio de síntese direta e posteriormente, o trióxido de molibê-nio foi impregnado neste precursor catalítico pelo método de saturação de volume de poro. O precursor catalítico e o catalisador foram caracterizados por meio das análises:

termogravimétrica, difratometria de raios X e adsorção física de N2. Os resultados obti-dos pelas caracterizações apresentaram a obtenção de uma estrutura hexagonal bem

ordenada típica de materiais mesoporosos como a SBA-15 e confirmou a presença de picos característicos do trióxido de molibdênio na superfície da estrutura mesoporosa.

Palavras–chave: Materiais Mesoporosos, SBA-15, Trióxido de Alumínio, Trióxido de Molib-dênio, Catálise Heterogênea.

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INTRODUÇÃO

Sólidos microporosos e mesoporosos com combinações únicas de propriedades estru-turais têm demonstrado um potencial considerável para o desenvolvimento de processos e materiais projetados por atender a uma série de desafios ambientais e tecnológicos. Esses materiais são destinados a aplicações em uma série de processos industriais, incluindo troca iônica, refino de petróleo e indústrias petroquímicas, catálise e adsorção, separação de gás, agricultura, entre outras (ZHOLOBENKO et al., 2008).

Em um contexto, onde os processos químicos fazem uso de fases homogêneas, pesqui-sas envolvendo síntese e utilização de catalisadores heterogêneos são de ampla relevância na indústria química, pois possuem vantagens como, a reutilização destes catalisadores nas reações químicas. A diversidade de estruturas permite focalizar suas aplicações para produção de insumos e produtos importantes para petroquímica e química fina. O poten-cial de aplicação das peneiras moleculares mesoporosas é muito vasto, pois devido a sua grande área superficial e tamanho de poros uniformes, é possível modificar a sua estrutura a partir da incorporação de íons metálicos, conferindo aos materiais porosos sítios ativos, que aumentam sua atividade e seletividade catalítica (CAO et al., 2018).

Entre os materiais mesoporosos existentes, a peneira molecular mesoporosa SBA-15 sintetizada pela primeira vez por Zhao et al., (1998a) em 1998, tem se destacado devidos as suas características como: poros tubulares uniformes, arranjos de canais hexagonais, além de possuir uma alta estabilidade hidrotérmica, área superficial elevada superior a 800 m2/g, espessura de parede na ordem de 31 a 64 Å e diâmetros de poros ajustáveis até 300 Å (MEYNEN et al., 2009). No entanto, devido à ausência de sítios superficiais ativos, a SBA-15 apresenta baixo desempenho catalítico. Para suprir esta necessidade, diferentes óxidos de metais têm sido incorporados nesta estrutura mesoporosa (KUMARAN et al., 2008). Sendo que, a maior dificuldade na incorporação dos óxidos de metais na estrutura mesoporosa da SBA-15 está em manter suas propriedades.

A incorporação dos óxidos de metais realizada por síntese direta ou método hidrotér-mico é o processo no qual ocorre a condensação do precursor do íon metálico juntamente com o precursor da espécie de silício na presença do surfactante antes da etapa de sínte-se hidrotérmica. Neste método, o objetivo substituir isomorficamente na rede da sílica os átomos de silício pelos respectivos íons metálicos (ARAÚJO, 2013; SCHWANKE et al., 2016). Já a técnica de impregnação parte-se de uma solução do metal com concentração suficiente para atingir determinado teor sobre um suporte, variando o tempo, a temperatura e o pH para adsorver a fase ativa, tal que após a secagem e calcinação o metal esteja fixa-do e estável. O suporte pode ser inerte ou parcialmente ativo, mas com propriedades bem

definidas. Quando a impregnação é feita com uma solução para preenchimento dos poros, 149

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conhecendo-se previamente o volume dos mesmos, denomina-se impregnação seca. Quando o suporte é um material pulverizado (pó), o volume necessário é significativamente maior que o volume dos poros e a impregnação é chamada impregnação úmida (SCHMAL, 2011). A incorporação de heteroátomos de alumínio na estrutura da SBA-15 permite a cria-

ção de sítios ácidos de Bronsted, que são essenciais para reações catalisadas por ácido (LI et al., 2004). A peneira molecular Al-SBA-15 com sua estrutura única, características de superfície, boa estabilidade térmica e resistência mecânica fazem com esta peneira molecular tenha maior atividade catalítica do que os catalisadores de alumina tradicionais durante a reação. É eficaz preparar Al-SBA-15 usando o processo de síntese hidrotérmica, adicionando agente de molde orgânico (SOCCI et al., 2019).

Os catalisadores de trióxido de molibdênio (MoO3) estão associados a processos de redução e oxidação, uma vez que o alto estado de oxidação deste tipo de metal pode pos-

sibilitar a sua atuação tanto como sítios ácidos de Lewis quanto de Brönsted-Lowry. Este óxido é amplamente empregado na indústria química em vários tipos de reações, tais como: hidrodessulfurização (REN et al., 2008), hidrogenação (NARES et al., 2009), hidrodenitro-genação, hidrocraqueamento, etc. (ZHAO et al., 1996). Em virtude destas características químicas, a aplicação destes óxidos, como fases ativas, é bastante promissora na área da catálise heterogênea (SILVA, 2011).

Com o desenvolvimento deste trabalho tem-se a finalidade de produzir um catalisador que reúna as características ideais para promover uma alta conversão do óleo de soja em ésteres metílicos, sintetizando a peneira molecular Al-SBA-15 a partir do método hidrotér-

mico, seguido da impregnação da peneira com trióxido de molibdênio (MoO3), que tem a finalidade de gerar sítios ácidos reativos na superfície da peneira molecular Al-SBA-15,

visando aperfeiçoar o desempenho catalítico na catálise heterogênea.

OBJETIVO

Sintetizar um catalisador heterogêneo, modificando a estrutura da peneira molecular SBA-15 através da introdução de heteroátomos de alumínio em sua estrutura, por meio de

síntese hidrotérmica direta para posterior impregnação do MoO3 por meio do método de saturação de volume de poro, com a finalidade de obter um catalisador com propriedades

ácidas e alta atividade catalítica.

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MÉTODOS

Síntese direta da peneira molecular Al-SBA-15

A peneira molecular mesoporosa Al-SBA-15 utilizada como suporte catalítico para preparação do catalisador foi sintetizada a partir de uma adaptação da metodologia descrita

por Zhao et al. (1998b) e Li et al. (2016). O gel obtido apresenta a composição molar: 1SiO2: 0,017P123: 4,96HCl: 0,054Al2O3: 35,42EtOH.

Inicialmente, dissolveu-se o copolímero tribloco Pluronic P123 em uma solução aquosa

de HCl (1,6 molL–1) a uma temperatura de 35 °C sob agitação até a completa dissolução. Após obter a mistura homogênea, adicionou-se o tetraetilortosilicato (TEOS) de forma gotejada ao

meio reacional. Em outro recipiente, dissolveu-se o nitrato de alumínio (Al(NO3)3‧9H2O) em etanol e uma solução de HCl (1,6 moL–1), onde manteve-se sob agitação à 35 °C. Misturou-

se as duas soluções e levou-se para o roto evaporador, onde permaneceu por 24 horas à 40 °C. O gel obtido foi armazenado em cadinhos de teflon, que foram colocados em auto-claves de aço inoxidável e levados para a estufa para o processo de cristalização a uma temperatura de 100 °C durante 48 horas. Após este período, o material foi resfriado até a temperatura ambiente e em seguida foi lavado com água deionizada em uma bomba à vácuo, para remover o excesso de direcionador. A lavagem foi finalizada quando o filtrado atingiu o pH neutro. A secagem do material foi realizada em uma estufa a 60 ºC, durante 24 horas. A peneira molecular foi ativada por calcinação sob fluxo de ar sintético, da temperatu-

ra ambiente até 550 °C, com taxa de fluxo de 150 mL.min–1 e rampa de aquecimento de 5 °C.min–1, permanecendo nestas condições por 6 horas, para completa remoção do direcio-nador de estrutura e para decomposição do sal precursor de alumínio.

Impregnação do trióxido de molibdênio na peneira molecular Al-SBA-15

A incorporação do sal molibdato de amônio [(NH4)6Mo7O24‧4H2O] à peneira molecular Al-SBA-15 foi realizada através do método de impregnação por saturação de volume de

poro (impregnação seca). Os percentuais de MoO3 adotado para a incorporação foi de 10 e 15% em massa. Inicialmente, pesou-se a massa de sal requerida em relação ao percentual

de óxido de molibdênio desejado e dissolveu-se em um volume de água deionizada. O vo-lume de água utilizado na diluição do sal foi proporcional ao volume de poros do material mesoporoso. Em seguida, dispersou-se a solução no suporte até atingir a saturação dos poros do mesmo. Após a impregnação, o material foi seco em estufa na temperatura de 60 °C durante 24 horas.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

A ativação do catalisador foi realizada por meio de um processo de calcinação sob fluxo de ar sintético, da temperatura ambiente até 550 °C, com taxa de fluxo de 150 mL.min–1 e rampa de aquecimento de 5 °C.min–1, permanecendo nestas condições por 6 horas.

Caracterização da peneira molecular Al-SBA-15

Análise termogravimétrica (TG/DrTG): A análise térmica foi realizada utilizando um Thermogravimetric Analyzer TGA-51 Shimadzu acoplado a um computador monitorado pelo Software TA-60 WS Collection Monitor. As amostras foram analisadas na escala de 30 a 1000 ºC, a uma taxa de aquecimento de 5 ºC·min–1 e uma taxa de fluxo de ar de 50 mLmin–1. Difratometria de Raios-X: Foi realizada a partir do método de pó, utilizado o equipa-mento SHIMADZU XRD-6000® com radiação CuKa, operando à uma tensão de 40 kV, uma de corrente 30 mA, tempo por passo de 0,60s e varredura em diferentes intervalos, sendo

de 2θ= 0,5º à 10º e 2θ= 1,5º à 60º.

Adsorção física de N2: Os materiais sintetizados foram caracterizados a partir da adsor-ção e dessorção de N2 à aproximadamente 77 K, utilizando o equipamento Quantachrome® version 3.01, a adsorção e dessorção de N2 foi analisada pelo método de BET.

RESULTADOS

Análise termogravimétrica (TG/DrTG) da peneira molecular Al-SBA-15

A Figura 1 apresenta a curva termogravimétrica da peneira molecular Al-SBA-15, a partir da qual foi possível determinar a temperatura de decomposição do sal precursor do alumínio.

Figura 1. Curva termogravimétrica da peneira molecular Al-SBA-15.

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Difratometria de raios X da peneira molecular Al-SBA-15

A Figura 2 mostra o difratograma de raios X da peneira molecular SBA-15 modifi-cada com alumínio.

Figura 2. Difratograma de raios X da peneira molecular Al-SBA-15.

A Tabela 1 mostra os parâmetros cristalográficos da peneira molecular Al-SBA-15 obtidos por DRX.

Tabela 1. Parâmetros cristalográficos da peneira molecular Al-SBA-15.

Peneira Molecular

Al2O3-SBA-15

2θ hkl

0,89 1 0 0

d100(Å) a0(Å)

99,96 115,42

Adsorção física de N2 da peneira molecular Al-SBA-15

O perfil da isoterma de adsorção e dessorção de N2 e o diâmetro de poro da peneira molecular Al-SBA-15 estão apresentados na Figura 3.

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Figura 3. a) Isotermas de adsorção e dessorção da peneira molecular Al-SBA-15; b) Gráfico de distribuição do tamanho de poros da peneira molecular Al-SBA-15.

Análise termogravimétrica (TG/DrTG) do catalisador 15MoO3/Al-SBA-15

A Figura 4 apresenta a curva termogravimétrica do catalisador 15MoO3/Al-SBA-15, a partir da qual foi possível determinar a temperatura de decomposição do sal precur-

sor do molibdênio.

Figura 4. Curva termogravimétrica do catalisador 15MoO3/Al-SBA-15.

Difratometria de raios X da peneira molecular Al-SBA-15 impregnada com MoO3

Na Figura 5 está apresentado o difratograma da peneira molecular Al-SBA-15 impreg-nada com 10 e 15% de MoO3 em massa.

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Figura 5. Difratograma de raios X dos catalisadores (a) 15MoO3/Al-SBA-15 e (b) 10 MoO3/Al-SBA-15.

Adsorção física de N2 da peneira molecular Al-SBA-15 impregnada com MoO3

Na Figura 6 está apresentado os perfis de isoterma de adsorção e dessorção de N2 e o diâmetro de poro dos catalisadores com 10 e 15% de MoO3 em massa.

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Figura 6. Isotermas de adsorção e dessorção dos catalisadores (a) 15MoO /Al-SBA-15 e (b) 10 MoO /Al-SBA-15; e distribuição do tamanho de poros dos catalisadores (c) 15 MoO3/Al-SBA-15 e (d) 10 MoO3/Al-SBA-15.

As propriedades texturais do Al-SBA-15 e x_MoO3/Al-SBA-15 (x = 10, 15% em massa) são mostrados na Tabela 2.

Tabela 2. Propriedades texturais da peneira molecular Al-SBA-15 e dos precursores catalíticos xMoO /Al-SBA-15 (x = 10, 15% em massa).

Peneira Molecular

Al-SBA-15 10MoO3/Al-SBA-15

15MoO3/Al-SBA-15

SBETa (m2.g–1)

655,48 311,08

199,28

Sext (m2.g–1)

566,67 256,36

163,34

VPmicro (cm3.g–1)

0,0341 0,0222

0,0148

VPmes (cm3.g–1)

1,024 0,5095

0,4405

VPb Dpc BJH (cm3.g–1) (Å)

1,0696 72,36 0,5760 80,83

0,4385 89,22

a: área de superfície específica determinada pelo método Brunauer-Emmett-Teller (BET); b: volume total de poro registrado em p/p0 = 0,99;

c: diâmetro do poro calculado pelo método Barrett-Joyner-Halenda (BJH).

DISCUSSÃO

Análise termogravimétrica (TG/DrTG) da peneira molecular Al-SBA-15

Na Figura 1 é possível observar duas faixas de temperatura onde ocorrem dois even-

tos que podem ser verificados pela perda de massa. No primeiro evento (I), na faixa de 156

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temperatura entre 28 e 96,7 °C há uma perda de massa de 2,58% que corresponde a des-sorção da água fisissorvida na cavidade porosa da peneira molecular, e no segundo evento (II) que vai da faixa de 96,7 até 399 °C ocorre uma perda de massa de 46,28% que está associada à dessorção e decomposição do agente direcionador de estrutura (P123) e do sal precursor do alumínio (MARINHO, 2016).

Difratometria de raios X da peneira molecular Al-SBA-15

A partir do difratograma de raios X, Figura 2 (a), pode-se confirmar a obtenção da peneira molecular mesoporosa Al-SBA-15. Em 2θ = 0,5 à 10º é possível perceber que o pico apresentado no plano (1 0 0) refere-se à formação da estrutura mesoporosa e os picos apresentados no plano (1 1 0) e (2 0 0) referem-se a uma estrutura de simetria hexagonal, ou a presença de tubos de sílica organizados na forma hexagonal conforme descrito por Zhao et al. (1998a).

O pico alargado em 2θ = 23,71° apresentado no intervalo de 2θ = 10 à 60º na Figura 2 (b) é característica de materiais de sílica amorfo que é típica da SBA-15. Neste mesmo intervalo, percebe-se a ausência de picos característicos do trióxido de alumínio, que pode ser atribuído ao fato de que na síntese hidrotérmica os átomos de alumínio se ligam dire-tamente na estrutura da peneira molecular SBA-15. CABRERA-MUNGUIA et al. (2017) obtiveram resultados similares ao deste trabalho ao sintetizarem Al-SBA-15, onde verifica-

ram que houve ausência de picos do trióxido de alumínio (Al2O3) indicando que o alumínio está ligado diretamente na estrutura da SBA-15 e não interagindo superficialmente, sendo

indicativo de que houve incorporação do heteroátomo.

Zhao et al. (1998a) obtiveram uma distância interplanar d100= 95,7 Å e um parâmetro de célula unitária (a0) = 110 Å. Comparando esses valores com os apresentados na Tabela 1 são maiores que os valores obtidos por Zhao et al. (1998a) o que indica que o alumínio

pode estar incorporado no interior das paredes da SBA-15.

Adsorção física de N2 da peneira molecular Al-SBA-15

Na Figura 3 (a) observa-se que para a peneira molecular foi obtida uma isoterma do tipo IV, com “loop” de histerese do tipo H1. Leofanti et al. (1998) classificam a isoterma do tipo IV para materiais mesoporosos. A presença da histerese do tipo H1 resulta da conden-sação capilar que ocorre dentro dos mesoporos do material e é característica de materiais com sistema de poros cilíndricos ou feitos a partir de aglomerados de partículas esferoidais.

Por meio da análise da isoterma de adsorção, observou-se três regiões distintas. Na pri-

meira, a baixas pressões, em P/P0 < 0,2 corresponde à adsorção de N2 na monocamada. A se-

gunda região, corresponde ao intervalo P/P0= 0,65 – 0,79, ocorre a condensação capilar típica 157

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

dos materiais mesoporosos, com “loop” de histerese. Na terceira região, em P/P0 > 0,79 ocorre a adsorção nas multicamadas na superfície externa das partículas (ZHOU et al., 2015).

Na Figura 3 (b) observa-se a distribuição de diâmetro de poros, onde percebe-se um diâ-metro médio de 32,38 Å, característico de um material mesoporoso uniforme do tipo unimodal.

Análise termogravimétrica (TG/DrTG) do catalisador 15MoO3/Al-SBA-15

Através da análise das curvas TG representadas na Figura 4, verificou-se a presença

de quatro eventos de perda de massa no catalisador 15MoO3/Al-SBA-15. Sendo o evento (I): na faixa de 23 a 303 ºC com perda de 23,71%, essa perda é referente a dessorção de

água fisissorvida na cavidade porosa e também decorrente da decomposição do sal mo-libdato de amônio tetrahidratado. O evento (II) na faixa de temperatura de 663 ºC até 756 ºC, em que a perda de massa é de 8,04%, é atribuído ao processo de fusão do óxido de molibdênio. O evento (III) ocorre da temperatura 756 ºC até 871,5 ºC com perda de 5,2%, sendo decorrente do processo de sublimação do molibdênio (ZARE et al., 2017).

Difratometria de raios X da peneira molecular Al-SBA-15 impregnada com MoO3

Através dos difratogramas de raios-X da Figura 5 foram identificadas às espécies de óxidos de molibdênio cristalinos formados após o processo de calcinação das amostras im-

pregnadas com o sal precursor heptamolibdato de amônio tetrahidratado (NH4)6Mo7O24‧4H2O. Verifica-se nos difratogramas do material 15MoO3/Al-SBA-15, Figura 5 (a), a presença

de vários picos de difração correspondendo a cristais de a-MoO3 com estrutura ortorrômbica (grupo espacial Pbnm) com os picos mais estreitos e nítidos nos ângulos 2θ = 12,7º; 23,3º;

25,3º e 27,4º na qual a orientação do cristal estão nos índices de Miller (0 2 0), (1 1 0), (0 4 0) e (0 2 1), respectivamente. Além disso, as amostras podem conter uma pequena quantidade

de fase b-MoO3 metaestável, pois os padrões de difração das duas fases cristalinas são bastante semelhantes (GONZÁLEZ et al., 2018). No catalisador 10MoO3/Al-SBA-15, Figura 5 (b), é possível notar a presença de alguns picos característicos, mas em menor intensidade.

Devido a menor concentração de trióxido de molibdênio, houve uma menor dispersão do

mesmo na superfície externa dos materiais com 10% de MoO3 quando comparado com os que possuem maior teor do óxido.

Os referentes picos que indicam as espécies de trióxido de molibdênio foram identifica-dos em colaboração com a biblioteca do International Center for Diffractional Data (JCPDS), com o auxílio da carta cristalográfica Nº JCPDS 00-005-0508.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Adsorção física de N2 da peneira molecular Al-SBA-15 impregnada com MoO3

A Figura 6 apresenta as isotermas referentes aos materiais (a) 15MoO3/Al-SBA-15 e (b) 10MoO3/Al-SBA-15 que foram dopados com MoO3 através do método de impregnação por saturação de volume de poro (via seca). Pode-se perceber que para todos os catalisadores

foram obtidas isotermas do tipo IV com “loop” de histerese do tipo H1.

Para ambos os catalisadores é possível observar a presença de três regiões distin-

tas. A primeira, a baixas pressões relativas, ou seja, (P/P0) < 0,2 corresponde à adsorção de N2 na monocamada; A segunda com intervalo entre (P/P0) ≈ 0,45 – 0,8, ocorre a conden-sação capilar característica dos materiais mesoporosos, a curva apresenta “loop” de histe-

rese do tipo H1; a terceira, (P/P0) > 0,8, ocorre a adsorção nas multicamadas na superfície externa das partículas.

A partir da Figura 6 (c, d) pode-se constatar que os catalisadores 10MoO3/Al-SBA-15 e 15MoO3/Al-SBA-15 exibem uma distribuição de mesoporos uniformes, com diâmetro médio de 39,96 Å e 40,24 Å respectivamente, apresentando uma distribuição de tamanho de poro

unimodal. Em comparação com a Figura 3 (b), percebe-se que após a impregnação do óxido de molibdênio na peneira molecular, houve o aumento do diâmetro médio de poros.

A partir da Tabela 2, verifica-se que a área superficial específica e o volume total de poros dos precursores catalíticos decresceram em até 70% em relação as medidas obtidas

para Al-SBA-15 com o aumento do percentual de MoO3 incorporado a estrutura porosa, isso é explicado pelo fato de uma maior concentração de MoO3 depositado na superfície do material (ALVES, 2018). Por outro lado, houve o aumento do diâmetro de poros devido

a migração do excesso do MoO3 na superfície externa do catalisador para o interior dos mesoporos, que apresenta forte interação com a peneira molecular (HUANG et al., 2020).

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir da termogravimetria confirmou a completa remoção do direcionador orgânico (P123) dos poros dos catalisadores e indicou que a temperatura de calcinação deve ser até 550 °C para decomposição dos sais e formação dos óxidos de alumínio. As isotermas

de adsorção/dessorção de N2 obtidas são do tipo IV, com “loop” de histerese do tipo H1, confirmando a estrutura mesoporosa da peneira molecular Al-SBA-15 e dos catalisadores

xMoO3/SBA-15 e que apresentação distribuição de poros uniforme do tipo unimodal. Os di-fratogramas de raios X apresentados pode-se confirmar a obtenção da peneira molecular

Al-SBA-15 e a incorporação do trióxido de alumínio na estrutura da peneira, como tam-bém foram identificados picos característicos do trióxido de molibdênio na superfície da

estrutura mesoporosa. 159

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AGRADECIMENTOS

Os autores deste trabalho agradecem a CAPES/LACCBIO/UAEQ/UFCG.

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Ferramenta computacional para avaliação de viabilidade econômica de investimento de plantas de processos químicos

Fabiany Bento da Silva UFCG

Luan Victor de Araújo Gomes UFCG

Sidinei Kleber da Silva UFCG

10.37885/210303443

RESUMO

A análise econômica é uma importante ferramenta no desenvolvimento de projetos de plantas de processos químicos, pois permite avaliar o desempenho econômico do pro-cesso e sua viabilidade econômica. Quanto maior o nível de detalhamento da análise, mais acurado será o resultado. No entanto mais informações são necessárias, aliado a necessidade de resolver cálculos complexos que exigem grande esforço em sua aplica-ção. Diante desse cenário, o uso de ferramentas computacionais além de trazer maior facilidade na aplicação dos métodos de análise econômica, permite resultados rápidos e com maior acurácia. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta com uma interface amigável ao usuário que permita realizar avaliações econômicas de modo prático e eficiente. Ao fim do projeto, obtém-se uma ferramenta capaz de realizar estimativas dos principais custos associados a construção e operação da planta, assim como análise do investimento e dos critérios de rentabilidade.

Palavras–chave: Análise Econômica, Estimativa de Custo, Processos Químicos.

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INTRODUÇÃO

Uma planta de processos químicos consiste em um conjunto de equipamentos inte-grados de modo a produzir, a partir de recursos materiais e energéticos, produtos de maior valor comercial. O funcionamento de uma indústria dependente do seu sucesso financeiro. Além de projetar e desenvolver novos processos, é também um papel do engenheiro proje-tista obter informações que determinem se um processo, ou mudança em um projeto, trará o lucro necessário para manter a planta funcionando.

A análise econômica está presente desde as etapas iniciais do desenvolvimento de um projeto. A partir da avaliação econômica é possível obter informações sobre os custos associados a construção e operação da planta química. A análise de custos pode também ser utilizada em problemas de simulação, como no dimensionamento de equipamentos, na busca de um dimensionamento ótimo que oferece o menor custo dentro das especificações permitidas. Quanto mais informações estiverem disponíveis em determinada etapa, mais acurada será a estimativa.

De acordo com Vazzoler (2017), ao realizar a análise econômica de um novo projeto, é feito inicialmente uma avaliação preliminar, partindo do projeto básico, avaliando o capital total a ser investido, o lucro anual e qual será o tempo de retorno do capital investido. Desse modo, têm-se informações que indicam se o projeto atende aos objetivos dos investidores, podendo ser encerrado caso o projeto não tenha o lucro desejado.

Uma estimativa econômica pode ser feita de forma detalhada ou aproximada. A primeira é conduzida por especialistas com base em desenhos e especificações sobre o processo com a finalidade de formalizar propostas para a compra dos equipamentos. A segunda se baseia nas dimensões principais dos equipamentos mais importantes e nas estimativas de consumo de matérias-primas, de insumos e de utilidades (PERLINGEIRO, 2005).

O nível de detalhamento da estimativa pode mudar de acordo com a etapa de desen-volvimento do projeto. Embora estimativas mais incertas tenham uma precisão menor, sua execução é mais rápida. Podendo assim ser melhor aplicada em fases iniciais do projeto na análise das melhores alternativas para o processo.

Ao realizar a análise econômica do investimento e a contabilidade dos custos associa-dos ao projeto, é comum se deparar com cálculos complexos e laboriosos. Os benefícios do desenvolvimento de ferramentas e softwares que realizam estimativas de custos e análises econômicas estão associados com a necessidade de agilizar e facilitar os cálculos realizados.

O desenvolvimento de ferramentas computacionais também proporciona um aumento na precisão dos cálculos realizados, uma vez que tomando o exemplo de métodos gráficos, muitas vezes a análise é feita de modo subjetivo perdendo precisão nas análises. Outro

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fator importante é que o usuário não necessariamente precisa conhecer todos os métodos presentes na literatura para realizar uma análise.

Atualmente é possível encontrar diversos softwares que disponibilizam ferramentas de análise econômica dentro de seus pacotes. No entanto, o custo de aquisição dessas ferramentas é alto. Além disso, muitas vezes o profissional precisa se adequar aos soft-wares e licenças disponíveis pela empresa. O desenvolvimento de ferramentas de análise econômica de fácil aquisição pode conceder impactos positivos para pequenas empresas e principalmente ao meio acadêmico.

OBJETIVO

Desenvolvimento de um módulo na linguagem C#, utilizando métodos matemáticos clássicos de engenharia econômica para a estimativa de custos de equipamentos e análise de investimentos de projetos.

MÉTODOS

O algoritmo foi desenvolvido no ambiente integrado de desenvolvimento da Microsoft, o Microsoft Visual Studio 2017 que permite o desenvolvimento de softwares de forma gratui-ta. O script foi escrito na linguagem de programação C#. Inicialmente, montou-se o programa a partir da criação de um aplicativo de console no ambiente do Visual Studio.

Para o desenvolvimento da interface gráfica do projeto utilizou-se o Windows Presentation Foundation (WPF), um subsistema gráfico do .NET Framework, contido no pacote de instalação do Visual Studio, que usa o XAML como linguagem de marcação. Uma das vantagens do uso do .NET Framework é que além do Windows, a plataforma também funciona no Linux e Mac.

O módulo de estimativa de custos de equipamentos inicialmente foi construído a partir do método desenvolvido por Guthrie (1969) utilizando as equações dos gráficos presentes em Gutiérrez (2003), em seguida foi aplicado o método de estimativa de custo de equipa-mentos presentes em Seider et al. (2017).

Os módulos de análise econômica como depreciação de equipamentos, valor futuro de um investimento, custos de produção, fatores de fluxo de caixa e critérios de rentabilidade (com e sem desconto) foram desenvolvidos pelas relações fornecidas por Turton et al. (2018).

No módulo de estimativa do custo de matéria-prima, para o cálculo do custo das correntes foram utilizados os valores em $/kg de 25 componentes presentes em Turton et al (2018), obtidos no site da Independent Commodity Intelligence Services (ICIS) para

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agosto de 2008. A técnica usada para estimar o custo de mão de obra se baseia nas corre-lações, baseadas em cinco companhias químicas, elaboradas por Alkhayat e Gerrard (1984).

Método de Guthrie

Dentre os diversos métodos de estimativa de custo de equipamentos disponíveis na literatura, o método desenvolvido por Guthrie (1969) apresenta um grande destaque devido a abranger um considerável número de equipamentos. O método consiste na divisão do projeto em módulos, de modo que o custo total de um módulo é obtido a partir de um custo base modificado por uma série de fatores.

O método se baseia no uso de um custo base associado a uma dimensão ou capaci-dade do equipamento considerando um material de construção de aço carbono, assim como uma geometria base, pressão moderada e o ano base de 1968. Em seguida, ajusta-se para especificações desejadas, assim como é feita a correção inflacionária.

Método de Seider et al. (2017)

Na literatura é possível encontrar diversos métodos gráficos que mostram a relação entre uma dimensão de tamanho ou capacidade com o custo de compra do equipamento. Para Seider et al. (2017), embora esses gráficos podem facilmente ser lidos, equações são mais consistentes, especialmente comparando a gráficos que usam coordenadas logaritmos. Além disso, equações são mais facilmente aplicadas em programas computacionais.

Tomando em consideração a equação em que A e B são constantes, e S uma unidade que indica tamanho ou capacidade do equipamento, modifica-se a equação ao aplicar o logaritmo natural e adicionar termos de maior ordem como em um polinômio. Desse modo é obtido uma equação que determina o custo de compra do equipamento do tipo:

A equação se baseia nos materiais de construção mais comuns, tal como aço de carbo-no. Para outros materiais, usa-se fatores para correção. Assim como outras características que podem influenciar no custo final.

Custos de Produção

Realizar estimativas das vendas dos produtos e o custo de produção, é um passo chave na determinação dos lucros obtidos com o processo. Conhecer os custos de produção é também importante na otimização do processo, seja em um novo projeto ou na expansão

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de uma planta existente (TOWLER e SINNOTT, 2012). Para o processo obter lucros, é ne-cessário que a venda dos produtos seja superior aos custos de produção.

Os custos associados a operações diárias na planta devem ser calculados antes do processo ser assinado. É necessário saber se há retorno dos gastos com a operação, ou seja, se os custos em matéria-prima, utilidades, operadores, são compensados pelo lucro final. Como discutido por Turton et al. (2008), os custos de produção podem ser divididos em três categorias:

Custos diretos: São gastos operacionais que variam com a taxa de produção. Alguns exemplos de custos diretos são os custos com matéria-prima, utilidades, tratamento de água, mão de obra.

Custos fixos: Não mudam com a taxa de produção. Incluem taxas de juros da proprie-dade, seguros e depreciação. Esses valores costumam ser cobrados em taxas constantes mesmo quando a planta não está operando.

Despesas Gerais: Incluem os custos gerais associados a manter a funcionalidade do negócio. Pode-se incluir o pagamento de gestores, pesquisas, financiamentos.

É possível relacionar os custos diretos (DMC), custos fixos (FMC) e despesas gerais (GE) para calcular o custo de produção (COM) a partir do investimento de capital fixo (FCI), custos de mão de obra ( ), custo de utilidades ( ), custo de tratamento de água ( ) e custos de matéria prima ( ). Tem-se assim as relações fornecida por Turton et al. (2008):

Em que para depreciação é adicionado . Desse modo, o custo de produção sem depreciação é dado por:

Fluxo de Caixa

As companhias habitualmente definem uma Taxa de Investimento (TIR) mínimo para financiamento de um projeto. Se o projeto não atende este requisito mínimo, não é financiado. Este valor depende do setor, da situação econômica, do tipo de projeto, políticas internas da empresa, dentre outros inúmeros fatores (VAZZOLER, 2017).

Um investimento é um acordo entre duas partes, o investidor fornece o capital P, para uma segunda parte, o produtor, com a expectativa que o produtor forneça o capital de volta, F, no futuro. Dado um investimento inicial P é possível calcular o valor futuro desse investimento em n anos a uma taxa i.

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Também é comum em dado investimento uma série de transações regulares chamadas de anuidade. Essas transações podem ser relacionadas da seguinte forma:

Uma forma simples de relacionar o investimento inicial, anuidade e valor futuro é por uma série de fatores comuns nas transações financeiras. Alguns fatores importantes são demonstrados na Tabela 1.

Tabela 1. Fatores Comuns em Cálculos para Diagramas de Fluxo de Caixa

Fatores Relação

Fator de capitalização de um pagamento único (F/P)

Fator de descapitalização de um pagamento único (P/F)

Fator de valor presente de sequências uniformes (P/A)

Fator de recuperação de capital (A/P)

Fator montante de sequências uniformes (F/A)

Fator fundo de amortização (A/F):

Fonte: Turton et al. (2018).

Depreciação

Todo equipamento que compõe uma planta industrial tem seu tempo de vida. Conforme a operação da planta, observa-se que os equipamentos podem reduzir seu valor financei-ro ou gerar custos adicionais como manutenção ou troca de equipamentos, por conta do desgaste dos equipamentos devido ao uso ou por obsolescência através do surgimento de novas tecnologias.

Depreciação e amortização são métodos de vantagem fiscal (balanço fiscal) que lidam respectivamente com investimentos de capital e compras. Ambos são modalidades de gasto, mas não entram no orçamento de despesas. Devido a este fato, também não entraram no fluxo de caixa. No balanço contábil, a amortização tem o efeito líquido de reduzir os impostos pagos (VAZZOLER, 2017).

Diversos métodos podem ser empregados na depreciação da planta química, como mostrado na Tabela 2. Outro método importante é o método de MACRS, que foi estabelecido

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nos EUA em 1986. O método é uma combinação dos métodos de balanço declinante duplo e o método linear (TOWLER e SINNOTT, 2019).

Tabela 2. Métodos de Depreciação

Método Fórmula

Linear

Soma dos Dígitos dos Anos

Balanço Declinante Duplo

Fonte: Turton et al. (2018).

FCI é o custo fixo de investimento, S o valor de salvamento, n de vida do equipamento, k o ano vigente e dk o valor de depreciação anual.

Critérios de Rentabilidade

Ao analisar a rentabilidade de um projeto toma-se essencialmente critérios com base no tempo, caixa e taxa de juros. Para cada uma desses critérios toma-se métodos com desconto e sem desconto. Nos critérios sem desconto a influência do tempo sobre o valor do dinheiro não é levada em consideração, por isso não é indicado para grandes proje-tos. No entanto, para pequenos projetos esses métodos até hoje são tradicionalmente apli-cados (TURTON et al., 2018).

Critérios sem Desconto: Como critério de tempo é avaliado o tempo, após início da operação da planta, no qual o investimento de capital da planta é recuperado. O período de reembolso (PayBack Period) é definido a partir do último fluxo de caixa negativo (B) e seu período (A), e também pelo fluxo de caixa do período seguinte (C). Quanto menor esse valor, mais rentável é o projeto.

Por sua vez para o critério de caixa avalia-se o montante arrecado pelo projeto no fim de sua vida (CCP). Para esse critério, se torna difícil comparar projetos com diferentes valores de investimento fixo de capital, por isso pode ser preferível usar a razão cumulativa de caixa (Cumulative Cash Ratio).

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O critério pela taxa de juros fornece a taxa de retorno do investimento (Rate of Return on Investiment), representa a taxa por qual é se adquire capital a partir do investimento fixo.

O lucro líquido anual médio leva em consideração o tempo de vida da planta após o início de sua operação.

Critérios com Desconto: O critério de tempo de retorno de investimento com desconto (Discounted PayBack Period) é definido de forma semelhante ao retorno sem desconto. É de-finido como o tempo após o início da operação da planta até que o projeto recupere o valor do investimento. Para o critério de caixa, usa-se a razão do valor presente (Present Value Ratio). É um critério de alta importância, pois indica se o projeto é lucrativo.

O critério de taxa de juros com desconto (Discounted Cash Flow Rate of Return), é definido como a taxa de juros na qual todos fluxos de caixa sejam descontados de modo que o valor presente líquido seja igual a zero.

RESULTADOS

Inicialmente, foram desenvolvidos os módulos de estimativa de custos associados a processos químicos. Para os métodos de estimativa de custo de equipamento foi desenvol-vido rotinas de cálculos para os principais equipamentos industriais, tal como trocadores de calor, vasos pressurizados, compressores, aquecedores e outros.

Por exemplo, tomando a estimativa de aquisição de um trocador de calor, o fator de maior influência no custo final é a área de troca térmica do trocador. Além disso, é neces-sário saber a influência da pressão de operação, material de construção e o design do tro-cador. O usuário entra com os principais fatores que influenciam no custo final e informa o CEPCI para correção inflacionária como pode ser visto na Figura 1.

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Figura 1. Interface de Estimativa de Custos de Equipamentos

Fonte: Autoria Própria.

No módulo de custos de produção, é possível calcular o custo total de produção a partir do custo fixo de investimento (FCI), custos com mão de obra, utilidades, matéria-prima e tratamento de efluentes como pode ser visualizado na Figura 2. Ao selecionar o critério de depreciação é adicionado um valor de 0,1FCI ao custo final.

Figura 2. Interface de Estimativa de Custos de Produção

Fonte: Autoria Própria.

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Figura 3. Interface de Estimativa de Custos de Matéria-Prima.

Fonte: Autoria Própria.

A ferramenta permite calcular alguns dos parâmetros do custo de produção separada-mente com os módulos de custo de mão de obra, custo com utilidades e matéria prima. O mó-dulo de custo com utilidades permite calcular, por meio de valores de custos fornecidos por Turton et al. (2018), o custo anual do consumo de determinada utilidade em $/ano.

Na Figura 3 é possível observar o módulo de estimativa de custo de materiais toman-do como base correntes do processo. O usuário pode escolher o material de interesse e com base nos dados de vazão da corrente, seja molar ou mássica, é possível determinar o custo anual de consumo de determinada matéria-prima ou ter uma base da receita de uma corrente de produtos do processo.

É importante que o usuário informe os dias de funcionamento da planta para deter-minação do fator de corrente (SF), o fator que representa a fração de tempo que a planta está em operação, pois é possível que a produção possa parar em algum período do ano, mesmo que para manutenção. Lembrando que para um PFD os dados de consumo de ma-téria-prima são informados em termos de vazão, já os custos de produção costumam ser relatados em $/ano.

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Figura 4. Interfaces de Análise de Investimentos com o Tempo

Fonte: Autoria Própria.

Nos módulos de análise de investimento é possível determinar o valor futuro de um investimento, seja pela aplicação de juros simples ou compostos a partir de um investimento inicial ou aplicação de anuidades. Há também o módulo de avaliação dos parâmetros comuns de fluxo de caixa que relacionam o valor presente, o valor futuro e anuidade do investimento. A Figura 4 representa as janelas de análise de investimento por juros compostos e

para cálculo de valores comuns de fluxo de caixa. Em ambos módulos é necessário infor-mar a taxa de juros sobre o investimento e o período no qual deseja-se obter os resultados do investimento.

Na Figura 5 tem-se a janela para o módulo de depreciação. Foram estabelecidas rotinas que permitem a aplicação dos métodos de depreciação Linear, Soma dos Dígitos dos Anos, Balanço Declinante Duplo e MACRS. A partir da escolha do método, o usuário pode entrar com o valor de salvamento, o investimento fixo de capital e tempo de vida do equipamento.

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Figura 5. Interface de Análise de Depreciação

Fonte: Autoria Própria.

Os critérios de rentabilidade podem ser analisados a partir de métodos com desconto e sem desconto. Na Figura 6 tem-se o módulo sem desconto, o usuário informa o fluxo de caixa para cada ano, assim como o investimento inicial. A partir da definição de todas infor-mações necessárias o usuário pode calcular os valores de período de reembolso, taxa de retorno de investimento e razão cumulativa de caixa.

Figura 6. Interface de Critérios de Rentabilidade (Sem Desconto)

Fonte: Autoria Própria. 174

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DISCUSSÃO

A ferramenta desenvolvida permite avaliar fatores fundamentais para a análise eco-nômica de um projeto. É possível estimar os principais custos de grande impacto no custo final da planta química. Também é possível a avaliação de investimento e critérios de ren-tabilidade. A análise desses fatores é determinante para construção e operação da planta. Foram realizados testes com base em valores disponíveis na literatura, como em Turton

et al. (2018) e Seider et al. (2017), afim de garantir a funcionalidade do programa e a acurá-cia dos resultados. Os resultados encontrados se mostraram coerentes com os resultados disponíveis na literatura. Além disso, o programa apresenta mensagens de aviso caso o usuário não inserir os dados corretamente.

CONCLUSÃO

A ferramenta permite testar diversos métodos com resultados rápidos proporcionando grande eficiência de tempo. E pode ser aplicada principalmente na análise de pequenos projetos cuja exigência por detalhamento não é tão grande, e também no meio acadêmico no desenvolvimento de análises de projetos durante aulas para melhor visualização da aplicação dos métodos de avaliação econômica.

A linguagem de programação C# se mostrou de boa aplicação para os métodos de análise e a partir do WPF foi possível desenvolver uma interface para facilitar a aplicação dos métodos e visualização dos resultados pelo usuário. A possibilidade de analisar cada módulo separadamente permite versatilidade nas análises realizadas, além da possibilidade de analisar individualmente a influência de cada fator na avaliação econômica.

Os custos que dependem da taxa de produção, como custos com insumos, utilidades e tratamento de resíduos, podem estar relacionados com balanços de massa e energia do processo. Por conta disso sua aplicação pode ser melhor em simuladores de processo.

Para determinados materiais e algumas utilidades, como energia elétrica ou combustí-veis fósseis, seus valores podem ter grandes variações de custo, uma vez que se relacionam com o preço do petróleo. Desse modo, para obter maior precisão é necessário que haja uma atualização desses valores. Ao fim do projeto pretende-se que a ferramenta seja integrada ao simulador de processos Chem+ como ferramenta de análise econômica.

Por se tratar de uma ferramenta que realiza estimativas, fica claro que mesmo os me-lhores métodos podem apresentar um desvio dos valores obtidos para um projeto real, pois esses podem variar de acordo com fabricantes, fatores inflacionários, localidade, além dos próprios desvios presentes nos métodos.

175

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Para uma análise mais detalhada, quanto mais informações de custos forem analisadas mais preciso será os valores encontrados, ou seja, quanto mais especificações forem feitas mais próximo estará do valor real. A vantagem principal da ferramenta é obter resultados rápidos que ajudam a fornecer resultados preliminares que podem ajudar o usuário em rea-lizar análises e comparações de projetos.

FINANCIAMENTO

O presente trabalho foi realizado com apoio do CNPq, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – Brasil, por meio da concessão da bolsa PIBIC/CNPq-UFCG.

REFERÊNCIAS

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Aplicação da transformada Wavelet na verificação de dobramento de período em séries temporais

Bruno Coelho Bulcao CESP/UEA

Francisco Otávio Miranda Farias CESP/UEA

10.37885/210303554

RESUMO

O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise em séries temporais reais e sinté-ticas, priorizando o comportamento de confluências de linhas de mesma fase ao longo de escalas e identificando inversões de máximos e mínimos de energia dentro destas confluências, podendo assim, identificar um possível comportamento de dobramento de período. Para isso foi utilizada como ferramenta a Transformada Wavelet complexa de Morlet, que é uma ferramenta que possibilita analisar processos não estacionários para extrair informações sobre variações de frequências e detectar suas estruturas tempo-ralmente. Os resultados obtidos demonstram que é possível construir um sinal sintético que reconstrói alguns aspectos de uma série temporal real medida na natureza. Dentre as características reconstruídas pode-se citar: a confluência de linhas de mesma fase ao longo de uma grande quantidade de escalas, os pulsos de energia em escalograma wavelet que indicam a possibilidade de dobramento de período. Os resultados, embora preliminares já podem dar uma contribuição para o entendimento de temas relacionados à análise de séries temporais reais e sintéticas.

Palavras –Chave: Séries Temporais, Transformada Wavelet, Sinais Sintéticos, Sinais Reais, Dobramento de Período.

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INTRODUÇÃO

Fenômenos de natureza extrema (daqui em diante nomeados de FE) podem ser iden-tificados em séries temporais turbulentas através de uma “singularidade” ou confluência de linhas de mesma fase ao longo de escalas (Farias, 2017; Miranda et al., 2020). Estas linhas de mesma fase seguem formando uma ‘confluência de linhas ao longo de uma grande quan-tidade de escalas temporais associadas aos coeficientes wavelet, que resultam da aplicação de uma transformada wavelet (TW) sobre uma série temporal (Weng e Lau, 1994). Neste caso em particular, a série temporal utilizada foi uma série de natureza turbulenta (medida em um campo turbulento). A singularidade de fase (como será descrito posteriormente aqui) pode ser verificada através da obtenção da fase do sinal, em um instante e em uma escala , a partir da aplicação da TW ao um dado sinal (Farge, 1992).

O termo “singularidade” provém dos estudos de certas equações diferenciais investi-gadas há muitas décadas (Minorsky, 1974; Birkhoff e Rota, 1978, pp.29, 225) sendo que, na época, já tinham sido propostas classificações de singularidades. O estudo das singularida-des, experimentou um grande avanço nos anos 70 do século passado com a sistematização da chamada “Teoria da Catástrofe” por René Thom (1972), o que despertou a atenção de Vladimir Arnol’d (Arnol’d, 1994) e Michael Berry (Berry, 1988), dentre outros que aprofunda-ram os estudos associados a singularidades. Uma breve descrição desses estudos pode ser encontrada no trabalho Farias (2017), que realizou análises de singularidades associadas a fenômenos atmosféricos na região amazônica. Para alguns casos mais específicos, é possível identificar alguns pulsos de máxima energia dentro da singularidade de fases, que podem estar associados à ocorrência de fenômenos de transições entre regimes que ocorrem na atmosfera tropical, como aqueles descritos por Miranda et al. (2020).

Estudos como os de Farias (2017) sugerem que estes pulsos de energia podem estar associados a fenômenos de dobramento de período, pois a razão entre os respectivos pe-ríodos (1/Fs) fornece uma constante que se aproxima, sob alguns aspectos, da constante de Feigenbaum (Feigenbaum, 1980).

Por esse motivo, este trabalho pretende dar mais um passo no sentido de verificar se de fato o fracionamento dos pulsos de energia verificados nos escalograma de fase e energia obtidos a partir das flutuações dos coeficientes wavelet, realmente guardam relação com o dobramento de período. Nesse trabalho, porém, serão aplicadas séries temporais turbulentas para comparação com as séries sintéticas.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

OBJETIVO

Identificar e quantificar a ocorrências de pulsos de energia que ocorrem no interior de singularidades de fase associado à parte real dos coeficientes Wavelet em séries temporais sintéticas e séries temporais reais medidas acima de floresta. Para isso será necessário localizar em séries temporais turbulentas reais medidas em sítios experimentais, alguns fe-nômenos que provocam perturbações no sinal turbulento (sinal real) e que em consequência disso podem induzir o surgimento de uma singularidade no sinal analisado.

DADOS E MÉTODOLOGIA

Sinais sintéticos

Para a construção sinal sintético utilizados nesse trabalho, tomou-se como ponto de partida uma transformada de Fourier, em um pulso retangular no domínio do tempo e de intervalos que variavam entre − até e de amplitude “A”. Para promover uma pequena distinção entre os sinais, foi inserida uma leve variação nos argumentos da função “sinc” contida na solução da transformada de Fourier. A solução da referida transformada possibi-litou obter um sinal de interesse, foi então feita a sobreposição de “n” sinais para formar uma única série temporal (Ts). Os dados para a construção do sinal sintético constam a seguir.

neste, “A” é a amplitude, “Fs” é a frequência e F é o intervalo utilizado e as séries de até representam a quantidade de sinais utilizados na construção do sinal sintético

utilizado messe trabalho na forma:

(1)

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Sinais reais

Os Sinais reais utilizados neste trabalho, são os de velocidade do vento e foram obtidos através de medições realizadas na torre K34 no sitio do Cuieiras – Manaus AM. São séries temporais turbulentas medidas no ano de 2013 a uma taxa de amostragem de 10 Hz com anemômetros 3D (model CSAT3, Campbell Scientific Inc., Logan, UT) à altura de 50 metros acima do solo. Um anemômetro é um instrumento de monitorização meteorológica usada para medir a velocidade do vento e temperatura, ou ainda outras variáveis, dependendo de sua marca e modelo. A série temporal de velocidade do vento utilizada aqui foi a do dia 02 de maio de 2013 entre as 17:30 e as 23:30 hora local.

MÉTODOS

Neste trabalho foi utilizada a transformada de Wavelet complexa de Morlet que é uma ferramenta que possibilita extrair informações sobre variações de frequências e detectar suas estruturas temporalmente (ou espacialmente) localizadas (Lau e Weng 1995). De acordo com Lau e Weng (1995) a WT decompõe um dado sinal em termos de certas funções elementares derivadas de uma função intitulada wavelet mãe (mother wavelet) por meio de translações b e dilatações a, as quais são quadraticamente integráveis (Daubechies, 1992; Farge, 1992):

(2)

O fator de normalização é responsável por manter a energia da wavelet mãe em toda a família de wavelet utilizada. A transformada Wavelet de um sinal real pode ser definida com relação à wavelet de análise como (Lau e Weng, 1995):

(3)

na qual

“tempo-escala”

é o complexo conjugado de definido no semi-plano real de

Para o caso deste trabalho em que se deverá utilizar a fase do sinal, segundo Farge (1992) é possível obter a fase do sinal, num instante e numa escala con-forme a expressão:

(4) 181

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Para análises como esta que se pretende apresentar aqui, faz-se necessário que a TW a ser aplicada possa fornecer algumas informações importantes. De acordo com Farge (1992) entre as informações importantes estão:

Admissibilidade: A função de análise tem a sua média igual a zero.

Similaridade: Todas as análises de wavelets são mutuamente semelhantes.

III. Invertibilidade: Há pelo menos uma fórmula de reconstrução para recuperar o sinal de seus coeficientes wavelet.

IV. Regularidade: A wavelet pode ser suficientemente regular e tem que ser concen-trada em algum suporte espacial finito.
V. Cancelamento: além e apresentar média nula a função wavelet pode apresentar valores nulos para alguns de seus valores de ordem elevada.

Inúmeras outras características e aplicações importantes das TW podem ser consul-tadas também em Lau e Weng (1995).

RESULTADOS

Os resultados apresentados a seguir são compostos em duas partes referentes ao sinal sintético e real. O sinal sintético foi obtido através da solução de uma transformada de Fourier, pois o objetivo era o de se obter um sinal com um máximo de amplitude bem loca-lizado no tempo. O efeito desse máximo de amplitude era o de se obter a singularidade de fase muito bem localizada no tempo e que se faz necessária para este estudo. O sinal real, por sua vez, foi obtido de campanhas experimentais realizadas acima de região de floresta amazônica, como já descrito anteriormente.

Sinal sintético

Como já foi descrito no item 2.1, o sinal sintético foi obtido a partir da sobreposição de “n” sinais e na Figura 1 e é possível verificar individualmente os sinais utilizados na composição da série. Observe que estes sinais apresentam em um primeiro momento um comportamento oscilatório cuja amplitude aumenta e posteriormente diminui, tendo como “ponto de inversão” um eixo de simetria. Com esses sinais é possível localizar uma carac-terística importante para este estudo, que é o local exato onde a confluência de linhas de mesma fase irá ocorrer quando a TW for aplicada ao sinal. Esse é o principal motivo para se aplicar esta função e não outra para se obter o sinal sintético.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figura 01. Representação gráfica das sobreposições dos sinais com diferentes frequências

A partir das sobreposições dos sinais com frequências distintas, faz-se necessário, realizar a soma destes sinais para obtenção de um único sinal que trará as características de todos os sinais em apenas um comportamento, logo obteve-se o seguinte resultado.

Figura 02. Representação gráfica do sinal resultante (Ts) da somatória dos sinais com frequências distintas. No eixo x conta o número de pontos da série temporal e no eixo y a amplitude do sinal (Ts). As setas na cor vermelha indicam oscilações do sinal que são ocultadas pelo pico de amplitude.

Observe que ocorre na Figura 2, como esperado, um grande pico de amplitude ofusca as demais oscilações do sinal (marcadas pelas setas na cor vermelha), por isso, foi introdu-zido um destaque entre os limites de -0.3 a 0.3, no qual é possível verificar estas oscilações. Vale ressaltar aqui, que estas oscilações de menor intensidade ocorrem sempre que os si-

nais oscilam em fase. Neste momento já é possível aplicar a transformada wavelet ao sinal,

183

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

no entanto, embora este seja composto pela sobreposição de inúmeros sinais, ele ainda mantém uma característica “bem-comportada”. Assim, ao aplicar a transformada Wavelet, será obtido como resultado uma clara singularidade na máxima amplitude e uma distribuição de energia muito concentrada na alta frequência (ou menor escala temporal). Isso está de acordo com o que Weng e Lau (1995) já haviam previsto anteriormente ao realizar análises distintas desta que será apresentada aqui.

Figura 03. Representação gráfica: (a) Sinal sintético, (b) escalograma de energia em que no eixo x consta o número de pontos da série e no eixo y a escala temporal em segundos (c) espectro médio para o escalograma de energia.

No entanto, como o objetivo é comparar os resultados da série sintética com um sinal real e considerando-se que sinais reais em geral apresentam algum tipo de ruído, vamos introduzir um ruído ao sinal para tornar a comparação um tanto mais “realista”, pelo menos sob alguns aspectos. Assim, aplicamos um ruído aleatório (tipo rand(Ts)), com o objetivo de transformar um sinal sintético bem-comportado (Figura 2) em um sinal com alguma carac-terística de um sinal real medido na natureza e o resultado consta na Figura 4.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figura 04. Representação gráfica do sinal sintético após a aplicação do ruído

Após a aplicação do ruído, verificou-se como este sinal se comporta com a aplicação da Transformada Wavelet Complexa de Morlet, os resultados se mostraram promissores como se pode ver nas representações gráficas do escalograma de energia (Figura 5) e de fase (Figura 6).

Figura 05. Representação gráfica do sinal ruidoso: (a) Sinal sintético após a inserção do ruido, (b) escalograma de energia em que no eixo x consta o número de pontos da série e no eixo y a escala temporal em segundos (c) espectro médio para o escalograma de energia.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figura 06. Representação gráfica do escalograma: (a) de fase e (b) da parte real dos coeficientes WAVELET

Observe que para o sinal sintético, foi possível verificar os máximos de energia (Figura 5b) no interior da singularidade de fase (Figura 6b). Este resultado será discuti-do posteriormente.

Sinal Real

Para efeitos de comparação, foi identificado um fenômeno cujo comportamento se assemelha, sob alguns aspectos, ao sinal sintético anteriormente analisado. Trata-se de um evento em que ocorre um forte pico na velocidade do vento que muito bem localizado no tempo (em torno das 19:50 hora local). Uma observação importante, mas que não será descrita em detalhes aqui é que o caso identificado tem as mesas características que Farias (2017) e Miranda et al. (2020) classificaram como fenômenos extremos da atmosfera tro-pical. Assim, foi aplicada transformada Wavelet complexa de Morlet, na série temporal de velocidade do vento e os escalograma de energia (Figura 7b) e fase (Figura 8a) demons-tram claramente a tendencia esperada. Ou seja, mostrou-se claramente uma singularidade de fase, e no interior desta singularidade apresentou inversões de máximos e mínimos de energia como já tínhamos visto no sinal sintético, só que agora aplicada a um evento real da natureza, como vamos visualizar nas representações gráficas abaixo.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figura 07: Representação gráfica do sinal real: (a) Série temporal de velocidade do vento (b) escalograma de energia em que no eixo x consta a hora local e no eixo y a escala temporal em segundos (c) espectro médio para o escalograma de energia.

Figura 08. Representação gráfica do escalograma: (a) de fase e (b) da parte real dos coeficientes Wavelet para a série temporal de velocidade do vento.

Observe que o máximo de energia para o caso real está localizado em 2018 segundos, com um “repique” de menor intensidade em torno dos 512 e depois 128 segundos, o que

indica que, embora a razão entre os máximos de energia ainda seja de um número inteiro, 187

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

esta razão não é mais de ½ como no sinal sintético, mas sim de ¼ como também foi previsto por Farias (2017). Trata-se de um resultado importante que pode auxiliar a interpretação da ocorrência de fenômenos que ocorrem na atmosfera tropical acima de floresta.

DISCUSSÃO

Considerando-se os resultados apresentados na seção anterior, uma questão relevante que deve ser notada refere-se aos efeitos causados pelo ruído associado a uma determinada medida. Dados medidos experimentalmente podem apresentar algum grau de contaminação por algum tipo de ruído e por isso necessitam passar por tratamentos de filtragem. No tra-balho realizado por da Costa et al. (2019) foi mostrado os efeitos de distorção que os ruídos podem causar em séries temporais e com estes interferem na interpretação de resultados. Para este nosso caso específico a contribuição é no sentido de mostrar que embora o ruído possa inserir complicações às análises é sempre possível construir sinais sem este elemento complicador. Observe que o sinal real de velocidade do vento escolhido para o teste aqui apresentado tem algumas características que puderam ser reconstruídas a partir de um sinal sintético, partindo-se de uma equação relativamente simples.

Em contraponto, embora ainda haja fortes indícios (como esperado) de que uma frag-mentação da energia ocorre em múltiplos inteiros, tanto no escalograma de energia quanto da parte real dos coeficientes wavelet, o que pode ser visto tanto nas Figuras 5b e 6b, é que as distorções causadas pela introdução do ruído foram muito significativas. No entanto, há de se observar que esse comportamento já havia sido previsto por Farias (2017) para séries temporais turbulentos e aqui oferecemos mais uma contribuição no sentido de entender a natureza daqueles fenômenos descritos em Farias (2017). Vale apena ressaltar que no inte-rior da confluência de linhas de mesma fase (Figura 6 a-b), verifica-se mais uma vez aquilo que Farias (2017) classificou como uma possível manifestação de dobramento de período, ocorrendo com maior intensidade na escala 512 (em menor intensidade) depois 128, 64, 32 e 16. Além disso, as inversões de fase também ocorrem com maior intensidade nestes pontos em que há indícios de dobramento de período.

A representação gráfica da série temporal real, nos apresenta uma semelhança ao comparar com o sinal sintético, claramente vemos a confluência de linhas de mesma fase seguindo o mesmo sentido do sinal sintético que vai da baixa para alta frequência. Outro fato de semelhança é a presença da inversão de máximos e mínimos de energia dentro da singularidade de fase, reforçando assim a ideia de um possível dobramento de período.

Embora as semelhanças entre os dois sinais existam, sob alguns aspectos, existem também algumas diferenças importantes. Uma delas é o fato de que no sinal sintético a

razão é (praticamente) de ½ entre as escalas e isso pode se tornar ainda mais preciso se 188

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

utilizar a constate de Feigenbaum (Feigenbaum, 1980) como multiplicador “n” no argumen-to da função “sinc” em = A*pi*sinc(pi^2*f*n). Já no caso do sinal real essa razão é de aproximadamente ¼ e não se mantém constante para todo o range de frequências, o que é absolutamente aceitável já que se trata de um sinal real e medido em ambiente ruidoso.

Outra questão que é digna de nota é a concentração da energia em torno dos 2048 segundos, o que indica que o fenômeno que induziu a ocorrência do pico na velocidade do vento tem duração inferior a uma hora. A reprodução dessa concentração de energia em torno de uma escala particular para o sinal sintético ainda deve ser aprofundada.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A proposta do referente do trabalho era verificar um possível dobramento de período em sinais sintéticos e em series temporais reais da natureza. Como resultado, pôde-se apre-sentar um sinal sintético que foi capaz de recriar algumas características de um sinal real de velocidade do vento. Foi apresentado tanto no sinal sintético, quanto no sinal real, uma confluência de linhas de mesma fase, sendo a recriação do sinal sintético bem satisfatória, foi possível também verificar a inversão de fase do sinal e os máximos e mínimos de energia dentro da singularidade de fase. Esses resultados são apenas um passo na direção de se encontrar uma razão efetiva entre os períodos dos coeficientes da Transformada Wavelet associadas a séries temporais, sejam reais ou sintéticas, mas já se pode considerar a con-tribuição deste trabalho no sentido de entender essa importante questão.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao “The Large-scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia (LBA)” pelos dados. Francisco Otávio Miranda Farias Agradece à Universidade do Estado do Amazonas (UEA) pela Gratificação de Produtividade Acadêmica e Bruno Coelho Bulcão agradece à Fundação de Amparo à pesquisa do Estado do Amazonas (FAPEAM) pela bolsa de Estudos (IC)

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REFERÊNCIAS

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Análise de diferentes estratégias em avaliação de imóveis com a inspeção de Engenharia Civil associada à lógica Fuzzy

Vladimir Surgelas LLU

Irina Arhipova LLU

Vivita Pukite LLU

Artigo original publicado em: 2020

Anais do XX CONEMI – Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210303732

RESUMO

Atendendo às condições reais do imóvel no universo da avaliação imobiliária de forma a utilizar a inteligência artificial e lógica Fuzzy, é possível prever o preço de mercado associado às reais condições físicas do edifício por meio da vistoria técnica realizada por um especialista em engenharia civil. O objetivo é desenvolver um modelo de ava-liação imobiliária com base na visão Heurística utilizando um formulário de inspeção de engenharia civil associado a inteligência artificial e lógica Fuzzy. A metodologia utilizada baseia-se na inspeção técnica da engenharia civil para definir o estado de conservação dos imóveis de acordo com o modelo utilizado em Portugal e adaptado à realidade da Letônia. O uso da inteligência artificial é aplicado após a obtenção dos dados dispersos desse relatório. A partir disso, obtêm-se regras de associação, que são utilizadas na ló-gica difusa para prever o valor de mercado do apartamento residencial. Para tanto, são utilizadas 48 amostras de apartamentos residenciais localizados na cidade de Jelgava, na Letônia, com inspeção realizada em 2019. O principal resultado é a métrica de erro de 9%, o que demonstra a possibilidade de aplicação do método proposto neste doutoramento.

Palavras–chave: Lógica Fuzzy, Inspeção Predial , Inteligencia Artificial, Heuristica.

192

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

INTRODUÇÃO

O estado físico do edifício reflete o seu desempenho. A partir desse contexto, e de modo geral os responsáveis pelo edifício devem ter conhecimento em monitorar a real condição de seus edifícios para prevenir defeitos e falhas (SYAMILAH et al., 2016). Assim, quanto mais cedo se detectar uma anomalia em uma edificação, mais eficiente e menos onerosa será a intervenção no futuro. Então, um sistema de manutenção e conservação deve ser elabora-do de modo a garantir esse desempenho, através de ações preventivas periódicas. Nessa direção, a vida útil do edificado é assegurado por meio de inspeções técnicas periódicas. Com isso, é essencial essa abordagem rápida e prática de realizar a inspeção periódica na construção e assim avaliar o seu estágio de degradação (CHE-ANI et al., 2015).

Em muitos países europeus, tais como França, Inglaterra, Holanda, Portugal, Letônia assim como no Brasil, utilizam diferentes metodologias de avaliação da condição física dos edifícios. Esses métodos de avaliação do estado físico dos edifícios são utilizados para de-terminar o valor do imóvel, definir impostos, aluguéis; verificar as condições de habitabilidade, ou apoio na tomada de decisão auxiliando ainda o senário global do mercado habitacional desses países (VILHENA et al., 2011).

Nos métodos estudados, as informações disponibilizadas geralmente são obtidas por inspeções visuais necessárias para avaliar os edifícios e suas unidades residenciais. Assim, para se dar início a um estudo sobre qual a terapia mais adequada, segundo Cánovas (1988) é preciso seguir os seguintes procedimentos básicos, a) Inspeção para mapeamento dos sintomas. Este procedimento começa com a inspeção visual, onde se busca identificar os sintomas das patologias existentes na estrutura através de um mapeamento dos sinto-mas. B) Recolhimento de dados e informações dispersas. Mais ainda, em diversos países, a condição física de um edifício é avaliada e inspecionada com base no diagnóstico do grau de deterioração dos elementos de construção (PEDRO et al., 2008). A tabela 1 ilustra uma escala de seis pontos adotada na Holanda como base da avaliação da condição física do edifício (NEN, 2006).

Tabela 1. Escala para avaliação das condições do edifício na Holanda

Avaliação da condição

1 2 3 4 5

Descrição da condição geral

Excelente Bom Justo Pobre Ruim

Muito ruim

Fonte: NEN (2006). 193

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Outros exemplos de escalas de condição física do edifício e representação linguística usadas em outros países, tais como Austrália, Nova Zelândia, África do Sul, Reino Unido, Estados Unidos da América são mostrados na Tabela 2 (SYAMILAH et al., 2016).

Tabela 2. Grau de classificação da condição do edifício.

Running Body (Go-vernment/ Private / non-Profit Org)

Condition Grade (Buildings)

Categories

Australia

A=Excellent B=Good C=Adequate D=Poor E=Inadequate

Existing

New Zealand

1=Very good 2=Good 3=Fair 4=Poor 5=Very Poor

Existing

South Africa

1=Excellent 2=Good 3=Average 4=Poor 5=Very Poor

Existing

United Kingdom

A=Good B=fair C=Average D=Poor E=Bad

Existing

United States

1=Very Good 2=Good 3=Moderate 4=Poor 5=Very Poor

Existing

Fonte: SYAMILAH et al. (2016).

Em Portugal, a partir de 1990 a política portuguesa estabeleceu uma dura e eficaz estratégia nacional de habitação. Essa estratégia promoveu a reabilitação urbana, o arren-damento habitacional e a qualificação dos alojamentos residenciais. A partir dessa política nacional de habitacional as inspeções prediais tornaram-se muito relevantes e requisita-das naquele país português. Em 2006, o governo português aprovou um novo Regime de Locação Urbana na tentativa de alterar o quadro caótico da habitação residencial. Assim, a Lei nº 6/2006 estabeleceu a promoção do mercado de aluguel de tal forma que ofereceu uma alternativa econômica à residência.

Este procedimento técnico é realizado por meio de uma inspeção visual (PEDRO et al., 2008). Nessa inspeção visual, um checklist registra a situação de 37 elementos funcionais. Essas informações são coletadas em formulário próprio, onde são anotados os defeitos des-ses elementos funcionais, o índice de defeito, a descrição de defeitos graves e críticos e a avaliação. Disso resulta que, para determinar o estado de conservação são comparadas as condições do locado na data da vistoria com as condições que ele proporcionava quando foi construído ou quando sofreu a última intervenção profunda. A infraestrutura básica verificada são as instalações de distribuição de água, de eletricidade e de drenagem de águas residuais e, nos apartamentos residenciais, incluem ainda os equipamentos sanitários e de cozinha. Por outro lado, na Letônia, mesmo após decorridos quase 30 anos de sua indepen-dência, o país ainda não se fortaleceu ao ponto de alterar substancialmente o quadro ha-bitacional residencial dos apartamentos residenciais antigos. Edifícios construídos e deixa-dos pelo regime comunista, isto porque, na Letônia há muitos prédios velhos, inacabados, sem conservação, além de muitos desses prédios residenciais estarem sem condição de habitabilidade pelos cidadãos da Letônia, ou estão ocupados precariamente por parte da

população menos favorecida economicamente. Uma realidade que aos poucos vem sendo

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alterada pelos governantes e a favor de melhores condições e qualidade de vida para o povo da Letônia. Na Letônia, a inspeção técnica de edifícios é tratada como sendo um complexo de obras de identificação e avaliação do estado técnico de edifícios, suas partes, bem como dos produtos de construção embutidos. O funcionamento da Inspeção Estatal de Construção é determinado pelo Regulamento do Gabinete n.º 831 “Regulamentos da Inspeção Estatal de Construção” e os regulamentos da Inspeção Estatal de Construção desenvolvidos de acordo com a instrução n.º 1 do Conselho de Ministros da República da Letónia de 18 de janeiro de 2000.

Assim, para mitigar essa situação relacionada a previsão do valor de mercado dos imó-veis residenciais na Letônia, o modelo difuso (ZADEH, 1999) pode se adaptar melhor a alguns casos de avaliação imobiliária em que essas situações de redundância ocorrem (KUSAN et al., 2010). Esses termos linguísticos utilizados na lógica Fuzzy são mais compreensíveis para as pessoas do que os modelos matemáticos. Portanto, o processo heurístico pode le-var a uma avaliação rápida dos riscos envolvidos e, assim, também trazer decisões rápidas (VEIGA, 1994). Isso é baseado em regras de associação e experiência de especialistas, em vez de um controle restrito apenas por modelos matemáticos. Com base neste princípio e considerando que o conhecimento do estado de conservação do edifício é a base para a tomada de decisões sobre as medidas de conservação e reabilitação a implementar, consi-derou-se oportuna a realização de um estudo prático de edifícios de habitação residencial. Assim, o objetivo deste experimento é desenvolver um modelo de avaliação imobiliária heurística utilizando um formulário de inspeção de engenharia civil associado à inteligência artificial e lógica Fuzzy. Este experimento considerou 48 apartamentos residenciais, locali-zados na cidade de Jelgava, na Letônia. A pesquisa ocorreu em 2019.

MATERIAIS E MÉTODOS

O método de inspeção predial inspirou-se numa técnica utilizada em Portugal sendo adaptada à realidade da Letônia. Essa fiscalização de engenharia civil aliadas à técnica de lógica Fuzzy com auxílio de inteligência artificial, de forma expedita, permitiram determinar o grau de deterioração dos apartamentos residenciais.

A avaliação é feita através de uma inspeção visual, que detecta as principais anomalias presentes nos elementos constituintes do edifício. Através dos dados dispersos obtidos e o estado de conservação, realiza-se a previsão de preço de mercado. Neste sentido, o problema é abordado de forma a contemplar a visão heurística. Com isso, as anomalias dos edifícios são classificadas em 5 categorias básicas: 1-Excepcionalmente ligeiro: Não foram detecta-das anomalias ou sem importância. 2-Leve: Anomalias que não prejudicam a segurança e

prejudicam a aparência e requerem fácil trabalho de execução; 3-Médio: Anomalias que não 195

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afetam a segurança; que prejudicam a aparência e exigem muito trabalho. Anomalias que prejudicam o uso e o conforto e requerem trabalho de reparo, substituição ou reparo fácil de transportar. 4-Graves: Anomalias que afetam a segurança, mas não requerem reparos urgentes; Anomalias que dificultam o uso e o conforto e exigem um trabalho difícil. Anomalias que colocam em risco a saúde e / ou segurança, podem motivar acidentes sem gravidade e exigir obras de fácil execução. 5- Profundamente grave: Anomalias que afetam a segurança e requerem reparos urgentes. Anomalias que colocam em risco a saúde e / ou segurança e podem motivar acidentes sem gravidade e exigindo trabalhos de fácil execução. Anomalias que colocam em risco e / ou segurança e podem motivar acidentes graves. Assim, a meto-dologia utilizada neste experimento está dividida em 4 etapas.

Etapa 1

Para este experimento, 48 amostras foram selecionadas aleatoriamente de aparta-mentos com 1 a 3 quartos localizados no centro de Jelgava, na Letônia. Essas amostras de apartamentos anunciados para venda. Para realizar a caracterização recorreu-se à ficha técnica do Método de Avaliação do Estado de Conservação dos Edifícios do Ministério das Obras Públicas, Transportes e Comunicações de Portugal (MAEC, 2006), este de uma forma adaptada à realidade letã. O formulário do MAEC contém 37 itens, aplicados no experimento, e abrange as condições internas e externas da edificação, desde a estrutura até instalações de combate a incêndio, entre outras. A partir das anomalias identificadas em cada elemento funcional, as pontuações são contadas. O cálculo das pontuações considera o produto entre o número de pontos associados a cada nível de anomalia e o peso atribuído ao elemento funcional. A ponderação atribuída utiliza um parâmetro de 1 a 6, conforme MAEC (2006). Nesta experiência na Letônia, as mesmas considerações e ponderações são utilizadas para obter as referidas pontuações, onde se obtém o índice de anomalia da propriedade. O cál-culo desse índice é a soma das pontuações dividida pela soma dos pesos. A partir daí, para obter o índice de anomalias de cada edifício, é utilizada uma escala de anomalias conforme referido no MAEC (2006) conforme Tabela 3.

Tabela 3. Índice de anomalia (IA) referente ao estado de conservação da edificação

Exceptionally light

5.00 ≥ AI ≥ 4.50

Light

4.50 > AI ≥ 3.50

Medium

3.50 > AI ≥ 2.50

Fonte. MAEC (2006).

Serious

2.50 > AI ≥ 1.50

Profoundly serious

1.50 >AI ≥ 1.00

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Etapa 2

Nesta etapa, a partir dos dados obtidos na Etapa 1, inicia-se o uso da inteligência ar-tificial para obter regras de associação. Para esta tarefa, foi escolhido o algoritmo Apriori. Este algoritmo é adequado para uma pequena quantidade de dados, ideal para este expe-rimento. O autor elabora o arquivo específico a partir dos dados e atributos coletados na fiscalização da engenharia civil. Dos atributos da experiência são utilizados o preço do metro quadrado, a área de cada apartamento, o índice de conservação do apartamento, no caso de ser novo, remodelado ou antigo, utiliza-se o índice de conservação do edifício, novo, remodelado ou antigo. Os dados e informações são organizados pelo autor para agregar os atributos de cada apartamento, os quais são inseridos no software Weka (EIBE et al., 2016) para então gerar as regras de associação utilizadas na Lógica Fuzzy. A aplicação do arquivo .arff desenvolvido pelo autor contendo os atributos utilizados tais como o preço do metro quadrado, a área de cada apartamento, o índice de conservação do apartamento, no caso de ser novo, remodelado ou antigo, utiliza-se o índice de conservação do edifício, novo, remodelado ou antigo. Assim, o arquivo do software Weka foi construído com êxito. Este Software Weka gera regras de associação que apresentarão um padrão de comporta-mento, que neste caso estão relacionados aos dados coletados nas amostras imobiliárias e dados dispersos oriundos do formulário de inspeção predial. O software Weka é de código aberto e fornece ferramentas práticas para analisar dados e fornecer previsões, para realizar modelagem probabilística moderna. Depois disso, a próxima etapa é realizar a modelagem fuzzy. Para isso, é utilizada a ferramenta computacional, o software InFuzzy, também de código aberto para modelagem da lógica fuzzy, segundo POSSELT et al. (2015).

Etapa 3

Nesta etapa, é utilizado o software InFuzzy, que é uma ferramenta para o desenvolvi-mento de aplicações de sistemas difusos. Nesta tarefa, o autor insere as regras de associação de interesse escolhidas para este experimento, conforme selecionadas no Passo 2. As va-riáveis de entrada: índice de conservação do apartamento, área em metro quadrado e índice de conservação do edifício. A variável de saída é o preço por metro quadrado. O processo de Inferência Fuzzy é a fuzzificação, regras e defuzificação da saída pelo método do centro de gravidade. A metodologia é baseada na lógica fuzzy de acordo com as seguintes etapas (Figura 1): 1-Entradas (variáveis – área, apartamento de conservação (Consv_ap), constru-ção de conservação (Consv-build)); 2-Fuzzificação de entradas (pesos fuzzy); 3-Regras (do algoritmo Apriori); 4-Defuzzificação (define o valor numérico da produção = preço).

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Etapa 4

O propósito desta etapa é interpretar a precisão do modelo experimental e, para isso, utiliza métricas de erro para avaliar as previsões. A tarefa aqui é comparar o preço oferecido com os resultados obtidos na etapa 3. Para a precisão dos resultados, as métricas usadas são o erro quadrático médio (RMSE), o erro médio absoluto (MAE) e o erro absoluto médio percentual (MAPE) respectivamente, o resultado é dado em termos de métricas de ava-liação percentual.

RESULTADOS E CONCLUSÕES

Etapa 1

Resulta na obtenção holística dos índices do estado de conservação desses imó-veis. A partir disso, observa-se que 46% estão em bom estado, portanto são necessárias poucas despesas de manutenção. Os apartamentos residenciais que precisam de algum tipo de manutenção cuja anomalia necessita de reparos difíceis de usar e que demandam muito trabalho são de aproximadamente 35%, enquanto o índice de ruim (grave) e extre-mamente ruim é de aproximadamente 12%, e aproximadamente 7% estão profundamente grave condição geradora de riscos inesperados.

Etapa 2

O autor criou o arquivo .arff no Notepad ++ com o conteúdo da relação preço / metro quadrado; os atributos do experimento utilizado são o preço do metro quadrado obtido para cada propriedade; área de cada imóvel em metros quadrados; o índice obtido na ficha de inspeção para as variáveis: consv_ap; e consv_build; área; e a variável preço é definida com a seguinte definição linguística: baixo, médio e caro. Com o domínio do atributo descrito, foi gerado o arquivo .arff. Depois disso, o arquivo .arff é carregado no Weka para obter as regras de mineração usando o algoritmo Apriori. Assim, pelo software WEKA, 49 regras de associação foram geradas pelo algoritmo de mineração com no mínimo de 60% (confiança) / aprendizagem de dados. O autor escolhe todas as regras que contêm preço como conse-quência que são 7 (Tabela 4). A etapa 3 começa com as regras de associação obtidas aqui.

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Tabela 4. Regras de associação escolhidas pelo autor

1 IF (consv_ap = good) AND (consv_buid = renew) THEN 2 IF (consv_ap = medium) THEN 3 IF (consv_ap = medium) AND (consv_buid = old) THEN 4 IF (consv_build = renew) THEN 5 IF (consv_ap = good) THEN 6 IF (consv_ap = good) AND (consv_buid = old) THEN

7 IF (consv_ap = old) THEN

(Price = expensive) (Price = average) (Price = average) (Price = expensive) (Price = expensive) (Price = expensive)

(Price = average)

Etapa 3

Nesta fase, é feita a previsão do preço do imóvel, utilizando o software Infuzzy para modelagem do sistema difuso. A modelagem de uma árvore é feita usando termos linguís-ticos para gerar uma função por variável. Na simulação do experimento, as variáveis de en-trada definidas na árvore são configuradas pelo autor para definir o experimento, a variável quarto não entrou na análise heurística neste caso, por ser irrelevante. Dessa forma, são definidas as variáveis, escopo, classificação, parâmetro e função de associação (Tabela 5). Para definir o item do parâmetro na variável área, o autor escolhe uma função gaussiana.

Tabela 5. Conjuntos difusos – Classificadores

Variáveis

AREA

CONSV_AP

CONSV_BUILD

→ PREÇO

Alcance

[0, 100]

[0, 5]

[0, 3]

[0, 1,200]

Classificação

baixo normal alto

terrivel ruim médio bom excelente

novo renovado velho

baixo medio caro

Parâmetros

0.00 43.51 48.58 13.44 53.64 100

0.0 1.5 1.5 2.0 2.5 2.5 3.0 3.5 3.5 4.0 4.5

4.5 5.0

1 2 3

150 300 250 400 600

550 600

Função pertinência

Rampa esquerda Gaussiana Rampa direita

Rampa esquerda Triangular Triangular Trapezoidal Rampa direita

Discreta Discreta Discreta

Rampa esquerda Triangular Rampa direita

Fonte. Autor (2019).

A figura 1 ilustra a estrutura básica elaborada no software InFuzzy para atendimento da lógica fuzzy utilizada neste experimento. A figura 2 ilustra as variáveis de entrada de dados (área, conservação apto). Enquanto a figura 3 ilustra as variáveis de entrada conservação do prédio e a variável de saída (preço). Os atributos linguísticos seguem conforme Tabela 5.

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FIGURA 1. Estrutura base para a lógica fuzzy no software InFuzzy.

Fonte: Autor (2019).

FIGURA 2. Variáveis de entrada de dados (área, conservação apto).

Fonte: Autor (2019).

FIGURA 3. Variáveis de entrada (conservação prédio) saída (preço).

Fonte: Autor (2019).

200

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Assim, dispondo dessa estrutura heurística, realizou-se a simulação (Fig.4) no software InFuzzy a partir de todos os dados das 48 amostras de apartamentos consultadas. A si-mulação ocorreu também para o imóvel avaliando com 48 m2 e índice de conservação do apartamento igual 3.2 e conservação do prédio “velho”. O resultado dessa simulação equivale a 416,67 euros/m2 ilustrada na Figura 5.

FIGURA 4. Estrutura base para a lógica fuzzy pelo Software InFuzzy.

Fonte: Autor (2019).

FIGURA 5. Gráfico de desfuzificação – lógica fuzzy, pelo Software InFuzzy.

Fonte: Autor (2019).

A partir do das considerações sobre o imóvel avaliando dispondo das seguintes caracte-rísticas: Estado de conservação médio (índice de conservação do apartamento 3,2 segundo

Tabela 3), e índice de conservação velho para o prédio (3), deduz-se que a previsão do preço 201

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por metro quadrado perfaz a quantia de 416,67 euros (Fig.5). Assim, para um apartamento residencial com 48 m2 com índice de conservação do apartamento igual a “médio (3,2)” e prédio “velho”, o valor de mercado sugerido para esse apartamento avaliando é de 20.016,00 Euros. Conclui-se que o valor é condizente com a realidade de mercado na região de estu-do, fato corroborado segundo declaração verbal dos corretores de imóveis consultados na época da inspeção predial ocorrida em 2019 na Letônia.

Entretanto, o preço médio de mercado dos apartamentos residenciais em julho de 2019 em Jelgava eram de 522 EUR/m-2. Esta informação é uma visão geral do mercado de apartamentos residenciais segundo informação oficial do governo da Letônia (http://liaa.gov. lv/en/business-latvia/real-estate-market-research). Contudo, o site consultado www.liaa.gov. lv não informa o estado de conservação dos imóveis residenciais comercializados. Assim, considerando que a maioria dos apartamentos residenciais em Jelgava necessitam urgente-mente de renovação, o valor de descompressão sugerido pela visão heurística apoiada pelo software InFuzzy incorporada com as regras de associação originadas no software Weka equivale a aproximadamente 417 EUR/m-2.

Etapa 4

Este experimento realiza uma comparação entre os valores de mercado das amostras de propriedades com os valores previstos da lógica fuzzy.

(1)

O resultado obtido com a aplicação das métricas de erro para avaliar as previsões com o MAPE é de 9%. Assim, pode ser interpretado como um bom resultado para esta experiência acadêmica de doutoramento realizada na cidade de Jelgava, na Letônia.

AGRADECIMENTOS

A pesquisa é apoiada pela Bolsa Estadual da Letônia. Agradecimentos especiais ao Dr. Marcello M. Veiga do Departamento de Engenharia de Minas (University of British Columbia, Canadá). Nota: Dr. Marcello Veiga é doutor em lógica fuzzy e aluno direto do Dr. Lofti Aliasker Zadeh, o “Pai da Fuzzy Logic”.

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REFERÊNCIAS

1. CÁNOVAS, M. Patologia e Terapia do Concreto Armado. 1 Ed. Tradução de M. C. Marcon-des; C. W. F. dos Santos; B. Cannabrava. São Paulo: Ed. Pini. 522 p. 1988.

2. CHE-ANI, A., Ismail, , Johar, S., Abd-Razak, M., Hamzah, N. “Condition Survey Protocol: A System for Building Condition Assessment”. Applied Mechanics and Materials. Vol. 747, 347-350. 2015.

3. EIBE, F., Hall, M.A., & Witten, I.H. The WEKA Workbench. Online Appendix for ‘Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques’, Morgan Kaufmann, Fourth Edition, 2016.

4. KUSAN H., Aytekin O. & Özdemir I. The use of fuzzy logic in predicting house selling price. Eskisehir Osmangazi University, Department of Civil Engineering, Turkey. DOI: 10.1016/j. eswa.2009.07.031. 2010.

5. MAEC. Método de avaliação do estado de conservação de edifícios. Instruções de aplicação e ficha de avaliação. Ministério Obras Públicas, Transportes e Comunicações. LNEC. Lisboa. Outubro de 2006

6. NEN 2006, NEN 2767–1:2006 – Conditiemeting van bouw- en installatiedelen – Deel 1: Me-thodiek [in Dutch], Delft, NEN.

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8. POSSELT, E., Frozza, R. & Molz, R. INFUZZY: Ferramenta para desenvolvimento de apli-cações de sistemas difusos. Revista Brasileira de computação aplicada (Tool for developing diffuse systems applications. Brazilian Journal of Applied Computin), 7, 1 (fev.2015), 42-52. 2015. DOI: 10.5335/rbca.2015.3960.

9. SYAMILAH Yacob, Azlan Shah Ali and Au-Yong Cheong Peng. Building Condition Assess-ment: Lesson Learnt from Pilot Projects. MATEC Web Conf., 66 (2016) 00072. DOI: https:// doorg/10.1051/matecconf/20166600072. 2016.

10. VEIGA, M.M. A heuristic system for environmental risk assessment of Mercury from gold mining operations. DOI: 10.14288/1.0081112. 1994.

11. ZADEH, L. A. Fuzzy sets as a basis for a theory of possibility. Fuzzy Sets and Systems. DOI: 10.1016/0165-0114(78)90029-5. 1999.

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Análise econômica comparativa de empresas de água mineral quanto ao porte

Thays de Souza João Luiz

Daniel Henrique Ayres Rosa

Antonio Stellin Júnior

Artigo original publicado em: 2010

REM: Revista Escola de Minas – ISSN 2448-167X

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210304054

RESUMO

Esse trabalho faz uma análise econômica comparativa de três empresas de água mine-ral de pequeno, médio e grande porte, que estão localizadas no Estado de São Paulo. Todas as três empresas possuem as mesmas linhas de produção tais como copos, gar-rafas e garrafões. A análise será feita através da comparação entre os fluxos de caixa das três empresas.

Palavras–chave: Estado de São Paulo, Análise Econômica, Fluxo de Caixa, Água Mineral.

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INTRODUÇÃO

O mercado de águas minerais de São Paulo é extremamente significativo no contexto nacional. Trata-se do maior mercado de águas minerais do país. O mercado brasileiro de águas minerais tem através do Estado de São Paulo, sua maior referência no crescimento de um mercado complexamente estruturado em relação aos demais Estados da Federação, conforme os dados estatísticos do anuário mineral do Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM), publicado no site oficial do mesmo no ano de 2009, tendo como ano-ba-se o ano de 2008.

Com o intuito de analisar como o efeito de escala da produção influi nos fluxos de caixa dessas empresas, escolheram-se três empresas de portes distintos para se concluir a análise.

MATERIAL E MÉTODOS

A análise econômica foi feita com base nos métodos de avaliação econômica de projetos de mineração como aqueles descritos em Souza (1995). Tal obra cita projetos de mineração mais complexos do que as empresas de água mineral.

Além disso, por se tratar de uma análise financeira, a metodologia clássica foi mantida, como se vê em Ross (2002). Foram feitas apenas adaptações para realidade e por se tratar de uma indústria mais simplificada, tal como a indústria de água mineral.

Como empresa de pequeno porte, foi escolhida a Empresa Água Mineral Santa Cândida Ltda., localizada no município de Mococa. Possuindo menos de 15 funcionários, é detentora de uma surgência e três poços; produz, mensalmente, 2.111.840 litros de água mineral, distribuídos nas linhas de copos, garrafas e garrafões.

Como empresa de médio porte, foi escolhida a Empresa de Mineração A&M Ltda., localizada no município de São Paulo. Possuindo, aproximadamente, 60 funcionários, é detentora de três surgências e um poço; produz, mensalmente, 7.849.520 litros, distribuídos nas linhas de produção de copos, garrafas e garrafões.

Como empresa de grande porte ,foi escolhida a SPAL Indústria Brasileira de Bebidas Ltda. (do Grupo da Coca-Cola), localizada no município de Mogi das Cruzes, na Grande São Paulo. Possuindo, aproximadamente, 100 funcionários, é detentora de dois poços. Produz, mensalmente, 12.153.832 litros, distribuídos em linhas de copos, garrafas e garrafões.

Serão analisadas as principais características operacionais de cada empresa e, depois, serão feitos os fluxos de caixa de cada uma, para posterior análise e futuras constatações. Pretende-se entender como o porte de cada empresa (levando-se em conta o fator escala de produção) influi no mercado e no próprio fluxo de caixa da empresa.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DAS TRÊS EMPRESAS

Os dados produtivos e operacionais principais de cada empresa são aproximados, pois oscilam ano a ano, mas se mantêm fiéis à realidade de cada mineração de água, sendo pro-porcionais ao seus respectivos portes. Os dados encontram-se resumidos nas Tabelas 1 a 9.

RESULTADOS

Para fazer os fluxos de caixa, foi utilizado o método dos períodos de recuperação do investimento Payback ou Payout (PP), que consiste em calcular o número de períodos ne-cessários à recuperação do investimento inicial. Os fluxos de caixa das empresas estudadas encontram-se descritos na Tabela 10. Na referida descrição, foram desprezados os centavos.

DISCUSSÃO

Para se esclarecer como foram realizados os cálculos dos fluxos de caixa, é conve-niente fazer as seguintes considerações:

Os Custos Diretos são o somatório dos custos de mão-de-obra, dos custos de energia elétrica, dos custos de material de consumo (de copos, de garrafas e de garrafões), dos custos de transporte e dos custos de material de limpeza, higiene e laboratório.
Os Custos Indiretos são a soma da depreciação (das construções civis, dos ma-quinários, dos equipamentos e dos veículos e do custo de manutenção dos equi-pamentos.
Os Custos de Administração correspondem a 10% do somatório dos custos diretos mais os custos indiretos.
Os Custos de Produção é igual à soma dos custos diretos, com os custos indiretos e com os custos de administração.
A Receita Líquida é igual à receita bruta anual menos o custo de produção anual. • Os Impostos e Taxas Sociais (I) são compostos pelo ICMS, COFINS/PIS (CP) e

CFEM.

O ICMS para comercialização da água mineral é de 18%, logo o ICMS = receita bruta anual x 0,18.
O COFINS foi considerado como 4% da receita bruta anual e o PIS, como 0,65% da receita bruta anual, logo, o COFINS/PIS (CP) = receita bruta x 0,0465.
O CFEM é a compensação financeira, “royalt”, a ser paga ao governo pela explo-

ração comercial do bem mineral, correspondendo ao valor de 2% da receita bruta

207

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anual menos ICMS, COFINS e PIS, ou seja: CFEM= [receita bruta – (COFINS/PIS + ICMS)] x 0,02.

Os Impostos e as Taxas Sociais correspondem a (I) = ICMS + COFINS/ PIS + CFEM.
A Taxa de Retorno do Investimento (%) corresponde a (Saldo de fluxo)÷(investi-mento) x 100.
O Lucro Tributável é igual à receita líquida menos os impostos e taxas sociais (I). • A Alíquota do Imposto de Renda é calculada sobre o lucro tributável.
Para o cálculo do Imposto de Renda, utilizou-se a Tabela 11.
O Lucro Líquido é igual ao lucro tributável menos a alíquota do imposto de renda.

Esse não se trata do único método de se fazer um fluxo de caixa, mas foi o método escolhido por ser o mais didático e mais simplificado.

Por meio da comparação dos três fluxos de caixa, as empresas vão ser avaliadas economicamente, observando o efeito “escala da produção” sobre o mercado e sua relação com o porte de cada empresa.

CONCLUSÕES

Todos os empreendimentos estudados são economicamente viáveis para as três em-presas do ponto de vista econômico, porque retornam o valor investido ao longo dos anos e produzem lucro.

A Empresa Água Mineral Santa Cândida Ltda. tem a menor produção, por ser uma em-presa de pequeno porte, apresenta o menor lucro líquido e o retorno do investimento dá-se a partir do 6º ano. Possui, ainda, as menores taxas de retorno. Os custos de produção são 14 vezes o valor do lucro líquido e a empresa demorará mais de 20 anos para ter um saldo de fluxo maior que os custos de produção, se mantiver a mesma produtividade.

A Empresa de Mineração A&M Ltda. tem uma produção média, por se tratar de uma empresa de médio porte, apresenta lucro líquido com valor intermediário entre os valores da Empresa Santa Cândida Ltda. e da SPAL Indústria de Bebidas Ltda. Os Custos de produção são, aproximadamente, o dobro do lucro líquido e a empresa demorou dez anos para que o saldo do seu fluxo de caixa superasse em 4,6 vezes seus custos de produção, mantendo a mesma produtividade.

A empresa SPAL Indústria de Bebidas Ltda. tem uma grande produção em compa-ração com as demais, por se tratar de uma empresa de grande porte. Apresenta o maior lucro líquido entre as três empresas e o retorno do investimento dá-se a partir do quarto ano, mas esse fato deve-se ao investimento ter sido dezesseis vezes mais alto que a Empresa Santa Cândida e oito vezes mais alto que a Empresa de Mineração A&M. Logo o retorno

do investimento foi um pouco demorado. Os custos de produção são, aproximadamente, 208

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

20 vezes maior que o lucro líquido. Mas a empresa tem condições de fazer com que o sal-do de fluxo supere os custos de produção em, aproximadamente, 20 anos, se mantiver a mesma produtividade.

Para a Empresa Água Mineral Santa Cândida, faz-se necessário o aumento da pro-dução, para que a receita e atividade perde a sua atratividade econômica. O intuito do crescimento do saldo de fluxo é fazer com o empreendimento expanda e seja lucrativo e competitivo no mercado. Logo há a necessidade de um estudo minucioso para que o aumento da produção e seu efeito-escala sejam otimizados em busca da maior o lucro da empresa aumentem e o tempo de retorno do investimento seja menor e as taxas de retorno maiores. Serão necessários mais investimentos para o aumento da produção.

Tabela 1. Comercialização dos produtos. Preço médio para a Empresa Água Mineral Santa Cândida.

Tabela 2. Faturamento da Empresa Água Mineral Santa Cândida Ltda.

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Tabela 3 Dados para análise econômica da Empresa Santa Cândida Ltda.

Tabela 4. Comercialização dos produtos. Preço médio para a Empresa de Mineração A & M Ltda.

Tabela 5. Faturamento da Empresa de Mineração A&M Ltda.

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Tabela 6. Dados para análise econômica da Empresa de Mineração A&M Ltda.

Tabela 7. Comercialização dos produtos. Preço médio para a SPAL Indústria de Bebidas Ltda.

Tabela 8. Faturamento da SPAL Indústria de Bebidas Ltda.

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Tabela 9. Dados para análise econômica da SPAL Indústria de Bebidas Ltda.

Tabela 10. Fluxo de caixa das empresas

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Tabela 11. Tabela para o cálculo do Imposto de Renda.

Para a Empresa de Mineração A&M, é possível o aumento da produtividade, mas isso elevará os custos de produção, o lucro e a receita aumentarão e, se não houver necessidade de investimentos grandes, o aumento da produção, o retorno do investimento permanecerá rápido e o saldo de fluxo tenderá a aumentar cada vez mais.

A SPAL Indústria de Bebidas deve evitar realizar mais investimentos e deve aumentar a produção, de forma que a receita e lucro sejam maiores, assim o saldo de fluxo aumentaria mais rapidamente e superaria, num prazo menor de tempo os custos de produção.

Mediante isso, é possível concluir que o efeito-escala da produção influi, positivamente, no lucro e no saldo de fluxo da empresa, pois, com o aumento planejado da produção, a razão entre os custos de produção e o lucro líquido diminui, por exemplo, a ordem de grandeza dos custos de produção não é mais de 10 a 20 vezes o lucro líquido. Isto contribui para a lucratividade da empresa, que consegue aumentar, proporcionalmente, seu saldo de fluxo. Porém isso deve ser combinado à injeção de investimentos não muito vultosos e que possam ser retornados em curto ou em médio prazo. Os custos de produção, quando se aumenta a produtividade, também não devem ser demasiadamente maiores que o lucro líquido da empresa, porque isso faz com que a empresa tenha taxas de retorno menores. É necessário, também, que o saldo de fluxo da empresa cresça vagarosamente para superar os custos de produção. Caso contrário, a lucratividade e das maiores taxas de retorno do empreendimento.

213

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AGRADECIMENTOS

Os autores do trabalho agradecem à empresa MINERGEO Assessoria e Projetos em Geologia e Mineração LTDA.

REFERÊNCIAS

1. ROSS, S. , WESTERFIELD, R. W., JAFFE, J. F. Administração financeira. São Paulo: Atlas, 2002. 776 p.

2. SOUZA, P. Avaliação econômica de projetos de mineração análise de sensibilidade e análise de risco. Belo Horizonte: IETEC, 1995. 230 p.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Identificação de tecnologias afins à Indústria 4.0: APL Calçadista de Nova Serrana-MG

Débora Cristina de Souza Rodrigues UFCAT

Stella Jacyszyn Bachega UFCAT

Dalton Matsuo Tavares UFCAT

Tassiana Watanabe Ferreira UFCAT

Hamma Carolina Nogueira UFCAT

Núbia Rosa da Silva UFCAT

10.37885/210404156

RESUMO

Empresas que querem se manter competitivas no atual cenário mundial precisam buscar ampliar sua atuação no mercado reduzindo seus custos, criando parcerias e investindo em aquisição de conhecimento e tecnologias. Neste âmbito, os Arranjos Produtivos Locais (APLs) constituem importantes polos de diversos setores que possibilitam uma maior capacidade de inovação tecnológica aos seus membros, o que facilita o investimento em novas tecnologias, como os presentes nos conceitos da Indústria 4.0. Sendo assim, este artigo busca, por meio de uma pesquisa teórico-conceitual, identificar estudos que abor-dam determinadas tecnologias da Indústria 4.0 no contexto do setor calçadista nacional, de modo a obter um levantamento dos seus benefícios para o APL calçadista de Nova Serrana-MG. Os resultados mostraram que, embora existam poucos trabalhos sobre a utilização e a implicação das tecnologias da Indústria 4.0 no setor calçadista brasileiro até o ano de 2018, alguns possíveis benefícios podem ser apontados, como a atenuação de custos, do retrabalho e do estoque; aumento da produtividade, da eficiência do processo e da segurança de equipamentos, locais e informações; e melhoria na qualidade dos produtos/serviços e na satisfação dos clientes.

Palavras–chave: Arranjos Produtivos Locais, Indústria 4,0, Setor Calçadista.

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INTRODUÇÃO

A Indústria 4.0 resulta da aplicação de diferentes tecnologias integradas, as quais geram soluções específicas de acordo com a prioridade e a programação individual das empresas. Existem inúmeras possibilidades de combinações e intensidade do emprego dessas tecno-logias para a solução de problemas da produção industrial e, apesar de algumas destas já serem utilizadas, a grande novidade da Indústria 4.0 trata das suas integrações, gerando uma difusão mais acelerada e soluções empreendidas distintas daquelas obtidas até então (VERMULM, 2018).

De acordo com dados da Confederação Nacional da Indústria (CNI), o setor indus-trial brasileiro perdeu aproximadamente 11% da sua participação no PIB entre os anos de 1985 a 2016, devido às mudanças na estrutura produtiva e também pelo surgimento de novos modelos tecnológicos; além de ter sua produtividade reduzida em 7 pontos entre 2006 e 2016. Em 2020, a indústria brasileira como um todo representou 21,4% do PIB no país. No ranking geral do Competitividade Brasil de 2019/2020, o Brasil se situou como o penúltimo colocado entre 18 economias selecionadas, ficando à frente somente da Argentina. Quanto a Tecnologia e Inovação, a desvantagem do país em relação aos demais se reduziu, ocupando a 8ª posição (CNI, 2020)

O crescimento tecnológico dos países avançados acarreta em mudanças profundas, tanto econômicas quando sociais, que alteram os padrões de competitividade. No cenário brasileiro, aproveitar as oportunidades representa um fator decisivo entre ser competitivo ou manter-se atrasado, sendo, portanto, necessário o processo de consolidação da nova indústria digital no país (ARBIX et al., 2017).

Segundo a Federação das Indústrias do Estado do Rio de Janeiro Sistema – FIRJAN (2016), a aplicação da digitalização no meio industrial constitui fator fundamental para o au-mento da competitividade global do Brasil, bem como tem impacto no seu desenvolvimento econômico. Todavia, grande parte da indústria nacional ainda se encontra na transição da considerada Indústria 2.0 (linhas de montagem) e Indústria 3.0 (automação). De modo geral, os desafios que o advento da Indústria 4.0 trouxe para as indústrias brasileiras são a união de gestores industriais proativos, a disposição de tecnologias e profissionais qualificados, a obtenção de políticas estratégicas e os incentivos governamentais.

Neste contexto, um fator impulsionador do desenvolvimento tecnológico de nações são os arranjos institucionais, compostos por interações de diferentes atores (firmas, uni-versidades, agências governamentais, institutos de pesquisa públicos e privados, institui-ções financeiras, entre outros), ou seja, o desempenho inovativo não depende apenas do desempenho de empresas e organizações de ensino e pesquisa, mas também da maneira

como elas cooperam entre si e com diversos outros atores (TORRES; SIQUEIRA, 2015). 217

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Nos países em desenvolvimento, principalmente, há um incentivo à cooperação entre empresas por meio da criação de Arranjos Produtivos Locais (APLs), os quais promovem investimentos, crescimento econômico, aumento de emprego, exportações e desenvolvi-mento tecnológico, além do êxito competitivo obtido por esses no mercado global (FOGUEL; NORMANHA FILHO, 2007). Os APLs têm se mostrado um importante meio para se de-senvolver as capacidades de inovações tecnológicas de seus membros e, de acordo com Hofmann e Rusch (2017), o rápido progresso tecnológico que vivenciamos possibilita uma série de novas oportunidades de negócios, com o surgimento de novas tecnologias cada vez mais relevantes, como a Internet das Coisas (IoT), a Internet dos Serviços (IoS) e os Sistemas Ciber-físicos (CPS), sendo as mesmas constituintes dos pilares da Indústria 4.0.

Sendo assim, as tecnologias da Indústria 4.0 podem ser utilizadas em APLs de modo a ampliar a capacidade de inovação tecnológica dos seus membros. De acordo com o Núcleo Gestor de Arranjos Produtivos Locais, existem oficialmente 40 APLs em Minas Gerais, sen-do os de maior destaque o APL de Eletroeletrônicos de Santa Rita do Sapucaí, o APL de Móveis de Ubá e o APL de Calçados de Nova Serrana (SEEDIF, 2016). No Brasil, a indústria calçadista constitui uma das maiores do país, fornecendo grandes oportunidades para o empreendedorismo e gerando um grande número de empregos.

Desta forma, surge a seguinte questão de pesquisa: “Quais possíveis benefícios as tecnologias da Indústria 4.0 podem trazer para o APL de Nova Serrana-MG?”. Sendo assim, o presente artigo objetiva identificar possíveis aplicações de tecnologias afins a Indústria 4.0 tendo como foco o APL calçadista de Nova Serrana-MG, através de uma pesquisa teórica-conceitual. Para tanto, a estrutura do trabalho se encontra dividida em cinco par-tes. Primeiramente é feita uma breve revisão dos conceitos de Indústria 4.0 e de APLs voltado ao contexto do estado de Minas Gerais. Logo após, há a metodologia da pesquisa, seguida da seção de resultados obtidos. Por fim, apresenta-se as considerações finais da pesquisa realizada.

REFERENCIAL TEÓRICO

Indústria 4.0 no Brasil

Representando um grande desafio para o setor industrial, a chegada da quarta revo-lução industrial trouxe consigo uma oportunidade de superar a crise econômica no Brasil (ABDI, 2017). Neste contexto, a Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial (ABDI), juntamente com o Ministério da Economia, lançaram em 2018 a Agenda Brasileira da Indústria 4.0, a qual contém medidas que auxiliam as empresas no alcance da transformação digital e

da produção manufatureira condizente com a Indústria 4.0 (Ministério da indústria, comércio 218

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e serviços, 2020). Sendo assim, através da análise de pesquisas alemãs, a ABDI definiu cinco eixos de atuação para o direcionamento do Brasil:

A criação de um programa brasileiro de manufatura avançada, para o qual define–se representantes de vários setores que montam uma agenda de discussões para desenvolver um projeto de implantação, utilizando como base experiências de ou-tros países;
O estabelecimento de um acordo bilateral com a Alemanha, onde o principal foco consiste na troca de conhecimento e prática em manufatura avançada;
A elaboração de um ambiente para testes e demonstrações de tecnologia, que se assimilam à realidade;
A geração de incentivo financeiro para implantação;

O engajamento de pequenas e médias empresas, utilizando programas de divulga-ção e capacitação dos conceitos da Industria 4.0.

Arranjos Produtivos Locais em Minas Gerais

A cooperação entre as empresas se destaca como um meio capaz de torná-las mais competitivas, sendo considerada uma importante alternativa utilizada para acelerar o desen-volvimento econômico e social dos países. Algumas estratégias cooperativas, como partilhar o ônus da realização de pesquisas tecnológicas, oferecer produtos com qualidade superior e com riscos e custos para explorar novas oportunidades, são utilizadas frequentemente pelas empresas de modo a agregar novas possibilidades de atuação no mercado. Muitas destas estratégias cooperativas levam a uma organização formal das empresas, chamada de “Empreendimentos Coletivos”, sendo um destes o Arranjo Produtivo Local (APL) (CARDOSO; CARNEIRO; RODRIGUES, 2014).

Os Arranjos Produtivos Locais são referências quanto as suas possibilidades de pro-mover um desenvolvimento regional, nas políticas públicas estaduais e federais, mediante a inclusão desses debates em ambos os planos de governo (MARINI; SILVA; NASCIMENTO, 2015). Neste âmbito, a Assembleia Legislativa de Minas Gerais constituiu em 1 de agosto de 2006 a lei nº 16296, a qual institui a política estadual de apoio aos arranjos produtivos locais. Segundo a lei supracitada:

Considera-se Arranjo Produtivo Local a aglomeração produtiva horizontal de uma cadeia de produção de determinada região do Estado, que tenha como característica principal o vínculo entre empresas e instituições públicas ou privadas, entre as quais se estabeleçam sinergias e relações de cooperação (BRASIL, 2006, p.1).

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A Política Estadual de Apoio aos Arranjos Produtivos Locais visa fortalecer a atividade produtiva regional através do incentivo à complementaridade das cadeias produtivas, conso-lidando a atuação das empresas de pequeno e médio porte mediante a cooperação mútua e por meio de instituições públicas de pesquisa. Além disso, estimula o desenvolvimento da capacidade de inovação e eficiência coletiva do estado, divulga as oportunidades de apro-veitamento de ocorrências externas favoráveis à atividade do APL, diversifica a estrutura produtiva do município e favorece a expansão da economia mineira com o aprimoramento da distribuição de riquezas ao longo das cadeias produtivas, com o reinvestimento produtivo e a distribuição equitativa da renda e das oportunidades de trabalho (BRASIL, 2006).

O Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas (SEBRAE) aborda o tema de APLs em sua série “Empreendimentos Coletivos”, escrito por Cardoso, Carneiro e Rodrigues (2014), definindo os APLs como um agrupamento de empresas de mesma localiza-ção, as quais possuem determinada especialização produtiva, que cooperam entre si e inte-ragem com outros atores locais como governo, instituições de crédito e de ensino e pesquisa. Segundo Cardoso, Carneiro e Rodrigues (2014), as principais características de um APL

são sua dimensão territorial (espaço onde os processos produtivos ocorrem), a diversidade das atividades e atores (empresas, instituições privadas e públicas de ensino e pesquisa, instituições políticas etc.), o conhecimento tácito, a governança (cooperação de agentes e atividades) e as inovações e aprendizados interativos (transmissão de conhecimentos e ampliação da capacidade produtiva e inovadora).

Neste contexto, a Secretaria Extraordinária de Desenvolvimento Integrado e Fóruns Regionais (Seedif), também define os APLs caracterizando-os como um conjunto de em-presas localizadas em um mesmo território que “[…] apresentam especialização produtiva e vínculo entre si e com instituições públicas e privadas e outros atores sociais, entre os quais se estabelecem sinergias e relações de cooperação.” (SEEDIF, 2016).

No âmbito dos APLs, a função da Seedif consiste em coordenar o Núcleo Gestor de Arranjos Produtivos Locais (NGAPL), sendo este responsável por analisar e reconhecer ofi-cialmente os APLs de Minas Gerais, de modo que seus membros possam se beneficiar com duas linhas especiais de crédito: o Programa de Geração de Emprego e Renda (Proger), que utiliza recursos do Fundo de Amparo do Trabalhador (FAT) e o APL Giro com desembolsos do Programa de Integração Social (PIS) (SEEDIF, 2016).

Em virtude da sua variedade econômica, Minas Gerais é um estado pródigo em APLs. Neste âmbito, foi assinado um acordo de cooperação técnica entre o Governo do Estado de Minas Gerais e o Sebrae a fim de fomentar a integração entre estes, em função do desenvol-vimento dos APLs. O Termo de Cooperação engloba 13 APLs do estado de Minas Gerais, incluindo o calçadista de Nova Serrana, cujos objetivos são: a ampliação da convergência

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de ações das APLs, a promoção comercial e o apoio ao desenvolvimento por intermédio de políticas públicas setoriais, a promoção de articulação para solucionar problemas regulatórios de cada APL, entre outros (SEEDIF, 2017).

METODOLOGIA

A presente pesquisa se caracteriza como descritiva, pois buscou identificar as tecno-logias já conhecidas da Indústria 4.0 empregadas ao contexto dos APL´s, através de um levantamento bibliográfico. De acordo com Gil (1999), nas pesquisas descritivas o assunto já é conhecido, tendo como contribuição novas visões em torno dessa realidade já conhecida. Objetiva descrever características de uma população, de uma experiência ou fenômeno. O es-tudo agrega no sentido de revelar os fatores tecnológicos da Quarta Revolução Industrial pertencentes ao contexto calçadista do Arranjo Produtivo Local de Nova Serrana – MG.

O levantamento bibliográfico possibilitou a leitura, análise e a junção de dados e infor-mações que permitiram o apontamento das principais tecnologias da Indústria 4.0 emprega-das na APL calçadista de Nova Serrana- MG. Neste âmbito, abordagem utilizada possui um caráter conceitual e não numérico, podendo ser classificada como uma pesquisa qualitativa. Segundo a definição de Triviños (1987), pesquisas qualitativas trabalham dados buscando um significado, onde a interpretação surge da percepção do fenômeno através de um contexto, num processo dialético indutivo-dedutivo, tentando deduzir as consequências.

Em relação aos procedimentos, empregou-se a pesquisa teórico-conceitual. Conforme Berto e Nakano (1999), os estudos teórico-conceituais constituem um dos tipos de pesquisa inerente à abordagem qualitativa, sendo definidos como discussões conceituais tendo por base literaturas, revisões bibliográficas e modelagens conceituais, em função da percepção e experiências do autor. Desta forma, estudos teórico-conceituais compõem discussões conceituais sem dados de campo, por meio da análise de dados secundários (obtidos de fontes indiretas). Logo, este procedimento foi utilizado para análise da literatura selecionada e de dados secundários referentes ao campo de estudo escolhido.

A escolha do campo de observação da presente pesquisa foi realizada mediante o fato de o APL de Calçados de Nova Serrana ser um dos destaques no estado de Minas Gerais (SEEDIF, 2016). Segundo Santos e Romeiro Filho (2013), a indústria calçadista constitui uma das maiores do país, sendo um setor de importante caráter social em meio ao contexto de globalização mundial e cuja sua sobrevivência relaciona-se diretamente a conscientização de todos aqueles envolvidos nos diferentes setores.

Segundo o Sindicato Intermunicipal das Indústrias de Calçados de Nova Serrana (SINDINOVA), Nova Serrana possui um dos APLs mais desenvolvidos do País, empregando

cerca de 20 mil trabalhadores diretos e 22 mil indiretos, produzindo em torno de 800 pares/ 221

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dia. Além disso, o mesmo constitui uma referência nacional em estudos acadêmicos, tendo em vista o crescimento da indústria calçadista (SINDINOVA, 2018).

Localizado na região Centro-Oeste de Minas Gerais, a 112 quilômetros de Belo Horizonte, o polo calçadista de Nova Serrana destina mais de 90% da sua produção ao mercado interno (regiões Sudeste, Sul e Nordeste) e o restante ao mercado externo (países do Mercosul e demais países da América do Sul). Sua cadeia produtiva é composta por 687 empresas, dentre essas 465 são fabricantes de calçados; 210 fornecedores de matérias–primas, acessórios e máquinas e 62 são prestadoras de serviços. Os principais produtos fabricados pelo APL são sapatos casuais, sapatos esportivos; sapatos infantis; bota/adven-ture e acessórios (SINDINOVA, 2018). O APL é gerenciado por um comitê composto por entidades representantes de diferentes setores (empresarial, governamental e educacional), sendo coordenado pelo SINDINOVA (AZEVEDO; PARDINI; SIMÃO, 2015)

Para a seleção de tecnologias aplicáveis à Indústria 4.0 no contexto nacional, foi con-siderado o estudo de Vermulm (2018), do Instituto de Estudos para o Desenvolvimento Industrial, oriundo do acervo digital do Banco Nacional de Desenvolvimento (BNDES). A es-colha deste trabalho se deve ao fato de o BNDES possuir o Fundo de Amparo do Trabalho (FAT), responsável por fomentar o Programa de Geração de Emprego e Renda, uma das linhas especiais de crédito cujos APLs podem se beneficiar.

Mediante a necessidade de descobrir os atuais estudos realizados sobre os demais temas abordados neste trabalho, utilizou-se a base de dados do Google Acadêmico. De posse dos resultados obtidos, foi realizada uma filtragem conforme os seguintes critérios: estudos publicados de 2014 à 2018, oriundos de páginas em português, excluindo patentes e cita-ções. O horizonte de tempo de 2014 até e inclusive 2018 foi selecionado para englobar os trabalhos publicados nos últimos cinco anos, considerando o momento em que a pesquisa foi realizada (novembro e dezembro de 2018). Além disso, foram considerados os trabalhos em que as palavras-chave em contexto foram citadas no título ou no resumo, quando este apresentava um contexto relevante a temática do estudo.

RESULTADOS OBTIDOS

Tecnologias da Indústria 4.0

Segundo Vermulm (2018), a Indústria 4.0 resulta da aplicação de diferentes tecnologias, empregadas simultaneamente ou não, para se obter soluções segundo a necessidade de cada empresa. Sendo assim, o mesmo ressalta as seguintes tecnologias:

Sensores e atuadores: os sensores são dispositivos capazes de registrar e arma-

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

zenar informações de variáveis oriundas do ambiente físico produtivo, enquanto os atuadores comandam movimentos;

Internet das coisas (IoT): sistemas de hardwares e softwares capazes de estabe-lecer uma comunicação entre objetos;
Big Data: processamento e armazenamento de bases de dados de grande porte, estruturados ou não;
Computação em nuvem: também armazena e processa bases de dados, porém sua infraestrutura pode ser acessada através da Internet, possibilitando seu com-partilhamento a partir de diversos dispositivos;
Inteligência artificial: área da computação que viabiliza a tomada de decisão au-tomática por parte de produtos e processos produtivos, sem interferência humana;
Tecnologias de comunicação sem fio: equipamentos tecnológicos e softwares capazes de estabelecer comunicações de dados e voz sem fio;
Sistemas integrados de gestão: são sistemas compostos por diferentes softwa-res de gestão que podem ser utilizados para integrar diferentes atividades de uma unidade ou de muitas unidades de uma corporação, ou para aumentar a eficiência da gestão produtiva, comercial ou financeira;
Robótica: equipamentos de automação industrial autocontrolados, cuja progra-mação pode ser realizada a distância e com definido grau de autonomia, sendo capazes de tomar decisões diante de alterações das variáveis consideradas no processo de produção sem intervenção humana;
Manufatura aditiva: produção de peças por meio da deposição de materiais;

Novos materiais: nova geração de materiais com nanotecnologia criados para aplicações diversas que contribuem para o desenvolvimento de novas tecnologias por meio da viabilização da ampliação da capacidade de processamento e armaze-namento de dados por meio da redução de custos.

Sendo assim, o presente estudo baseia suas pesquisas considerando estas tecnologias como alguns dos pilares da Indústria 4.0 no Brasil.

Aplicações das tecnologias da Indústria 4.0 no setor calçadista

Considerando as tecnologias enumeradas na subseção 4.1, identificou-se quais os trabalhos utilizaram estas no setor calçadista. Foram utilizadas como palavras-chave os respectivos nomes de cada uma das tecnologias, juntamente com o termo “setor calçadista”. Utilizando o banco de dados Google Acadêmico, obteve-se resultados para as seguintes

tecnologias: sensores, computação em nuvem, sistemas integrados de gestão, robótica

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e nanotecnologia. Os trabalhos identificados estão nas próximas subseções. O Quadro 1 apresenta a organização dos trabalhos identificados por tecnologia da indústria 4.0, conforme dados apresentados nas subseções subsequentes.

Quadro 1. Organização dos trabalhos identificados por tecnologia da indústria 4.0

Tecnologias da indús-tria 4.0

Sensores

Computação em nuvem

Autores

Schroder et al. (2015)

Izidoro et al. (2016)

Gomes et al. (2014)

Local de publicação

Revista Espacios

Revista Vincci

Revista Eletrônica Sistemas de In-formação e de Gestão Tecnológica

Título

Análise da implantação de um processo automatizado em uma empresa calçadista: um estudo de caso à luz do sistema Hyundai de produção e a indústria 4.0

Sistema para Detecção de Chamas em Máquinas de Corte à Laser

Sistema de gestão online-SAAS para pequenas e empresas do ramo calçadista de Franca/SP

Trabalho de conclusão de Especiali-Souza (2014) zação pela Universidade do Vale do

Sistemas Integrados Rio dos Sinos (UNISINOS)

de Gestão Trabalho de conclusão de gradua-Baltazar (2015) ção pela Universidade Federal de

Santa Catarina

A tecnologia da informação na cadeia produtiva: os desafios da inovação de processos oriundos da automação. Estudo de caso em uma indústria calçadista

Implicações da implantação de sistemas ERP em micro e pe-quenas empresas do setor varejista de calçados: um estudo multicasos

Robótica

Nanotecnologia

Schroder et al. (2015)

Theis e Schreiber (2014)

Becker, Theis e Schrei-ber (2015)

Revista Espacios

Revista de Administração e Conta-bilidade da Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS)

Revista Uniabeu

Análise da implantação de um processo automatizado em uma empresa calçadista: um estudo de caso à luz do sistema Hyundai de produção e a indústria 4.0

A análise da relevância da inovação no processo de concep-ção estratégica: estudo de caso em uma empresa de com-ponentes para calçados

A contribuição da nanotecnologia para o desenvolvimento de produtos e conquista de clientes

Sensores

No contexto da tecnologia de sensores, a pesquisa pelas palavras-chave “sensores” e “setor calçadista” foi efetuada não somente no título e no resumo dos trabalhos, mas também no corpo dos textos, visto que nenhum dos trabalhos retornados pelo Google Acadêmico apresentava estas características. Desta forma, foram considerados os trabalhos cujo o emprego das palavras-chave no corpo do texto eram relacionados ao contexto deste estudo. O primeiro trabalho constitui um artigo publicado na revista Espacios, em 2015, intitu-

lado “Análise da implantação de um processo automatizado em uma empresa calçadista: um estudo de caso à luz do sistema Hyundai de produção e a indústria 4.0”. Schroder et al. (2015) tratam a automação industrial na fabricação de calçados femininos em uma em-presa do Rio Grande do Sul. Os mesmos analisaram uma linha de montagem de calçados automatizada, através de um sistema desenvolvido por uma empresa italiana, onde todos os calçados eram monitorados via RFID (chips de radiofrequência instalados nas formas dos calçados) que eram lidos por sensores instalados ao longo da linha de montagem. Por meio do monitoramento do tempo pelas leituras dos chips, as velocidades e os gargalos

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da linha de produção dos calçados são monitorados. Além disso, foram instalados dois ro-bôs na linha de montagem: um na etapa de asperação e outro na aplicação do adesivo no cabedal, que realizavam seus trabalhos se comunicando com os RFID. Comparando esta linha de produção automatizada com uma composta por processos tradicionais (uso apenas de operações manuais), os autores obtiveram resultados que comprovavam a redução do número do retrabalho e o aumento da produtividade do operador.

No ano seguinte, Izidoro et al. (2016) publicou seu estudo na revista Vincci, intitulado “Sistema para Detecção de Chamas em Máquinas de Corte à Laser”, onde foi realizado um estudo sobre o desenvolvimento de um sensor para a detecção de chamas em máquinas de cortes a laser, equipadas com CO2, utilizadas em empresas calçadistas e outros diversos setores. Os mesmos fabricaram o sensor para detecção de chama e comprovaram que sua utilização incrementa a segurança do equipamento, podendo o sistema ser aplicado em qualquer local onde haja probabilidade de incêndios em um determinado ponto.

Computação em nuvem

A pesquisa a respeito de computação em nuvem, realizando o devido processo de filtragem, retornou um resultado para as palavras-chave “computação em nuvem” e “setor calçadista”. Este trabalho foi o único encontrado pela base de dados utilizada através da filtra-gem, mesmo sem considerar as palavras-chave presentes no título e no resumo do trabalho. Gomes et al. (2014) publicou seu trabalho “Sistema de gestão online-SAAS para pe-quenas e empresas do ramo calçadista de Franca/SP” na revista eletrônica Sistemas de Informação e de Gestão Tecnológica em 2014. Seu estudo explora a aplicação de soluções por meio de Software as a Service (Software como Serviço – SAAS) para empresas de pequeno porte com foco na redução de custos. O software utiliza-se de computação em nu-vem, visto que fica hospedado em um centro de dados disponível para acesso online todo o tempo por diversos dispositivos. Os resultados obtidos demonstraram que, entre os principais benefícios do uso do SAAS, a empresa pode obter segurança no armazenamento de infor-mações e redução de custo no investimento de infraestrutura de Tecnologia da Informação.

Sistemas Integrados de Gestão

No levantamento sobre Sistemas Integrados de Gestão (ERP), a pesquisa pelas pa-lavras- chave “Sistemas Integrados de Gestão” e “setor calçadista” foi efetuada também no corpo dos textos. Os resultados obtidos foram de três, porém o trabalho de Gomes et al. (2014) foi recorrente, sendo discutido anteriormente no tópico 4.2.2.

O estudo de Souza (2014) constitui um trabalho de conclusão de Especialização em Administração da Tecnologia da Informação intitulado “A tecnologia da informação na cadeia 225

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produtiva: os desafios da inovação de processos oriundos da automação. Estudo de caso em uma indústria calçadista”. O mesmo analisa os impactos da implantação da tecnologia de inovação de processo de uma indústria de calçados infantis. Foi criado um programa de relação de pedidos para fechamento de volumes no ERP, um programa de consulta onli-ne para informar ao expedidor quais os pedidos disponíveis para serem embalados e um software para execução das rotinas de fechamento de pedidos integrado ao ERP. Os re-sultados obtidos demonstraram aumento da satisfação dos clientes, redução de custos e padronização dos processos.

Baltazar (2015) realizou uma pesquisa exploratória, descritiva e aplicada em seu tra-balho de conclusão de graduação em Tecnologias da Informação e Comunicação sobre “Implicações da implantação de sistemas ERP em micro e pequenas empresas do setor varejista de calçados: um estudo multicasos”. O autor buscou compreender as implicações do uso do ERP em empresas de micro e pequeno porte, tendo em vista o setor varejista de calçados da cidade de Araranguá. Para tanto, foram aplicados questionários junto as 16 empresas participantes referentes a utilização, benefícios, utilidades e dificuldades do ERP, além de perguntas referentes ao perfil das empresas. Os resultados apresentados pelo autor mostram que as empresas em questão fazem um bom uso de sistemas ERP, sendo que a maioria delas concorda com os seus benefícios de implantação e utilização, como a melhoria do controle financeiro, da qualidade dos produtos/serviços, da eficiência do processo e do suporte; redução de retrabalho, estoque, mão de obra e fluxo de papeis; aumento da produtividade; integração de todo os processos; evitam a duplicação de dados; amplia a relação cliente-fornecedor e a precisão das informações fiscais.

Robótica

O únicotrabalhoencontradonabasededados arespeito das palavras-chave“Robótica” e “Setor calçadista”, mesmo considerando o contexto em que elas foram apresentadas

no corpo do texto, foi o estudo de Schroder et al. (2015) mencionado no tópico 4.2.1.

Nanotecnologia

A respeito da nanotecnologia, as buscas retornaram dois resultados para as pala-vras-chave “nanotecnologia” e “setor calçadista”, levando em conta o contexto em que elas apareceram, no corpo do texto.

Theis e Schreiber (2014) publicaram na Revista de Administração e Contabilidade da UNISINOS o trabalho “A análise da relevância da inovação no processo de concepção es-tratégica: estudo de caso em uma empresa de componentes para calçados”. O objetivo dos autores foi compreender as estratégias de inovação de uma empresa através de um estudo 226

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de caso de natureza descritiva e de entrevistas, ressaltando que a nanotecnologia aplica-da ao tecido pode ser uma tecnologia promissora. Os autores constataram a necessidade de que gestores fomentem a cultura de inovação nas organizações e ressaltaram que as empresas podem se tornar competitivas mesmo sem ter a capacidade de gerar tecnologias internamente, através de alianças com centros tecnológicos que possuem laboratórios para a realização de testes de novos produtos.

No ano seguinte, Becker, Theis e Schreiber (2015) publicaram o artigo “A contribuição da nanotecnologia para o desenvolvimento de produtos e conquista de clientes” na revista Uniabeu, onde se analisou a opinião de clientes e compradores de indústrias de calçados quanto a importância da inovação de produtos utilizando a nanotecnologia. O autor, através de entrevistas semiestruturadas, conclui e evidencia a necessidade das empresas se dife-renciarem a fim de ampliar suas atuações no mercado, mediante a existência de clientes cada vez mais exigentes.

Indústria 4.0 no APL de Nova Serrana – MG

Os estudos mostraram que, no geral, a utilização e as implicações das tecnologias da Indústria 4.0 no setor calçadista brasileiro ainda não são muito explorados, sendo um assunto pouco abordado em trabalhos publicados desde 2014. Além disso, em sua maio-ria, as tecnologias presentes nos trabalhos não são tão inovadoras e algumas são utiliza-das de forma complementar. Todavia, mesmo com um escopo limitado, os resultados dos trabalhos analisados constataram que a utilização de algumas tecnologias das Indústria 4.0 podem trazer benefícios para o setor de calçados nacionais, inclusive o APL de Nova Serrana-MG, tais como:

redução do número do retrabalho, aumento da produtividade e monitoramento de variáveis ao longo do processo produtivo de calçados (sensores, robótica e siste-mas integrados de gestão);
incremento da segurança de equipamentos e/ou locais (sensores);

redução de custo no investimento de infraestrutura de tecnologia da informação, segurança no armazenamento de informações e disponibilização de dados em tempo real por meio de diversos dispositivos (computação em nuvem e sistemas integrados de gestão);
aumento da satisfação dos clientes (sistemas integrados de gestão e nanotecno-logia);
redução de custos, padronização dos processos, ampliação da relação cliente-for-

necedor e da precisão das informações fiscais, melhora do controle financeiro, da

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qualidade dos produtos/serviços e da eficiência do processo e do suporte; redução do estoque, da mão de obra e do fluxo de papeis; e contribuição para evitar a dupli-cação de dados (sistemas integrados de gestão).

Por conseguinte, a manufatura avançada já está no setor calçadista brasileiro, porém apresenta um processo lento de evolução e inovação. As oportunidades e aplicabilidades dessas tecnologias são imensas, mediante as possíveis combinações de sua utilização. Como, por exemplo, sensores poderiam ser utilizados para monitorar variáveis no decorrer no processo produtivo dos calçados, cujos dados coletados poderiam ser armazenados em computação em nuvem contribuindo para a elaboração de ERP’s mais integrados às necessidades da empresa ou, ainda, a análise destes bancos de dados poderiam gerar serviços digitais. Além disso, neste processo produtivo, robôs poderiam assumir atividades diversas e se comunicar com outros equipamentos da empresa, por meio da Internet das coisas, e os produtos finais poderiam conter nanotecnologias de modo a atender melhor às necessidades dos clientes.

Entretanto, pequenas e médias empresas brasileiras ainda enfrentam muitas barreiras financeiras para o investimento nessas tecnologias. Até 2018, a ausência de uma estratégia nacional para o desenvolvimento da Indústria 4.0 e a falta de coordenação entre as institui-ções públicas e o setor privado, conforme Vermulm (2018), afetaram significativamente a capacidade destas empresas quanto a inovações tecnológicas. Além disso, mesmo sendo composta por empresas de pequeno porte, a sinergia e relação de cooperação do APL au-menta a capacidade inovadora dos seus membros.

O APL de Nova Serrana conta com incentivos governamentais para o seu desenvolvi-mento, como a parceria de cooperação técnica entre o Governo do Estado de Minas Gerais e o Sebrae, o que possibilitaria a implantação de tecnologias da Indústria 4.0. Além disso, o APL tem a possibilidade de realizar alianças com centros tecnológicos e universidades (como a Universidade Federal de Minas Gerais, localizada próxima ao polo calçadista) para a elaboração de estudos mais profundos sobre a aplicação das tecnologias da Indústria 4.0.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O artigo identificou trabalhos publicados que utilizaram determinadas tecnologias da Indústria 4.0, no contexto do setor calçadista, para obter um levantamento dos seus possí-veis benefícios para o APL calçadista de Nova Serrana-MG. Os resultados mostraram que, embora ainda existam poucos estudos sobre a utilização e as implicações das tecnologias da Indústria 4.0 no setor calçadista brasileiro até 2018, alguns importantes e possíveis be-

nefícios puderam ser apontados, como a atenuação de custos, do número de retrabalho e 228

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do estoque; aumento da produtividade e eficiência do processo, bem como da segurança de equipamentos, locais e informações; monitoramento de variáveis e disponibilização de dados em tempo real; padronização dos processos; e a melhoria na qualidade dos produtos/ serviços e na satisfação dos clientes. Além disso, há uma maior facilidade para o investimento em novas tecnologias em APLs, mediante sua natureza de cooperação entre membros e o apoio de órgãos públicos e privados.

Sugere-se que estudos futuros abordem as demais tecnologias da Indústria 4.0, não tratadas neste estudo (Big Data, Internet das Coisas, Manufatura aditiva, Tecnologias de Comunicação sem Fio, entre outras) de modo a verificar a viabilidade de tais tecnologias em APLs de outros setores industriais. Além disso, enfatiza-se a importância da realização de estudos sobre os benefícios da Indústria 4.0 na logística de APLs. Ainda, salienta-se a importância de ampliar as buscar em demais bases de dados, incluindo pesquisas também de trabalhos na língua inglesa, e que abordem trabalhos publicados depois do lançamento da Agenda Brasileira da Indústria 4.0 estabelecida em 2018.

Ressalta-se que a cooperação orientada ao aprendizado e a inovação constitui um importante fator para o aumento do desempenho de empresas, bem como de seus APLs. Portanto, faz-se necessária a ampliação de estudos nacionais no âmbito da Indústria 4.0.

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Datação das formações Rio Claro e Piraçununga por termoluminescência

Sandra Regina Pizzolato Ferreira

Maria Rita Caetano Chang

Artigo original publicado em: 2018

REM: Revista Escola de Minas – ISSN 2448-167X

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210404181

RESUMO

As formações Rio Claro e Piraçununga recobrem extensas áreas da Depressão Periférica Paulista, sobretudo na região das cidades homônimas, sobrepondo-se às formações Corumbataí e Pirambóia, em contato discordante. Caracterizam-se por fácies de areias finas a médias, localmente apresentando estratificações plano-paralelas e cruzadas, e delgadas intercalações de lamas e cascalhos. As areias foram datadas pelo método de termoluminescência e apresentaram idade do Pleistoceno. A idade mais antiga, de 745.000 anos AP, foi determinada em amostras da Formação Rio Claro; as demais apre-sentaram resultados entre 400.000 e 145.000 anos AP, para ambas unidades. A idade mais recente, de 15.000 anos AP, foi obtida em amostra de depósito coluvionar sobreposto à Formação Piraçununga, próximo ao limite Pleistoceno/Holoceno.

Palavras–chave: Quaternário, Método de Termoluminescência, Formações Rio Claro e Piraçununga.

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INTRODUÇÃO

Este estudo visa o aprofundamento dos conhecimentos sobre as formações Rio Claro e Piraçununga, com a finalidade de melhor compreender suas relações estratigráficas, par-ticularmente quanto à cronologia de deposição destas unidades.

As formações Rio Claro e Piraçununga, admitidas como neocenozóicas pela maioria dos autores, estendem-se na região das cidades homônimas, localizadas no centro-leste do Estado de São Paulo. A área ora investigada compreende as folhas topográficas de Rio Claro e Piraçununga (IBGE, 1972a e b – 1:50.000), onde afloram sedimentos das duas unidades (Figura 1).

Inserida na Depressão Periférica Paulista (DPP), a área de estudo é caracterizada, sobretudo, por uma compartimentação em níveis aplainados, resultantes de ciclos erosivos, no sentido de DAVIS (1899, apud KING, 1956), conforme admitido em diversos estudos (BJÖRNBERG & LANDIM, 1966; SOARES & LANDIM, 1976; PENTEADO, 1976). Alguns setores apresentam relevo mais acidentado, em decorrência de intrusões de rochas básicas do magmatismo Serra Geral, encaixadas em unidades paleozoicas e mesozoicas da Bacia do Paraná, e de falhas ativas, principalmente no Mesozoico.

Grande parte do conhecimento sobre essas formações foi adquirida nas décadas de 1960 e 1970, em trabalhos de cunhos geológico e geomorfológico. A Formação Rio Claro constitui um dos mais importantes registros sedimentares cenozoicos da Depressão Periférica Paulista, exibindo litificação em geral incipiente e espessura máxima de cerca de 30 m.

Björnberg & Landim (1966) propuseram a designação litoestratigráfica Formação Rio Claro para os sedimentos neocenozoicos situados entre 600 e 800 m de altitude, na região do município homônimo. Freitas et al. (1979) também descreveram as formações superficiais da Depressão Periférica Paulista e denominaram Formação Piraçununga os sedimentos arenosos praticamente inconsolidados que ocorrem na região da cidade homônima.

Estudos mais recentes, como o de Melo (1995), evidenciam a complexidade e, es-pecialmente, a dificuldade em se estabelecer uma cronologia dos eventos deposicionais e erosivos das unidades cenozoicas, de sorte que a determinação de suas idades, como as aqui apresentadas, pode auxiliar não somente na elucidação desses eventos, mas também na correlação entre esses depósitos.

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Figura 1. Área de estudo com localização dos afloramentos estudados.

7600km N

São Paulo

Porto Ferreira

Descalvado

0 160km

São Carlos Piraçununga

Analandia

Sta. Cruz da

Conceição Leme

Corumbataí

Araras

Rio Claro Ipeúna 1

Legenda afloramentos áreas urbanas

drenagens rodovias

7500km N

200 km E

0 5 10 15km

290 km E

MÉTODO

Os sedimentos estudados foram amostrados em afloramentos das formações Rio Claro e Piraçununga, na área de estudo (Figura 1).

Na coleta de amostras para datações por termoluminescência, foram empregados tu-bos de PVC pretos, com 75 cm de comprimento e 2” de diâmetro, cravados horizontalmente nos níveis amostrados com auxílio de uma marreta, evitando-se exposição do material à radiação solar. Em câmara escura, as amostras foram retiradas dos tubos e acondicionadas em sacos plásticos pretos para envio ao laboratório para datação.

Foram coletadas 06 amostras para datação pelo Método da Termoluminescência, sendo 05 delas coletadas em sedimentos das formações Rio Claro e Piraçununga e 01 em cobertura coluvionar sobre a Formação Piraçununga:

Afloramento 01 (Figura 1, SP 191, próximo ao Rio Passa Cinco; coordenadas UTM 7517.695mN e 222.992mE, altitude 601,1m) – uma amostra a 180 cm de profundi-dade – Formação Rio Claro.
Afloramento 02 (Figuras 1 e 2, SP 191, próximo ao trevo da cidade de Ipeúna; coor-

denadas UTM 7514.089mN e 219.915mE, altitude 609,7m) – duas amostras a 110

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e 387 cm de profundidade – Formação Rio Claro.

Afloramento 04 (Figura 1, SP300, saída para Aguaí; coordenadas UTM 7575.734mN e 250.857mE, altitude 593,3m) – uma amostra a 300 cm de profundidade – Forma-ção Piraçununga.
Afloramento 03 (Figuras 1 e 3, SP 225, próximo à cidade de Analândia; coordena-das UTM 7560.148mN e 243.567mE, altitude 653,4m) – duas amostras, sendo uma a 250 cm de profundidade, na Formação Piraçununga, e outra a 150 cm de profun-didade, em sedimento coluvionar. 225 – Afloramento 03). Setas indicam locais de amostragem.

Método de Termoluminescência

A datação absoluta pelo método de termoluminescência (TL) constitui técnica que tem sido empregada com sucesso em sedimentos quaternários, principalmente aqueles submetidos a climas tropicais. Isto porque, as altas temperatura e umidade, características desse tipo de clima, promovem a oxidação da matéria orgânica carbonosa, inviabilizando a utilização do método de datação por 14C. PRÓSZYNSKA-BORDAS et al. (1992), estu-dando solos fósseis na região do Mediterrâneo, já atestavam a grande utilidade do método de TL em condições ambientais altamente oxidantes, uma vez que os estudos palinológicos são infrutíferos nessa situação.

A técnica de datação por termoluminescência baseia-se no princípio de que os cris-tais de quartzo, contidos em materiais arqueológicos e geológicos, aprisionam elétrons em armadilhas criadas pela exposição dos mesmos à radiação proveniente de raios cósmicos e de elementos radioativos do ambiente em que foram depositados; a TL é a luz emitida quando estes cristais são aquecidos por uma fonte de calor (AITKEN, 1985; WATANABE & MIYAMOTO, 1975).

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Figura 2. Formação Rio Claro (SP 191 – Afloramento 02). Setas indicam locais de amostragem.

Figura 3. Formação Piraçununga (abaixo da cascalheira) sobreposta por sedimento coluvionar (SP)

Seis amostras – 3 da Formação Rio Claro, 2 da Formação Piraçununga e 1 de colúvio acima da Formação Piraçununga – foram enviadas ao Laboratório de Vidros e Datação da FATEC (Faculdade de Tecnologia de São Paulo), onde foram preparadas para data-ção. A preparação das amostras envolveu: peneiramento com separação de grãos entre 88 e 180μm; tratamento químico com HF 20% por 1 hora e com HCl 20% por 2 horas; e seleção dos grãos de quartzo pelo método de Separação por Densidade, utilizando líquido de composição 3Na2WO4•9WO3•H2O.

Para determinação das doses acumuladas, foi utilizado o método de Regeneração Total, que consiste em exposição das amostras à luz solar durante 16 horas, divisão em diferentes porções e exposição à radiação γ de 60Co. As amostras foram irradiadas e submetidas a tratamento térmico a 200°C, durante 20 minutos, para eliminação da parte instável do sinal de TL, que ocorre em baixas temperaturas, em laboratório do IPEN/CNEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares/Comissão Nacional de Energia Nuclear – SP).

As datações das amostras foram feitas na FATEC, utilizando o aparelho TL/OSL Automated Systems, Modelo 1100 série Daybreak Nuclear Instuments INC, com taxa de aquecimento de 10°C/s, filtro ótico Schott-BG-39 e atmosfera de N2 gasoso. Os valores das doses anuais foram calculados utilizando concentrações de 40K, 232Th, 238U e 235U, me-didas com detector de Iodeto de Sódio, e contribuição da radiação cósmica de 182 μGy/ano.

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Idade das Formações Rio Claro e Piraçununga

Desde os trabalhos pioneiros (Mezzalira, 1961/1962; Björnberg et al., 1964; Björnberg & Landim, 1966; FULFARO & SUGUIO, 1968), a correlação entre as unidades cenozoicas da Depressão Periférica Paulista tem sido objeto de discussão. Dúvidas e controvérsias persistem, sobretudo, pelas dificuldades impostas pela descontinuidade lateral dos depósitos e parcas evidências que permitam estabelecer suas relações estratigráficas.

Neste contexto, as formações Rio Claro e Piraçununga têm sido consideradas generi-camente, por diferentes autores, ora como cenozoicas, ora neocenozóicas ou ainda terciá-rias. A atribuição de idades mais precisas esbarra na inexistência de fósseis-guia, de forma que grande parte das idades consignadas às unidades está calcada em correlações com eventos de cunhos geomorfológico e/ou estrutural, que permitem apenas datação relativa.

Os primeiros relatos de fóssis são de Mezzalira (1961/1962), que descreveu restos vegetais de monocotiledôneas e folhas de plantas das ordens Myrtales, Ranales, Ebenales e Rutales. Björnberg et al. (1964) descreveram os depósitos cenozoicos da área do platô de Rio Claro e identificaram as famílias Nymphaeaceae, Potamogetonaceae e Alismataceae, semelhantes às formas atuais.

Penteado (1969) estudou a evolução do relevo da região e destacou o estabelecimento de superfície de aplainamento no Plioceno, que constituiria o assoalho primitivo de deposição da Formação Rio Claro; Penteado (1976) considerou a reativação de antigas falhas que, aliada a fatores climáticos, teria propiciado condições para a deposição aluvial no Pleistoceno inferior. Também Ab’Saber (1969), entendendo que o assoalho da Depressão Periférica Paulista configuraria uma ampla superfície rasa e plana, embutida na superfície Neogênica (De MARTONNE, 1943), considerou que as formações Rio Claro e Piraçununga teriam se formado no Pleistoceno inferior.

Fúlfaro & Suguio (1974), com base em correlações com eventos tectônicos e sedimen-tação continental, atribuíram idade miocênica à Formação Rio Claro.

Soares & Landim (1976) consideraram que a sedimentação da Formação Rio Claro teria ocorrido em rios meandrantes instalados em vale subsequente ampliado, sem coalescência de planícies aluviais; posicionaram a unidade no limite Plioceno-Pleistoceno, com base em estimativa de taxa de rebaixamento erosivo.

Para Freitas et al. (1979), a Depressão Periférica Paulista teria sido formada por gra-bens e ampliada por erosão diferencial, de forma que as formações Rio Claro e Piraçununga constituiriam o entulhamento de fossas tectônicas, de idade terciária. Estudando a Formação Piraçununga, definiram a Fácies Vargem Grande do Sul, composta por sedimentos argilosos de planície de inundação ou lagos, de suposta idade oligocênica-miocênica, e referiram-se ao

restante da unidade, constituída de sedimentos mais grossos, arenosos, como Fácies Leme. 238

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Duarte & Rezende-Martins (1985, in Melo 1995), estudando os fósseis de Vargem Grande do Sul, propuseram idade holocênica, devido à presença de famílias de vegetais ainda hoje viventes.

Zaine (1994) considerou a deposição da Formação Rio Claro como o fecho depo-sicional do ciclo que elaborou a superfície Neogênica, admitindo que sua idade remon-taria ao Mioceno.

Melo (1995), atribuiu idade terciária à Formação Rio Claro, com base em fósseis de Magnoliopsedae. Identificou, ainda, vários outros depósitos mais jovens, sobrepostos às formações Rio Claro e Piraçununga, cujos fragmentos de carvão, datados por 14C, apre-sentaram idades compreendidas entre 6.500 e 8.500 anos AP.

Depreende-se, do acima exposto, a fragilidade das idades atribuídas às formações Rio Claro e Piraçununga, não somente por tratarem-se de datações relativas, mas principalmente por não se basearem em dados plenamente confiáveis do ponto de vista cronológico. Desta forma, o método de termoluminescência foi escolhido por oferecer a possibilidade de datação absoluta para essas unidades.

RESULTADOS

Os resultados analíticos das amostras das formações Rio Claro e Piraçununga e de colúvio, quanto às doses anuais, doses acumuladas (P) e idades, são apresentados na tabela 1 e figura 4.

Os resultados obtidos posicionam os depósitos das formações Rio Claro e Piraçununga no Pleistoceno, uma vez que a idade mais antiga obtida foi de 745.000 anos AP (Afloramento 01 – Formação Rio Claro) e as demais idades encontram-se entre 400.000 e 145.000 anos AP. O sedimento coluvionar data de 15.000 anos AP (Afloramento 03), situado, portanto, próximo ao limite Pleistoceno/Holoceno.

Tabela 1. Resultados das datações por Termoluminescência.

Amostra

PFRC 01/01 PFRC 02/02 PFRC 02/01 PFPÇ 04/01 PFPÇ 03/01

Colúvio

Profundidade (cm)

180 110 387 300 250

150

Dose Anual (μGy/ano)

340 ± 2,0 545 ± 8,3 800 ± 14,8 665 ± 15 445 ± 2,6

485 ± 3,3

P (Gy)

194,5 168,1 254,3 91,2 178,3

7,67

Idade (anos)

745.000 ± 78.000 305.000 ± 35.000 318.000 ± 38.000 145.000 ± 18.000 400.000 ± 40.000

15.000 ± 1.600

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Figura 4. Gráficos das datações por termoluminescência

PFPÇ 04/01

PFRC 01/01

PFPÇ 03/01

PFRC 02/02

Colúvio

PFRC 02/01

240

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CONCLUSÃO

As formações Rio Claro e Piraçununga são constituídas por rochas arenosas e areno–cascalhosas, de depósitos de fundo de canal e de barras fluviais, com esparsos depósitos de planícies de inundação. Esses sedimentos foram depositados por rios entrelaçados, cujas capacidade e competência foram condicionadas por variações climáticas que promoveram fases de maior aporte de sedimentos, de obstrução de canais secundários e de alagamento de planícies aluviais (Ferreira, 2005). A sedimentação dessas formações ocorreu aproxi-madamente entre 150.000 e 800.000 anos AP, indicando contemporaneidade entre as uni-dades. Após período de erosão que atingiu essas formações, provavelmente relacionada a eventos de instabilidade tectônica, depositou-se delgada camada coluvionar, na passagem do Pleistoceno ao Holoceno, recobrindo as unidades pleistocênicas.

A idade desses colúvios (15.000 anos AP) é concordante com as obtidas por Coutinho (1990), para depósitos superficiais na região de Piraçununga (8.600 anos AP), e por Gouveia et al. (2002), próximo à cidade de Anhembi (SP) (7.580 e 6.690 anos AP), com base em datação por 14C.

As idades obtidas por termoluminescência permitiram posicionar as formações Rio Claro e Piraçununga no Pleistoceno, com retrabalhamento coluvionar na passagem para o Holoceno. A idade pleistocênica, mais recente que as preconizadas pela maioria dos autores, dirimem as incertezas intrínsecas ao material fóssil e mostra-se consistente com a evolução geológico-geomorfológica da área.

AGRADECIMENTOS

As autoras agradecem ao CNPq e à FUNDUNESP (Fundação para o Desenvolvimento da UNESP), pelo apoio financeiro, e ao LEBAC/UNESP, pelo apoio logístico.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

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243

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Classificação Fuzzy de padrões não-motores e indicação da severidade da Doença de Parkinson

Thiago Juvenal Ribeiro UFLA

Daniel Furtado Leite UFLA

Maria Tailani Borges UFLA

Rennan Alves Cardoso UFLA

Raquel Rezende Coelho UFLA

Sílvia Costa Ferreira UFLA

Daniel Ângelo Polisel UFLA

Artigo original publicado em: 2020

Congresso Brasileiro de Automática – ISSN 22525-8311

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210404191

RESUMO

A doença de Parkinson é uma doença neurodegenerativa relacionada a idade. Cerca de 1% dos indivíduos com idade superior a 65 anos desenvolvem a doença. Pesquisas recentes em detecção incipiente da doença de Parkinson têm apontado como os primei-ros indicadores da doença alterações sutis na voz, hiposmia e distúrbios do sono. Este trabalho leva em consideração análises de amplitudes da fala em certas frequências e algoritmos de inteligência computacional para detecção incipiente de padrões não-mo-tores da doença de Parkinson. O grande número de dados e variáveis envolvidas, e a incerteza sobre valores exatos, causam dificuldades à análise especialista. Algoritmos de agrupamento, viz. Fuzzy C-Means e Gustafson-Kessel, foram implementados para análise das características extraídas de uma base de dados disponibilizada pela Universidade de Oxford. Os algoritmos têm apresentado resultados a respeito da inferência da severidade da doença de Parkinson para cada um dos indivíduos considerando a escala UPDRS (Escala Unificada de Avaliação da Doença de Parkinson). Em particular, o algoritmo Gustafson-Kessel tem apresentado melhores resultados em termos de classificações corretas de acordo com níveis de severidade da doença de Parkinson.

Palavras–chave: Doença de Parkinson, Inteligência Computacional, Sistema Fuzzy, C-Means, Gustafson-Kessel.

245

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

INTRODUÇÃO

A Doença de Parkinson (PD) é uma doença causada pela degeneração e morte de neurônios produtores de dopamina. Neurônios dopaminérgicos regulam a transmissão de comandos conscientes provenientes do córtex para os músculos. A doença envolve ainda à disfunção de outras estruturas produtoras de serotonina, noradrenalina e acetilcolina (Cooper, 2008; Jankovic, 2008). Parkinson é, portanto, uma doença degenerativa do sistema nervoso central. Geralmente, a PD prevalece em pessoas com mais de 60 anos e é mais comum em homens do que em mulheres. Ela acomete cerca de 1% dos indivíduos acima de 65 anos de idade, embora possa se manifestar em idades entre 35 e 85 anos (Rustempasic & Can, 2013). Os primeiros sinais da doença são pouco perceptíveis. Uma sensação de fraqueza ou rigidez em um membro, ou um fino tremor de uma das mãos quando em repouso pode ser um primeiro sinal da PD (Global, 2002). Quando a doença se agrava, os indivíduos porta-dores podem apresentar tremores, rigidez muscular, dificuldade de caminhar e equilibrar, instabilidade postural, entre outras dificuldades motoras. Estas dificuldades motoras são atualmente as principais características levadas em consideração para o diagnóstico clínico (Cooper, 2008; Jankovic, 2008). Os sintomas não-motores da PD incluem deterioração da fluência da fala (voz monotônica ou gagueira), insônia, disfunção olfatória, distúrbio com-

portamental do sono REM, entre outros.

Embora não exista atualmente cura para a PD, existem tratamentos, como medicação e cirurgia para gerenciar seus sintomas. A detecção incipiente e monitoramento da PD podem: atrasar seu progresso; sugerir medicação individualizada; estimular o desenvolvimento de novos tratamentos; e melhorar a qualidade de vida dos pacientes.

Pesquisas recentes em detecção incipiente da PD têm apontado como os primeiros indicadores da doença alterações sutis na voz, hiposmia e distúrbios do sono. Portanto, um dos métodos para o diagnóstico da doença é detectar e analisar sinais de voz usando ferramentas acústicas que registram as mudanças na pressão nos lábios ou dentro do trato vocal. Há muitos dados e variáveis envolvidas no problema de detecção incipiente da doen-ça de Parkinson baseado em padrões não-motores. Além disso, a incerteza sobre valores exatos de certas medições causa dificuldades à análise especialista.

Max Little, da Universidade de Oxford, desenvolveu em 2009 um software para detectar diferenças nos padrões de voz, a fim de classificar indivíduos saudáveis e indivíduos porta-dores da PD. Em (Litlle, 2009) obteve-se um desempenho de classificação geral correto de 91,4% usando o método de análise de regressão LASSO (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator). Além disso, a proposta de (Gil & Manuel, 2009) forneceu uma precisão de aproximadamente 90% no diagnóstico de PD usando ambos, Rede Neural Artificial do

tipo feed-forward (RNA) e Máquina de Vetor Suporte (SVM). Um classificador Neuro-Fuzzy 246

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Adaptativo (ANFIS) com hedges linguísticos proposto em (Caglar, 2010) gerou resultados de reconhecimento da PD com acurácia de 94,7% de desempenho para dados de teste.

No presente trabalho, algoritmos de agrupamento fuzzy, viz. Fuzzy C-Means e Gustafson-Kessel, foram implementados para reconhecimento de padrões em uma base de dados de sinais de voz disponibilizada pela Universidade de Oxford (Tsanas et al., 2009). A base de dados considera 42 indivíduos em estágio inicial de desenvolvimento da doença e aproxi-madamente 6 mil amostras de dados de fonações sustentadas da vogal ‘A’. As variáveis envolvidas dizem respeito ao espectro do sinal no domínio da frequência. Os algoritmos de agrupamento avaliados neste trabalho apresentaram tempo de processamento pequeno e resultados interessantes que inferem a severidade da PD para cada um dos indivíduos con-siderando a escala UPDRS (Escala Unificada de Avaliação da Doença de Parkinson), uma escala mundialmente aceita e adotada que reflete a presença e a gravidade dos sintomas. Quanto maior o UPDRS, mais graves são as deficiências do paciente (Leite et al., 2013).

MÉTODOS DE AGRUPAMENTO FUZZY E VALIDAÇÃO

Em campos que lidam com detecção de anomalias e diagnóstico, procura-se encontrar uma estrutura representativa nos dados obtidos a partir de observações de um processo ou fenômeno físico. Ao encontrar a estrutura, os dados são classificados de acordo com similaridades entre os valores dos atributos. Os parâmetros e a estrutura do modelo de classificação são definidos por um algoritmo de agrupamento não-supervisionado.

O processo de agrupamento decompõe uma coleção de amostras em subgrupos ou clusters com base em uma medida de similaridade ou distância. O objetivo é dividir o conjunto de dados de tal forma que os elementos pertencentes ao mesmo cluster sejam semelhantes entre si, e os elementos pertencentes a diferentes clusters sejam diferentes. Em agrupamento fuzzy, amostras de dados podem pertencer a mais de um cluster com um grau de pertinên-cia diferente relacionado aos diferentes clusters. Neste trabalho, foi utilizado os algoritmos Fuzzy C-Means e Gustafson-Kessel para realizar o agrupamento dos dados de PD dispo-nibilizados pela iniciativa da Universidade de Oxford. Os clusters resultantes são rotulados com diferentes níveis de severidade da doença.

Algoritmo Fuzzy C-Means

O algoritmo de agrupamento Fuzzy C-Means (FCM) é, talvez, o algoritmo mais conheci-do e usado na construção dos termos antecedentes de modelos de regras fuzzy (Rustempasic & Can, 2013. As distâncias entre amostras e centros de grupos são calculadas pelo algoritmo

e usadas para atualizar centros e funções de pertinência, podendo uma amostra pertencer

247

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simultaneamente a diferentes grupos, considerando espaços Euclidianos para o cálculo das distâncias. Logo, os clusters resultantes são essencialmente esféricos.

Visto que algoritmo de agrupamento FCM é amplamente conhecido na literatura, abaixo apresentamos seu pseudocódigo de forma breve.

Procedimento Fuzzy C-Means

1. Considere um conjunto de amostras de dados a serem agrupadas, , ; 2. Assuma um número de clusters (classes), , sendo 2 ≤ c < ;

3. Escolha o fator de fuzzicidade

4. Inicialize a matriz de partição

. Em geral,

de dimensão

é o valor padrão;

com valores aleatórios tal que

e ;

5. Calcule o centro dos clusters usando:

(1)

para

6. Calcule a distância de uma amostra para todos os clusters a partir de:

(2)

e amostras

Atualize a matriz de partição de acordo com as distâncias . Se , então

(3)

Repetir os passos de 5 a 7 até que um critério de parada de treinamento seja alcança-do. Adota-se como critério uma variação mínima da matriz de partição, i.e. , sendo

um limiar de tolerância ou convergência.

Algoritmo Gustafson-Kessel

O algoritmo de agrupamento Gustafson-Kessel (GK) é uma extensão do algoritmo FCM no sentido que inclui um mecanismo de adaptação de matriz de covariância capaz de indu-zir clusters elipsoidais não necessariamente alinhados aos eixos dos atributos e contendo diferentes distribuições espaciais para diferentes clusters (Mota et al., 2017).

O aprendizado em GK (Babuka et al., 2002) segue passos semelhantes aos pas-

sos do procedimento FCM, exceto pelo fato de que a distância entre a -ésima amostra 248

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de dados e o -ésimo centro de cluster é calculada baseada em uma matriz adaptati-va independente, . A métrica de distância em questão é conhecida como distância de Mahalanobis. Ela é dada por:

(4)

Dado um conjunto de dados , escolhe-se o número de clusters , a constante de fu-zzicidade , e o critério de parada ou convergência dos centros de clusters. Adotou-se novamente o valor padrão para , i.e. . Para amostras

(5)

A matriz de covariância associada a um cluster é obtida a partir de

(6)

onde

(7)

Por fim, atualiza-se a matriz de partição de acordo com (7) e (8).

O critério de parada para o GK é a variação mínima da matriz de partição, ou seja, , sendo um limiar de tolerância ou convergência.

Validação dos Modelos Classificadores

Medidas de validação são geralmente usadas para determinar a quantidade ideal de clusters existentes em uma base de dados (Pal et al., 1995). Neste trabalho adotou-se duas medidas de validação usuais, conforme descrito a seguir.

Critério de validação de Xie-Beni: o número ideal de clusters é determinado segundo o valor mínimo para o critério de Xie e Beni (XB) (Xie & Beni, 1991):

(8)

249

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O numerador da Eq. (8) refere-se à minimização da distância Euclidiana entre as amos-tras e os centros de clusters, é a norma 2. O denominador refere-se à maximização da distância entre centros de clusters. Pequenos valores de são esperados para clusters compactos e bem separados. Os valores de dependem da constate de fuzzicidade;

é o padrão adotado.

Coeficiente de Partição: o critério Coeficiente de Partição (PC) é definido segundo

(9)

O valor de PC mede a quantidade de sobreposição entre clusters (Bezdek, 1981). Os va-lores variam em [1/c, 1]. Quanto mais próximo do valor 1 for o coeficiente, mais “nítido” será o cluster. Um valor próximo de indica que não há tendência da existência de qualquer agrupamento na base de dados ou que o algoritmo em questão não conseguiu revelá–los. O número ideal de clusters gera o maior valor de PC.

METODOLOGIA

Sobre a Base de Dados

O conjunto de dados considerado foi criado por Athanasios Tsanas e Max Little da Universidade de Oxford em colaboração com 10 centros médicos nos Estados Unidos e a Intel Corporation, que desenvolveram um dispositivo de tele monitoramento para registrar sinais de fala de indivíduos em estágio incipiente de PD, vide (Tsanas et al., 2009). Os atri-butos das amostras de dados são listados na Tabela 1.

Os dados foram produzidos a partir de 5875 gravações de voz, fonações sustentadas da vogal ‘A’, durante um período de 3 segundos. Quarenta e duas pessoas portadoras da PD em estágio inicial participaram das gravações. Existem aproximadamente duzentas gravações por paciente. O teste foi realizado durante o período de 6 meses. Foi usado um dispositivo de tele monitoramento para gravações remotas da progressão dos sintomas. As gravações foram obtidas em ambiente doméstico, não ideal, para evitar idas contínuas à centros mé-dicos. Um total de 16 atributos de entrada de modelos classificadores foi considerado, con-forme mostrado na Tabela 1. A saída dos modelos classificadores é o UPDRS total, sendo o UPDRS motor desconsiderado neste trabalho. Além disso, os 4 primeiros atributos da Tabela 1, ‘subject’, ‘gender’, ‘age’ e ‘test_time’ foram desconsiderados para fim de adaptação de parâmetros dos modelos classificadores das gravações de voz.

Segundo o trabalho de Tsanas et al. (2009), dos atributos da Tabela 1, uma pessoa com a PD apresenta valores baixos para HNR, e para os demais (Jitter(%), Jitter(Abs),

Jitter:RAP, Jitter:PPQ5, Jitter:DDP, Shimmer, Shimmer(dB), Shimmer:APQ3, Shimmer:APQ5, 250

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Shimmer:APQ11, Shimmer:DDA, NH, RPDE, DFA, EPI) valores mais altos representam um estágio mais avançado da PD.

Tabela 1.Descrição dos Atributos do Base de Dados

Nome de Atributo

Subject Age Gender Test_time

Motor_UPDRS Total_UPDRS

Jitter(%), Jitter(Abs), Jitter:RAP, Jitter:PPQ5, Jitter:DDP

Shimmer, Shimmer(dB), Shimmer:APQ3, Shim-mer:APQ5, Shimmer:APQ11, Shimmer:DDA

NHR, HNR RPDE DFA

EPI

Descrição

Valor inteiro que identifica cada indivíduo Idade do indivíduo

Gênero – ‘0’ – Masculino, ‘1’ – Feminino Tempo desde o recrutamento para o julgamento

Pontuação da UPDRS motora linearmente interpolada Pontuação total da UPDRS linearmente interpolada

São 5 características de medidas de variação da frequência fundamental

São 6 características de medidas de variação da amplitude da fonação sustentada em certas frequências

São duas medidas de proporção de ruído para componentes tonais da voz Medida da complexidade dinâmica não linear Expoente de escala fractal do sinal de fala

Medida não linear da variação da frequência fundamental

Considerações Experimentais

Os algoritmos de agrupamento fuzzy, FCM e GK, são usados para encontrar similari-dades entre as amostras de dados. O número de clusters no conjunto de dados é um parâ-metro crucial. No caso dos algoritmos em questão, o número de clusters deve ser fornecido como parâmetro inicial. Diferentes quantidades de clusters foram avaliadas e as medidas de validação XB e PC apontaram a quantidade de clusters existentes na base de dados segundo o formato geométrico permitido por clusters FCM (esferas, distância Euclidiana) e GK (elipsoides, distância de Mahalanobis). As melhores partições são indicadas pelo menor valor de XB e pelo maior valor de PC.

Uma parcela de 60% das amostras foi utilizada para realizar o treinamento (ajuste de parâmetros) dos modelos classificadores. Os 40% dos dados restantes foram úteis para fim de teste e validação dos modelos. Os dados obtidos foram normalizados em para considerar os atributos na mesma proporção. A normalização do -ésimo elemento do

-ésimo vetor de dados é dada por:

(10)

onde , e .

Os dados de saída, relativos ao UPDRS total dos indivíduos, foram divididos em ní-veis de severidade da PD, linguísticos, de acordo com a quantidade de clusters do modelo classificador em questão.

251

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Os resultados obtidos no agrupamento foram comparados com os valores de UPDRS originais para encontrar a acurácia dos algoritmos. O tempo de processamento para as diferentes configurações de classificadores também foi computado.

A acurácia dos classificadores é calculada como segue. Inicialmente, erros, , e acer-tos, , das classes estimadas são definidos nulos. Se a classe estimada para a amostra

é errada, i.e., se , então . Ao contrário, . Logo,

(11)

onde é o número total em avaliação. Para acurácia do treinamento dos modelos, ; e para acurácia de teste .

RESULTADOS

Os índices de validação XB e PC foram utilizados para avaliar a quantidade ideal de clusters a serem utilizados no processo de agrupamento para cada algoritmo, variando o número de clusters até 10. Valores mínimos de XB e máximo de PC sugerem a melhor partição dos dados. Os dados foram normalizados no intervalo de 0 e 1 para considerar as variáveis em proporção. As Tabelas 2 e 3 apresentam os valores obtidos pelos algoritmos FCM e GK, respectivamente.

Tabela 2.Validação do classificador FCM

Clusters 2 3 4 5 6 7 8 9

XB 67.1796 26.8884 32.5769 54.5680 16.5568 21.4429 25.8061 19.3115

19.3679

PC 0.8212 0.7658 0.7210 0.7014 0.6851 0.61224 0.6363 0.6240

0.6088

Tempo(s) 0.8625 0.4193 0.5581 0.7501 0.6531 0.6124 0.9509 0.9911

1.0337

252

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Tabela 3.Validação do classificador GK

Clusters 2 3 4 5 6 7 8 9

XB PC 58.3132 0.8882 35.4573 07319 33.4759 0.6691 39.6960 0.6281 35.5639 0.6154 21.6335 0.5703 20.6347 0.5748 15.2495 0.5277

37.1441 0.5151

Tempo(s) 1.1490 0.7835 0.7460 0.9473 1.1802 2.4046 1.6224 1.4212

1.9378

Os valores em negrito nas Tabela 2 e 3 indicam a melhor partição FCM e GK, res-pectivamente, segundo um índice de validação. De acordo com o índice XB, o classificador FCM mostra que com 6 clusters são mais compactos e bem separados, e o GK com 9 clusters. De acordo com o índice PC, o número ideal de clusters nos dois algoritmos é 2 clusters. E o tempo foi melhor em 3 clusters para FCM e 4 em GK.

As Figuras 1 e 2 exemplifica os limites de decisão suave fornecidos por o uso de clusters com diferentes geometrias. O processo de cluterização acontece com a análise de todas as características, mas como não conseguimos enxergar em um espaço de 16 dimensão, é importante notar nas Figuras 1 e 2 que apenas os atributos mais representativos para indicar a severidade da DP, (Jitter(Abs)) e (DFA), foram escolhidos para serem mostrados, onde se utilizou o método de correlação para encontrar estas duas características menos correlacionadas. Sabe-se que quanto mais próximo de (0,0) menor é a severidade da DP, mais próximo de (1,1) maior é o avanço da PD de uma pessoa. Analisando as Figuras 1 e 2, nota-se que a maior parte dos dados se encontram mais próximos da posição (0,0), portando a maior parte dos indivíduos analisados estão com a PD em um estágio menos avançada. Nota-se também que os clusters GK são alongados para capturar a orientação dos dados.

253

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Figura 1. Limites de decisão para 6 clusters pelo algoritmo FCM. Os pontos vermelhos são centros e os azuis são amostras

Figura 2. Limites de decisão para 9 clusters pelo algoritmo GK. Os pontos vermelhos são centros e os azuis são amostras

Como o objetivo do trabalho é indicar a severidade do trabalho, então, para ter mais níveis de severidade da doença, optou-se por usar 6 clusters para o algoritmo FCM e 9 clusters para o GK. Mas no geral, se verifica que conforme aumenta o número de clusters, aumenta o XB, diminui o PC e aumenta o tempo de processamento.

Utilizando o método de correlação para encontrar as características menos correlaciona-das entre si. Como o modelo do FCM se comporta melhor com 6 clusters, as 6 características menos correlacionadas entre si foram: Jitter(Abs), Shimmer(dB), HNR, RPDE, DFA e PPE.

254

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Para o GK, utilizou as 9 características menos correlacionadas entre si, foram: Jitter(Abs), Jitter:RAP, Jitter:DDP, Shimmer(dB), NHR, HNR, RPDE, DFA e PPE.

Para o modelo FCM, foi obtido 6 níveis de severidade: baixa, baixa-média, media, me-dia-alta, alta e avançada. E para o modelo GK 9 níveis de severidade: muita-baixa, baixa, baixa-média, media, media-alta, pouco alta, alta, avançada e muito avançada. Os valores de UPDRS total foi dividido em 6 estágios para o FCM e 9 estágios para o GK. A Tabela 4 exemplifica o modelo.

Tabela 4.Níveis de severidade classificados pelos algoritmos FCM e GK.

Severidade

FCM GK

Muita-Baixa x Baixa x x Baixa-Média x x Média x x Média-Alta x x Pouco-Alta x Alta x x Muito-Alta x Avançada x x

Muito-Avançada x

UPDRS-Total

O desempenho dos algoritmos para a indicação da severidade da doença foi analisado em função do tempo de processamento e a Acurácia dos classificadores para treinamen-to e teste de validação, comparando o valor de UPRS total. Os resultados são apresen-tados na Tabela 5.

Tabela 5.Desempenho dos Algoritmos no treinamento e validação em função das características selecionadas.

Tempo Total – Treino (seg) Tempo Total -Teste (seg) Acurácia_Treino (%)

Acurácia_Teste (%)

FCM GK 5.63 5.96 3.89 4.23 87.33 85.41

83.89 79.44

Analisando os resultados da Tabela 5, verifica-se que o algoritmo GK teve um maior tempo de processamento e uma menor porcentagem de acerto tanto no treinamento como no teste de validação. Isso pode ser explicado devido ao fato do algoritmo GK trabalhar com um maior número de clusters.

O algoritmo GK teve resultados mais promissores, por poder classificar a severidade da PD em mais estágios do que o FCM, mesmo apresentado pouca diferença na porcen-tagem de acerto, tanto no treinamento como no teste de validação. Mas no geral, os dois

algoritmos apresentaram bons resultados para indicar a severidade da doença.

255

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CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS

O presente trabalho teve como principal objetivo a classificação fuzzy de padrões não-motores da doença de Parkinson para diagnosticar sua severidade. O algoritmo FCM tem apresentado melhores resultados em termos de classificações corretas de condições de pacientes de acordo com 6 níveis de severidade da PD na escala UPDRS. Mas o GK pode ser mais indicado por classificar a severidade da PD em 9 estágios, por apresentar pouca diferença nos resultados.

Os resultados, em geral, mostram que os algoritmos FCM e GK são apropriados em aplicações de diagnóstico para indicação da severidade da doença de Parkinson.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

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12. Rustempasic, Indira, and Mehmet Can (2013). “Diagnosis of parkinson’s disease using fuzzy c-means clustering and pattern recognition.” Southeast Europe Journal of Soft Computing 2.1.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Implementação em FPGA para pesquisa e ensino na área de eletrônica de potência de modulador PWM para conversores multiníveis

Wilson Cesar Sant’Ana INSTITUTO GNARUS

Camila Paes Salomon UNIFEI

Germano Lambert-Torres INSTITUTO GNARUS

Erik Leandro Bonaldi INSTITUTO GNARUS

Bruno Renó Gama UNIFEI

Robson Bauwelz Gonzatti UNIFEI

Rondineli Rodrigues Pereira UNIFEI

Luiz Eduardo Borges-da-Silva UNIFEI

Denis Mollica EDP

Joselino Santana-Filho EDP

Artigo original publicado em: 2013

Congresso Brasileiro de Automática – ISSN 22525-8311

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210404221

RESUMO

Este capítulo apresenta a implementação de um modulador PWM multinível (por defa-sagem de portadoras triangulares) para ser utilizado em sistemas FPGA de forma a se controlar conversores eletrônicos em topologia cascata de pontes H. A técnica de geração de pulsos PWM por defasagem de portadoras triangulares é explicada, tomando como base a já bastante conhecida modulação PWM unipolar. Cada um dos blocos fundamen-tais do modulador (desenvolvidos em linguagem VHDL) são explicados em detalhes e simulados. O sistema como um todo é totalmente modular e pode ser utilizado para o controle de um número arbitrário de pontes H, simplesmente pela repetição de blocos e pela inicialização destes blocos de acordo com as equações fornecidas. O modulador foi testado em uma placa DE0-nano (com FPGA do fabricante Altera/Intel) mas seu código pode ser utilizado (sem necessidade de modificações) em qualquer outro modelo de dispositivo FPGA (de qualquer fabricante). Resultados experimentais são apresenta-dos com base em um conversor composto por três pontes H em cascata, gerando sete níveis de tensão.

Palavras–chave: Conversores Multiníveis, Eletrônica de Potência, FPGA, Modulação PWM,.

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INTRODUÇÃO

Conversores baseados em dispositivos de eletrônica de potência têm sido cada vez mais utilizados em aplicações que fazem interface com a rede elétrica moderna. Entretanto, os dispositivos eletrônicos utilizados nestes conversores possuem limitações em termos de tensão de bloqueio e corrente direta, ficando clara a necessidade da correta associação dos dispositivos em topologias que permitam os níveis desejados de potência. Em Braga(2000) é apresentada uma revisão bibliográficas sobre estas topologias. Dentre as topologias apre-sentadas em Braga(2000), pode-se destacar a de pontes H em cascata, preferida neste trabalho devido à sua fácil modularidade.

Independente da topologia, os dispositivos empregados precisam ser comandados de forma a conduzirem corrente ou bloquearem tensão. A forma mais comum com que estes dispositivos são comandados é por meio de modulação por largura de pulsos (PWM – do inglês Pulse Width Modulation). A maioria dos kits de desenvolvimento com microcontro-ladores de baixo custo possuem sistemas de geração de pulsos PWM. Embora algumas aplicações de utilidade industrial implementadas nestas plataformas possam ser encontradas na literatura (por exemplo em Silva(2017) com Arduino, ou Cheng(2017) com Raspberry PI), os módulos PWM destas placas são muito limitados e não atendem aos requerimentos de conversores multiníveis.

Em Sant’ana(2018a), é apresentado um procedimento de programação dos módulos PWM do DSP TMS320F28335 (da Texas Instruments) visando aplicação em conversores multiníveis. Embora esses módulos PWM sejam muito superiores (e altamente configuráveis) do que os dos kits de baixo custo, ainda assim eles são disponíveis em quantidade limita-da. O TMS320F28335, por exemplo, apresenta apenas seis módulos PWM – o que permite o controle de apenas três pontes H em cascata.

Fica clara a necessidade do uso de um dispositivo que possibilite maior configurabili-dade e maior número de saídas. Neste sentido, os FPGAs se apresentam como a solução ideal. Este trabalho (que é uma republicação dos resultados apresentados no Congresso Brasileiro de Automática no artigo Sant’Ana(2018b)) apresenta a implementação em FPGA de um modulador PWM para conversores multiníveis.

MÉTODO

O capítulo 7 de Wu(2006) descreve alguns métodos de modulação PWM para pon-tes H em cascata, cuja topologia é ilustrada na Figura 1(a). Neste trabalho será utilizado o método Phase-Shift PWM, cujo diagrama em blocos (para uma implementação com três

pontes) é apresentado na Figura 1(b). Esta técnica apresenta como vantagem a facilidade 260

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de filtragem da tensão de saída, dado que as componentes de chaveamento na saída re-sultante são deslocadas de (sendo o número de pontes H) vezes acima no espectro. Esta técnica consiste no uso da uma modulação PWM unipolar Mohan(1995, p. 215-218) para cada ponte, sendo que cada uma das portadoras triangulares devem ser defasadas de . O padrão “em escada” na tensão resultante de saída irá conter níveis de tensão,

de acordo com (1).

(1)

Uma representação esquemática da modulação PWM unipolar é vista no detalhe do maior dos blocos em azul da Figura 1(b) e é baseada na variante com um único sinal modulante e duas portadoras triangulares Wu(2006, p. 122). Para qualquer valor do sinal modulante maior ou igual ao da primeira portadora triangular, haverá um sinal de gate ativado em um dos IGBTs superiores de uma das pontes da Figura 1(a) ( ). O sinal de gate do outro IGBT superior ( ) será determinado por uma segunda comparação, desta vez com uma porta-dora defasada de . De forma a não curto-circuitar o link DC da ponte, os gates dos IGBTs inferiores sempre deverão ser complementares aos superiores ( e ).

Figura 1. Conversor com três pontes H em cascata – (a) esquemático; (b) diagrama em blocos do modulador.

Fonte: Autores

Conforme se observa nos três plots superiores da Figura 2(a), a comparação com a portadora defasada de faz com que o pulso do segundo IGBT superior ( ) fique centralizado em relação ao pulso no primeiro IGBT superior ( ). Isto faz com que a re-sultante na saída de cada ponte apresente o dobro da frequência dos pulsos em cada IGBT ( ), tal qual (2) – conforme se confirma no plot central da Figura 2(b).

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

(2)

De acordo com (1) o padrão resultante na saída de cada ponte conterá três níveis de tensão ( , 0V e ) – isto é observado nos plots V1, V2 e V3 da Figura 2(a).

Tomando como base o PWM unipolar, um número de pontes (visando níveis de tensão) podem ser controladas simplesmente pelo deslocamento das portadoras triangu-lares de um ângulo dado por (3). Desta forma, para um conversor com três pontes H, por exemplo, cada um dos três moduladores unipolar deverá apresentar uma defasagem de

: unipolar#1: e ; unipolar#2: e ; unipolar#3: e .

(3)

Assim como ocorrido com a modulação unipolar, o efeito das defasagens nos pulsos de cada IGBT faz com que a saída resultante apresente uma frequência (dada por (4)) muito maior do que a frequência de chaveamento em cada IGBT (possibilitando o uso de filtros menores no lado AC do conversor) – conforme se confirma no plot inferior da Figura 2(b).

(4)

Simulação funcional do Phase-Shift PWM para sete níveis

A Figura 2 apresenta os resultados de uma simulação (realizada no software GNU Octave – sendo Figura 2(a) os resultados no domínio do tempo e Figura 2(b) os resultados no domínio da frequência) do modulador da Figura 1(b) visando exemplificar o funcionamen-to do modulador e prover dados comparativos para validar os resultados experimentais da seção RESULTADOS E DISCUSSÃO.

Tem-se no plot superior da Figura 2(a) uma modulante senoidal e as seis portadoras triangulares (cada uma delas defasadas de entre si, conforme (3)). As duas portadoras em vermelho (em linha cheia e em linha pontilhada) correspondem à ponte , as duas em verde à ponte e as duas em azul à ponte .

O resultado da comparação da onda modulante com cada portadora em linha cheia produz os pulsos de gate para os primeiros IGBT superiores de cada ponte ( ) e o re-sultado da comparação da onda modulante com cada portadora em linha pontilhada produz os pulsos de gate para os segundos IGBT superiores de cada ponte ( ) – conforme se observa nos plots H1T1 e H1T2 da Figura 2 (a).

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Figura 2. Simulação funcional do modulador (no software GNU Octave) – (a) domínio do tempo; (b) domínio da frequência

Fonte: Autores

A saída (normalizada em relação a ) de cada ponte será a diferença de potencial entre os pulsos nos dois IGBTs superiores, conforme se observa nos plots V1, V2 e V3 da Figura 2(a). Nota-se o padrão unipolar de três níveis de tensões.

A saída total do conversor corresponde à soma das saídas de cada conversor, confor-me se observa no plot inferior da Figura 2(a). Nota-se o padrão com sete níveis de tensões.

Tem-se no plot superior da Figura 2(b) o espectro do pulso de gate do IGBT (os pulsos dos outros onze IGBTs apresentam padrão semelhante). Nota-se que as raias são múltiplas da frequência de chaveamento . Tem-se no plot intermediário da Figura 2(b) o espectro da saída da ponte (as saídas das outras duas pontes apresentam padrão semelhante). Nota-se que as raias são múltiplas do dobro da frequência de chaveamento, confirmando (2). Tem-se no plot inferior da Figura 2(b) o espectro da saída total do conver-sor. Nota-se que as raias são múltiplas de seis vezes a frequência de chaveamento (para o caso com três pontes), confirmando (4).

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Implementação do modulador multinível em FPGA

Para a implementação do modulador PWM no FPGA, foi utilizada uma metodologia “bottom-up”, aonde se inicia pelas funcionalidades mais simples – constituindo pequenos blocos para serem utilizados em blocos maiores e assim sucessivamente, tal qual ilustrado na Figura 1(b). Desta forma, têm-se como blocos básicos a portadora triangular (sub-se-ção Bloco Portadora Triangular) e o comparador (sub-seção Bloco Comparador). Estes blocos são agrupados formando um bloco PWM (sub-seção Bloco PWM). Utilizando dois blocos PWM, com defasagens de entre as portadoras, tem-se o bloco Unipolar (sub–seção Bloco Unipolar). Utilizando três blocos Unipolar, com defasagens de entre cada portadora, obtém-se o PWM para três pontes em cascata (sub-seção PWM para 3 pontes H em cascata).

Todos os blocos foram desenvolvidos em linguagem VHDL. Por uma questão de espaço, os códigos não são mostrados neste capítulo, mas podem ser vistos no blogdo autor (Sant’Ana, 2021). É importante notar que, embora os resultados da seção RESULTADOS E DISCUSSÃO tenham sido obtidos com base no kit DE0-nano (com FPGA do fabricante Altera/Intel), estes códigos podem ser utilizados em qualquer FPGA, independente do fabricante.

Bloco Portadora Triangular

Este bloco apresenta como entradas:

clk: pulsos de clock;

CntIni: vetor de 32bits representando a contagem inicial. Este valor (junto com Up-DownIni) define a defasagem da portadora;
CntMax: vetor de 32bits representando a contagem máxima. Este valor define a frequência da portadora;
UpDownIni: define se a rampa inicial é de subida (contagem de CntIni até CntMax) ou de descida (contagem de CntIni até zero) . Este valor (junto com CntIni) define a defasagem da portadora;
reset: quando em nível alto, a contagem retorna ao valor determinado em CntIni na rampa determinada por UpDownIni.

Este bloco apresenta como saída:

Tri: vetor de 32bits representando a contagem a cada pulso de clock.

Tem-se na Figura 3(a)umfluxograma para implementação do bloco Portadora Triangular.

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Tem-se na Figura 3(b) um exemplo de funcionamento do bloco (com código VHDL simulado no software ModelSim Altera Starter Edition) para CntMax=4 (de forma a facilitar a visualização). Em t=40ns, o sinal reset passa de nível alto para nível baixo, iniciando a contagem. Nesta situação, CntIni=2 e UpDownIni=1, o que indica que a contagem se iniciará pelo valor 2 na rampa de subida. Em t=280ns, os sinais CntIni e UpDownIni são modificados para CntIni=1 e UpDownIni=0. Em t=300ns, o sinal reset passa de nível alto para nível baixo, reiniciando a contagem – desta vez do valor inicial 1 na rampa de descida.

A frequência da portadora será a frequência de clock dividida pelo dobro do valor con-tagem máxima. Desta forma, (5) determina o valor de CntMax a ser utilizado, de forma a se obter uma portadora com frequência à uma taxa de clock .

(5)

Figura 3. Bloco Portadora Triangular – (a) Fluxograma; (b) Simulação RTL (ModelSim Altera Starter Edition) com exemplo de contagem até 4 iniciando de 2 na rampa de subida e de 1 na rampa de descida; (c) Exemplo de contagem com CntMax=16667, CntIni=8334 e UpDownIni=0.

Fonte: Autores

No caso do kit DE0-nano, tem-se um clock a cristal de 50MHz. Desta forma, para =1.5kHz, tem-se CntMax=16667.

O ângulo de fase inicial da portadora é definido através de CntIni e UpDownIni. A cada CntMax contagens a portadora se desloca de . Portanto, considerando a contagem 0 como a referência , os valores de CntIni e UpDownIni podem ser obtidos de acordo com (6) ou (7), dependendo do valor do ângulo.

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(6)

(7)

É importante notar que (6) e (7) consideram ângulos positivos (para geração de por-tadoras adiantadas no tempo). Quando se desejam portadoras atrasadas no tempo, devem

ser utilizados os ângulos adjacentes (

caso se desejasse uma portadora atrasada de

) da defasagem desejada. Por exemplo,

, esta seria equivalente a uma portadora

adiantada de – portanto, através de (7), seriam obtidos os valores CntIni=8334 (consi-derando CntMax=16667) e UpDownIni=0.

Tem-se na Figura 3(c) um exemplo de funcionamento do bloco para CntMax=16667, CntIni=8334 e UpDownIni=0 – ou seja, =1.5kHz e portadora atrasada de (ou adian-tada de ). Nota-se que o período obtido foi 666680ns, o que corresponde a uma fre-quência de 1.49997kHz.

Bloco Comparador

Este bloco realiza uma comparação entre duas entradas de 32bits (chamadas Triangular e DutyCycle apenas como referência ao PWM). Uma terceira entrada (Pol) define se a saída (chamada Pulso, também em alusão ao PWM) receberá nível alto ou baixo quando DutyCycle ≥ Triangular.

Tem-se na Figura 4(a) um fluxograma para implementação do bloco Comparador. Tem-se na Figura 4(b) um exemplo de funcionamento do bloco. Em t=0ns, a simulação se inicia com os valores decimais 1111 e 777 nas entradas DutyCycle e Triangular, respectivamen-te. A entrada Pol se inicia em nível alto. Nesta condição, o teste DutyCycle ≥ Triangular é verdadeiro – e como Pol=1, a saída Pulso receberá nível alto. Em t=40ns, DutyCycle se man-tém em 1111 e Triangular muda para 1111 Nesta condição, o teste DutyCycle ≥ Triangular continua verdadeiro – e como Pol continua em nível alto, a saída Pulso continuará em nível alto. Em t=80ns, DutyCycle se mantém em 1111 e Triangular muda para 2112 Nesta condi-ção, o teste DutyCycle ≥ Triangular é falso – e como Pol continua em nível alto, a saída Pulso receberá nível baixo. De t=120ns até o fim da simulação, a mesma sequência em Triangular é repetida – porém, desta vez, com Pol em nível baixo, obtendo uma saída complementar.

266

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Figura 4. Bloco Comparador – (a) Fluxograma; (b) Simulação RTL (no software ModelSim Altera Starter Edition).

Fonte: Autores

Bloco PWM

Este bloco contém instâncias dos dois blocos anteriores, sendo que a saída Tri do bloco portadora triangular é conectada a entrada Triangular do bloco comparador, tal qual detalhe do maior dos blocos em rosa na Figura 1(b). Desta forma, o bloco herda as entradas de configuração do bloco portadora triangular e as entradas de duty-cycle e configuração de polaridade de comparação do bloco comparador.

Tem-se na Figura 5(a) um exemplo de funcionamento do bloco PWM. Em t=0ns, a simulação se inicia com a portadora triangular configurada com CntMax=16667 (para =1.5kHz$) e com o valor 15000 na entrada DutyCycle. Até t=1.33ms, a entrada de polarida-de da comparação (Pol) é configurada em nível alto. Como 15000/16667=0.90, tem-se na saída Pulso um sinal com 90% de duty-cycle, conforme se pode calcular pelos cursores 1, 2 e 3. Da diferença entre os cursores 1 e 2, nota-se que Pulso permanece em nível alto por 600020ns, enquanto seu período (diferença entre os cursores 1 e 3) é 666680ns – resultando, portanto, em um duty-cycle 600020/666680=90%.

A segunda metade da Figura 5(a) ocorre a partir de t=1.33ms, quando a entrada DutyCycle continua com os mesmos 15000 mas a entrada de polaridade da comparação (Pol) é configurada para nível baixo. Da diferença entre os cursores 4 e 5, nota-se que Pulso permanece em nível alto por 66660ns, enquanto seu período (diferença entre os cursores 4 e 6) é 666680ns – resultando, portanto, em um duty-cycle 66660/666680=10%, que é o complementar de 90%. A entrada Pol, portanto, permite a mudança da polaridade da saída da ponte H, sem a necessidade da mudança física entre os braços – e –

nos conversores da Figura 1(a).

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Figura 5. Simulação RTL (no software ModelSim Altera Starter Edition) dos blocos PWM (a), Unipolar (b) e PWM para 3 pontes H (c) – exemplos com 90% de duty-cycle.

Fonte: Autores

Bloco Unipolar

Este bloco contém duas instâncias do bloco PWM, sendo que as portadoras triangulares de cada bloco devem ser defasadas de (de acordo com (6) e (7), tal qual detalhe do maior dos blocos em azul na Figura 1(b). O primeiro bloco PWM é configurado com CntIni=0 e UpDownIni=1 e o segundo com CntIni=16667 e UpDownIni=0). Além disto, é adicionada uma lógica de saída para a geração dos pulsos complementares para os IGBTs de um mesmo braço da ponte, tal qual Figura 1(b).

Tem-se na Figura 5(b) um exemplo de funcionamento do bloco Unipolar. Em t=0ns, a simulação se inicia com as portadoras triangulares configuradas com CntMax=16667 (para =1.5kHz) e com o valor 15000 na entrada DutyCycle (para 90% de duty-cycle). Nesta figura as saídas Top1, Bot1, Top2 e Bot2 correspondem aos pulsos de gate , , e da Figura 1. É importante notar que a lógica de saída apenas cria os pulsos complementares, sem criação de dead-time (uma vez que se considera que isto seja função

dos gate-drivers dos IGBTs).

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PWM para 3 pontes H em cascata

O PWM multinível para três pontes H em cascata pode ser obtido com três instâncias do bloco Unipolar, sendo que as portadoras triangulares de cada bloco devem ser defa-sadas de . De acordo com (6), o primeiro bloco Unipolar é configurado com CntIni=0 e UpDownIni=1 para que suas portadoras se iniciem em e . De acordo com (7), o segundo bloco Unipolar é configurado com CntIni=5556 (16667/3) e UpDownIni=0 para que suas portadoras se iniciem em (ou ) e . De acordo com (7), o terceiro bloco Unipolar é configurado com CntIni=11111 (16667-2/3) e UpDownIni=0 para que suas portadoras se iniciem em (ou ) e .

Tem-se na Figura 5(c) um exemplo de funcionamento do modulador PWM para 3 pon-tes em cascata, para duty-cycle 90%. Em t=0ns, a simulação se inicia com as portadoras triangulares configuradas com CntMax=16667 (para =1.5kHz$) e com o valor 15000 na entrada DutyCycle. Nesta figura são mostradas apenas os gates dos IGBTs superiores de cada braço (os inferiores são complementares) e são listados por ordem de disparo, ou seja: P1Top1 ( na Figura 1, P2Top1 ( ), P3Top1 ( ), P1Top2 ( ), P2Top2 (

), P3Top2 ( ) e, novamente, P1Top1 ( ).

Dos cursores da Figura 5(c), observa-se que o tempo decorrido entre cada edge ini-cial nos pulsos seguindo a ordem acima é uma alternância entre 111100ns e 111120ns. Esta diferença de um período de clock ( =1/50MHz=20ns) se deve ao fato das divisões realizadas para o cálculo das defasagens não serem exatas. Considerando que o período dos pulsos é 666680ns e representa , tem-se que as defasagens obtidas foram uma alternância entre e .

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O circuito da Figura 1(a) foi montado em uma bancada de testes, tal qual mostrada na Figura 6(a). No experimento realizado, a frequência de portadora ( ) foi estipulada em 1.5kHz. Como sinal modulante, foi criada uma referência senoidal interna através de look-up table. A frequência do sinal modulante ( ) foi estipulada em 60Hz. Os resultados apresentados a seguir foram obtidos em malha aberta e a vazio, pois se está interessado apenas no funcionamento do modulador PWM.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figura 6. Testes em bancada – (a) Fotografia da bancada de testes (cujos elementos são identificados na Tabela 1); (b) Oscilografia das tensões do conversor (para , e ).

Fonte: Autores

Tabela 1. Identificação da bancada de testes

1 Kit FPGA DE0-nano (Altera Cyclone IV) 2 Conversão 3.3V ↔ 15V

3 Conversão sinais elétricos ↔ ópticos 4 Gate-drivers

5 Power blocks (IGBTs) Fonte: Autores

Tem-se na Figura 6(b) uma oscilografia das tensões em cada ponte e da tensão to-tal. A onda em amarelo é a tensão AC na saída da ponte ( , na Figura 1(a)). A onda em azul é a tensão AC na saída da ponte ( , na Figura 1(a)). A onda em magenta é a tensão AC na saída da ponte ( , na Figura 1(a)). A onda em verde é a tensão AC resul-tante na saída do arranjo com três pontes ( , na Figura 1(a)).

Nota-se, da Figura 6(b), que a tensão de cada ponte H possui um formato de chavea-mento unipolar (chaveando entre o pólo positivo e o zero e entre o pólo negativo e o zero) Mohan(1995, p. 215-218) – confirmando a simulação da Figura 2(a). Como o sinal modulante é um só, caso as saídas de cada ponte ( , e ) fossem filtradas, estes sinais seriam idênticos. Entretanto, como as portadoras são defasadas, existe um deslocamento nos edges de cada pulso, o que resulta no formato “em escada” em . Nota-se, também, que apre-senta sete níveis de tensão, conforme previsto na equação (1) e na simulação da Figura 2(a). Outra consideração importante diz respeito à frequência de chaveamento: cada IGBT

de cada uma das pontes, irá chavear em uma frequência =1.5kHz, que é a mesma frequência de cada uma das portadoras triangulares. Como cada ponte utiliza modulação unipolar, a frequência resultante nas saídas , e é =3kHz (conforme previsto na equação (2)). A Figura 7(a) apresenta o espectro de frequências de (os espectros de

e são similares). Nota-se (no cursor 1) que a raia em 3kHz apresenta uma amplitude 270

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

de 15dBV. Cada divisão de amplitude representa 5dBV – o que implica que a componente em 1.5kHz tem amplitude muito abaixo de 0dBV. Observa-se também, tal qual previsto pela simulação da Figura 2(b), que predominam as raias múltiplas de =3kHz.

Graças à defasagem entre os edges nos pulsos de cada saída , e , o sinal composto com as pontes em série apresenta uma frequência resultante de

=9kHz (conforme previsto por (4)). A Figura 7(b) apresenta o espectro de frequências de . Nota-se que a componente em 3kHz caiu de 15dBV (conforme visto na Figura 7(a)) para algo no nível do ruído. Já a componente em 9kHz subiu de cerca de 5dBV (conforme visto na Figura 7(a)) para cerca de 15dBV. Isto confirma que a frequência de chaveamento resultante é seis vezes maior do que a frequência de cada IGBT, tal qual previsto pela si-

mulação da Figura 2(b).

Figura 7. Espectro de frequências das tensões (com escala de amplitudes logarítmica) – (a) Saída da ponte ( ); (b) Saída resultante das três pontes ( )

Fonte: Autores

CONCLUSÃO

Este capítulo abordou o desenvolvimento de um modulador PWM para conversores multiníveis em FPGA. Foi apresentada uma estrutura modular do tipo bottom-up, aonde os blocos desenvolvidos em VHDL podem ser reaproveitados. Neste trabalho, o modulador foi desenvolvido visando conversores com três pontes H em cascata (gerando sete níveis de tensão). Entretanto, devido a sua modularidade, o sistema pode ser facilmente adaptado para mais pontes, bastando apenas a repetição de blocos (e o cálculo apropriado de seus valores de inicialização, conforme fórmulas apresentadas).

Cada bloco desenvolvido foi discutido em detalhes e simulado no software ModelSim (Altera Starter Edition). O modulador desenvolvido foi gravado em um kit de desenvolvimento

271

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

DE0-nano (com FPGA do fabricante Altera/Intel), mas os mesmos códigos podem ser rea-proveitados em qualquer tipo de placa com FPGA de qualquer fabricante.

O sistema desenvolvido foi verificado em uma bancada de testes. Cada uma das três pontes H foi alimentada com um banco de baterias do tipo chumbo-ácido. Como o objetivo do trabalho é a apresentação do modulador, os testes foram realizados em malha aberta. Verificou-se que a frequência de chaveamento resultante é seis vezes maior (para o caso do conversor com três pontes) do que a frequência de cada IGBT. Isto implica em uma maior facilidade de filtragem, mantendo baixas perdas por chaveamento.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer às seguintes instituições pelo apoio fi-nanceiro prestado:

CNPq, CAPES, FAPEMIG e P\&D ANEEL.

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272

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Análise de silício metálico em escória por deslocamento de coluna de mercúrio

Aline Cristina P. Sousa de Caux VAMTEC GROUP

Fernanda Gonçalves Nascimento Engenheira Ambiental

Márcio Farias Silveira Engenheira Ambiental

Pedro José Nolasco–Sobrinho

EP USP – VAMTEC GROUP HIGHTECH Engenharia & Consultoria

Artigo original publicado em: 2011

REM: Revista Escola de Minas – ISSN 2448-167X

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210404252

RESUMO

Nesse trabalho, é apresentada uma proposta para a análise de silício metálico em escória da produção de ferro-silício, através da quantificação do hidrogênio liberado pela reação da amostra com hidróxido de sódio, mensurado através do deslocamento de coluna de mercúrio acoplada a sistema fechado. O valor obtido é comparado ao deslocamento provocado por amostra-padrão. O método foi comparado à metodologia gravimétrica tra-dicionalmente utilizada, que se baseia na mesma reação, entretanto o Si° é quantificado através da conversão ácida do silicato formado na reação em sílica. Os resultados mos-traram que o método proposto possui elevada correlação com a metodologia gravimétrica, com custo analítico inferior e maior rapidez de execução. Foram observados os valores de 0,177%, para o Limite de Detecção, e de 0,574%, para o Limite de Quantificação da metodologia proposta, ambos satisfatórios para as concentrações que esse trabalho procura analisar.

Palavras–chave: Silício, Limite de Detecção, Limite de Quantificação, Reciclagem, Meio

Ambiente Sustentabilidade.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

INTRODUÇÃO

A busca do desenvolvimento de técnicas de reutilização de resíduos na criação de pro-dutos de grande valor agregado vem ao encontro de uma tendência mundial de preservação ambiental (Caux et al., 2007). Pesquisas visando, agregar valor e qualidade aos resíduos sólidos industriais e urbanos têm ganhado espaço em muitos laboratórios e instituições com trabalhos que demonstram o grande potencial do investimento na tecnologia de seu reapro-veitamento (Yalçin & Sevinç, 2000; Gemelli et al., 2001; Ferraris et al., 2001; Leite & Molin, 2002; Méndez et al., 2003; Jonker & Potgieter, 2005). Esses desenvolvimentos devem ser sustentados pela caracterização analítica confiável e rápida, assegurando, assim, resultados precisos com a agilidade exigida pelos ambientes industriais, além do baixo custo analítico. O silício ocorre na natureza na forma combinada, é encontrado em, praticamente, todas

as rochas, areias e solos. Entre seus compostos naturais, alguns dos mais importantes são:

quartzo-SiO2, asbestos H4Mg3Si2O9, zeolita Na2(Al2Si3O10).H2O e mica K2Al2(Al2Si3O10).H2O (Peixoto, 2001). Sua produção em escala industrial acontece pela redução carbotérmica do

quartzo em fornos de arco elétrico, onde a sílica (SiO2) é reduzida com o uso de eletrodos de carbono em temperaturas superiores a 1900 ºC (Suzuki & Pereira, 2003; Mei, 2008). Os re-

síduos gerados na fabricação de silício metálico e ligas de Fe-Si, como as poeiras e as escórias, após a caracterização química e física, podem ser transformados em produtos auxiliares para a fabricação de ligas e aço, mais especificamente escórias sintéticas para o ajuste da composição química do gusa ou desoxidantes.

No processo de fabricação de aço, o ajuste do teor de silício do gusa pode ser realiza-do através de adições de fontes de silício metálico. É de suma importância a determinação do teor de silício metálico do produto, para se evitarem erros nos cálculos de balanço de massa e térmico do processo em questão, pois é na forma metálica que ocorrerá a maior contribuição para incorporação desse elemento no metal e/ou desoxidação da escória e/

ou do metal. O silício na forma de sílica (SiO2), por exemplo, permanecerá na escória do processo e somente contribuirá para o aumento do silício total do produto e do volume de

escória, forçando, muitas vezes, o aciarista a realizar adições de outros materiais e funden-tes para o ajuste da basicidade do processo, visando ao seu controle (Rizzo, 2005; Rizzo, 2006a; Rizzo, 2006b). Por isso, a determinação rápida e precisa do teor de silício metálico de produtos auxiliares utilizados na metalurgia e siderurgia, na fabricação de ligas metálicas, gusa e aço, independentemente do processo, toma um caráter de vital importância.

Para quantificar o silício metálico e a sílica presentes, simultaneamente, numa amostra é comum utilizar-se a Difração de Raios X (Gazulla et al., 2006). Nem sempre os laboratórios dispõem desse equipamento e uma das metodologias alternativas utilizadas, para a análise

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de silício metálico em escória consiste na sua reação com hidróxido de sódio, que tem, como produtos, o silicato de sódio e o hidrogênio, conforme a reação (Miller, 2009):

Si + 2NaOH + H2O ® Na2SiO3 + 2H2 (Reação 1)

Comumente o silicato de sódio formado é transformado em sílica por tratamento áci-do. A sílica formada é filtrada, calcinada e pesada.

SiO3-2 + 2H+ ® SiO2 + H2O (Reação 2)

A metodologia de análise, para a determinação do teor de silício metálico, proposta nes-se trabalho baseia-se na Reação 1 descrita anteriormente, entretanto o composto quantificado será o hidrogênio liberado na reação, que deslocará uma coluna de mercúrio de maneira análoga a determinação de alumínio metálico descrito na NBR 8959 (Materiais Exotérmicos para Lingotamento de Aço – Determinação de Alumínio Metálico). O volume de hidrogênio liberado será comparado ao volume liberado por uma amostra padrão (com teor de silício conhecido) e desta forma, o silício metálico poderá ser quantificado de maneira indireta.

Para validação da metodologia, utilizou-se padrão certificado IPT 135. Foram realizadas análises comparativas pelas duas metodologias.

Foi realizado, ainda, o cálculo do Limite de Detecção e Limite de Quantificação da metodologia proposta (NBR ISO/IEC 17025).

MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS

Foi utilizado o Padrão IPT 135 – Silício Metálico Grau Químico com pureza de 99,56% de silício metálico fornecido pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT. O Padrão foi diluído conforme os teores de 1,0; 5,0; 7,5; 10 e 12,5% em massa com areia quartzoza certificada, IPT 61, para avaliação do Limite de Detecção e Limite de Quantificação.

Para comparação das metodologias, utilizou-se amostra de escória, que foi analisa-da pelos dois procedimentos com dez repetições. Em complemento, foram analisadas 35 amostras de escória de silício escolhidas aleatoriamente.

MÉTODOS

Metodologia de rotina: Ataque da amostra com hidróxido de sódio, formando silicato de sódio e liberando hidrogênio. A amostra deve ficar em repouso até decantação dos demais

constituintes (entre eles a sílica). Em seguida, é retirada alíquota (do sobrenadante, silicato 276

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de sódio), que recebe tratamento ácido (ácidos perclórico e clorídrico), formando sílica, que é quantificada após filtração e calcinação. Essa metodologia demanda grande tempo de análise, devido ao repouso e apresenta o risco de que parte da sílica presente no precipita-do possa compor a alíquota para determinação do Si, fazendo com que o valor obtido seja maior que o verdadeiro.

Metodologia proposta: Reação da amostra com hidróxido de sódio em sistema fechado conforme descrito na Figura 1. O hidrogênio liberado é quantificado através do desloca-mento de coluna de mercúrio e comparado ao valor obtido pelo deslocamento provocado por amostra-padrão.

A preparação das amostras de escória consistiu na homogeneização seguida de quar-teamento, secagem e pulverização em moinho-panela.

Figura 1. Esquema do aparato utilizado para análise de silício metálico.

Para a obtenção dos teores de Si° desejados, o Padrão IPT 135 foi diluído com a areia quartzoza certificada, IPT 61. Após cálculos das massas necessárias dos materiais para cada concentração de interesse (1,0; 5,0; 7,5; 10 e 12,5% em massa), pesou-se o Padrão IPT 135 e o Padrão IPT 61, em balança analítica de precisão, modelo AG200, Gehaka, e, em seguida, realizou-se homogeneização até mistura completa.

Os resultados obtidos foram avaliados estatisticamente via Microsoft Excel:

Comparação entre resultados: Teste t (Box et al., 1978; Montgomery & Runger, 2003), gráfico de dispersão.
Limite de Detecção e Limite de Quantificação: Regressão linear (Box et al., 1978).

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RESULTADOS

Para análise do teor de silício metálico, é necessário calcular, previamente, o fator de correção utilizando amostrapadrão. Através do conhecimento do deslocamento da coluna de mercúrio para uma amostra com teor de silício metálico conhecido, é possível correla-cionar ao deslocamento provocado por amostras com teores desconhecidos e calcular as concentrações de silício metálico. Foi utilizado o Padrão IPT 135 puro para determinação do Fator de Correção, através da equação:

(Equação 1)

Onde:

%Si = Teor de silício do padrão IPT 135 – 99,56% m = massa de padrão utilizada, g

L = leitura do deslocamento provocado na coluna de mercúrio, mm

Em seguida realizaram-se análises dos padrões obtidos por diluição e correlaciona-ram-se os valores teóricos com os valores obtidos pela análise proposta. O cálculo dos resultados foi feito utilizando-se a equação:

(Equação 2)

Onde:

L = Leitura do deslocamento provocado na coluna de mercúrio, mm;

FC = Fator de Correção obtido anteriormente, %.g.mm-1; m = massa de amostra, g.

A Figura 2 mostra a correlação entre as concentrações de Si° nos padrões (obtidas através das diluições do IPT 135) no eixo das abscissas e os valores obtidos pelo método proposto no eixo das ordenadas.

A Tabela 1 mostra os resultados do Teste t, com 95% de confiança para as análises realizadas na amostra de escória pelas duas metodologias.

A Figura 3 mostra a correlação entre os resultados obtidos pelo método de rotina e pela metodologia proposta, demonstrando excelente correlação entre os dois procedimentos para determinação de Si° em 35 amostras de escória.

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Figura 2. Curva Padrão versus Método Proposto.

DISCUSSÃO

Através da análise da Figura 2, pode-se observar excelente aproximação (R~1.0) do modelo linear (y = ax + b) com intercepto b tendendo a zero e inclinação a tendendo a 1, levando o modelo a simplificação y = x, ou seja, os valores observados são iguais ao pa-drão. O Desviopadrão dos Resíduos (RSD Residues Standard Deviation) foi obtido através da comparação entre as concentrações reais obtidas em análise e as concentrações calcu-ladas, obtendo-se o valor de 0,05669 (Anexo 1), que foi utilizado nos cálculos do Limite de Detecção (LD) e do Limite de Quantificação (LQ).

O LD é definido como a menor concentração do analito em uma amostra, que pode ser detectada, mas não necessariamente quantificada, sob determinadas condições expe-rimentais. Normalmente é determinado apenas para esclarecer o limite inferior da faixa de operação prática do método (Eurachem, 1998). O LD encontrado, para o método proposto, foi de 0,177 % calculado de acordo com a Equação 3 (Oliveira, 2007):

(Equação 3)

O Limite de quantificação (LQ) de um método analítico é a menor concentração do analito que pode ser determinada com precisão e exatidão, aceitáveis, sob determinadas condições experimentais (Barros, 2002). O LQ encontrado, para o método proposto, foi de 0,574 % calculado de acordo com a Equação 4 (Oliveira, 2007):

(Equação 4)

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Tabela 1. Teste t: Método Rotina versus Método Proposto.

Média Variância Observações

Correlação de Pearson Hipótese da diferença de média

Stat t P(T<=t) uni-caudal t crítico uni-caudal

P(T<=t) bi-caudal

Método Rotina 22,664 0,309982222 10 0,113635586 0

1,706067148 0,061091359 1,833112923

0,122182717

Método Proposto 22,285 0,246316667

Para qualquer método analítico, é importante avaliar a concentração mínima na qual o método pode ser aplicado. O LD é a menor concentração que poderá ser detectada pelo método proposto e o LQ é um parâmetro que marca a habilidade de um processo de medição de quantificar, adequadamente, o elemento ou substância de interesse (Souza, 2007). Os re-sultados de LD e LQ encontrados, para a metodologia proposta, mostram níveis aceitáveis para os valores que esse trabalho deseja analisar, que são, geralmente, superiores a 10% de Si°, mais altos que o LQ obtido.

Na Tabela 1, os resultados mostram que as metodologias não geram diferenças sig-

nificativas entre os resultados obtidos (tcalculado <tcritico), quando realizadas em uma mesma amostra. Na Figura 3, pode-se perceber a alta correlação obtida entre os resultados de

várias amostras, quando analisadas pelas duas metodologias.

Em relação à execução analítica, observou-se grande redução no custo, tendo o mé-todo proposto apresentado apenas 1/10 do valor necessário para execução da análise pela metodologia de rotina. A redução da quantidade de reagentes bem como do número de tipos de reagentes utilizados devem ser também levados em consideração devido ao ganho proporcionado no que diz respeito ao aspecto ambiental. Na metodologia proposta, utiliza-se, como reagente, apenas o hidróxido de sódio, eliminando a etapa de tratamento ácido realizada para conversão do silicato de sódio em sílica na metodologia gravimétrica. Outro ponto relevante é o tempo de análise, que foi reduzido de 12 horas para, aproxima-damente, 30 minutos.

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Figura 3. Método Proposto versus Método Rotina.

Anexo 1. Resultados de silício metálico, LD e LQ.

Valor real do padrão, % em massa

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 10 10 10

Resultado da Análise -% em massa

1,00 1,01 1,01 1,01 1,01 1,02 1,01 1,00 1,02 1,01 4,98 4,98 4,93 4,98 4,98 4,93 4,93 5,03 5,03 4,98 7,47 7,55 7,47 7,55 7,4 7,47 7,47 7,55 7,47 7,47 9,96 10,06 10,06

9,96

Concentração % em massa (REGRES-SÃO) , XCalReg

0,9960 1,0061 1,0061 1,0061 1,0061 1,0161 1,0061 0,9960 1,0161 1,0061 4,9886 4,9886 4,9384 4,9886 4,9886 4,9384 4,9384 5,0387 5,0387 4,9886 7,4864 7,5667 7,4864 7,5667 7,4162 7,4864 7,4864 7,5667 7,4864 7,4864 9,9852 10,0848 10,0842

9,9860

(XCalReg XReal)2

1,6E-05 3,7E-05 3,7E-05 3,7E-05 3,7E-05 2,6E-04 3,7E-05 1,6E-05 2,6E-04 3,7E-05 1,3E-04 1,3E-04 3,8E-03 1,3E-04 1,3E-04 3,8E-03 3,8E-03 1,5E-03 1,5E-03 1,3E-04 1,8E-04 4,4E-03 1,8E-04 4,4E-03 7,0E-03 1,8E-04 1,8E-04 4,4E-03 1,8E-04 1,8E-04 2,2E-04 7,2E-03 7,1E-03

2,0E-04

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CONCLUSÃO

O método proposto apresentou menor custo e maior rapidez de execução em relação ao método gravimétrico. Ambientalmente pode-se dizer que houve um ganho significativo com a redução de quantidades e tipos de reagentes utilizados. A correlação entre os resul-tados obtidos nas duas metodologias foi de 98,39%. O Limite de Detecção e o Limite de Quantificação encontrados foram de 0,177% e 0,574%,respectivamente, e foram conside-rados satisfatórios para as concentrações que esse trabalho deseja analisar.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à VAMTEC S/A pela oportunidade e apoio financeiro para realização deste trabalho e aos senho-

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Characterisation of dusts and sludges generated during stainless steel production in Brazilian industries

Pedro José Nolasco–Sobrinho

EP USP HIGHTECH ENGENHARIA & CONSULTORIA LTDA

Jorge Alberto Soares Tenório EP USP

Denise Espinosa EP USP

Artigo original publicado em: 2013

Ironmaking and Steelmaking – https://doi.org/10.1179/030192303225009506

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210404270

ABSTRACT

During the stainless steel production process, wastes s Hence, many ironmaking and steelmaking industries are generated at the electric arc furnace (EAF) and at the conver-ters. These wastes are a problem for stainless steel industries, for they must be disposed of in controlled landfills. Finding areas to make more landfills is becoming difficult, and new landfills are being placed far from the industries. This leads to an increase in disposal prices and, furthermore, in production prices. Recycling of these wastes, besides solving the disposal and environmental problems, makes it possible to recover valuable metals such as iron, chromium, and nickel. These three metals are needed in stainless steel ma-nufacture and could be returned to the production procedure, hence bringing profit to the industry. It is important, therefore, to develop a recycling process. Waste characterisation is an essential step in the definition of such a process. Four kinds of dust and two kinds of sludge, generated in stainless steel production, were characterised in the present work. The techniques used to characterise the waste were chemical analysis, size separation, density measurement, X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS) microanalysis. The largest proportion of the dust and sludge particles was of spherical shape. This kind of particle was composed mainly of iron and chromium in the form of a spinel, or of oxides. Precipitation of a secondary phase was identified in some particles.

Keywords: Industrial Waste, Recycling, Circular Economy, Stainless Steel, Environment, Sustainability, Chrome, Nickel.

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INTRODUCTION

One of the greatest environmental concerns among steelmakers all over the world is the treatment and disposal of dusts and sludges from the electric arc furnace (EAF) and converterssuch as those used in argon–oxygen decarburisation (AOD), the metal refining process with lance (MRP-L), and vacuum–oxygen decarburisation (VOD). These wastes are classified by environmental agencies as hazardous, owing to their heavy metal content.1

The present work characterises dusts and sludges generated during stainless steel production. The dusts and sludges were supplied by a Brazilian industry. The study is a fairly complete characterisation of such a group of wastes as a result of the number of te-chniques employed.

Nowadays, there is pressure on the steelmaking industries to adopt an environmental strategy to treat their wastes.2 Hence, many ironmaking and steelmaking industries are sear-ching for alternative ways to reduce the amount of waste generated during the production process, as well as to minimise effluent emissions and energy consumption. These goals may be reached through changes in the production processes.

The three main steps to attain these objectives are:

mitigate the amount of waste through improvements in technology, operation, and maintenance
treat the waste as something useful for another process

III.design and develop clean processes, or processes that do not generate the same amount of waste.

Brazilian stainless steel production is 300 000 t/year. This amount corresponds to nearly 2% of the entire world production. The primary wastes generated in the stainless steel manu-facturing process are dust and sludge. As an average, 18 kg of dust are generated per tonne of stainless steel produced.3 This dust contains ~50 wt-%Fe, 14 wt-%Cr, and 4 wt-%Ni; it is generated mostly in EAFs and in converters such as those for the MRP-L and AOD. In a standard EAF operation, approximately 1–2% of total burden is converted to powders, which are collected by the baghouse.4 – 6

Sludge is generated in various parts of the stainless steel production process; for ins-tance, the amount of sludge generated in VOD converters usually ranges from 0·5 to 3% of steel produced, but in some plants it can reach 8%.3 ,7

Chromium and nickel are essential to stainless steel production and, therefore, they should be recovered from wastes and returned to the process. Currently, there is no regime

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in Brazil to recover or treat wastes from the stainless steel production process, which contain chromium and nickel.

The majority of emergent processes to treat EAF dusts are either on a laboratory or on a pilot scale. Developed processes or those under development are divided into three categories:8 , 9

hydrometallurgical processes II. pyrometallurgical processes

III.chemical stabilisation or vitrification.

Table 1.Wastes generated by Brazilian ironmaking and steelmaking industries* in 1998

*Source IBS (Brazilian Institute of Iron and Steelmaking) 1998.

Table 1 gives data for the amounts of various wastes generated in the Brazilian ironma-king and steelmaking industries in 1998. In 1998, Brazilian steelmaking production was ~25·9 million tonnes and the total amount of wastes generated was 7·83 million tonnes, representing 30·2% of the produced steel. The highest level of recycling is for powders and dusts.

1 Chemical composition of wastes (WAS1–6) studied in present work

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Mechanisms of dust formation in converters

One of the main causes of dust formation in converters is the ejection of liquid metal and slag drops. Another source of dusts is the volatilisation of elements from the liquid steel. This occurs primarily at the end of blowing10 According to Nedar11 particles of dust are for the most part produced by the ejection mechanism, during oxygen blowing, with the vaporisa-tionmechanism being of secondary importance.

The mechanisms that may contribute to dust generation either in the EAF or in conver-ters are the following4 ,12 – 14:

ejection of liquid metal drops

ejection of particles from the slag III.vaporisation

IV.drag out of materials added to the furnace V. atomisation.

Table 2. Sample characteristics

*EAF is electric arc furnace, LD is ladle decarburisation, AOD is argon oxygen decarburisation.

Table 3. Chemical composition of wastes studied in present work, wt-%

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2 Particle size distribution results

a WAS1; b WAS2; c WAS3; d WAS4; e WAS5; f WAS6

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RESULTS AND DISCUSSION

Chemical analysis

Table 3 and Fig. 1 summarise the chemical composition of each waste.

Phosphorus and sulphur were present in low concentrations; these elements are considered important impurities in the steelmaking process. It is possible to recognise that Chromium and iron concentrations in the present wastes are higher than those presented by Nyrenda15 Table 4 compares the present results and the typical composition of dusts gene-rated in electric steelmaking converters during the production of stainless steel in the USA.

3 Spectrum XRD for sample WAS2

2003 Vol. 30 No. 1

Table 4 Composition of dusts generated in electric stainless steelmaking industries, wt-%

Some Brazilian plants

Some US plants15

0·82– 12·84

1·76–6·93

Cl Cr

0·50– 7·00– 1·10 16·5

0·47– 2·01– 1·17 10·1

0·012– 0·016

1·36–4·83

Fetotal

19·10– 53·50

22·2–35·9

1·40– 3·20

0·80– 5·07

0·042– 1·15

1·70–4·74

Mn Na

0·24– 0·89– 3·00 1·86

2·36– 0·47– 4·59 4·60

1·22– 3·58

0·5–3·34

Pb Si Zn

0·03– 0·13– 0·06– 0·60 2·48 0·90

0·23– 1·36– 1·77– 0·78 4·83 6·22

290

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

4 Morphologies of given wastes (SEM)

a WAS2; b WAS5; c WAS6

5 Waste WAS1

showing dendritic structure insid spherical particle (SEM)

291

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

6 Waste WAS2

showing Fe–Cr spinel inside spherical particle (SEM)

7 Waste WAS2

a spherical particle (SEM); b EDS spectrum of particle matrix; c EDS spectrum of precipitated phase

Particle size distribution

Figure 2 presents the particle size distribution for the six wastes, and Table 5 gives the mean particle diameter.

It can be seen that wastes WAS1, WAS4, and WAS6 had a heterogeneous particle size distribution, and WAS2, WAS3, and WAS5 did not. Samples WAS1 and WAS6 contained coarse particles, compared with samples WAS2 and WAS3.

292

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Density

Table 6 summarizes data relating to density and moisture determinations.

X-ray diffraction

Figure 3 shows the XRD spectrum for sample WAS2. All wastes exhibited a similar spectrum pattern. As can be seen in Fig. 3, the following phase was identified from the X-ray

spectrum: AB2O4 (spinel). This could be FeFe2O4, MgFe2O4 , MgCr2O4 , FeCr2O4 , (Fe,Cr)2O4, NiFe2O4, (Ni,Fe)2O4, or NiCr2O4. Based on the chemical analysis data and EDS results, FeCr2O4 is the most likely spinel compound.

Table 5. Mean particle diameter

Table 6. Density and moisture results

Morphological examination

Morphological analysis by means of SEM showed a preponderance of spherical par-ticles. The following kinds of particles were observed: spherical particles containing voids in their inner part, particles exhibiting dendritic phases, and particles composed entirely of a single phase.

Figure 4 shows a general illustration of the particles’ morphology distribution. It can be seen that spherical particles occurred in all types of waste, and that samples WAS5 and WAS6 also included particles with other shapes. Some spherical metallic particles had a slag layer on the surface; probably, when these particles were ejected from the metallic bath, they crossed the slag layer and a portion of slag became attached to their surfaces. Spectrum

analysis (EDS) verified that brilliant greyish particles were composed of iron. Greyish particles 293

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

were composed of iron oxide or spinel. For cases where spherical particles with a secondary phase in their interior were observed, the inner phase was composed predominantly of spinel, while the dark matrix was a slag containing Ca, Si, Cr, Al, Fe, and Mg.

Figures 5–11 show microstructural details of some particles, and also the corresponding EDS analysis in some cases. The dendritic phase observed in Fig. 6 comprised an Fe–Cr spinel, and the matrix was a slag composed of Si, Cr, Ca, Fe, Al, Mg, and O. The micrograph shown in Fig. 9 exhibits similar features, and the spectrum indicates that these particles were composed of FeCr2O4 in a (Si, Ca, Cr, Fe, Mg) slag matrix.

Figure 9 shows spherical particles with a secondary phase in their interior and the cor-responding EDS analysis. Particles with shapes distinct from spherical were mainly composed of chromium oxide, as indicated in Fig. 10. Wastes WAS4 and WAS5 contained spherical particles with no precipitated phases, as shown in Fig. 11.

8 Waste WAS1

According to the literature,14,16 –22 EAF dusts constitute mainly iron spinel solid solutions enclosed in a glass matrix. The glass matrix is generally composed of Si, Ca, and Fe. Particles are characterised by a skeletal texture formed as a result of fast solidification velocity. Inside the glass matrix, particles have spherical to oblong shapes. The size of these particles can range from 0·1 to 500 mm.14

The mechanism of dust formation can be explained by considering an atomisation pro-

cess.14 When CO and CO2 bubble through the metallic bath, a thin steel film entrains the gases, and when these bubbles rise to the slag layer, slag dragging can also occur. Finally,

294

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

the bubbles leave the slag layer, and the formation of waves occurs on the slag surface. The development of such waves can generate slag droplets. Some bubbles carry the surrounding material and, consequently, particles with voids in their interior are formed. The formation of particles with a secondary phase is a function of the drop solidification velocity, and is also related to the composition of the material.

9 Waste WAS2

a metallic particle with near spherical shape entrapped in slag layer (SEM); b EDS spectrum of metallic particle; c EDS spectrum of slag

10 Waste WAS5

a various particle shapes (SEM); b particle matrix EDS spectrum

295

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

11 Waste WAS5

a prevalence of spherical particles with no precipitated phases; b EDS spectrum exhibits Fe and Cr peaks

CONCLUSIONS

1. The main phase observed in dusts and sludges from stainless steel industries is a complex spinel largely composed of chromium and iron (FeCr2O4 ).
2. The majority of particles have a spherical shape, some with a secondary phase in their interior.

ACKNOWLEDGEMENT

This work was sponsored by FAPESP, processes 99/10777–3 and 00/10858–2.

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297

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Tempering effect on the localized corrosion of the 13Cr4Ni0.02C and 13Cr1Ni0.15C steels in a synthetic marine environment

Renato de Mendonça UNIFAL-MG

Neide Aparecida Mariano UNIFAL-MG

Artigo original publicado em: 2015

REM: Revista Escola de Minas – ISSN 2448-167X – https://doi.org/10.1590/0370-44672015680040

Oferecimento de obra científica e/ou literária com autorização do(s) autor(es) conforme Art. 5, inc. I da Lei de Direitos Autorais – Lei 9610/98

10.37885/210404299

ABSTRACT

Primarily, tempering is used in martensitic stainless steels with low carbon in order to change their mechanical properties. However, it also modifies the corrosion properties; usually depending on the temperature and duration of the heat treatment. This work in-vestigated the impact of tempering on the corrosion of 13Cr4Ni0.02C and 13Cr1Ni0.15C (% weight) steels. Samples were tempered at 650º, 700º and 750ºC, characterized by optical microscopy and cyclic anodic polarization tests in a synthetic marine environment. The results showed differences in the microstructure of the 13Cr4Ni0.02C tempered samples, which changed from lath to lamellar with precipitates in the prior austenite grain boundaries. On the other hand, tempering did not affect the 13Cr1Ni0.15C microstruc-ture. The anodic polarization tests showed that the pitting potential of the 13Cr4Ni0.02C samples decreased with the tempering temperature increasing. Similar values of pitting potential were found with the 13Cr1Ni0.15C tempered samples, which were lower than the 13Cr4Ni0.02C samples after tempering. It shows that even though the corrosion re-sistance of the 13Cr4Ni0.02C reduces when the tempering temperature was increased, it is better than that presented by 13Cr1Ni0.15C.

Keywords: Corrosion, Marine Environment, Martensite, Polarization Tests.

299

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INTRODUCTION

Martensitic stainless steels with low carbon concentration have been employed in hydraulic turbines, pumps and high pressure pipes in the energy and petrochemical indus-tries (Song et al., 2010; Bilmes et al., 2001; Wang et al., 2010; Zhang et al., 2005). Usually, they are exposed to environments where the corrosion and cavitation- erosion resistances are important properties (Wang et al., 2010; Gervasi et al., 2011; Lai et al., 2012). In the chemical composition of these steels, the chromium is for increasing the corrosion resistance and the nickel, for stabilizing austenite and inhibiting delta ferrite (δ), the formation of which increases brittleness (Liu et al., 2010; Balan et al., 1998; Dawood et al., 2004; Calliari et al., 2008; Ma et al., 2012).

Tempering treatments are often used to change the toughness and brittleness of this family of steels. It also modifies the microstructure. Observed alterations include a reduction in the dis- location density created during quenching, microstructural transformations and nu-cleation of new phases or compounds (Mendonça et al., 2014; Calliari et al., 2008; Ma et al., 2012; Park et al., 2007; Choi et al., 2007). Commonly, tempering also incurs the formation of

chromium carbides, such as Cr23C, which have deleterious effects on the corrosion properties (Qin et al., 2008; Sedriks et al., 1996; Dexter, 2006).

The study of corrosion in a marine environment is particularly interesting for these steels because they are used in offshore oil production facilities (Mariano et al., 2007). The marine environment is complex because of the wide variety of chemical compositions, dependent on both, the geographic position and the depth. For instance, the literature (Dexter, 2006; Griffin, 2006) reports variable concentration of chlorides in marine water, which is significant becau-se chlorides increase the degradation processes of stainless steels by localized corrosion.

The influence of tempering low-carbon stainless steels on the corrosion resistance in marine environments is not well-understood, even though the importance of these steels and the microstructural transformations observed after heat treatments are well-known (Calliari et al., 2008; Ma et al., 2012; Bilmes et al., 2001; Wang et al., 2010). This paper presents a study that uses cyclic potentiodynamic polarization tests in a synthetic marine environment to investigate and compare the effect of tempering on corrosion for two steels with different nickel and carbon concentrations: 13Cr4Ni0.02C and 13Cr1Ni0.15C.

METHODS

The steels were produced in an electric arc furnace with argon- oxygen decarburization (AOD). The chemical composition of the steels in weight percentage is presented in Table

1.Inorder to realize the tempering, the samples were loaded into an electrical furnace 300

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

(Teklabor-Model 200FM) already at the tempering temperature (650, 700 and 750ºC) and removed 1 hour later to be cooled in air.

Table 1. Chemical composition of the samples (wt %).

Sample

13Cr4Ni0.02C

13Cr1Ni0.15C

%C %Si %Mn

0.025 1.000 0.700

0.153 1.020 0.750

%Cr %Ni %Mo

13.000 4.120 0.720

13.000 1.030 0.080

The microstructure of the tempered samples was characterized using optical microscopy, and surface etching was achieved with modified Behara (0.2 l/HCl + 1l/H2O + 1g/K2S2O3) at room temperature.

Corrosion behavior was evaluated using a replicated electrochemical cyclic potentio-dynamic polarization method. The electrodes were produced from stainless steel sheets, machined in cylindrical forms (base area: 0.5 cm2), insulated with a slow-cure epoxy resin to prevent the formation of air bubbles at the resin-metal interface.

In preparation for the tests, all samples were polished mechanically with grade 600 SiC sandpaper, rinsed in alcohol and dried. Two measurements were taken at room temperature (25°C) for each sample with a model Autolab/PGSTART302 potentiostat-galvanostat device, using a conventional three-electrode cell. A saturated calomel electrode (SCE) was used as a reference electrode for the tests, while a Pt plate was employed as counter-electrode. The potentiodynamic curves were measured at a potential scan rate of 1 mV/s in a synthetic seawater environment prepared according to ASTM D 1141. The standard chemical com-position of the seawater is presented in Table 02.

Table 2. Chemical composition of the synthetic seawater.

Compound

NaCl

MgCl2 Na2SO4 CaCl2 KCl

NaHCO3 KBr

H3BO3 SrCl2

NaF

Concentration, g/L

24.530 5.200 4.090 1.160 0.695 0.201 0.101 0.027 0.025

0.003

RESULTS AND DISCUSSION

Influence of tempering on the microstructure

Figure 1. shows the microstructure of the tempered 13Cr4Ni0.02 steel at three diffe-

rent temperatures. In the sample tempered at 650°C (Figure 1(a,b)), the typical martensitic 301

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

structure of low-carbon steel with laths and the delta ferrite as previously found by Mariano et al. (2007) are observed. In the sample tempered at 700°C, the matrix is similar to the one in the sample tempered at 650°C, martensite laths and delta ferrite (Figure 1(c,d)). On the other hand, the sample tempered at 750°C presented a different matrix, with a lamellar mor-phology, delta ferrite and precipitates in the prior austenite grain boundaries (Figure 1(e,f)). On the other hand, the sample tempered at 750°C presented a different matrix, with a lamellar morphology, delta ferrite and precipitates in the prior austen- ite grain boundaries (Figure 1(e,f)). According to Bilmes et al. (2001) and Song et al. (2010), this latter micros-tructure, with austenite in the grain boundaries and lamellae, is the result of martensite decomposition, at temperatures slightly under the austenitization temperature by diffusion processes. Furthermore Bilmes et al. (2001) proposed that the tempered microstructure is composed of tempered martensite, carbides and austenite. Equations (1) and (2) represent the reaction where martensite could become austenite (1) and/or ferrite (2). Both equations

also indicate carbides formation.

(1) a’ (martensite) ® γ (austenite) + MxCy (carbides). (2) a’ (martensite) ® a (ferrite) + MxCy (carbides).

Figure 1. Microstructure of the 13Cr4Ni0.02C samples tempered at 650°C (a,b), 700°C (c,d) and 750°C (e,f).

By comparison, Figure 2 pres- ents the microstructures of the 13Cr1Ni0.15C samples after tempering. The morphology observed is similar in all tempered samples: delta ferrite in a martensitic matrix is observed and there is no evidence of a tempering effect on the microstructure. The relatively low concentration of Ni is considered a crucial point in this result because it is the element employed to stabilize the austenite and is reported to facili-

tate reverse austenite formation in martensitic steel (Song et al., 2010; Bojack et al., 2012).

302

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Therefore, it is probable that the lower amount of Ni in the 13Cr1Ni0.15C samples would limit this steel’s ability to present reverse austenite.

Figure 2. Microstructure of the 13Cr1Ni0.15C samples tempered at 650°C (a), 700°C (b) and 750°C (c).

Influence of tempering on cyclic anodic polarization curves

Cyclic polarization curves are shown in Figure 3. The presence of closed cycles indicates pitting corrosion on the samples which were visually confirmed after the tests. Thompson and Payer (1998) discussed in details the cyclic anodic polarization curves and pointed out that, during reversion of the potential, active pits formed in the transpassive region can further increase the current density preventing the overlap of the points on the curve and providing

the hysteresis loop. The curves show similar values for the corrosion potential (ECORR) potential of a corroding surface in the electrolyte and different values for the pitting potential (EPIT) the lowest value of oxidizing potential at which pits nucleate and grow as summarized in Table

3 and indicated in the Figure (3a).

The tempered 13Cr4Ni0.02C samples have similar ECORR values. However, the results of EPIT are distinct; the highest value is from the sample tempered at 650°C. The values of protection potential (EPROT) – the most noble potential where pitting corrosion will not propagate – show a significant difference for the sample tempered at 750ºC. This result indicates that

the repassivation process on this surface is slower and consequently it is more susceptible to

corrosion. In contrast, for the 13Cr1Ni0.15C samples, the EPIT values are similar, and the ins-tability of the current close to the EPIT (Figure 3) indicates the formation of metastable pits that are quickly passivated during the tests of the 13Cr1Ni0.15C samples. The EPROT values can be considered similar because the spread is lower than 50 mV (Thompson and Payer, 1998).

303

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figure 3. Cyclic anodic polarization curves for 13Cr4Ni0.02C. (a) and 13Cr1Ni0.15C (b) after tempering at 650º, 700º and 750º C.

The different morphology exhibited by the 13Cr4Ni0.02C sample tempered at 750°C is

related to its lower EPIT values and consequently to its low corrosion resistance. Influenced by high Ni concentration and characterized by the martensite changes, the phase transfor-

mations indicate the complex carbide formation in these steels that are associated with low corrosion re- sistance (Gervasi et al., 2011; Qin et al., 2008). Previous works (Song et al., 2010; Tabatabae et al., 2011; Ma et al., 2012; Camillo et al., 2010) showed that the formed carbides could cause localized chromium depletion, changing the corrosion properties of low-carbon martensitic steels.

The 13Cr4Ni0.02C sample tempered at 700°C presented no important change in the

observed microstructure but showed a lower EPIT. It suggests that transformations which are not noted in the microstructure, such as carbide precipitation, occur and change the

corrosion resistance.

Comparative analysis of the cyclic polarization curves of the two tempered steels sho-

ws similar ECORR but a different EPIT. Lower values of the pitting potential show that the 13Cr1Ni0.15C tempered steels are more susceptible to corrosion in marine environments.

This susceptibility is mainly due to the molybdenum and carbon compositions: molybdenum plays a role in the growth of a stable passive oxide, preventing the pits formation; and carbon increases the propensity for the formation of chromium carbides related to the lower corrosion (Grubb et al., 2005). The mechanism used to understand the carbide effect is connected with the affinity of chromium to carbon, producing chromium carbides and decreasing the amount of dissolved chromium, which is fundamental in passivation. The chromium carbide formation creates regions depleted in dissolved metallic chromium and consequently susceptible to localized corrosion.

304

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Table 3. Potential Corrosion (ECORR), Piting Potential (EPIT) and Protection Potential (EPROT) obtained from the polarization

ECORR (mV)SCE EPIT (mV)SCE

EPROT (mV)SCE

650ºC

395.1±20.0

189.0±10.0

245.8

700ºC

13Cr4Ni0.02C

415.3±21.0

10.4±20.0

192.8

750ºC

395.1±20.0

5.0±15.0

359.4

650ºC

347.9±17.5

160.3±20.6

261.6

700ºC

13Cr1Ni0.15C

375.7±19.0

157.9±16.0

322.4

750ºC

385.5±19.5

170.6±17.0

277.5

CONCLUSIONS

In summary, the corrosion of tempered 13Cr4Ni0.02C and 13Cr1Ni0.15C steels was investigated by means of electrochemical cyclic potentiodynamic polarization in a synthetic marine environment.

Tempering at 750 °C for 1 hour clearly modified the 13Cr4Ni0.02C steel microstructu-re. Typical martensitic microstructure constituted of laths became lamellar due to the nickel concentration that induces the formation of austenite. This lamellar microstructure of the 13Cr4Ni0.02C steel demonstrated lower pitting potential in marine environments and con-sequently reduced corrosion resistance.

On the other hand, the 13Cr1Ni0.15C steel did not present significant microstructural or changes in the pitting potential, and consequently in the corrosion resistance, with increasing of the tempering temperature.

The comparison of the pitting potential values of the two tempered steels shows that the corrosion resistance of 13Cr4Ni0.02C steel is better than 13Cr1Ni0.15C steel, mainly due to difference in the carbon and molybdenum concentrations.

ACKNOWLEDGMENTS

The authors acknowledge the financial support of CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal Ensino Superior) and the valuable comments of Mark Vankeerberghen and Tamara Djikanovic from Belgian Nuclear Research Centre.

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16. Mendonça, , Ardisson, J. D., Melo, M. L. N. M., Mariano, N. A. Study of the tempering effect in phase transformations of 13Cr1Ni0.15C and 13Cr2Ni0.1C steels. Materials Science Forum, v.775-776, p. 130-135, 2014.

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306

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

18. Qin, , Wang, Z. Y., Sun, Q. S. Effect of tempering temperature on properties of 00Cr16Ni5Mo stainless steel. Materials Characterization, v.59, p. 1096-1100, 2008.

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307

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Simulação numérica da concentração de tensão em uma placa com furo

Rafael de Souza Pereira UPE

José Dásio de Lira Junior IFPE

Tiago de Sousa Antonino IFPE

Pablo Batista Guimarães IFPE

10.37885/210404388

RESUMO

O método dos elementos finitos (MEF) é um método numérico que visa obter soluções aproximadas de problemas de engenharia. Problemas estruturais geram, na maioria dos casos, uma resolução com um grande custo computacional. Sendo assim, o de-senvolvimento de estratégias para redução do tempo de simulação, como também para melhorar a qualidade da malha de elementos é muito importante. Neste trabalho foram desenvolvidas estratégias para redução do custo computacional e ferramentas para melhorar e verificar a qualidade de malha em simulações computacionais baseadas no MEF. A metodologia foi aplicada em uma placa com furo sob tração, uma situação clás-sica de concentração de tensão. No estudo, a técnica de simetria de malha foi utilizada, e um estudo de convergência de malha foi realizado. Os resultados são apresentados e discutidos, mostrando a necessidade de utilizar estratégias que reduzam o tempo de execução das simulações baseadas no MEF.

Palavras–chave: Concentração de Tensão, Mecânica dos Sólidos, Método dos Elementos Finitos, Geração de Malha.

309

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

INTRODUÇÃO

O método dos elementos finitos (MEF) é um método numérico que visa obter soluções aproximadas de problemas de engenharia. Problemas estruturais podem ter soluções apro-ximadas, porém geram um grande custo computacional (FILHO, 2000). Por isso, o desen-volvimento de estratégias numéricas para redução desse custo é uma importante etapa para resolução destes problemas. Um desses métodos é utilizar modelos geométricos em duas dimensões no lugar de modelos tridimensionais (CARMO e FARIA, 2014). Dependendo da geometria da estrutura, o uso da modelagem simétrica também é um método utilizado para reduzir o custo computacional. Sendo uma ferramenta explorada neste estudo, a simetria pode apresentar quatro formas: simetria espelhada, simetria radial, simetria cíclica e simetria repetitiva. Como muitas estruturas apresentam alguma forma de simetria, a ferramenta se torna bastante eficaz na redução do custo computacional (LIU e QUEK, 2003).

As simulações computacionais desenvolvidas neste trabalho foram modeladas e exe-cutadas no software Abaqus – CAE, que é um software comercial baseado no MEF (HIBBIT, 2010). A metodologia é dividida em três etapas: o pré-processamento, que consiste na mo-delagem, aplicação das propriedades do material, das condições de contorno e a geração da malha; o processamento, que consiste na simulação do problema, e o pós-processamento, que consiste na visualização dos resultados, na análise de custo computacional e compa-ração dos resultados (JACOB e BELYTSCHKO, 2009).

Neste estudo, a metodologia foi aplicada em uma placa com furo sob tração, uma si-tuação clássica de concentração de tensão. A descontinuidade na estrutura, neste caso um furo, dificulta o desenvolvimento de estratégias de geração de malha, pois os elementos se adaptam ao modelo geométrico, o que ocasiona a distorção dos elementos na malha. A com-paração da eficiência da malha foi realizada através do fator de concentração de tensão da geometria da estrutura (THOHURA e ISLAM, 2013). Após a avaliação da qualidade da malha, novos casos foram aplicados com o método de simetria, visando na redução do custo computacional.

MÉTODO

Modelagem do Problema

O estudo de caso escolhido foi uma placa com furo na região central, submetida a um esforço de tração em um lado e do outro lado submetido a uma restrição de engastamen-to. As dimensões da placa são 300 mm de comprimento, 200 mm de largura, 10 mm de espes-

sura e um furo de 50 mm de diâmetro (Fig. 1). O material da placa é o aço SAE 1020. A tensão

310

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

de escoamento do material é 200 MPa. Para manter as tensões dentro de regime elástico, a tensão máxima para o estudo de caso foi previamente estabelecida em 100 MPa.

Figura 1. Placa do furo central submetida a tração

Fonte: Autores

Para a comparação dos casos, o fator de concentração de tensão foi calculado para a tensão escolhida. O fator de concentração de tensão foi calculado segundo a Equação 1 (SHIGLEY et al., 2008).

smax

tn (1)

med

Onde Ktn é o fator de concentração de tensão teórico, σmax é a tensão máxima na área de concentração de tensão e σmed é a tensão média na secção transversal líquida.

Segundo Pilkey e Pilkey (2008), para calcular o fator de concentração, é necessário

levar em consideração a geometria da estrutura com a descontinuidade, a Equação 2 per-mite calcular tal valor.

2 3

Ktn = 2+0.2841− H −0.6001− H  +1.321− H  (2)

Onde d é o diâmetro do furo e H é a largura da placa. No caso estudado, o valor de Ktn foi, aproximadamente, 2.4323.

Através do cálculo do fator de concentração e com o valor da tensão máxima selecio-nada, foi obtido o valor da tensão média pela Equação 1, após isso, foi calculado o valor da força e da distribuição de carga na face tracionada da placa, respectivamente, onde a tensão média é determinada pela Equação 3 (BEER e JONHSTON, 1995).

smed = A (3)

Onde P é a força aplicada no sentido axial da placa e A é a área líquida da seção. O va-lor da tensão média foi, aproximadamente, 41.113 MPa e o valor da força aplicada é 61.67

311

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

KN. A partir da força aplicada, o carregamento distribuído de 3,08035×107 N/m2 foi calculado e aplicado no modelo da placa.

Cinco casos com diferentes configurações de malha foram simulados. O número de elementos foi aumentando em cada caso. A malha foi refinada na região próxima do furo, região onde há maior concentração de tensão. O contorno da estrutura manteve seu nível de refinamento. O tamanho do elemento nas bordas é de 10 mm. O tipo elemento utilizado para constituir a malha foi o elemento QUAD.

Modelagem simétrica

Após análise da qualidade da malha, novos modelos com condições de simetria foram elaborados submetidos às mesmas condições de carga dos casos anteriores. Segundo Liu e Quek (2003), o uso de técnicas de simetria, além de facilitar a modelagem de estruturas, também reduz o custo computacional, assim como o tempo de análise. Existem quatro tipos de simetria: espelhada, radial, cíclica e repetitiva. Em nosso estudo, aplicamos a si-metria espelhada.

Em nosso estudo de caso, foram elaborados modelos geométricos completos e modelos com ¼ das dimensões originais (Fig. 2) com as condições de simetria. A carga aplicada no problema e o material da estrutura são os mesmos da modelagem inicial.

Para eliminar o máximo de elementos distorcidos e tornar a malha com melhor distri-buição de elementos, foram elaboradas partições nos modelos (Fig. 2).

Figura 2. a. Modelo completo particionado; b. Modelo simétrico particionado

(onte: Autores

Assim como o problema inicial, a placa está submetida a um esforço de tração num lado e do outro, está sob uma restrição de engastamento de acordo com a Figura 1. Na etapa da configuração da malha de elementos, ambos os modelos utilizaram elementos do tipo QUAD, um elemento bidimensional com face quadrangular, quatro nós, e funções de forma lineares.

Na etapa do pós-processamento, um estudo de convergência de malha foi elabora-do para melhor comparação dos casos (PEREIRA et al., 2014). Gráficos de convergência

de malha foram elaborados para os resultados dos modelos completos e simétricos para 312

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

comparação de custo computacional. Para isso, a convergência foi considerada com uma margem de 3% do valor da tensão máxima analítica, 100 MPa, sendo assim, a convergência da tensão máxima dos casos é em torno de 97 MPa.

Para a análise de custo computacional, os casos foram comparados através da análise da tensão máxima e da quantidade de elementos na malha. Por ser um problema simples, essa estratégia foi utilizada devido aos tempos de simulação dos casos serem baixos.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Refinamento de Malha

O caso inicial (caso 1) teve a configuração de malha mais grosseira (Fig. 3.a). Possui um total de 898 elementos. A tensão máxima de Von Mises do caso foi 60,85 MPa. O caso 2 possui um total de 1168 elementos. O resultado pode ser visualizado na Figura 3.b. A tensão máxima do caso foi 80,05 MPa. O caso 5 possui um total de 5216 elementos. O resultado pode ser visualizado na Figura 4. A tensão máxima foi 95,14 MPa.

Figura 3. Tensões de Von Mises. a. Caso 1. b. Caso 2

Fonte: Autores

Figura 4. Tensões de Von Mises. Caso 5

Fonte: Autores

Após a visualização dos resultados, o fator de concentração de tensão de cada caso foi calculado para elaboração de uma tabela comparativa contendo a tensão máxima dos casos e a tensão calculada. Para a comparação, o percentual de diferença entre o fator calculado e o fator numérico está descrito na Tabela 1.

313

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Tabela 1. Tabela comparativa do fator de concentração de tensão

Casos

1 2 3 4

Número de ele-mentos

898 1168 1570 3432

5216

Tensão máxima teórica (MPa)

100,00

Tensão máxima numérica (MPa)

60,85 80,05 86,86 93,16

95,14

k (teórico)

2,43232067

ktn (numérico)

1,480067132 1,947072702 2,11271374 2,265949943

2,314109892

Percentual de ktn (%)

39,15 19,95 13,14 6,84

4,86

Fonte: Autores

A região do furo, sendo a zona de maior concentração de tensão do modelo, apresen-tou os resultados com maior valor de tensão. O refinamento e a estruturação dos elementos diminuiu a diferença entre o fator de concentração de tensão numérico e teórico, apresen-tando uma diferença abaixo de 5% no caso mais refinado. O caso 5 foi o ponto de partida para o desenvolvimento dos estudos de simetria.

Modelagem Simétrica

No estudo comparativo de modelos completos e simétricos, os modelos desenvolvidos estão com a qualidade de malha verificada e possuem maior quantidade de elementos em comparação aos casos anteriores. Os resultados serão mostrados nas figuras a seguir.

Assim como nos casos anteriores, a malha teve maior nível de refinamento na região próxima do furo. No contorno da estrutura, o tamanho do elemento fixo foi fixado em 10 mm para um menor custo computacional.

O caso 1 (Fig. 5) teve a configuração de malha com um total de 5216 elementos para o modelo completo e 1301 elementos para o modelo simétrico. Os elementos em volta do furo possuem um alto nível de refinamento, assim como nos casos posteriores. A tensão máxima do caso foi 95,14 MPa para o modelo completo e 95,05 MPa para o modelo simétrico.

Figura 5. Tensões de Von Mises (caso 1). a. Modelo completo. b. Modelo simétrico

Fonte: Autores

314

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

O caso 4 possui um total de 13624 elementos para o modelo completo e 3406 para o modelo simétrico. O resultado pode ser visualizado na Figura 6. A tensão máxima do modelo completo foi 97,89 MPa e 97,81 MPa para o modelo simétrico.

Figura 6. Tensões de Von Mises (caso 4). a. Modelo completo. b. Modelo simétrico

Fonte: Autores

Na etapa de análise do custo computacional, a Tabela 2 contém o valor de tensão máxi-ma dos casos, a diferença entre os valores dos modelos completos e simétricos, quantidade de elementos e a diferença entre a quantidade de elementos entre os modelos.

Tabela 2. Tabela comparativa de análise de custo computacional

Nº de elementos Casos (modelo com-

pleto)

1 5216 2 7504 3 10384

4 13624

Nº de elementos (modelo simé-trico)

1301 1876 2599

3406

Percentual de redução do nº de elementos (%)

75,06 75,00 74,97

75,00

Tensão máxima (modelo completo) [MPa]

95,14 96,40 97,26

97,89

Tensão máxima (modelo simétri-co) [MPa]

95,05 96,31 97,17

97,81

Percentual de diferença de tensão máxima (%)

0,09 0,09 0,09

0,08

Fonte: Autores

De acordo com a Tabela 2, os resultados do modelo simétrico são quase idênticos aos resultados do modelo completo. A diferença de tensão máxima entre os modelos simétricos e completos permaneceram abaixo de 1%. Um estudo de convergência de malha foi elabo-rado e pode ser visualizado na Figura 7.

315

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Figura 7. Gráfico de convergência para o modelo completo

Fonte: Autor (2015)

Os casos de convergência atingiram o valor de tensão máxima de 96,95 MPa no modelo completo e 97,02 MPa no modelo simétrico. A malha do modelo completo possui 9192 elementos e o simétrico 2440 elementos, cerca 73% a menos. Essa redução atua diretamente no custo computacional e torna o modelo simétrico uma melhor escolha para o desenvolvimento deste tipo de simulação.

CONCLUSÃO

Nos casos de problema estrutural, os modelos com maior nível de refinamento de elementos na região do furo obtiveram resultados convergidos ao resultado analítico (con-siderando uma tolerância de 3%), sem a necessidade de aumentar o número de elementos nas bordas do modelo.

O caso 1 apresenta elementos com maior desvio da geometria original. Neste caso, o tamanho e a baixa qualidade dos elementos afetaram os resultados e ocasionaram uma grande diferença entre o fator de concentração de tensão calculado e o numérico. Os casos posteriores a este, possuem elementos menores, ou seja, melhor refinamento, e apresenta-ram uma melhoria nos resultados. Esse fato mostra que, para obter resultados mais preci-sos, é necessário um alto nível de refinamento de malha, gerando, assim, elementos mais estruturados e com maior qualidade. Porém, em situações de maior custo computacional, o emprego do método de refinamento local eleva o tempo de simulação. Uma possível solu-ção para esse problema é a utilização de modelos simétricos. Os resultados apresentados mostraram a capacidade de redução do custo computacional e o baixo nível de diferença entre os modelos originais e simétricos. Casos com maiores níveis de refinamento tive-ram 75% de redução no número de elementos e apresentaram diferença abaixo de 0.1%

na tensão máxima.

316

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

REFERÊNCIAS

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O Business Process Management (BPM) aplicado à gestão documental municipal no âmbito da migração de processos físicos para digitais

David José Françoso UNIARA

Dalila Alves Corrêa UNIARA

10.37885/210404166

RESUMO

O presente estudo parte da dificuldade que as organizações públicas municipais enfren-tam para promover mudanças e, particularmente, implantar políticas públicas de gestão documental capazes de viabilizar eficazmente o acesso dos servidores e munícipes à informação, bem como alcançar eficácia no seu gerenciamento. Nesta perspectiva, a Secretaria da Administração da Prefeitura Municipal de Bauru (SAPMB) iniciou em 2017, um projeto de modernização da gestão documental do município responsável pela pro-dução, manuseio, guarda, arquivo e disponibilidade de documentos em atendimento às demandas da Lei de Acesso à Informação (LAI) do governo federal. O objetivo do estudo consistiu em apresentar e descrever a implementação do Business Process Management (BPM) na migração dos processos físicos para digitais, sendo esta, uma das dimensões que integram a referida gestão. A implementação ocorreu pela aplicação do ciclo de BPM unificado de Baldam et al. (2014). O estudo é de natureza qualitativa e adotou a pesquisa-ação como suporte metodológico para executar a aplicabilidade. Embora a implementação encontra-se em fase conclusiva foi possível identificar as primeiras van-tagens percebidas pela migração de 17 dos 60 tipos de processos que integram o projeto de modernização da gestão documental. Dentre eles, destacam-se a simplificação dos processos possibilitada pela remodelagem realizada; a redução de custos operacionais pela eliminação de papel e desocupação de espaços físicos; maior precisão, agilidade e transparência das informações e, sobretudo o atendimento à LAI pela normatização do acesso à informação, guarda e manuseio de documentos sob a tutela da SAPMB e, de interesse público e social.

Palavras–chave: Gestão Documental, Business Process Management (BPM), Gerenciamento de Processos, Gestão por Processos de Negócios, Gestão Pública Municipal.

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INTRODUÇÃO

A gestão dos negócios e das organizações tem ocorrido de maneira muito veloz e, sujeita às mudanças em períodos de tempo cada vez mais curtos. Isto ocorre em função da instabilidade que permeia os mercados e da intensificação da busca de competitividade por parte das empresas. Neste cenário, convivem diferentes propostas de modelos de negócios, de gestão e de operações sustentados sobre novas tecnologias de informação e comuni-cação. Teixeira (2013, p. 29) sintetizou este cenário ao comentar que “as organizações têm mudado a forma como encaram o mercado, procurando soluções, para se tornarem mais eficientes e, consequentemente, mais competitivas”.

Na perspectiva de contribuir para alavancar a eficácia na gestão pública municipal, o presente artigo abordará a gestão documental municipal que, por sua vez, responde pelo acesso à informação na administração pública – aspecto garantido constitucionalmente pela Lei Federal nº 8.159, de 08 de janeiro de 1991, e acelerada pela Lei Federal nº 12.527, de 18 de novembro de 2011, também conhecida como Lei de Acesso à Informação (LAI). Esta lei normatiza o acesso à informação e responsabiliza os órgãos públicos pela guarda e manuseio dos documentos de interesse público e social (BRASIL, 1991, 2011).

A problemática que emerge neste estudo diz respeito a dificuldade que as organizações públicas municipais enfrentam para implantar políticas públicas de gestão documental, que para Oliveira (2007, p. 33), “é condição indispensável para que as administrações munici-pais possam assegurar o acesso à informação […], bem como agregar qualidade aos seus serviços, de maneira a atender às crescentes demandas das sociedades modernas”.

A gestão documental pode ser compreendida através de três dimensões relaciona-das à produção, manuseio, guarda, arquivo e disponibilidade de documentos, quais sejam: organização dos arquivos, digitalização do acervo arquivístico e a migração de processos físicos para digitais (BRASIL, 1991). A migração dos processos físicos para digitais, que in-tegra a gestão documental da Secretaria da Administração da Prefeitura Municipal de Bauru (SAPMB), lócus do estudo, suportada pela aplicação do Business Process Management (BPM), representa uma grande ruptura na forma de se trabalhar e, principalmente, na forma de desenhar, estruturar e desenvolver processos de trabalho porque não se trata de apenas migrar os processos existentes, mas sobretudo, de reinventá-los e reestruturá-los a partir da ampla utilização das tecnologias digitais. Processos digitais são dinâmicos e flexíveis e propi-ciam mudanças gerais na organização (BPM CBOK, 2013; BRASIL, 1991; DE SORDI, 2012).

O presente estudo descreve a aplicação do BPM para efetivar a migração dos proces-sos que integram a gestão documental da SAPMB, de físicos para digitais, pela adoção do modelo de ciclo de BPM unificado (BALDAM et al., 2014), e comenta sobre a organização dos

arquivos e digitalização do acervo arquivístico. Destaca-se que o desafio posto no presente 320

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

estudo está no alcance de prover a gestão documental da SAPMB com processos digitais dinâmicos e flexíveis, capazes de contribuir para novas formas de se trabalhar, principal-mente, na forma de desenhar, estruturar e desenvolver processos de trabalho.

A SAPMB responde pela administração de pessoal (processo seletivo, concurso, admis-são, folha de pagamento, avaliação funcional, benefícios, segurança, medicina do trabalho e escola de gestão pública); compras e licitações; almoxarifado e patrimônio. Emprega 130 servidores e contou em 2019 com um fluxo anual de 41.061 processos administrativos, de acordo com dados coletados junto à referida secretaria em maio de 2020. Neste contexto, em janeiro de 2017 e, por iniciativa do Secretário Municipal da Administração de Bauru/SP (atualmente, Analista de Desenvolvimento de Sistemas da Prefeitura Municipal de Bauru (PMB) e autor do presente estudo), a SAPMB deu início ao desenvolvimento de um projeto de modernização da sua gestão documental.

MÉTODO

Business Process Management (BPM)

A Associação de Profissionais de Gerenciamento de Processos de Negócios (ABPMB), apresenta o BPM como uma abordagem de gestão para identificar, desenhar, executar, documentar, medir, monitorar, controlar e melhorar os processos de negócio para que os resultados desejados possam ser alcançados e revela-se como um novo método de percep-ção das operações de negócios (BPM CBOK, 2013). Como requisito à aplicação do BPM, temos a modelagem de processos de negócios, fundamental para a validação de projeto de BPM, e que de acordo com Baldam et al. (2014), reflete a fase mais visível do BPM e engloba atividades que permitem obter informações sobre o processo na situação atual (as is) e sobre a proposta de processo na situação futura (to be). A aplicação de BPM passa ainda pelo entendimento e apreciação de suas práticas, que normalmente são estruturadas em um modelo de ciclo de vida (KO et al., 2009), que fornece subsídios para a implantação do BPM nas organizações (BALDAM et al., 2014).

Devido a variabilidade de modelos encontrados na literatura, Baldam et al. (2014) rea-lizaram um estudo bibliométrico e apuraram os mais adotados em trabalhos acadêmicos e que receberam maior número de citações. A partir desse estudo, os autores propuseram um modelo próprio, por eles denominado modelo ciclo de BPM unificado, composto de 4 fases: (a) planejar; (b) analisar, modelar e otimizar processos; (c) implantar processos, e (d) monitorar o desempenho de processos. Cada etapa constituída de ações próprias e interdependentes. O quadro 1 detalha as fases do ciclo de BPM unificado.

321

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Quadro 1. Fases do ciclo de BPM unificado.

Fonte: Elaboração própria.

Segundo Baldam et al. (2014), a implementação do BPM não requer seguir todas as fases do ciclo de BPM unificado. Cada processo, cada unidade de negócio, cada atividade executada pode estar em um dado estágio de maturidade. O ciclo unificado não implica em ambiente com prescrições rígidas.

Metodologia e procedimentos metodológicos do estudo

Trata-se uma pesquisa aplicada, com perspectiva de gerar conhecimento para apli-cação prática dirigida a solução de problemas (SAMPIERE et.al, 2013). Quanto a abor-dagem do problema refere-se a uma pesquisa qualitativa (GIL, 2007; CRESWELL, 2010; SAMPIERE et al., 2013).

Adotou-se a pesquisa-ação como recurso metodológico para suportar a aplicabilidade pretendida e, por ela representar uma justaposição de pesquisa e ação, em outras palavras, de teoria e prática. Tanto quanto, por ser uma abordagem de pesquisa comprometida com a produção de conhecimento por meio da busca de soluções de problemas, melhoria e ino-vação numa situação prática da vida e dinâmica de uma organização pública. A pesquisa-

-ação consiste essencialmente em acoplar pesquisa e ação em um único processo, no qual 322

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

o pesquisador, junto com os atores implicados participam, para chegarem interativamente a elucidar a realidade em que estão inseridos, identificando problemas coletivos, buscando e experimentando soluções em situação real. Simultaneamente, há produção e uso de co-nhecimento (THIOLLENT, 1997). Para Coughlan e Coglan (2002, p.24), os pesquisadores em projetos de pesquisa-ação não são meros observadores de algo que está acontecendo, mas trabalham e fazem acontecer visando dois objetivos: resolver um problema e contribuir com a ciência. Em tal contexto, os pesquisadores se caracterizam como “pesquisador de ação”, ao reconhecerem que eles “estão trabalhando ativamente para fazer acontecer”.

Para levar a cabo a pesquisa-ação fez-se uso de coleta de dados em diferentes fontes utilizando-se de diferentes recursos como pesquisa bibliográfica, pesquisa documental, re-uniões entre gestores que integram as secretarias municipais, encontros sistemáticos com equipes de trabalhos, troca de experiências com gestores de outras organizações. Além disso, o responsável pelo projeto da modernização da gestão documental na SAPMB e, consequentemente, gestor que está à frente da migração pretendida é também um dos au-tores do artigo, o que lhe confere uma condição de pesquisador de ação, conforme comenta Coglan (2002). O quadro 2 apresenta uma síntese da metodologia utilizada.

Quadro 2. Metodologia.

Fonte: Elaboração própria.

O roteiro da pesquisa-ação utilizado foi o de McKay e Marshall (2001) com adaptações de Costa et al. (2014). A escolha desse roteiro deve-se à sua clareza na definição das etapas, constituindo-se em um roteiro ampliado ao proposto originalmente por Thiollent (1997). A par-tir das adaptações feitas por Costa et al. (2014), o roteiro de McKay e Marshall (2001) está constituído de 8 (oito) etapas: (1) identificação do problema; (2) reconhecimento, fatos sobre o problema e pesquisa na literatura; (3) planejamento de atividades para solução do problema; (4) implementação; (5) monitoramento em termos de eficácia da solução do problema; (6) avaliação do efeito das ações; (7) aperfeiçoamento do plano e mudanças caso necessário, (8) saída, se os resultados forem satisfatórios. A figura 2 ilustra o ciclo desse roteiro.

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Figura 2. Etapas do roteiro da pesquisa-ação adotado.

Fonte: McKay e Marshall (2001) com adaptações de Costa et al. (2014, p. 6).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Projeto de modernização da gestão documental da SAPMB

Em janeiro de 2017, o autor do presente estudo é nomeado Secretário da SAPMB, com a missão de iniciar o projeto de modernização da gestão documental com foco nas seguintes dimensões: (a) organização dos arquivos; (b) digitalização do acervo arquivístico, e (c) migração dos processos físicos para digitais.

A organização dos arquivos que atendem a gestão de documentos dos departamentos da SAPMB se deu entre 2017 e 2019, em conformidade com a legislação vigente e normas do Conselho Nacional de Arquivos (CONARQ), por meio da criação de grupos de trabalho com objetivos específicos de: (a) organizar os arquivo; (b) elaborar e aplicar o plano de clas-sificação e a tabela de temporalidade em documentos públicos, conforme determina a Lei Federal 8.159/1991; (c) liberar espaço físico; (d) melhorar a gestão de documentos, e (e) pro-porcionar o acesso à informação, previsto na Constituição Federal e regulamentado pela LAI.

De forma concomitante ao desenvolvimento da dimensão de organização dos arquivos, foi dado início às ações para digitalização dos prontuários dos servidores ativos e inativos da Prefeitura Municipal de Bauru, no suporte de papel e microfilme, considerando a neces-sidade de organizar, digitalizar, preservar, guardar e fornecer informações dos prontuários dos servidores ativos e inativos de forma eficaz, no âmbito da SAPMB, e proporcionar o acesso à informação. A digitalização do acervo arquivístico é a fase de conferir a guarda permanente com objetivos de preservação de documentos e facilitação do acesso às infor-mações (CONARQ, 2020).

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Aplicação do ciclo de BPM unificado na SAPMB

Esta seção apresenta a aplicação do ciclo de BPM unificado à migração dos processos físicos para digitais por meio das etapas que integram o roteiro da pesquisa-ação adotado.

a. Identificação do problema

Esta subseção compreende a etapa 1 do roteiro da pesquisa-ação. A migração preten-dida foi operacionalizada a partir da abordagem de gestão (BPM CBOK, 2013) de gerencia-mento de processos de negócios (Business Process Management), e consiste em atender a necessidade de transformar procedimentos administrativos no suporte físico para digital.

b. Reconhecimento, fatos sobre o problema e pesquisa na literatura

Esta subseção compreende a etapa 2 do roteiro da pesquisa-ação e consiste em apresentar evidências sobre o problema e a sua relação com a literatura adotada pelo estudo. Com o objetivo de ampliar conhecimento teórico-conceitual sobre gerenciamento de processos foi realizada pesquisa e leituras em literatura especializada, bem como uma revisão da produção bibliográfica sobre aplicação do BPM na administração pública. A partir da etapa 3 da pesquisa-ação, a seguir apresentada, iniciou-se propriamente a aplicação do ciclo de BPM unificado, com adequação de ajustes ao contexto de sua aplicação na referida Secretaria. O quadro 3 mostra a relação entre as fases do ciclo de BPM unificado e as etapas da pesquisa-ação, sendo este o procedimento adotado pelo estudo para sua operacionalidade.

Quadro. Relação entre fases do ciclo de BPM unificado e etapas da pesquisa-ação.

Fonte: Elaboração própria.

Planejamento de atividades para solução do problema

Num primeiro momento buscou-se compreensão sobre o ambiente externo e inter-no, bem como o contexto em que se encontrava a gestão documental na SAPMB. Isto foi

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

possível pela própria atuação/vivência profissional do pesquisador. Num segundo momento, esta compreensão foi ampliada e aprofundada no contexto do aprendizado obtido junto à literatura especializada e à revisão da produção bibliográfica promovida, incluindo ainda, outras formas interativas que possibilitaram ganhos de conhecimento e obtenção de infor-mações e dados, tais como: (a) reuniões com membros dos grupos de trabalho, servidores da SAPMB e demais secretarias; (b) visitas técnicas às prefeituras paulistas de Campinas, Indaiatuba e São José dos Campos, e ao Arquivo Público do Estado de São Paulo, para benchmarking das melhores práticas utilizadas, e aos departamentos da SAPMB e demais secretarias para coleta de informações; (c) interações para benchmarking com fornecedores e profissionais de soluções de BPM, e gestores públicos municipais das cidades de Santos/ SP, São Paulo/SP, Porto Alegre/RS e Natal/RN; (d) entrevista com servidores, diretores e chefes dos departamentos da SAPMB; (e) realização de diagnósticos; e (f) participação em processos de capacitação como cursos, palestras e fóruns de discussão, com o apoio e interação da Escola de Gestão Pública Municipal.

A estratégia definida e utilizada para se atingir os objetivos da modernização da gestão documental na dimensão da migração dos processos físicos para digitais, bem como para manter a governança dos processos e promover as mudanças necessárias, foi pela aplicação do ciclo de BPM unificado, de Baldam et al. (2014).

Para definir os tipos dos processos físicos que seriam migrados adotou-se o critério grau de complexidade (alta, média e baixa), semelhante ao definido pelas cidades paulistas de São Paulo e Santos na implementação do BPM, com início planejado pelos de baixa complexidade.

Foi definida a ferramenta estratégica 5W2H para gerenciar o projeto e estabelecer o plano de ação, promovendo a alocação dos recursos necessários aos propósitos definidos pela SAPMB, e operacionalizar as ações estratégicas sobre o que, por que, onde, quando, por quem, como será feito e, quanto vai custar. Além de, edição e publicação de instrumen-tos normativos para estabelecer procedimentos e obrigações, como Decretos, Portarias, Resoluções, Editais e Atas.

Nesta fase da elaboração do plano estratégico foi previsto também a criação do manual do sistema de gestão de BPM. No entanto, decidiu-se pela sua elaboração somente após a conclusão de todas as etapas, uma vez que se entendeu ser necessário desenvolver todas as atividades do ciclo BPM para depois normatizar a sua operacionalidade.

Foram criados grupos de trabalho para atuar nas seguintes atividades: (a) prepara-ção da estrutura de classificação de atividades/processos; (b) seleção e entendimento dos elementos básicos e priorizar processos; (c) indicação dos recursos necessários para a

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análise, modelagem e otimização de processos; (d) vigilância quanto as armadilhas comuns que geram problemas ao planejamento de BPM; e (e) realimentação do planejamento.

A preparação da estrutura de classificação de atividades dos processos, que de acordo com Baldam et al. (2014) é fundamental para que todos os envolvidos no projeto compreendam como funciona a organização e suas relações com os processos adminis-trativos, foi planejada para ser desenvolvida de maneira lógica e sequencial, na medida em que ocorrer a modelagem dos fluxos dos processos para efetivar a migração pretendida.

Para análise, modelagem e otimização dos processos foi planejado a utilização do software Libre Office Write, para edição de texto e criação de fluxograma, nas atividades de levantamento, registro das informações e modelagem dos processos na situação atual (as is), e a utilização do software Bizagi Modeler para a modelagem de proposta dos processos na situação futura (to be).

A identificação dos fatores críticos para a aplicação do BPM, conforme recomendam Baldam et al. (2014), possibilitou, além de sua socialização junto aos grupos de trabalho, os ajustes necessários no planejamento de ações de mitigação das armadilhas comuns que geram problemas ao planejamento de BPM.

A realimentação do planejamento foi pensada de modo dinâmico e interativo pela realização de feedback e reuniões com os grupos de trabalho, considerando que a atividade de aplicação do BPM é cíclica e sistemática, com apoio da ferramenta 5W2H.

d. Implementação

Nesta etapa da pesquisa-ação foram realizadas as atividades referentes as duas fases do ciclo de BPM unificado, quais sejam: analisar, modelar, otimizar processos, e implantar processos. Ela consistiu em descrever as atividades que permitiram melhor compreensão sobre os processos que integram a gestão documental da SAPMB, objeto do estudo, bem como verificar a existência de lacunas de compreensão e desempenho, e levantar informa-ções sobre o processo na situação as is e a proposta de processo na situação to be.

No ano de 2017 tramitou pela SAPMB 42.836 solicitações dos servidores públicos, ati-vos e inativos, no suporte físico, envolvendo aproximadamente 60 tipos de solicitações sob a sua custódia e gestão. Tais solicitações estão relacionados às atividades desenvolvidas na administração de pessoal, recursos humanos, avaliação funcional e administração de mate-riais, e cada solicitação gerou um processo administrativo. Em 2018, o número de solicitações foi de 40.470, dos quais, 38.022 no suporte físico e 2.448 já no suporte digital. Em 2019, foram 41.061 solicitações, sendo 35.079 processos físicos e 5.982 processos digitais.

O quadro 4 apresenta a evolução da migração dos processos físicos para digitais na SAPMB, no período de 2017 a 2020. 327

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Quadro 4. Evolução da migração dos processos na SAPMB no período 2017-2020.

Fonte: Elaboração própria.

Conforme quadro 4, até maio de 2020 existiam 19.045 solicitações processadas para processos administrativos, destes, 15.513 no suporte físico e 3.532 migrados, e referem-se a 17 tipos de solicitações (vide quadro 5), e outras 43 encontravam-se na fila de prioridade aguardando a migração.

Quadro 5. Solicitações efetivadas para o suporte digital.

Fonte: Elaboração própria.

A análise dos processos de negócios da SAPMB permitiu a identificação dos pontos de melhoria para reinventar e reestruturar os processos, a partir da revisão das leis que os legitimam, e da utilização de novas tecnologias e métodos, com aplicação do critério grau de complexidade para seleção dos tipos de solicitações dos processos a serem migrados. Nesta análise adotou-se o software Libre Office Write para o registro das informações coletadas e a modelagem dos processos na situação as is, com elaboração do documento de requi-sitos e de fluxogramas. Por fim, a otimização pretendida foi projetada e representada na versão final da modelagem de proposta dos processos na situação to be, desenvolvida com a utilização do software Bizagi Modeler.

Na sequência, os documentos de requisitos e a modelagem dos processos na situação to be foram encaminhados à área de tecnologia para desenvolvimento dos processos digitais. Com prazo médio de 40 dias para o desenvolvimento de um processo digital, estes foram gradativamente disponibilizados aos departamentos da SAPMB em ambiente digital

específico na estrutura do Datacenter Municipal, para testes, simulações e homologação. 328

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Após a realização das atividades de análise e modelagem dos processos na situação as is e to be, a realimentação do planejamento aconteceu de forma sistemática, por meio de interações e reuniões com os grupos de trabalho e demais envolvidos, com utilização da ferramenta 5W2H, e considerando o caráter contínuo e sistematizado em ciclos na aplicação do BPM unificado, semelhante ao PDCA – Plan, Do, Check, Act de Demming.

Para efetivar a implementação dos processos digitais homologados, e após a realização das atividades já descritas, foi necessário realizar um conjunto de ações previstas no ciclo para dar sustentabilidade ao projeto. Estas são comentadas na sequência.

O detalhamento do gerenciamento do projeto de implantação e execução da migração dos processos físicos para digitais aconteceu sequencialmente às atividades descritas no próprio ciclo de BPM unificado, com a utilização da ferramenta 5W2H para planejamento, controle e clareza das ações estratégicas (escopo, tempo, custos, qualida-de, recursos humanos, comunicações, riscos e aquisições), que resultou na alocação dos recursos necessários aos propósitos definidos pela SAPMB.

As instalações, equipamentos e softwares necessários à migração foram verificados e analisados na fase do planejamento do BPM, através das interações entre departamentos, reuniões e atuação dos membros dos grupos de trabalho, com a participação da área de tec-nologia, e todas as providências e aquisições necessárias à implantação foram executadas.

O Sistema de Documentos (SD), onde os processos digitais são desenvolvidos, oti-mizados e implantados (de propriedade da Prefeitura) foi desenvolvido nas linguagens de programação ASP.NET e C#, com utilização do banco de dados SQL Server. O armazena-mento e acesso aos dados estão concentrados no Datacenter Municipal, e o software Bizagi Modeler, utilizado para a modelagem, está instalado em equipamentos da SAPMB para a criação de modelos dos processos no estado atual (as is) e futuro (to be).

A estratégia utilizada para gerenciar as mudanças organizacionais, que pode ser um risco e, em alguns casos provocar a resistência dos colaboradores à aplicação do ciclo de BPM, envolveu a capacitação e treinamento dos servidores da SAPMB e das demais secretarias, com a colaboração da Escola de Gestão Pública, por meio da participação em cursos, eventos, palestras e fóruns de discussão.

Executadas as atividades anteriores preconizadas no ciclo de BPM unificado, em março de 2018, foi editada e publicada a Portaria que institucionalizou a utilização do Sistema de Documentos (SD) e regulamentou a autoridade competente para a certificação digital na etapa de validação e arquivamento eletrônico dos procedimentos administrativos digitais no âmbito da SAPMB, com a implantação dos 4 primeiros tipos de solicitações. Durante o ano de 2019 foram implantados mais 13 tipos de solicitações no suporte digital, vide quadro 5.

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Transferiu-se assim o controle de execução e a monitoria do processo digital implantado aos executores, servidores e usuários do SD.

Os membros integrantes dos grupos de trabalho e demais servidores envolvidos na execução das atividades do ciclo de BPM unificado, desde o planejamento das fases con-tinuam ativos e participando de treinamentos sobre boas práticas da gestão documental, frequentando cursos, eventos, palestras e fóruns de discussão, com apoio e organização da Escola de Gestão Pública da própria Prefeitura.

e. Monitoramento em termos de eficácia da solução do problema

Descreve a etapa 5 do roteiro da pesquisa-ação e a fase de monitorar o desempenho dos processos digitais implantados. Por se tratar de um projeto de migração que se encontra em desenvolvimento, o conjunto das ações necessárias para realizar o monitoramento de desempenho dos processos, recomendado por Baldam et al. (2014) foi desenvolvido par-cialmente, até o momento, exceto na realização de auditoria dos processos em uso.

Avaliação do efeito das ações

Descreve a etapa 6 do roteiro da pesquisa-ação e a fase de avaliar o efeito das ações. No caso do presente estudo, a própria adoção e aplicação do ciclo de BPM unifica-do possibilitou na prática a avaliação do efeito das ações em cada fase do ciclo, através da execução das atividades de realimentação ou retroalimentação.

g. Aperfeiçoamento do plano e mudanças caso necessário

Discorre sobre a etapa 7 do roteiro da pesquisa-ação, e deverá ser executada caso o plano de ações elaborado na etapa 3, que se refere ao planejamento, necessite de ajustes. Nesta etapa, semelhante a etapa 6 do roteiro da pesquisa-ação, a adoção e aplicação do ciclo de BPM tratou dos aperfeiçoamentos necessários ao planejamento, análise, modela-gem e implementação dos processos digitais, e das mudanças que ocorreram durante o seu desenvolvimento e aplicação, principalmente pelas ações de realimentação existentes nas fases do ciclo.

h. Saída, se os resultados foram satisfatórios

A última etapa do roteiro da pesquisa-ação recomenda que o projeto seja concluído quando todas as mudanças nos processos estiverem implementadas. No presente estudo, esta etapa encontra-se em desenvolvimento até que todos os tipos de solicitações no su-

porte físico tenham sido migrados para o suporte digital. Considera-se ainda que mesmo 330

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após a finalização da migração, o ciclo impõe o monitoramento do desempenho dos pro-cessos digitais de forma sistemática, por meio da análise do nível de maturidade aplicada ao BPM na SAPMB.

Resultados do estudo

Uma vez que o processo da migração dos processos físicos para digitais encontra-se em desenvolvimento e será continuamente monitorado, visando ajustes e consolidação, os resultados aqui apresentados expressam as vantagens e benefícios percebidos até o pre-sente, logo trata-se de uma apuração parcial.

Vantagens percebidas de forma imediata

A implementação do BPM para realizar a migração dos processos físicos para digitais possibilitou, de imediato, uma visão mais precisa do volume do trabalho e atribuições alo-cadas na SAPMB e a sua importância para o contexto da gestão documental do município de Bauru, bem como para a sua integração com as demais secretarias de governo.

Desse modo, foi possível (a) obter melhor visualização e identificação dos processos que necessitavam de maior atenção para efetivar melhorias em sua utilização e execução; (b) significativa melhoria na prática de trabalho dos servidores da Secretaria e dos participantes que integraram (até o momento) todas as fases da implementação; (c) melhorias no contexto onde se produz esta pratica e (d) interesse e disposição dos servidores para participar e se envolver com as mudanças projetadas. Todos estes aspectos atuaram de forma conjunta para propiciar mudanças positivas na cultura de trabalho da SAPMB.

Benefícios aferidos até o momento

A apresentação dos benefícios foi organizada de acordo com as considerações de Rego Júnior (2017), que recomenda identificá-los a partir de: melhorias globais sistêmicas; melhorias de desempenho e ganho de competitividade, satisfação do público atingido pelo processo da migração, e redução de custos. A seguir, o quadro 6 apresenta de forma sin-tética cada um destes aspectos.

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Quadro 6. Benefícios aferidos.

Fonte: Elaboração própria.

CONCLUSÃO

Ao final deste estudo, comenta-se sobre alguns aspectos e contribuições de natureza prática e acadêmica relacionados ao trabalho realizado no sentido de expor o aprendizado obtido com o seu desenvolvimento, apontar limitações, bem como propiciar reflexões que possam contribuir para subsidiar o desenvolvimento de futuras propostas de estudos rela-cionadas ao foco desse trabalho.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

A gestão pública municipal enfrenta muitas dificuldades e desafios para se tornar eficiente, atender a legislação e dar conta de prestar serviços com qualidade à socieda-de. A criação de políticas públicas, investimentos, métodos e inovação podem garantir os recursos necessários à modernização de seus serviços e o atendimento das necessidades da população em tempo real e por meio de padrões de qualidade mais elevados. O BPM contribuiu, enquanto uma abordagem de gerenciamento de processos, para o enfrentamento deste desafio, no contexto da SAPMB.

Nesta perspectiva foi proposto e cumprido o objetivo de implementar o ciclo de BPM unificado na migração dos processos físicos (que integram a gestão documental da SAPMB) para o modo digital. Esta implementação permitiu encontrar uma resposta para a problemá-tica do estudo e alcançar algumas contribuições, já apuradas, e expressas na seção que apresenta a aplicação do ciclo de BPM unificado na SAPMB.

Destaca-se a validade da abordagem do BPM para o contexto em que foi aplicado, pois a intensidade de trabalho numa administração pública municipal para satisfação dos clientes internos e externos é alta. A simplificação dos processos e decorrente migração permitirão aperfeiçoamento contínuo dos serviços prestados, com menores custos operacionais e maior agilidade levando a melhoria da qualidade percebida, além de atender aspectos de legalidade.

O fato de se ter adotado o ciclo de BPM unificado acoplado ao roteiro da pesquisa-ação formulado por McKay e Marshall (2001) e adaptado por Costa et al. (2014) contribuiu para a mitigação de dificuldades próprias de processo de implementação de mudanças. Ou seja, a execução das atividades e ações de aplicação do BPM em ciclos, com retroalimentação do planejamento a cada fechamento de fase foi uma estratégia muito positiva para o alcance dos objetivos propostos pelo estudo. Desse modo, não se observou dificuldades que pu-dessem comprometer e, de algum modo, atrasar ou impedir o desenvolvimento da proposta da implementação. Ressalta-se assim, a contribuição metodológica do estudo para o de-senvolvimento de proposta que associou implementações (prática) com pesquisa (teoria).

A principal contribuição para a sociedade está na possibilidade de ampliar o uso dos resultados para outras secretarias de forma a dotá-las de melhores condições para geren-ciar seus processos e obter melhor desempenho de suas atividades no atendimento dos serviços para os munícipes.

Vislumbra-se que esta perspectiva possa também ser transferida para outras prefeituras que se encontram com grandes dificuldades para atender a política de gestão documental requisitada no âmbito da LAI.

Quanto aos praticantes (servidores) destaca-se o ganho de competências técnicas aferidas pelos processos de treinamento desenvolvidos ao longo da implementação do

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ciclo de BPM, proporcionando-lhes também projeção para assessorar outras secretarias da prefeitura que passam pelo mesmo desafio da SAPMB.

O trabalho apresenta algumas limitações evidenciando a não pretensão do pesquisa-dor em desenvolver um trabalho completo e inédito, mas sim com o intuito de prover um órgão público de condições para atender aos desafios da política de gestão documental do município, onde foi desenvolvido.

Justificada pelo fator tempo e o não encerramento de todas as atividades integrantes ao processo da migração, não foi possível realizar uma pesquisa de avaliação, sistematica-mente planejada e executada com o intuito de captar, junto aos diferentes agentes internos e externos à SAPMB, especificidades dos impactos relacionados à aplicação do BPM. Logo, informações ampliadas sobre melhorias especificas e localizadas em cada departamento e setor que integram a SAPMB e, como elas repercutiram entre os usuários internos e finais (munícipes) não foram apuradas.

O desenvolvimento do presente estudo possibilitou prospectar algumas oportunidades de futuras pesquisas sobre a implementação do BPM no âmbito de um órgão público, de modo dotar a sua prática de experiências bem sucedidas, bem como enriquecer a literatura especializada neste âmbito. Dentre elas, menciona-se:

Estudos desenvolvidos no contexto da administração pública que identifiquem os fa-tores deste ambiente que favorecem a adoção do BPM, bem como os que não favorecem. Para tal, sugere-se adotar os fatores críticos de sucesso do BPM promovendo análise antes e depois da implementação.

Estudos desenvolvidos no sentido de aperfeiçoar o modelo do ciclo de BPM unificado proposto por Baldam et al. (2014) na perspectiva da realidade das administrações públicas municipais, e consequente evolução nos estágios de maturidade. Este aspecto atenderá a necessidade de gerar experiências práticas que possam ser compartilhadas entre os gestores municipais, bem como agregadas à produção bibliográfica correspondente.

Estudos desenvolvidos sobre os desafios da preservação de documentos de arquivo representantes digitais e nato digitais.

Finalmente, considera-se que o desenvolvimento de estudos a respeito da gestão por processos de negócios, na administração pública municipal ainda é incipiente, mas muito necessário para ajudá-la na transição de uma administração funcionalista para uma gestão organizada por processos, consequentemente, atingir melhores resultados para a comuni-dade interna e externa.

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REFERÊNCIAS

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Estudo do reuso de efluente de uma estação convencional de tratamento de efluentes no Rio Grande do Sul

Frederico Campos Velho Glória

José Carlos Alves Barroso Júnior FDB

Maria Cristina de Almeida Silva UFRGS

Lígia Conceição Tavares UFRGS

10.37885/210404422

RESUMO

A escassez de água tem se tornado mais evidente a cada dia, sendo necessário a utiliza-ção de técnicas que economizem e/ou reutilizem água e efluentes. O reuso de efluentes é uma forma alternativa do uso de água para fins não potáveis, podendo ser realizado em residências, industrias e locais públicos. O reuso pode se utilizados em lavagens de calçadas, automóveis, processos industriais, fontes públicas de água para fins estéticos, descargas em vasos sanitários entre outros. Porém a falta de legislação para o reuso torna a prática difícil de ser executada. Este trabalho tem como objetivo avaliar o efluente de uma ETE para reuso, levando em consideração o reuso em residências, áreas restritas e áreas sem restrição conforme as normas brasileiras. A avaliação do efluente levou em consideração os parâmetros de DBO, SST, coliformes termotolerantes, ovos de helmin-tos, pH, turbidez e cor. O efluente avaliado mostrou-se promissor ao uso desde que seja realizada a remoção de coliformes termotolerantes, o que pode ser realizado a partir de sistema de desinfecção a partir de cloro.

Palavras–chave: Reuso, Efluente, Tratamento de Esgoto, Cloração, Desinfecção.

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INTRODUÇÃO

A escassez de água tem se tornado mais evidente a cada dia, sendo necessário a utilização de técnicas que economizem e/ou reutilizem água e efluentes. As técnicas de tratamento de água para obter níveis de potabilidade podem apresentar elevados custo, porém em muitos casos a água é utilizada para fins não nobres, como lavagem de auto-móveis, pátios e rega de plantas. Para estes casos pode ser utilizado efluentes sanitários devidamente tratados a níveis compatíveis para cada fim.

O uso dos efluentes sem tratamento como a água da pia ou da lavagem de roupa pode ser incorporado na rotina humana, sendo utilizada para irrigação do jardim, lavagem da calçada e na indústria (LOBATO, 2006). Entretanto, o reuso não consistirá apenas da reciclagem da água, mas de um conjunto de medidas para minimizar o impacto ambiental do despejo do efluente nos rios.

Segundo o manual da FIESP/CIESP (2005), é indicado que se realize a reduz a quanti-dade de água extraída das fontes de suprimento, redução do consumo de água, redução do desperdício de água, redução das perdas de água, aumento da eficiência do uso da água, aumento da reciclagem e o reuso da água e evitar a poluição dos corpos hídricos.

A finalidade do reuso de água requer padrões específicos para cada atividade, con-forme Sautchuck (2005) e Mancuso e Santos (2003), o conceito de “reuso de água” é o uso de mais de uma vez da água residual tratada ou não. O reuso está diretamente interligado com a usabilidade final do efluente, que pode ser classificado em:

Reuso de efluentes não tratados: utilização de efluentes não submetidos a tratamento, mas enquadrados qualitativamente para a finalidade ou processo a que se destina;

Reuso indireto de água: uso de águas residuárias ou água de qualidade infe-rior, em sua forma diluída, após lançamento em corpos hídricos superficiais ou subterrâneos;

Reuso direto de água: é o uso planejado de água de reuso, conduzido ao local de utilização, sem lançamento ou diluição prévia em corpos hídricos superficiais ou subterrâneos;

Reuso em cascata: uso de efluente industrial originado em um determinado processo que é diretamente utilizado em um processo subsequente;

Reuso de efluentes tratados: é a utilização de efluentes que foram submetidos a tratamento;

Reuso de efluentes após tratamento adicional: alternativa de reuso direto de efluentes tratados que necessitam de sistemas complementares de trata- mento para reduzir a concentração de algum contaminante específico;

Reuso de efluentes não tratados: utilização de efluentes não submetidos a tratamento, mas enquadrados qualitativamente para a finalidade ou processo a que se destina;

Reuso macro externo: reuso de efluentes provenientes de estações de trata-mento, administradas por concessionárias ou de outra indústria;

Reuso macro interno: uso interno de efluentes, tratados ou não, provenientes

de atividades realizadas na própria indústria; 339

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Reuso parcial de efluentes: uso de parte da vazão da água residuária ou água de qualidade inferior diluída com água de padrão superior, visando atender o balanço de massa do processo (SAUTCHUCK et al., 2005).

Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (NBR-ABNT 13969, 1997) que aborda o reuso de efluente e a classificação do seu destino final. O item 5.6 desta norma cita que o esgoto de origem essencialmente doméstica ou com características similares, o esgoto tratado deve ser reutilizado para fins que exigem qualidade de água não potável. Porém, este mesmo resíduo pode ser utilizado para irrigação, lavagem de piso, na indústria em tanques e caldeiras.

Apesar da norma permitir o reuso, impõe parâmetros para o mesmo:

a) Classe 1: lavagem de carros e outros usos que requerem o contato direto do usuário com a água, com possível aspiração de aerossóis pelo operador, incluindo chafarizes; […]
b) Classe 2: lavagens de pisos, calçadas e irrigação dos jardins, manutenção dos lagos e canais para fins paisagísticos, exceto chafarizes; […]
c) Classe 3: reuso nas descargas dos vasos sanitários […]. Normalmente, as águas de enxague das máquinas de lavar roupas satisfazem a este padrão, sendo necessário apenas uma cloração. Para casos gerais, um tratamento aeróbio seguido de filtração e desinfeção satisfaz a este padrão; […]
d) Classe 4: reuso nos pomares, cereais, forragens, pastagens para gados e outros cultivos através de escoamento superficial ou por sistema de irrigação pontual. […].As aplicações devem ser interrompidas pelo menos 10 dias antes da colheita.

A Resolução Nº 430 de 2011 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), de-fine os padrões para lançamento dos efluentes líquidos tratados ou bruto nos corpos hídricos e a Resolução Nº 375 de 2006 complementa especificando que devem ser tratados o resíduo líquido e sólido para que posam ser utilizado com segurança para a agricultura como adubo.

A reutilização dos efluentes tratados assim como a água da chuva podem ser empre-gados na indústria para refrigeração, processos industriais e lavagem de veículos (ASANO, 2002). Utilizando essas boas práticas, os consumidores podem conservar os cursos hídricos e por consequência todo ecossistema existente nele (CAIXETA, 2010).

Pode ainda ocorrer o reuso da água pluvial devido ao baixo custo de captação e na maioria dos casos sem custo de tratamento. O sistema de captação da água pluvial, de uma residência ou um condomínio, consiste em uma superfície impermeável de cap-tação (geralmente os telhados) e tubulações que levam esta água para uma cisterna (MARTINI; MORUZZI, 2013).

Moruzzi e Nakada (2009) apontam que com a utilização da água da chuva, economiza–se na captação, distribuição e tratamento poupando os recursos hídricos naturais. Mancuso

e Santos (2003). A Agência Nacional de Águas (ANA), indicam a captação e o reuso da água

340

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

da chuva como alternativa para reduzir os gastos financeiros do consumidor final, visto que esta é uma fonte intermitente de água.

Para o uso ideal do efluente é comum o pós tratamento por desinfecção, normalmente realizado via cloração, mas pode ser utilizado ozônio, raios ultra violeta e raios gama (VON SPERLING, 2009). Para a desinfecção são importantes o tempo de contato e a concentração do produto desinfetante. Porém para que o tratamento do efluente tenha uma eficiência é de conhecimento comum que a relação cloro e tempo de contato são inversamente propor-cionais, quanto maior o tempo de contato menor a quantidade de cloro necessária para o tratamento (CHERNICHARO, 2001).

Reuso da Efluentes em Regiões Urbanas

O efluente para reuso urbano pode ser utilizada para fins não potáveis, para que possa ser utilizada apenas é necessário reduzir a carga orgânica e eliminar organismos patógenos (HESPANHOL, 2002).

As atividades possíveis para o reuso urbano abordam a irrigação de parques públicos, vegetação das calçadas e condominial, campos de futebol, lavagens de veículos públicos e privados, trens, ônibus, uso doméstico em prédios públicos, privados e comercias nas descargas de bacia sanitária, uso na construção civil como controle de poeira, argamassa e concretos, testes de estanqueidade (HESPANHOL, 2002).

A utilização de águas residuárias domésticas como fonte alternativa de água apresenta diversas vantagens, como por exemplo: alívio da demanda e preservação da oferta de água para usos múltiplos, reciclagem de nutrientes, proporcionando economia de insumos, como fertilizantes e ração animal (FLORENCIO, BASTOS E AISSE, 2006), ampliação de áreas irrigadas e a recuperação de áreas degradadas ou improdutivas, redução do lançamento de esgotos em corpos receptores, reduzindo impactos ambientais (ASANO, 2002), promoção, em longo prazo, de uma fonte confiável de abastecimento de água dentro de uma comuni-dade, gerenciamento da demanda de água em períodos de seca, no planejamento global dos recursos hídricos e encorajamento da população para conservar a água e adoção de práticas de reuso (GOHRINGER, 2006).

Reuso de Efluente na Agricultura

A produção agrícola utiliza cerda de 80% da produção de água tratada do país (FAO, 1985). Segundo Mota (2009), deve-se avaliar alguns itens para a utilização do reuso de efluente na agricultura, dentre eles, os tipos de culturas a serem irrigadas, a qualidade do efluente a ser utilizado, o tipo de tratamento aplicado no efluente e o método de irriga-

ção a ser adotado. 341

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Para que possa proteger o agricultor e seus funcionários é necessário que o efluente seja desinfetado conforme sugerido pela Organização Mundial da Saúde (MOTA, 2009; VON SPERLING, 2009).

Os nutrientes que compõem o efluente da ETE possuem valor potencial para a produ-ção agrícola, reduzindo os custos com fertilizantes e adubos no solo (TELLES, 2011). Caso não fosse realizado o reuso do efluente seria necessário adequá-lo para o lançamento no corpo hídrico, assim, o reuso do efluente pode ser visto de forma do uso sustentável dos recursos hídricos. (SOUZA, 2004).

Reuso de Efluente na Indústria

A indústria possuí grande potencial para reuso dos efluentes tratados de forma direta e/ou indireta. O volume de efluente utilizado contribui para que não sejam despejados nos corpos hídricos os poluindo (REZENDE, 2016).

A indústria vem investindo nesta modalidade de consumo, pois o custo da água tem se elevando com o passar do tempo. A utilização de efluentes tratados torna-se uma alternativa viável para o uso não potável, visto que o custo deste seria menor que o da água potável (METCALF E EDDY, 2016). A construção de estações de tratamento de esgoto próximas a zona industrial é vista como uma vantagem para a utilização do efluente diminuindo o custo do transporte (GOHRINGER, 2006).

Mancuso e Santos (2003), apresenta diversas usabilidades do efluente na indústria para torres de resfriamento, lavagem de peças e equipamentos, irrigação de áreas verdes, lavagem de pisos e veículos, incorporação ao processo industrial, principalmente nas indús-trias de papel, têxtil, plásticos, curtume, construção civil e petroquímica, lavagem de gases da chaminé, uso sanitário e proteção contra incêndios.

Este trabalho visa avaliar o reuso do efluente tratado por modelo convencional de tra-tamento de efluentes de uma ETE no Rio Grande do Sul.

MÉTODO

O trabalho foi desenvolvido a partira da avaliação das cargas de poluentes no efluente de uma ETE localizada no Rio Grande do Sul e as normas vigentes para reuso de efluentes, o método foi dividido em coleta de dados e técnicas de análise de dados.

A ETE em questão conta com um sistema de tratamento de esgoto convencional, composto de gradeamento, desarenação, reator de lodo ativado com aeração mecânica, e tanques de decantação de lodo, para posteriormente ocorrer o lançamento do efluente líquido

342

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

no corpo hídrico. Nesta ETE há contribuição de tratados efluentes sépticos de empresas de desentupimento e limpa-fossa, o que representa menos de 10% de sua vazão total.

Coleta de Dados

Os dados foram coletados junto a concessionária responsável pelo tratamento, que é especialista em saneamento básico, captação e tratamento de água. O efluente analisado foi captado entre os meses de janeiro a dezembro do ano de 2018. Estando em posse dos dados, compará-los com as normas vigentes e verificado se os parâmetros estão den-tro do aceitável.

Os dados coletados referem-se aos parâmetros de demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), sólidos suspensos totais (SST), sólidos sus-pensos fixos (SSF), sólidos suspensos voláteis (SSV), nitrogênio total (NT), fosfato total (FT), ovos de helmintos (OH) e coliformes termotolerantes (CF).

Técnicas de Análise de Dados

Após os dados coletos foram realizadas as médias para cada parâmetro e compa-rados com as normas vigentes para reuso de efluentes, conforme NBR 13969, PROSAB, CONSEMA e OMS. Para esta análise foi utilizado a Tabela 1, que apresenta um resumo dos parâmetros para reuso do efluente, desenvolvida por Rezende (2016), e adaptada para este estudo.

Tabela 1. Síntese de critérios de qualidade para reuso de efluentes

Parâmetros

Irrestrito

+ rigoroso rigoroso

Restrito

+ rigoroso rigoroso

Residencial

+ rigoroso rigoroso

DBO (mg/L)

SST (mg/L)

≤ 10 ≤ 30 ≤ 20 ≤ 30 ≤ 10

≤ 10 < 35 ≤ 20 ≤ 45 ≤ 5 ≤ 10

CF (NMP/ 100 mL) Turbidez (UNT) (2) pH

Ovos de helmintos /L Óleos e graxas (mg/L)

Cloro residual (mg/L)

ausentes ≤ 1

6,5 – 8,5 ausentes VA

≥ 0,2

≤ 240 < 20

6,0 – 9,0 ≤ 1 < 15

≤ 10

≤ 200 ≤ 2

6,5 – 8,5 ausentes ≤ 1

0,2 – 2

≤ 104 (1) ≤ 5

6,0 – 9,0 ≤ 1 < 15

> 0,5

ausentes < 2

6,5 – 8,5 ≤ 0,1

0,2 – 2

≤ 1000(3) < 10

6,0 – 9,0 ≤ 1

≤ 1

≥ 0,1/0,4

Cor (UH) (2) ≤ 10 ≤ 30 ≤ 40 ≤ 10

1. O valor mais praticado é ≤ 1000 NMP/
2. Na grande maioria dos critérios estudados a turbidez e a cor não são consideradas para usos restritos 3. Os demais valores encontrados variaram de não detectáveis a 500 NMP/100m

VA: visualmente ausentes

Fonte: adaptado de Rezende, 2016.

A definição de uso restrito ou irrestrito é quanto ao local de acesso, se há algum tipo de restrição ou não ao local, por exemplo para praças e parques públicos não há restrição

de acesso, já para empresas ou processos industriais há a restrição de acesso. 343

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Para o uso irrestrito ou mais nobre do efluente deverá ser calculado a concentração de cloro para desinfeção, calculando apenas dosagem necessária de desinfetante, visto que o di-mensionamento não é o foco do trabalho. O cálculo pode ser realizado a partir da equação 1:

log Eq. (1)

Onde:

C = Concentração do agente de desinfeção, mg/L t = tempo de contato no reator, minutos

k = constante de inatividade, min–1

C = Concentração do agente de desinfeção, mg/L

n = constante empírica relacionada à diluição, adimensional Nt = número de organismos no tempo t

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para que os efluentes possam ser utilizados no reuso urbano, industrial e/ou agrícola, devem ficar dentro dos parâmetros estabelecido nas normas, apresentados na Tabela 1.

Os valores médios dos dados fornecidos pela concessionária de tratamento de efluentes são apresentados na Tabela 2,

Tabela 2. Caracterização do efluente da ETE

DBO(mg/L)

5,2 ± 2,3

SST(mg/L)

8,2 ± 2,4

CF(NMP/100mL)

2 x 105

6,7 ± 0,4

Turbidez(NTU)

2,4 ± 1,1

Cor(UH)

8,2 ± 1,4

OH(ovos/L)

*ND – Não detectado

As concentrações dos poluentes no efluente da ETE apresentam valores abaixo dos limites para reuso, exceto para os coliformes termotolerantes, impedindo o uso para qualquer uma das classes da Tabela 1. Parar os demais poluentes é possível o reuso do efluente para uso residencial, restrito e irrestrito.

Como pode ser visto o efluente analisado não obteve o devido desempenho para que possa ser direcionado diretamente para o reuso, ao avaliar com a Tabela 1. Sendo neces-sário a redução da concentração de coliforme termotolerantes em pelo menos duas unida-des logarítmicas para o uso restrito menos rigoroso, porém o ideal era que este valor tenha concentração abaixo de 100 NMP/100mL, assim pode ser usado nas três classificações

(residencial, restrito e irrestrito). 344

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Eventualmente o efluente da ETE como é apresentado pode ser utilizado em alguma atividade na indústria específica, lembrando do devido cuidado já que contém elevadas concentrações de coliformes termotolerantes.

Para obter o uso mais nobre do efluente é necessário o processo de desinfecção, a seguir é apresentado o cálculo da dosagem de desinfectante para o sistema de tratamento, com a finalidade de aumentar a abrangência do reuso do efluente.

Para o cálculo foi considerado os valores de coliformes termotolerantes do efluente de 2×105 NMP/100 mL para o No, e para o Nt 100 NMP/100 mL, assim o efluente pode ser utilizado em residências, uso restrito e irrestrito, todos com abrangência menos rigorosa, como uso para descarga, lavagem de pátios e automóveis.

A constante de inatividade utilizada foi de 0,214 min–1 para cloro residual de 0,45 mg/L, conforme utilizado por Daniel (2001), será utilizado três valores de tempo de contato 10, 20 e 40 minutos, gerando três cenários e o valor do coeficiente de diluição (n) de 0,85, normal-mente são utilizados valores inferiores a 1,0 (VON SPERLING, 2009).

Os resultados do cálculo da dosagem de cloro para os três cenários são apresentados na Tabela 3 a seguir:

Tabela 3. Cenários para o cálculo da dosgame de cloro no sistema de desinfecção

Parâmetro

Cenário 1

Cenário 2

Cenário 3

Nt(NMP/100mL)

100

No(NMP/100mL)

2×105

N K(min–1)

0,85 0,214

C(mg/l) t(min)

1,44 10

0,80 20

0,44 40

Os valores de concentração final para cada cenário reduzem conforme o tempo de contato é elevado, assim pode-se utilizar o cenário mais adequado para cada local, ou seja, caso haja área disponível é possível utilizar concentrações menores, gerando economia no uso do cloro, caso não haja área disponível aumenta-se a dosagem de cloro o que irá reduzir o tempo e o volume. Este volume irá depender do tempo de contato e da vazão do efluente a utilizar no processo de desinfecção.

Outra possibilidade para o cálculo da desinfecção é assumir uma concentração de do-sagem de cloro e deixar isolado o tempo de contato, porém é mais fácil modificar a dosagem inicial que o volume do tanque após o sistema instalado e em operação.

A ETE de estudo possui espaço físico suficiente para criar um sistema de desinfecção com tanque que comporte a permanência de 40 minutos. Porém é possível que a ETE seja expandida com o passar do temo, assim, pode-se optar pelo aumento da dosagem de cloro conforme o aumento da vazão do sistema de desinfecção.

345

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Em relação a reutilização do efluente, com a devida desinfecção, pode ser utilizado para uso urbano, ou seja, nas descargas das bacias sanitárias, lavagem de calçadas e ruas, irrigação de jardins e praças. Este reuso do efluente possibilita a redução da demanda de água potável, reduzindo os custos de tratamento, tornando uma sociedade mais sustentável e reduzindo os impactos ambientais.

Quanto a utilização na indústria é possível a utilização do efluente desincfetado na lavagem de veículos, caldeiras, resfriamento de produtos, entre outros, reduzindo os custos com tratamento e/ou consumo de água da concessionária.

E no que tange à agricultura, o seu uso poderá ser para irrigação das lavouras, a partir da realização de testes mais específicos para cada tipo de cultivo, sendo mais indicado para plantas com frutos superiores, onde o efluente não entra em contato com os frutos a serem consumidos, somente com as raízes.

O reuso do efluente na agricultura deve ser analisado, pois os efluentes de ETE com sistema de tratamento convencional, como a ETE deste trabalho, não remove totalmente os nutrientes, ou seja, há concentrações de nitrogênio e fósforo. Estes podem ser avaliados e utilizados como fonte de nutrientes para plantas, reduzindo a dosagem de adubos e fertili-zantes, tornando o cultivo mais sustentável e reduzindo custos.

Para o reuso do efluente de formas mais rigorosa em todos os níveis é necessário a remoção mais eficiente de coliformes termotolerantes, SST e turbidez, os demais poluentes apresentam-se dentro do estipulado pela Tabela 1.

CONCLUSÃO

O tratamento de efluentes utilizado pela ETE é eficiente para o lançamento final deste no corpo hídrico, porém não apresenta os requisitos para o reuso do efluente, obtendo va-lores de coliformes termotolerantes acima dos limites máximos para reuso.

Para o reuso adequado é necessário a instalação de uma unidade de desinfecção com foco na remoção de coliformes termotolerantes para que se tenha a redução de no mínimo duas unidades logarítmicas.

O cálculo da dosagem de desinfeção apresentou valores de dosagem de 1,44 mg/L de cloro para o tempo de contato de 10 minutos, 0,8 mg/L de cloro para tempo de contato de 20 minutos e 0,44 mg/L de cloro para tempo de contato de 40 minutos.

Após a instalação do sistema de desinfecção os novos parâmetros do efluente permitem o reuso deste para fins residenciais, restritos e irrestritos, desde que seja utilizado para fins menos rigorosos como descargas, lavagem de automóveis e calçadas.

346

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Para o reuso mais rigoroso do efluente é necessário melhorar a eficiência de remoção de sólidos suspensos totais, turbidez e coliformes termotolerantes, aumentando a abran-gência de reuso do efluente.

REFERÊNCIAS

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3. BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Resolução CONAMA nº 357 de 17 de março 2005. Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadra-mento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Brasília 2005. Disponível em: <http://www2.mma.gobr/port/conama/legiabre. cfm?codlegi=459>. Acesso em: 03 fevereiro de 2019.

4. BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Resolução CONAMA nº 430 de 13 de maio 2011. Dispõe sobre as condições e padrões de lançamento de efluentes, complementa e altera a Resolução no 357, de 17 de março de 2005, do Conselho Nacional do Meio Ambiente – CO-NAMA. Brasília 2011. Disponível em: <http://www2.gov.br/port/conama/legiabre.cfm?co-dlegi=459>. Acesso em: 12 fevereiro de 2019.

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6. CHERNICHARO, Carlos Augusto de Lemos (Coord.). PROGRAMA DE PESQUISA EM SA-NEAMENTO BASICO (BRASIL). Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Belo Horizonte: PROSAB, 2001.

7. DANIEL, L. ANTONIO (COORDENADOR); Processo de Desinfecção e Desinfetantes Al-ternativos na Produção de Água Potável. São Carlos-SP, 2001.

8. FAO. “Irrigation and Drainage.” Water Quality for Agriculture, Paper 29, Food andagricul-ture organization of the United Nations, Rome.1985.

9. FIESP/CIESP. Conservação e reuso de água: Manual de Orientações para o Setor In–dustrial. FIESP/CIESP/ANA: vol. 1, São Paulo, ANO. Disponível em: <http://www.ciesp.com. br/pesquisas/conservacao-e-reúso-de-agua-manual-deorientacoes-para-o-setor-industrial/>. Acesso em: 02 março de 2019.

10. FLORENCIO, L; BASTOS, R. K. X; AISSE, M. M. (coordenador). Tratamento e utilização de esgotos Sanitários. PROSAB –Edital IV. Recife: ABES, 2006. 427p.

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12. GOHRNGUER, S. S. Uso Urbano Não Potável de Efluentes de Estação de Tratamento de Esgoto Sanitário. Estudo de Caso: Município de Campo Largo – PR. Dissertação (Mestra-do), Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba, 2006.

13. LOBATO, Sistema de hierarquização de ações de conservação da água em edificações com aplicação do método, Electre III. Ambiente Construído, v. 6, n. 1, p. 31-47, 2006.

14. MANCUSO, P. C. ; SANTOS, H. F. Reuso de água. Barueri-SP: Manole, 2003.

15. MARTINI, M. V. P.; MORUZZI, R. B. Tratabilidade de águas pluviais utilizando coagulante natural a base de tanino visando fins não potáveis. Teoria e Prática na Engenharia Civil, n. 22, p. 15-23, 2013.

16. METCALF & EDDY, Tratamento de Efluentes e Recuperação de Recurs McGraw-Hill.-5ª edição, revisada por George Tchobanaglous,FranklinBurton, H. David Stensel, Ryujiro Tsu-chihashi Mohammad Abu-Orf Gregory Bowden William Pfrang. Porto Alegre, AMGH, 2016.

17. MORUZZI, R. ; NAKADA, L. Y. K. Coleta e tratamento de água pluvial para fins não po-táveis com emprego de amido de milho como coagulante primário em filtração cíclica em escala de laboratório. Revista de Estudos Ambientais, Blumenau, p.51-60, 2009.

18. MOTA, Francisco; SPERLING Marcos. Nutrientes de esgoto sanitário: utilização e remoção. Rio de Janeiro: ABES, 2009. Disponível em: <https://www.finep.gobr/images/apoio-e-finan-ciamento/historico-deprogramas/prosab/prosab5_tema_2.pdf>. Acesso em: 12 março 2019.

19. REZENDE, A.T. Reuso de águas para fins não potáveis no Brasil. Trabalho Final de Curso, Universidade Federal de Juiz de Fora, Minas Gerais, 106p, 2016.

20. SAUTCHUCK, C. A. et al. “Conservação e Reuso da Água”. Manual de Orientações para o Setor Industrial. FIESP/CIESP, vol.1 2005.

21. SOUZA, M. A. A. A imposição ambiental como fator indutor da implantação do reuso da água. In: SIMPÓSIO DE RECURSOS HÍDRICOS DO CENTRO OESTE, 3, 2004, Goiânia. Anais. Goiânia: Associação Brasileira de Recursos Hídricos, 2004.

22. TELLES, D. A. Aspectos da utilização de corpos d’água que recebem esgoto sanitário na irrigação de culturas agrícolas. In: NUVOLARI, A. (Co). Esgoto sanitário: coleta, transporte, tratamento e reuso agrícola. 2. Ed. São Paulo: Blucher, 2011.

23. VON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 3. ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG, 2009.

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Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

SOBRE O ORGANIZADOR

Julianno Pizzano Ayoub

Engenheiro Ambiental pela Universidade Estadual do Centro-Oeste. Engenheiro de Segurança do Trabalho pelo Centro Universitário Campo Real. Especialista em Engenharia da Qualidade. Especialista em Engenharia de Produção. Especialista em Engenharia de Suprimentos. Especialista em Engenharia Geotécnica. Especialista em Meio Ambiente, Desenvolvimento e Sustentabilidade. Especialista em Docência no Ensino Superior. Mestre em Bioenergia pela Universidade Estadual do Centro-Oeste.Tem experiência com gestão de pessoas, redução decustos, adequações às NRs, certificações, auditorias, perícias e treinamentos.

Lattes: http://lattes.cnpq.br/3534582408466846

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ÍNDICE REMISSIVO

Aço: 276, 282

Agrupamento: 247

Água: 145, 206, 208, 209, 347, 348

Análise: 18, 22, 59, 62, 84, 152, 154, 156, 158, 163, 173, 174, 176, 191, 204, 224, 230, 242, 273, 281, 282, 343

Arranjos: 216, 218, 219, 220, 230, 231

BPM: 318, 319, 320, 321, 322, 325, 326, 327, 329, 330, 331, 333, 334, 335

Business: 121, 318, 319, 320, 321, 325, 335

Catálise: 161

Chrome: 285

Cilíndrica: 124, 126, 127, 132, 140, 142, 143

Concentração de Tensão: 309

Confiabilidade: 68, 84, 108

Conhecimento Prático: 46

Controle de Nível: 86

Corrosion: 301, 305, 306, 307

Desinfecção: 347

Detecção: 124, 190, 224, 225, 274, 276, 277, 279, 282

Detecção de Vazamentos: 124

Docência: 46

Efluente: 341, 342

Engenharia: 27, 43, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 59, 65, 84, 88, 125, 160, 161, 176, 191, 202, 229, 242, 273, 347, 348

Ensino: 46, 55, 58, 59, 60, 65, 305, 336

Environment: 298, 299, 300, 301, 305, 307

Environment: 285

Estampagem: 16

Falhas: 98, 102

Fluxo de Caixa: 212

Fuzzy: 82, 197, 199, 200, 201, 202, 203, 247, 251, 256, 257

Gerenciamento: 102, 319, 321, 335

Gestão: 56, 59, 65, 66, 109, 121, 224, 225, 229, 230, 319, 326, 329, 330, 335, 336

Gustafson: 245, 247, 248, 256

Heuristica: 192

Indústria: 56, 206, 208, 211, 212, 213, 215, 216, 217, 218, 221, 222, 223, 227, 228, 229, 230, 342

Industrial Waste: 285

Inovação: 58, 65, 66, 217, 229, 230

Inspeção: 192, 193, 195

Kessel: 245, 247, 248, 256

350

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

Limite: 73, 84, 274, 276, 277, 279, 282

Usinagem: 16, 43, 44

Marine: 306

Materiais: 27, 60, 145, 148, 161, 276, 282, 283

Means: 245, 247, 248, 257

Mecânica: 27, 43, 44, 66, 126, 127, 128, 143

Montagem: 98, 106

Nickel: 43, 285

Processos: 44, 59, 66, 87, 161, 163, 176, 230, 320, 321, 335, 336

Propagação: 124, 125

Qualidade de Vida: 113, 121, 122

Quaternário: 233

Recycling: 285

Reuso: 338, 339, 340, 341, 342, 348

Rio:27, 55, 65, 96, 108, 121, 160, 161, 217, 224, 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239, 241, 242, 243, 282, 283, 335, 337, 342, 347, 348

Silício: 274, 276, 283

Sinais: 178, 180, 181

Sustainability: 285

Tanques: 86, 347

Tecnologia: 109, 217, 225, 231, 237

Termoluminescência: 233, 235, 236, 239

Transformada Wavelet: 190

Tratamento: 347, 348 351

Desvendando a Engenharia: sua abrangência e multidisciplinaridade

VENDA PROIBIDA – acesso livre – OPEN ACCESS

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