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UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARANÁ

BRUNO MERCHIORI

ELIO APARECIDO KOCHINSKI

ROBSON MORILHAS

CARRO TRANSPORTE DE CHAPAS COM MESA DE

TRABALHO

CURITIBA

2018

BRUNO MERCHIORI

ELIO APARECIDO KOCHINSKI

ROBSON MORILHAS

CARRO TRANSPORTE DE CHAPAS COM MESA DE

TRABALHO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Núcleo de Engenharia Mecânica da Universidade Tuiuti do Paraná, como requisito para a obtenção do Título de Engenheiro Mecânico. Orientador, Professor Alexandro Stonoga Vieira da Silva.

CURITIBA

2018

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a Deus, por ter nos dado forças e sabedoria para

superarmos as dificuldades.

A Universidade Tuiuti do Paraná, seu corpo docente, direção e administração

que oportunizaram a graduação do curso em Engenharia Mecânica.

Aos Professores, colegas e companheiros de estudos, ao longo do curso,

alguns citados em seguida como gratificação em parte da ajuda da elaboração do

presente trabalho:

João Batista Filardi;

Rodrigo Dias;

Marcelo Piekarski;

Agradecemos а todos os professores por nos proporcionar о conhecimento

não apenas racional, mas а manifestação do caráter е afetividade da educação no

processo de formação profissional, por tanto que se dedicaram, não somente por

terem ensinado, mas por terem nos feito aprender. А palavra mestre, nunca fará

justiça aos professores dedicados, quais sem nominar terão nosso eterno

agradecimento.

Ao nosso Orientador Professor Alexandro Stonoga do curso de Engenharia

Mecânica, por disponibilizar seu tempo e conhecimento durante o desenvolvimento

deste trabalho.

RESUMO

O presente trabalho trata do dimensionamento estrutural e da análise

laboratorial de resistência mecânica dos materiais e componentes empregados no

projeto para a fabricação de uma bancada de movimentação e corte de chapas de

mármore e granito. O objetivo é desenvolver um carro de transporte que evite custos

com a aquisição de uma ponte rolante, tornando o negócio financeiramente viável para

o microempresário e que, ao mesmo tempo, atenda às necessidades das atividades,

garantindo a sua segurança e qualidade. Após a construção do protótipo, foi realizada

uma simulação do processo, buscando assim a validação teórica e prática do projeto.

Palavras-chave: Bancada. Carro de transporte. Mármore. Empreendedor

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – PERFIL SUSTENTAÇÃO MESA........................................................... 5

FIGURA 2 – SOLDA CANTONEIRA ......................................................................... 5

FIGURA 3 – MODO TRANSPORTADOR DE CHAPAS ............................................ 6

FIGURA 4 – MODO MESA DE TRABALHO ............................................................. 6

FIGURA 5 –SISTEMA COM PONTES ROLANTES ................................................ 10

FIGURA 6 - FASES DO PROJETO ......................................................................... 12

FIGURA 7 - DIAGRAMA DE CORPO LIVRE .......................................................... 15

FIGURA 8 – DCL - VIGA APOIADA EM “V” E “M” ................................................ 17

FIGURA 9 – CONVENÇÃO DE SINAIS PARA FLEXÃO E CISALHAMENTO. ....... 17

FIGURA 10 – CARGA DISTRIBUIDA NA VIGA ...................................................... 18

FIGURA 11 – MOMENTO ........................................................................................ 19

FIGURA 12 – TIPOS APOIOS ENCONTRADOS .................................................... 20

FIGURA 13 - FORÇAS NA ÁREA SECIONADA .................................................... 22

FIGURA 14 – CARGA AXIAL .................................................................................. 24

FIGURA 15 – JUNÇÕES REBITADAS.................................................................... 28

FIGURA 16 – SOLDA MIG/MAG ............................................................................. 30

FIGURA 17– SÍMBOLO DE SOLDGEM .................................................................. 31

FIGURA 18 – SÍMBOLO BÁSICOS DE SOLDAS ................................................... 31

FIGURA 19 – SOLDA DE FILETES - INDICA O TAMANHO DA PERNA ............... 31

FIGURA 20 – A SOLDA DEVE SER EM TODO O REDOR..................................... 32

FIGURA 21– SOLDA DE TOPO TÍPICA ................................................................. 32

FIGURA 22 – SOLDA DE FILETE TRANSVERSAL ............................................... 33

FIGURA 23– SOLDA DE FILETE PARALELA ........................................................ 33

FIGURA 24 - DEFINIÇÃO ESQUEMATICA DO PROJETO .................................... 35

FIGURA 25 – RODIZIO PNEUMÁTICO ................................................................... 36

FIGURA 27 – PARAFUSO SEXTAVADO DIN931 – CLASSE 5.8 .......................... 37

FIGURA 27 – TUBO QUADRADO .......................................................................... 38

FIGURA 28 – SISTEMA HIDRÁULICO ................................................................... 38

FIGURA 29 - FORÇAS ATUANTES NOS PONTOS, CASO 1 ................................ 40

FIGURA 30 - FORÇAS ATUANTES NOS PONTOS, CASO 2 ................................ 42

FIGURA 31 - COMPOSIÇÃO DE FORÇAS 1 .......................................................... 44

FIGURA 32 - COMPOSIÇÃO DE FORÇAS 2 .......................................................... 45

FIGURA 33- DIMENSÕES PARA CÁLCULO DE MOMENTO DE INÉRCIA ........... 48

FIGURA 34 - PROPRIEDADES MECÂNICAS AÇO 1020 ....................................... 50

FIGURA 35 - DIMENSÕES PARA CÁLCULO DE MOMENTO ESTÁTICO ............ 51

FIGURA 36 – PRESSÃO ADMISSÍVEL .................................................................. 53

FIGURA 37 – JUNÇÕES COM CARGA CISALHANTE .......................................... 55

FIGURA 38 – SOLDA FILETE PARALELAS .......................................................... 55

FIGURA 39 – CORPO DE PROVA PARA ENSAIO TRAÇÃO ................................ 57

FIGURA 40 – CORPO DE PROVA - ENSAIO TRAÇÃO ......................................... 58

FIGURA 41 – PROTÓTIPO – POSIÇÃO MESA ...................................................... 61

FIGURA 42 – PROTÓTIPO – POSIÇÃO TRANSPORTADOR ................................ 61

LISTA GRÁFICOS

GRAFICO 1 - PESQUISA DE MERCADO ................................................................. 8

GRAFICO 2 - DIAGRAMA DE MOMENTO FLETOR MÁXIMO ................................ 46

GRAFICO 3 - DIAGRAMA DE ESFORÇOS CORTANTES ...................................... 47

GRAFICO 4 - RESULTADOS ENSAIO DE TRAÇÃO ............................................... 59

LISTA TABELAS

Tabela 1 - CUSTOS FABRICAÇÃO ......................................................................... 11

Tabela 2 - CARACTERISTICA DO PROJETO ......................................................... 14

Tabela 3 - MATRIZ DE DECISÃO ............................................................................ 35

Tabela 4 - COMPARATIVO DAS FORÇAS DE TOMBAMENTO ............................. 44

LISTA DE SÍMBOLOS

a - Aceleração (m/s²);

C.S - Coeficiente de segurança;

d - Distância (m);

F - Força necessária para gerar momento (N);

Fp - Força peso (N);

g = Gravidade (m/s²);

ILn - Momento de inércia (mm4);

m - Massa (Kg);

𝑚𝑅𝑣 - Momento estático desde as fibras 𝑅 (mm³);

Mmax - Momento fletor na seção (N.m);

P - Força atuante perpendicular (N);

Padm - Pressão admissível (kN);

PCr - Pressão crítica (kN);

𝑅 - Fibras onde se deseja calcular as tensões de cisalhamento (mm);

t - Largura da fibra do ponto em estudo na seção (mm);

𝑣 - Fibras superiores ou inferiores mais próximas das fibras 𝑅 (mm);

Vf - Velocidade final (m/s);

Vo - Velocidade inicial (m/s);

Vmax - Esforço cortante (kN);

�̅� - Distância do ponto até a linha neutra (m);

𝝈 max - Tensão máxima pontual (N/mm);

𝝉 max - Tensão máxima cisalhamento (kN/mm²);

i - Torque

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação (1) Somatório de forças ........................................................................... 14

Equação (2) Somatório de momentos ..................................................................... 14

Equação (3) Segunda Lei de Newton - gravidade ................................................... 16

Equação (4) Segunda Lei de Newton - aceleração ................................................ 16

Equação (5) Atrito .................................................................................................. 16

Equação (6) Momento vetorial ................................................................................ 20

Equação (7) Momento em módulo .......................................................................... 20

Equação (8) Tensão máxima na viga ...................................................................... 22

Equação (9) Tensão Cisalhamento viga .................................................................. 23

Equação (10) Carga crítica ...................................................................................... 24

Equação (11) Pressão admissivel - flambagem ....................................................... 25

Equação (12) Coef. De segurança – carga ultima/carga admíssivel ........................ 25

Equação (13) Coef. De segurança – Tensão ultima/Tensão admissível .................. 25

Equação (14) Somatório Torque ............................................................................. 26

Equação (15) Torque em relação ao ponto ............................................................. 27

Equação (16) Torque admissível parafuso .............................................................. 27

Equação (17) Tensão cisalhamento parafuso ......................................................... 28

Equação (18) Tensão normal de tração em solda ................................................... 32

Equação (19 ) Tensão cisalhante solda .................................................................. 33

Equação (20) Filete paralelo solda .......................................................................... 34

Equação (21) Forças sobre ponto de giro ............................................................... 41

Equação (22) Linha neutra ...................................................................................... 47

Equação (23) Momento de inércia ........................................................................... 48

Equação (24) Momento de inércia ao eixo X ........................................................... 48

Equação (25) Relação tensão coef. segurança ....................................................... 50

Equação (26) Momento estático .............................................................................. 51

Equação (28) Relação pressão admissível coef. De segurança ............................. 54

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 4

2 DEFINIÇÃO DE PROJETO ........................................................................... 7

2.1 PESQUISA DE MERCADO ........................................................................... 7

Custo ............................................................................................................. 8

Segurança ..................................................................................................... 8

Qualidade ...................................................................................................... 8

Ergonomia ..................................................................................................... 9

2.2 QFD (Quality Function Deployment) .............................................................. 9

2.3 SOLUÇÕES PROPOSTAS ........................................................................... 9

Sistema de Pontes Rolantes e Talhas ......................................................... 10

Implantação da Bancada Para Corte e Movimentação De Chapas ............. 10

2.4 CUSTO DE FABRICAÇÃO .......................................................................... 11

3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................. 11

3.1 CONSIDERAÇOES DO PROJETO ............................................................. 12

3.2 EQUILÍBRIO E DIAGRAMA DE CORPO LIVRE .......................................... 14

Equilíbrio ..................................................................................................... 14

Diagrama de corpo livre............................................................................... 14

3.3 FORÇA DE CISALHAMENTOE MOMENTOS FLETORES EM VIGAS ....... 17

3.4 ANÁLISES ESTÁTICAS .............................................................................. 18

Forças ......................................................................................................... 18

Momento ..................................................................................................... 19

Reações ...................................................................................................... 20

Tensões ...................................................................................................... 21

Carga crítica ................................................................................................ 23

3.5 COEFICIENTE DE SEGURANÇA ............................................................... 25

3.6 CENTRO DE MASSA .................................................................................. 26

3.7 PARAFUSOS .............................................................................................. 27

Junções carregadas em cisalhamento......................................................... 28

3.8 PROCESSO DE SOLDAGEM ..................................................................... 29

CLASSIFICAÇÃO ........................................................................................ 29

PROCESSOS DE SOLDAGEM MIG/MAG .................................................. 29

SIMBOLOS DE SOLDAGEM ....................................................................... 30

Solda de topo e filete ................................................................................... 32

4 DEFINIÇÕES DO PROJETO ...................................................................... 34

4.1 SELEÇÃO DE COMPONENTES COMERCIAIS ......................................... 35

Rodízio ........................................................................................................ 35

Parafusos .................................................................................................... 37

Ferragem estrutura ...................................................................................... 37

Mecanismo hidráulico .................................................................................. 38

5 ANÁLISES ESTRUTURAIS E RESULTADO EXPERIMENTAIS ................ 39

5.1 CÁLCULOS DA CARGA MÁXIMA ............................................................... 39

5.2 FORÇAS NECESSÁRIAS PARA TOMBAMENTO ...................................... 39

5.3 MOMENTO GERADO PELAS FORÇAS ..................................................... 44

5.4 CÁLCULOS ESTRUTURAIS ....................................................................... 44

Somatória de momentos: ............................................................................. 45

Momento fletor “M”: ..................................................................................... 46

Esforços cortantes “V” ................................................................................. 46

Momento de inércia em relação à linha neutra (𝐼𝐿𝑛).................................... 47

Momento de inércia em relação à linha neutra (𝐼𝐿𝑛).................................... 48

Tensão de compressão/tração no tubo (𝜎𝑚𝑎𝑥) .......................................... 49

Critério de verificação de estabilidade na flexão .......................................... 49

Verificação de estabilidade ao cisalhamento: .............................................. 51

Critério de verificação de estabilidade ao cisalhamento: ............................. 52

Carga crítica ................................................................................................ 52

5.5 JUNÇÕES CARREGADAS EM CISALHAMENTO ...................................... 54

5.6 CALCULO SOLDAS .................................................................................... 55

5.7 ENSAIOS EXPERIMENTAIS ....................................................................... 56

Ensaio visual de solda ................................................................................. 56

Ensaio mecânico de resistencia da solda .................................................... 57

6 FMEA DESIGN ........................................................................................... 60

7 PROJETOS TÉCNICOS .............................................................................. 60

8 PROTÓTIPO ............................................................................................... 61

CONCLUSÃO .......................................................................................................... 62

DIFICULDADES ENCONTRADAS ........................................................................... 62

REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 64

APÊNDICE .......................................................................................................... 66

APÊNDICE A – BENCHMARKING .......................................................................... 66

APÊNDICE B – PESQUISA DE MERCADO ............................................................ 67

APÊNDICE C – QFD ................................................................................................ 68

APÊNDICE D – FMEA DESING ............................................................................... 69

APÊNDICE E – VISTAS ........................................................................................... 70

APÊNDICE F – BASES ............................................................................................ 71

APÊNDICE G – POSIÇÃO COMPONENTES .......................................................... 72

APÊNDICE H – FMEA DESING ............................................................................... 73

4

1 INTRODUÇÃO

Os processos e procedimentos utilizados em marmorarias envolvem transporte

de chapas, polimento, corte e acabamento. Esses processos utilizam equipamentos

para a movimentação das chapas entre as estações de corte e preparação ao longo

da linha de produção.

Nas operações de acabamento em marmorarias, o uso de ferramentas manuais

motorizadas, como as esmerilhadeiras ou lixadeiras angulares, esmeris retos e serras-

mármore são realizadas em bancadas fixas que exigem a movimentação das peças

entre os postos de trabalho. Utilizando uma bancada com movimentação, apoio para

corte e acabamento, economiza-se tempo, pois vários processos podem ser

realizados em um mesmo posto de trabalho.

O carro de transporte e bancada de trabalho, surgiu da necessidade de

transportar chapas de mármore e utilizá-la, também, como uma bancada de trabalho

para corte e acabamento das peças, em locais com espaço reduzido e com pouco

investimento.

Para o desenvolvimento deste trabalho, serão empregados cálculos de

dimensionamento de estruturas metálicas, assim como, flexão e ruptura dos materiais

estruturais, Figura 1, dimensionamento dos elementos de máquinas como os pontos

de soldas e componentes de fixação, testes de tração em pontos críticos de solda e

teste de carga nos pontos de sustentação da carga na vertical, conforme Figura 2.

A partir de uma breve pesquisa no mercado, constatou-se que haviam poucas

opções de transportadores de chapas com baixo custo e que atendessem as

necessidades das marmorarias de pequeno porte.

O equipamento aqui desenvolvido oferece o modo de transporte e

carregamento, podendo ser carregado com uma chapa de até 400kg, com apenas

dois homens, conforme Figura 3.

5

FIGURA 1 – PERFIL SUSTENTAÇÃO MESA

FONTE: os próprios autores, 2018.

FIGURA 2 – SOLDA CANTONEIRA


6

FIGURA 3 – MODO TRANSPORTADOR DE CHAPAS


Na segunda opção, pode servir como uma bancada de trabalho, sem a

necessidade de fazer o transbordo para outra bancada, conforme Figura 4.

FIGURA 4 – MODO MESA DE TRABALHO


7

2 DEFINIÇÃO DE PROJETO

Neste capitulo foram coletadas informações para o desenvolvimento do

projeto, utilizando as ferramentas que fornecessem informações especificas, como o

Benchmarking, Pesquisa de mercado, QFD, Matriz de decisão e Custos totais de

fabricação, de forma a analisar e avaliar as necessidades e as possíveis alternativas

e desta forma definir o conceito do projeto.

Com auxílio do Benchmarking, Apêndice A, foram comparados os produtos

disponíveis no mercado, assim foi possível avaliar as melhorias e diferenciais para o

projeto em questão.

A pesquisa de mercado, como mostra os resultados no Gráfico 1, foi realizada

com potenciais consumidores, que responderam um questionário com perguntas

específicas, Apêndice B.

O QFD, mostrou quais requisitos do projeto tiveram maior peso em relação

aos desejos dos clientes com o produto.

A Matriz de decisão, Tabela 1, auxiliou na escolha de qual rodizio deveria ser

utilizado no projeto, com base nos pilares sugeridos necessários para o item.

2.1 PESQUISA DE MERCADO

A Pesquisa de Mercado, auxilia na identificação das expectativas que os

possíveis consumidores têm do produto em desenvolvimento. Essa pesquisa se

realizou por meio de um questionário, Apêndice B, com perguntas específicas. O

questionário foi entregue a uma empresa de fornecimento de chapas de granito bruto,

com a ajuda dos vendedores, foi solicitado que fizessem com seus clientes de

empresas de marmoraria, no total de vinte.

Com os resultados da pesquisa, Gráfico 1, foi possível levantar as prioridades

e expectativas dos futuros consumidores sobre o produto desenvolvido, de forma que

o projeto deve atender a seguinte ordem de prioridade:

1º Custo

2º Segurança

3° Qualidade

4º Ergonomia

8

GRAFICO 1 - PESQUISA DE MERCADO


Custo

Sendo o custo classificado em primeiro lugar, deve-se buscar um projeto que

não necessite de grandes investimentos financeiros pois, projetos de maior porte

necessitam de um período maior para a sua conclusão e, obviamente, se houver

muitos gastos, reflete no valor final do produto e se torna difícil obter um preço

competitivo no mercado.

Segurança

A prevenção é considerada a mais eficiente ferramenta para auxiliar na

redução das perdas. Definir com critérios técnicos, bem fundamentado, evita o

desperdício de recursos e prioriza o tratamento dos riscos. Este item está em segundo

lugar na lista de prioridades e o projeto deve necessariamente evitar as chances de

acidentes.

Qualidade

A qualidade de um produto é a primeira impressão que o cliente tem do

produto no momento da sua aquisição, assim, o cliente preza o acabamento do

material, soldas bem feitas, pintura, material de boa qualidade, entre outros fatores,

25%

22%20%

18%

15% CUSTO

SEGURANÇA

QUALIDADE

ERGONOMIA

RESISTÊNCIA

9

no entanto tem que haver um equilíbrio entre qualidade e custo, para ser competitivo

no mercado. O equipamento deve atender todas as normas de fabricação para uma

boa resistência, acabamento e peças padronizadas podendo assim se obter o nível

de qualidade desejado.

Ergonomia

De acordo com a pesquisa, a ergonomia do produto é importante: definição

de altura de trabalho do equipamento, se a operação do mesmo pode ser facilmente

realizada por operadores sem treinamento específico e a quantidade de operadores

necessária para manusear o equipamento sem que haja risco para a sua saúde.

Mesmo em marmorarias que utilizam talhas e pontes rolantes para o

deslocamento das chapas, a ergonomia se torna difícil, pois alinhar as chapas na

bancada de trabalho, requer um grande esforço dos operadores, uma vez que as

mesmas são transportadas na vertical por garras auto travantes.

2.2 QFD (Quality Function Deployment)

Com dados coletados da pesquisa de mercado, foi utilizada a ferramenta QFD

(Quality Function Deployment) também conhecida como Casa da Qualidade,

Apêndice C. Seu objetivo consiste em transformar as necessidades e desejos do

cliente em requisitos de projeto ou produto, já que somente através deste segundo é

possível se intervir. Para tanto, ela possui diversos campos destinados a identificar as

prioridades de ação que lhe trarão melhores resultados.

O requisito do projeto com maior valor identificado no QFD, foi o custo do

produto, o qual influencia todos os outros requisitos. Para diminuir o custo, buscou-se

alternativas para adquirir materiais baratos e que também atendam os outros

requisitos do projeto, como qualidade, de modo que um não afetasse o outro

gravemente.

2.3 SOLUÇÕES PROPOSTAS

Para atender a todas as questões levantadas com a pesquisa de mercado

realizada diretamente com o público alvo, conclui-se que desenvolver um produto que

10

possua todos os requisitos dentro de normas de qualidade e segurança, com custo e

diferenciais de projeto para obter o máximo de sucesso no mercado. Os próximos

passos ajudam a detalhar as opções que o projeto pode oferecer, para então,

estabelecer qual das opções avaliadas será desenvolvida.

Sistema de Pontes Rolantes e Talhas

Nas marmorarias que foram visitadas para a pesquisa de mercado encontram-

se instaladas pontes rolantes e talhas para o deslocamento das placas durante o

processo conforme Figura 5. Equipamentos pesados de alto custo que de uma forma

específica deixa de atender algumas operações necessárias durante o processo de

fabricação das placas de mármore.

FIGURA 5 –SISTEMA COM PONTES ROLANTES

FONTE: Grupo Ventowag, 2018.

Implantação da Bancada Para Corte e Movimentação De Chapas

Com a implantação do dispositivo, a empresa terá uma mobilidade maior para

deslocar o material em seu processo e, com uma combinação de operações, poderá

transportar e também fazer cortes, polimentos e acabamentos nas chapas sem

precisar tirá-la do dispositivo, oferecendo assim o máximo de segurança, ergonomia

e ganho de tempo ao operador responsável.

11

2.4 CUSTO DE FABRICAÇÃO

Para a construção do carro de transporte, foi levado em consideração, os

produtos disponíveis no mercado, tubos, rodízios, parafusos entre outros

componentes, dessa forma o projeto torna-se mais competitivo em relação ao seu

custo final, como mostra a Tabela 1.

Tabela 1 - CUSTOS DE FABRICAÇÃO

CUSTO

Produto Qtd. Valor Sub total

Perfil 50x50x3 4 R$ 75,00 R$ 300,00

Rodizios 4 R$ 120,00 R$ 480,00

Pintura 1 R$ 20,00 R$ 20,00

Construção 1 R$ 500,00 R$ 500,00

Acionador Hid. 1 R$ 620,00 R$ 620,00

Consumiveis 1 R$ 20,00 R$ 20,00

Total R$ 1.940,00


3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capítulo são apresentados os fundamentos teóricos da engenharia

mecânica, que serviram de guia, para o desenvolvimento do projeto e fundamentação

teórica e como base de cálculos para o dimensionamento do projeto e obtenção dos

resultados esperados, passando posteriormente para a fase de construção do

protótipo.

Segundo Shigley (2011) projetar é:

Formular um plano para atender a uma necessidade especifica ou resolver um problema. Se o plano resultar na criação de algo concreto, então o produto deverá ser funcional, seguro, confiável, competitivo, e próprio para ser usado, fabricado e comercializado.

12

3.1 CONSIDERAÇOES DO PROJETO

Projetar consiste muitas vezes na necessidade de construir algo ou de

solucionar um problema. Deste modo, pode-se classificar o projeto em fases do início

ao fim.

Primeiramente, inicia-se por identificar a necessidade e decidir fazer algo a

respeito, o processo termina com a apresentação do planejamento de atender a essas

necessidades, dependendo do projeto, algumas de suas fases deveram ser refeitas

para solucionar os problemas encontrados.

Segundo Shigley, Nisbett e Budynas (2011), as fases podem ser classificadas

como mostra a Figura 6:

FIGURA 6 - FASES DO PROJETO

Fonte: Elementos de Maquinas de Shigley 8° ed. 2011

IDENTIFICAÇÃO DA NECESSIDADE

A identificação da necessidade, normalmente, constitui-se em algo de

criatividade, pois a necessidade pode ser gerada por algo que não está correto.

13

DEFINIÇÃO DE PROBLEMA

Neste tópico, deve-se incluir todas as especificações para projeto. Os

critérios de entradas e saídas, as características, dimensões e os materiais

utilizados.

SÍNTESE

Nessa etapa, todas as tarefas devem ser estudas, verificando se os

resultados obtidos alcançaram um desempenho satisfatório, do que se

alcançou anteriormente.

ANÁLISE E OTIMIZAÇÃO

Na análise e otimização, são criados critérios de avaliação, como a carga

que deve ser sustentada, onde serão analisados em modelos matemáticos, que

possibilitarão simular adequadamente o sistema físico real.

AVALIAÇÃO

Nessa etapa, o projeto é avaliado para verificar se realmente atendeu as

necessidades de criação.

APRESENTAÇÃO

Etapa final da criação, em que se apresenta o projeto a terceiros.

Algumas vezes são exigidas características que influenciam na tomada de

decisão do projeto, algumas dessas características são apresentadas no quadro:

14

Tabela 2 - CARACTERISTICA DO PROJETO

Funcionalidade Ruído

Resistência/tenção Estilo

Flexão e Rigidez Forma

Desgaste Tamanho

Corrosão Controle

Segurança Propriedades térmicas

Confiabilidade Mercado

Fabricação Volume

Utilidade Lubrificação

Custo Manutenção

Atrito Responsabilidade pelo produto

Peso Vida útil

Fonte: Elementos de Maquinas de Shigley 8° ed. 2011

3.2 EQUILÍBRIO E DIAGRAMA DE CORPO LIVRE

Equilíbrio

Para obter o equilíbrio, o somatório de forças e momentos (vetoriais) que

agem no sistema se equilibram de tal modo que a soma de todas as forças e

momentos devem ser iguais a zero, conforme mostrado nas equações 1 e 2.

∑�⃗� = 0 (1)

∑�⃗⃗⃗� = 0 (2)

Diagrama de corpo livre

Com o uso do diagrama de corpo livre (DCL), Figura 07, pode-se simplificar a

análise de sistemas complexos, estabelecendo-se relações matemáticas. O diagrama

de corpo livre é essencialmente uma ferramenta para dividir sistemas complicados em

15

pequenas partes fáceis de serem trabalhadas, analisando esses sistemas para depois

reunir todas as informações.

Segundo Shigley, Nisbett e Budynas (2011), o uso de diagrama de corpo livre

para análise de força atende aos importantes propósitos descritos a seguir:

O diagrama estabelece as direções dos eixos de referência, mostra um

local para registrar as dimensões do subsistema e das magnitudes e

direções das forças conhecidas e ajuda a supor as direções das forças

desconhecidas.

O diagrama simplifica o raciocínio, pois fornece um local para armazenar

um pensamento enquanto se prossegue para o próximo

O diagrama mostra um meio de comunicar, a outras pessoas, suas

ideias claramente, sem ambiguidade.

A construção cuidadosa e completa do diagrama esclarece ideias mal

definidas trazendo à tona vários pontos nem sempre evidentes no

enunciado ou na geometria do problema completo. Portanto, ele ajuda a

compreender todas as facetas do problema.

O diagrama auxilia no planejamento de uma abordagem lógica do

problema e no estabelecimento das relações matemáticas.

O diagrama ajuda a registrar o processo na solução e a ilustrar os

métodos usados.

O diagrama possibilita que outras pessoas acompanhem seu raciocínio,

mostrando todas as forças.

FIGURA 7 - DIAGRAMA DE CORPO LIVRE

FONTE: Shigley, Nisbett e Budynas (2011).

16

Para uma partícula ou corpo que possui força gravitacional, localizada

próximo da superfície terrestre, a força existente entre a partícula e a terra é somente

a força da gravidade, representada pela equação da segunda Lei de Newton: Equação

3.

�⃗�𝑝 = 𝑚 �⃗� (3)

Onde:

𝐹𝑝 = Força peso (N)

𝑚 = massa (kg)

𝑔 = gravidade (m/s²)

Conhecendo a segunda Lei de Newton do movimento que pode ser expressa

pela Equação 4, onde a força aplicada sobre um corpo com massa, na linha horizontal

produzirá uma tendência de giro em torno de um ponto (HIBBELER, 1999):

Fx = m ax (4)

Onde:

𝐹𝑥= resultante das forças que agem sobre o corpo no eixo x (N)

𝑚 = massa (kg)

𝑎𝑥 = aceleração em relação à coordenada x (m/s²)

Entende-se que, com o aumentar da força paralela ao plano (Fx), for maior que

a força peso (Py), a força de atrito nas superfícies de contato diminui ligeiramente para

um valor de força menor, originando força de atrito dinâmico (Fd). O módulo da

resultante da força de atrito (Fd) é diretamente proporcional ao módulo da resultante

da força normal (N). Podendo ser expresso matematicamente como na Equação 5.

(HIBBELER, 1999).

Fd = µd N (5)

Onde:

𝐹𝑑 = força de atrito dinâmico (Newton)

µd = coeficiente de atrito dinâmico

𝑁 = normal (N)

17

3.3 FORÇA DE CISALHAMENTOE MOMENTOS FLETORES EM VIGAS

A Figura 8a mostra uma viga suportada pelas reações R1 e R2 e carregada

por forças concentradas F1, F2 e F3. Se a viga for cortada em algumas seções

localizada em x=x1 e a porção esquerda for removida como um corpo livre, uma força

de cisalhamento interna V e um momento flexor M devem atuar sobre a superfície de

corte para garantir o equilíbrio, ver Figura 8b. A força de cisalhamento é obtida

somando-se as forças na seção isolada. O momento fletor é a soma dos momentos

das forças à esquerda da seção tomadas em torno de um eixo que passa pela seção

isolada. As convenções de sinais usadas para momento fletor e força de cisalhamento

são mostradas na Figura 9. (Shigley, Nisbett e Budynas (2011).

FIGURA 8 – DCL - VIGA APOIADA EM “V” E “M”


FIGURA 9 – CONVENÇÃO DE SINAIS PARA FLEXÃO E CISALHAMENTO.


18

Algumas vezes a flexão é provocada por uma carga distribuída q(x), conforme

mostra a Figura 10 ; q(x) é denominada intensidade da carga em unidades de força

por unidade de comprimento e é positiva no sentido positivo de y.

FIGURA 10 – CARGA DISTRIBUIDA NA VIGA


3.4 ANÁLISES ESTÁTICAS

Para analisar o comportamento da estrutura, conceitos de estática são

necessários, como:

Forças;

Momentos;

Reações;

Tensões;

Carga crítica.

Forças

São causadas pelo contato direto de um corpo com a superfície de outro.

Usando a primeira Lei de Newton e o conceito de referenciais inerciais, pode-

se definir uma força como uma influência externa, ou ação, sobre um corpo, que

provoca uma variação de velocidade do corpo, isto é, acelera o corpo em relação a

um referencial inercial. (Supõe-se inexistentes outra força sobre o corpo.). Força é

uma quantidade vetorial: Possui magnitude (a intensidade, ou módulo de força) e

orientação.

19

Forças são exercidas sobre corpos por outros corpos e, forças devidas a um

corpo estar fisicamente em contato com outro corpo, são conhecidas como forças de

contato. Exemplos comuns de forças de contato são uma bola atingida por um taco,

sua mão puxando a linha de pesca, suas mãos empurrando o carrinho de

supermercado e a força de fricção entre seus calçados e o chão. Note que, em cada

caso, existe um contato físico direto entre o objeto que aplica a força e o objeto ao

qual a força é aplicada. Outras forças agem sobre um corpo sem contato físico direto

com um segundo corpo. Estas forças, chamadas de forças de ação à distância,

incluem a força gravitacional, a força magnética e a força elétrica. (TIPLER, MOSCA,

6°ed.)

Momento

Quando uma força é aplicada a um corpo, produzirá uma tendência de rotação

do corpo em torno de um ponto que não coincide com a linha de ação da força. Essa

tendência de rotação algumas vezes é chamada de torque, mas normalmente é

denominada momento de uma força, ou simplesmente momento. Por exemplo,

considere uma chave usada para desparafusar o parafuso na Figura 11. Se a força é

aplicada no cabo da chave, ela tenderá a girar o parafuso em torno do ponto 0 ( ou

eixo Z). A intensidade do momento é diretamente proporcional à força (F) e a distância

perpendicular ao braço do momento (d). Quanto maior a força ou maior o braço do

momento, maior será o momento ou o efeito de rotação (HIBBELER, 2011).

FIGURA 11 – MOMENTO

FONTE: Hibbeler 12°ed. Estática (2011).

20

Momento pode ser expresso utilizando produto vetorial, conforme mostrado

na Equação 6.

�⃗⃗⃗⃗�𝑜 = �⃗⃗⃗� × �⃗⃗� (6)

Podendo também ser representado, por módulo de (Mo), na Equação 7:

𝑀 = 𝐹 𝑑 (7)

Onde:

𝑀 = momento na seção (N.m)

𝐹 = força (N)

𝑑 = distância (m)

Reações

As forças de superfície que se desenvolvem nos apoios ou pontos de contato

entre corpos são chamadas reações. Nos problemas bidimensionais, ou seja, corpos

submetidos a sistemas de forças coplanares, os apoios mais encontrados são os

mostrados na Figura 12:

FIGURA 12 – TIPOS APOIOS ENCONTRADOS


21

O equilíbrio de um corpo requer tanto o equilíbrio de forças, para evitar que o

corpo sofra translação ou tenha movimento acelerado ao longo de uma trajetória

retilínea ou curvilínea, como o equilíbrio de momentos, para evitar a rotação do corpo.

Essas condições podem ser expressas matematicamente pelas equações vetoriais 1

e 2. (HIBBELER, 12° ed. 2011)

∑�⃗� = 0

∑�⃗⃗⃗� = 0

Tensões

Quando uma superfície interna é isolada como na Figura 13, a força e o

momento resultantes que atuam na superfície manifestam-se como distribuições de

forças ao longo de toda a área. A distribuição de forças que atuam em um ponto da

superfície é única e terá componentes nas direções normal e tangencial denominadas,

respectivamente, tensão normal e tensão de cisalhamento tangencial. Tensões

normais e de cisalhamento são indicadas pelos símbolos gregos σ e τ,

respectivamente. Se o sentido de σ apontar para fora da superfície, ela é considerada

uma tensão de tração e é uma tensão normal positiva. Se o σ apontar para dentro da

superfície, ela é uma tensão de compressão e, comumente, considerada uma

quantidade negativa. Tesão é dada em newtons por metro quadrado (N/m²). (Shigley

2011)

As tensões são divididas em:

Força Normal, N: essa força atua perpendicularmente à área. É criada

sempre que as forças externas tendem a empurrar ou puxar as duas partes

do corpo (HIBBELER, 2004).

Força Cisalhante, V: A força de cisalhamento localiza-se no plano da

área e é criada quando as cargas externas tendem a provocar o deslizamento

das duas partes do corpo, uma sobre a outra (HIBBELER, 2004).

22

Momento de Torção ou de Torque, T: Esse efeito é criado quando as

cargas externas tendem a torcer uma parte do corpo em relação a outra

(HIBBELER, 2004).

Momento Fletor, M: O momento fletor é provocado pelas cargas

externas que tendem a fletir o corpo em relação ao eixo localizado no plano

da área (HIBBELER, 2004).

FIGURA 13 - FORÇAS NA ÁREA SECIONADA


Tensão pode ser definida em seu estado triplo de tensões, como:

[𝝈] = [

𝜎𝑥 𝜏𝑦𝑥 𝜏𝑧𝑥

𝜏𝑥𝑦 𝜎𝑦 𝜏𝑧𝑦

𝜏𝑥𝑧 𝜏𝑦𝑧 𝜎𝑧

]

Possibilitando assim, verificar a estabilidade do corpo de prova em análise, se

o mesmo é estável ou não à flexão, considerando tração ou compressão determinado

com o módulo de tensão, Equação 8, (HIBBELER, 2004):

𝜎𝑚𝑎𝑥 =𝑀𝑚𝑎𝑥. �̅�

𝐼𝐿𝑛 (8)

23

Onde:

𝝈 max = tensão máxima pontual (N/m)

Mmax = momento fletor na seção (N.m)

𝐼𝐿𝑛 = momento de inércia com relação à linha neutra (mm4)

�̅� = distância do ponto até a linha neutra (m)

Concluindo-se os critérios de verificação a estabilidade na flexão, pode-se

verificar a estabilidade ao cisalhamento através da Equação 9.

𝝉𝑚𝑎𝑥 =𝑚𝑅

𝑣 . 𝑉𝑚𝑎𝑥

𝐼𝐿𝑛. 𝑡 (9)

Onde:

𝝉 max = tensão máxima cisalhamento (kN/mm²)

𝑚𝑅𝑣 = momento estático desde as fibras 𝑅 (mm³)

𝑅 = fibras onde se deseja calcular as tensões de cisalhamento (mm)

𝑣 = fibras superiores ou inferiores mais próximas das fibras 𝑅 (mm)

Vmax = esforço cortante (kN)

𝐼𝐿𝑛 = momento de inércia com relação à linha neutra (mm4)

t = largura da fibra do ponto em estudo na seção (mm)

Carga crítica

Alguns elementos podem estar submetidos a uma carga de compressão e,

caso sejam compridos e esbeltos, tal carga pode ser suficientemente grande para

provocar sua deflexão lateral. Especificamente, elementos compridos e esbeltos

sujeitos a uma força axial de compressão são chamados colunas e a deflexão lateral

que sofrem é chamada flambagem. Em geral, a flambagem da coluna leva a uma falha

súbita e dramática da estrutura ou do mecanismo. Por conta disso, as colunas devem

ser projetadas com atenção especial, para que possam suportar com segurança as

cargas pretendidas sem que ocorra o fenômeno da flambagem.

A carga axial máxima que uma coluna pode suportar quando está no limite de

flambagem é chamada carga crítica Pcr, conforme a Figura 14a. Qualquer carga

adicional provocará flambagem na coluna e, portanto, deflexão lateral, como mostra a

Figura 14b (BEER E JOHNSTON, 2004)

24

FIGURA 14 – CARGA AXIAL

Fonte: Beer e Johnston (2004)

Podendo então, a carga critica ser calculada pela Equação 10, conhecida

como “fórmula de Euler”, devido ao matemático Leonhard Euler (1707-1783).

𝑃𝐶𝑟 = 𝜋² . 𝐸 . 𝐼𝐿𝑛

𝐿𝑒² (10)

Onde:

PCr = pressão crítica (kN)

π = 3,1415

E = módulo de elasticidade longitudinal (Kn.mm²)

ILn = momento de inércia em relação a linha neutra (mm4)

Le = comprimento efetivo (mm)

No entanto se a carga aplicada for maior que a carga crítica, o sistema irá se

deslocar desde sua posição original de equilíbrio tornando-se um sistema instável.

𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝑃𝐶𝑟

25

E, Padm podem ser obtida pela equação:

𝑃𝑎𝑑𝑚 = 𝑃𝐶𝑟

𝐶. 𝑆 (11)

Onde:

Padm = pressão admissível (kN)

PCr = pressão crítica (kN)

C.S = coeficiente de segurança

3.5 COEFICIENTE DE SEGURANÇA

Uma peça estrutural ou componente de máquina deve ser projetada de tal

forma que a carga última seja consideravelmente maior que o carregamento que essa

peça ou elemento irão suportar em condições normais de utilização. Esse

carregamento menor é chamado carregamento admissível e, algumas vezes, carga

de utilização ou carga de projeto. Então, quando se aplica a carga admissível, apenas

uma parte da capacidade de resistência do material está sendo utilizada, outra parte

é reservada para assegurar ao material condições de utilização segura. A relação

entre o carregamento último e o carregamento admissível é chamada coeficiente de

segurança, conforme indicado na Equação 12.

𝐶. 𝑆 =𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎

𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 (12)

Pode, também, ser expresso como a relação entre tensão última e tensão

admissível, onde existe uma correspondência linear entra a carga aplicada e a tensão

provocada pela carga.

𝐶. 𝑆 =𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎

𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 (13)

26

Com o resultado obtido pela Equação 12, será indicada a quantidade de vezes

que o projeto está dimensionado a mais que o requerido pelos esforços. (BEER E

JOHNSTON, 1995)

3.6 CENTRO DE MASSA

Uma condição necessária para que uma partícula em repouso permaneça em

repouso é que a força resultante atuando sobre ela permaneça nula. De forma similar,

uma condição necessária para que o centro de massa de um corpo rígido permaneça

em repouso é que a força resultante atuando sobre o corpo permaneça nula. Um corpo

rígido pode ser posto a girar, mesmo com seu centro de massa permanecendo em

repouso, mas neste caso o objeto não estará em equilíbrio estático. Portanto, uma

segunda condição necessária para que um corpo rígido permaneça em equilíbrio

estático é que o torque resultante atuando sobre ele, em relação a qualquer eixo, deve

permanecer nulo. Esta condição nos dá a opção de escolher qualquer ponto, ou

qualquer eixo, para calcular torques, uma opção que simplifica enormemente a

solução da maioria dos problemas de estática. As duas condições necessárias para

que um corpo rígido esteja em equilíbrio estático são as seguintes:

1. A força externa resultante que atua sobre um corpo deve permanecer

nula:

∑�⃗� = 0 (1)

2. O torque externo resultante, em relação a qualquer ponto, deve

permanecer nulo:

∑�⃗� = 0 (14)

Considera-se o corpo como composto de muitos pequenos elementos de

massa. A força da gravidade sobre o i-ésimo pequeno elemento de massa é Fgi, e a

força total da gravidade sobre o objeto é Fg=∑Fgi. Se ri é o vetor posição da i-ésima

partícula em relação ao ponto 0, então Ti = ri x Fgi , onde Ti é o torque de Fgi em relação

ao ponto 0. O torque gravitacional resultante em relação ao ponto 0 é, então, Tres =∑(

ri x Fgi ). Convenientemente, o torque resultante da gravidade em relação a um ponto

27

pode ser calculado como se toda a força da gravidade Fg estivesse aplicada em um

único ponto, onde rcg é o vetor posição do centro de gravidade em relação ao ponto 0,

conforme Equação 15, (TIPLER E MOSCA, 2008)

�⃗⃗�𝑟𝑒𝑠 = 𝑟𝑐𝑔. �⃗�𝑔 (15)

3.7 PARAFUSOS

O parafuso foi sem dúvida uma invenção mecânica extremamente importante.

Ele é a base dos parafusos de potência, que transformam o movimento angular em

movimento linear para transmitir potência ou desenvolver grandes esforços (prensas,

macacos etc.), e os fixadores rosqueados, um elemento importante em junção não

permanente. (SHIGLEY, NISBETT E BUDYNAS, 2011):

Parafusos necessitam estar relativamente apertados, ou dispostos a sistemas

de travamentos, como: contra porcas, travas químicas, arruelas elásticas entre outros

métodos que garantirão que o mesmo não frouxe, onde, poderá causar quebras e

possível acidente no sistema que esteja aplicado.

Para evitar esse tipo de acontecimento, foi estudado o cálculo do torque

admissível do aperto de parafusos, onde pode-se estipular o torque máximo pelos

montadores para que não haja ruptura e também aumentar o nível de segurança

contra seu afrouxamento.

Com base no material disponibilizado através do representante nacional de

parafusos JOBRAJA (2017), o torque admissível para parafusos, pode ser calculado

através da Equação (16).

�̅�𝑎𝑑𝑚 =𝐶. 𝐷. 𝑡̅. 𝐴𝐹

1000 (16)

Onde:

�̅�𝑎𝑑𝑚= torque admissível (Kgf.m)

𝐶 = coeficiente de correção (adimensional)

𝐷 = diâmetro nominal (mm)

𝑡̅ = tensão admissível (Kgf.mm²)

𝐴𝐹 = área do filete (mm²)

28

Junções carregadas em cisalhamento

Junções parafusadas e rebitadas, carregadas em cisalhamento, são tratadas

exatamente do mesmo modo em relação ao projeto e à análise.

A Figura 15a mostra uma conexão rebitada em cisalhamento.

Na Figura 15b, é mostrada a falha do rebite (ou parafuso) por cisalhamento

puro, a tensão no rebite é dada pela Equação 17:

𝜏 =𝐹

𝐴 (17)

Onde:

τ = tensão cisalhamento (MPa)

F = força axial (N)

A = área da seção (mm²)

FIGURA 15 – JUNÇÕES REBITADAS


Em junções de rebite, todos os rebites (ou parafuso) compartilham igualmente

a carga em cisalhamento, esmagamento no rebite, esmagamento no membro e

cisalhamento no rebite. (SHIGLEY, NISBETT E BUDYNAS, 2011).

29

3.8 PROCESSO DE SOLDAGEM

A solda pode ser definida como uma união de peças metálicas, cujas

superfícies se tornaram plásticas ou liquefeitas, por ação de calor ou de pressão, ou

mesmo de ambos. Poderá ou não ser empregado metal de adição para se executar

efetivamente a união. (SENAI - ES, 1996)

A soldagem é o mais importante processo industrial de fabricação de peças

metálicas. Processos de soldagem e processos afins são também utilizados na

recuperação de peças desgastadas, para a aplicação de revestimentos de

características especiais sobre superfícies metálicas e para corte (MODENESI, 2012)

CLASSIFICAÇÃO

Soldagem por fusão: é o processo no qual as partes soldadas são

fundidas por meio de ação de energia elétrica ou química, sem que ocorra

aplicação de pressão. (APOSTILA SENAI MECÂNICA, 1996)

Solda por pressão: é o processo no qual as partes soldadas são

inicialmente unidas e posteriormente pressionadas uma contra a outra para

efetuar a união. (APOSTILA SENAI MECÂNICA, 1996)

PROCESSOS DE SOLDAGEM MIG/MAG

É o processo em que um eletrodo é continuamente alimentado numa solda,

com velocidade controlada, enquanto um fluxo contínuo de um gás inerte

ou ativo envolve a zona de solda, protegendo-a da contaminação pelo ar

atmosférico. Com o processo MIG/MAG pode-se soldar todos os tipos de

materiais com considerável qualidade, Figura 16. (APOSTILA SENAI

MECÂNICA, 1996)

30

FIGURA 16 – SOLDA MIG/MAG

FONTE: Apostila SENAI Mecânica (1996) -www.abraman.org.br

SIMBOLOS DE SOLDAGEM

As soldas devem ser precisamente especificadas nos desenhos de

fabricação, o que é feito usando o símbolo de soldagem mostrado na Figura 17, como

padronizado pela American Welding Society (AWS – Associação Americana de

Soldagem). A flecha desse símbolo aponta par a junção a ser soldada. O corpo do

símbolo contém tantos elementos quanto se supõe que sejam necessários

((SHIGLEY, NISBETT E BUDYNAS, 2011):

Linha de referência

Flecha

Símbolos básicos de solda

Dimensões e outros dados

Símbolos suplementares

Símbolos de acabamento

Cauda

Especificação ou processo

31

FIGURA 17– SÍMBOLO DE SOLDGEM


As FIGURAS 18, 19, 20, ilustram os tipos de soldas mais frequentes usadas

por projetistas. Para elementos gerais de máquina a maioria das soldas é de filete,

embora soldas de topo sejam bastantes usadas em projeto de vasos de pressão.

FIGURA 18 – SÍMBOLO BÁSICOS DE SOLDAS


FIGURA 19 – SOLDA DE FILETES - INDICA O TAMANHO DA PERNA


32

FIGURA 20 – A SOLDA DEVE SER EM TODO O REDOR


Solda de topo e filete

A Figura 21, mostra uma solda de entalhe V simples carregada por uma força

de tração F.

FIGURA 21– SOLDA DE TOPO TÍPICA


Quer para carregamento de tração, quer para de compressão, a tensão

normal média é:

𝜎 =𝐹

ℎ𝑙 (18)

33

Em que h é a garganta de solda e l é o comprimento de solda, como mostra a

figura 21a. Note que o valor de h não inclui o reforço. O reforço pode ser desejável,

mas ele varia um tanto e produz concentração de tensão no ponto A na figura 21a .

Se cargas de fadiga existirem, é aconselhável esmerilhar ou retirar o reforço.

A tensão média em uma solda de topo decorrente de carregamento de

cisalhamento é:

𝜏 =

𝐹

ℎ𝑙

(19 )

A Figura 22 ilustra uma solda de filete transversal típica.

FIGURA 22 – SOLDA DE FILETE TRANSVERSAL


FIGURA 23– SOLDA DE FILETE PARALELA


34

Para soldas de filete paralela, FIGURA 23, a base para análise de solda ou

projeto emprega

𝜏 =

𝐹

0,707ℎ𝑙=

1,414. 𝐹

ℎ𝑙

(20)

a qual assume que a força completa F é levada em conta por meio de uma tensão de

cisalhamento na área de garganta mínima. Observe que isso infla a máxima tensão

de cisalhamento estimada por um fator de 1,414/1,207 = 1,17. Ademais, considere as

soldas de filetes paralelos mostrada na Figura 23, na qual, assim como na Figura 22,

cada solda transmite uma força F. Contudo, no caso da Figura 23, a tensão de

cisalhamento máxima ocorre na área de garganta mínima e corresponde à Equação

(20). (SHIGLEY, NISBETT E BUDYNAS, 2011).

4 DEFINIÇÕES DO PROJETO

No capítulo presente, serão especificados os componentes a serem usados

na construção do carro de transportar chapas, conforme demonstrado na Figura 24, é

composto por:

1. Estrutura Soldada, com tubo de secção quadrada de 50x50x3mm e

chapas de 10mm em aço SAE 1020 para suportes.

2. Rodízio pneumático 8x2 ou 250x4, com base giratória, capacidade

200kg. Item comercial.

3. Pistão hidráulico capacidade 10tn. Item comercial.

35

FIGURA 24 - DEFINIÇÃO ESQUEMATICA DO PROJETO


4.1 SELEÇÃO DE COMPONENTES COMERCIAIS

A seleção dos componentes comerciais, foi decisiva quanto ao custo total do

projeto final, também foi considerado os dados obtidos nas ferramentas, FMEA

DESING, Apêndice D, QFD, Apêndice C, e Matriz de decisão, Tabela 3.

Rodízio

Com base na Matriz de Decisão, Tabela 3, ficou definida a escolha dos

rodízios pneumáticos, que também levou em consideração o piso para a

movimentação da carga, a capacidade de carga individual e sua capacidade de

manobra.

Tabela 3 - MATRIZ DE DECISÃO

Critérios Pesos Rodas

pneumaticas

Rodas maciças

Segurança 5 5 5

Custo 5 2 2

Resistencia 4 4 5

Superar Obstaculos 3 4 2

∑ (Peso x Nota) 63 61


1

2 3

36

Para finalidade de cálculo da capacidade de carga foi considerado:

Massa total: massa chapa granito mais a massa do carro, totalizando

750kg.

A massa deve ser dividida pela quantidade total de rodízios, assim, terão para

cálculos quatro rodízios, resultando uma carga distribuída de 187,5kg

Com resultado pode-se definir o rodízio que atenderá os requisitos do projeto.

Assim, considerado a sugestão do fabricante, critérios de projeto, cálculos de

capacidade de carga, o modelo do rodizio deverá estar conforme itens listados a

seguir:

Base giratória para movimentação direcional do carro;

Rolamentos para menor esforço no deslocamento;

Banda de rodagem pneumática para menor esforço na movimentação e

superar obstáculos;

Capacidade de carga superior a 187,5.

Deste modo, o rodízio mais adequado para conformidade de projeto é o

modelo pneumático 8x2, com base giratória para auxiliar a movimentação do carro em

pisos irregulares com capacidade de 200kg como ilustrado na Figura 25.

FIGURA 25 – RODIZIO PNEUMÁTICO

FONTE: CIKALA - www.cikala.com.br

37

Parafusos

Para a definição dos parafusos foi considerado as furações, tornando-as

padrões para todo o projeto.

De modo, o parafuso escolhido foi o modelo sextavado.

Na escolha dos parafusos foi considerada a dimensão do furo para fixação do

rodízio à estrutura do carro e a busca por um item de fácil acesso no mercado que

atendesse ao estipulado pelo projeto.

Deste modo, o parafuso mais adequando é o modelo sextavado DIN 931

M10x60 classe 5.8, conforme Figura 27, obtido no catalogo do fabricante GENERAL

FIX (2011).

FIGURA 27 – PARAFUSO SEXTAVADO DIN931 – CLASSE 5.8

FONTE: GENERAL FIX (2011) - www.generalfix.com.br

E suas principais características listadas a seguir:

Bitola: M10 (10mm)

Chave: 17mm

Norma: DIN 931

Material: Aço carbono.

Classe de Resistência: 5.8. Aço baixo e Médio Carbono

Resistência mínima de 380MPa

Rosca: DIN 13(ISO 965) - (Rosca Grossa)

Ferragem estrutura

A definição da tipologia do perfil escolhido, para a fabricação, basea-se na

facilidade de encotrar no mercado e de suas características que atendam as cargas

http://www.generalfix.com.br/

38

esforços, consecutivamente apresentando um coeficiente de segurança através dos

cálculos matemáticos apresentados no Capitulo 5.5, podendo assim, especificar a

espessura do tubo em virtude do modelo selecionado, conforme catálogo, Figura 27,

seguem suas características técnicas:

Tubo industrial quadrado NBR 6591, 50x50 mm;

Material: Aço carbono SAE 1020;

Com costura.

FIGURA 27 – TUBO QUADRADO

Dimensão Espessura Peso Área/ seção

Momento de inércia

Módulo de elasticidade

Raio de giração

mm/A mm/e kg/m cm² cm4 cm³ cm

50

1,2 1,839 2,342 9,303 3,721 1,993

1,5 2,284 2,91 11,419 4,568 1,981

1,9 2,87 3,656 14,118 5,647 1,965

3 4,427 5,64 20,849 8,34 1,923

FONTE: Portal Metalica (2018) - www.metalica.com.br/tubos-aco-quadrado (adaptado).

Mecanismo hidráulico

O sistema hidráulico consiste em elevar do chão a chapa a ser carregada.

De acordo com as pesquisas realizadas no mercado, considerando custo e

capacidade de carga, conclui-se, que o sistema da Figura 28 é o mais adequado, com

capacidade de elevação de até 10 toneladas e constituído de bomba e pistão

hidráulico, onde, a bomba pode ser facilmente adaptada em qualquer lugar de fácil

acesso do projeto.

FIGURA 28 – SISTEMA HIDRÁULICO

FONTE: Ribeiro Equipamentos – www.ribeiroequipamentos.com.br

http://www.ribeiroequipamentos.com.br/

39

5 ANÁLISES ESTRUTURAIS E RESULTADO EXPERIMENTAIS

Neste capitulo serão demonstrados os cálculos de capacidade de carga

máxima, as forças exercidas nas duas posições, com uma velocidade média de

caminhada de uma pessoa, para que não ocorra o tombamento da estrutura caso

tenha o travamento de uma dos rodízios, cálculos estruturais em pontos críticos

selecionados, considerando seu carregamento de 600kg, para momento fletor,

esforços cisalhantes, resistentecia para a carga, no tubo estrutural selecionado,

dimensionamento das soldas nos pontos críticos.

Com base nos resultados da modelagem matemática, foram realizados

testes em laboratório para comparação dos mesmos.

5.1 CÁLCULOS DA CARGA MÁXIMA

Sabendo-se que massa do carro de transporte é de 150kg, e sua massa de

carregamento de 600kg, calcula-se a força peso ao qual o equipamento estará

submetido. Desta forma sua estrutura deverá suportar uma massa de 750 kg. Para

considerações de cálculos será utilizado a Equação 3, que trará resultado para

prosseguir na análise de forças atuantes sobre o sistema.

�⃗�𝑝 = 𝑚 �⃗� (3)

22

.5,735781,9*750

s

mkg

s

mkgF p

NFp 5,7357

Onde:

Fp = Força peso (N)

𝑚 = massa (kg)

𝑔 = gravidade (m/s²)

5.2 FORÇAS NECESSÁRIAS PARA TOMBAMENTO

Nesse capítulo serão demonstrados os cálculos de força exercida nos pontos

representados das Figuras 29 e 30, para que ocorra o tombamento da estrutura, dessa

40

forma, pode-se identificar a melhor posição de trabalho, de modo a evitar que a

estrutura tombe.

No projeto, a situação crítica é o tombamento do transportador na posição de

mesa de trabalho, Figura 29, e na sua posição de transporte, Figura 30. Nas duas

configurações de posição, para que o tombamento ocorra, o momento gerado no

sentido anti-horário deve ser maior que no momento no sentido horário.

Portanto, para chegar à força necessária de tombamento do carro, foram

adotados alguns passos, como:

Encontrar o Centro de gravidade (Cg) do conjunto;

Identificar ponto de giro (Pg);

Definir a distância do (Cg) até o ponto de giro em x e y;

Criar diagrama das forças atuantes, prosseguindo para os cálculos.

Com ajuda do diagrama de corpo livre, o desenho foi direcionado de modo

que suas extremidades ficassem sobre linhas; em seguida, encontrou-se o centro de

gravidade (Cg) do conjunto, considerando a massa com a mesa carregada de 750 kg

sobre a base de apoio.

FIGURA 29 - FORÇAS ATUANTES NOS PONTOS, CASO 1


41

Assim, para o primeiro caso na posição de mesa de trabalho, encontrou-se as

distâncias do Cg até o ponto de giro para y e x representado na Figura 29:

x = 300 mm

y= 900 mm

Onde:

y= distância do Pg até o Cg no eixo y;

x = distância do Pg até o Cg no eixo x.

Analisando as forças atuantes sobre o Ponto de giro (Pg), pode-se criar a

equação para encontrar a força necessária para tombamento.

yFxFp .. (21)

Onde:

𝐹𝑃 = Força peso (N)

F = Força necessária para gerar momento (N)

y = distância até o Cg no eixo y (m)

x = distância até o Cg no eixo x (m)

Com o resultado de valor da força peso, 7357,5 N possibilita através da

Equação 21 encontrar a força necessária para tombamento.

yFxFp ..

7357,5𝑁 . 0,30𝑚 = 𝐹 . 0,90𝑚

𝐹 = 2452,5

Onde:



42

Entretanto, considerando o valor do coeficiente de atrito com velocidade

média de 6,5 km/h e uma distância de 3 metros, resulta em uma aceleração de

0,54m/s² e obtem-se a força de atrito igual 0,055 representada pela Equação 5.

Tem-se:

𝐹𝑑 = µ𝑑 𝑁 (5 )

Onde o valor para N encontrado a partir da Equação 5 para o Projeto, é obtido

o valor da força de atrito:

Fd=0,0554.2452,5N

Fd=135N

Assim, a força resistente ao movimento e, consequentemente, ao

tombamento, é de 135N.

Para o segundo caso na posição de transportador, como mostra na Figura 30,

o centro de gravidade é deslocado para a lateral do carro.

FIGURA 30 - FORÇAS ATUANTES NOS PONTOS, CASO 2


360

800

43

Com o resultado de valor da força peso, 7357,5 N possibilita através da

Equação 21, encontrar a força necessária para tombamento.

x = 360 mm

y= 800 mm

yFxFp ..

7357,5𝑁 . 0,36𝑚 = 𝐹 . 0,80𝑚

𝐹 = 3310,8N

Onde:



Entretanto, considerando o valor do coeficiente de atrito com velocidade

média de 6,5 km/h e uma distancia de 3 metros, resultando em uma aceleração de

0,54m/s², obtem-se a força de atrito 0,055 representada pela Equação 5.

Tem-se:

𝐹𝑑 = µ𝑑 𝑁 (5)

Onde o valor para N encontrado a partir da Equação 5, para o caso 2, é obtido

o valor da força de atrito:

Fd=0,0554.3310,8N

Fd=183,4N

Considerando assim, que a força resistente ao movimento e,

consequentemente, ao tombamento, é de 183,4N.

44

5.3 MOMENTO GERADO PELAS FORÇAS

Com os resultados obtidos, pode-se observar a diferença de força necessária

para causar o tombamento do carro Tabela 3:

Tabela 4 - COMPARATIVO DAS FORÇAS DE TOMBAMENTO

Caso 1 Caso 2

Força 135N 183N


5.4 CÁLCULOS ESTRUTURAIS

Baseando-se nos conceitos de análises estáticas, determinaram-se os valores

das forças atuantes sobre o tubo e a localização dos pontos de reações.

Considerando que a massa da chapa estará distribuída em dois pontos sob o

tubo em estudo, para finalidade de cálculos, foi considerado o tubo central da mesa,

com uma carga superior ao da chapa, considerando assim sua carga de 6000N. Para

que verifique, se tubo em estudo suportará os critérios de esforços, onde o tubo eleito

estará sujeita ao maior esforço possível na estrutura, determinando os valores que

cada tubo estará transferindo apoio principal, Figura 31

FIGURA 31 - COMPOSIÇÃO DE FORÇAS 1

FONTE: PRÓPRIOS AUTORES, 2018.

45

Com os valores das forças atuantes e das reações, deu-se sequência aos

cálculos.

Somatória de forças em x:

∑𝐹𝑥 = 0

Somatória de forças em y:

∑𝐹𝑦 = 0

Σ𝐹𝑦 = 𝑅𝑎 − 6000𝑁 + 𝑅𝑏 = 0

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 = 6000𝑁

Somatória de momentos:

Onde para encontrar o valor das reações indicadas na Figura 32, a partir do

somatório de momentos existentes em relação ao ponto “A”, tem-se:

𝑀𝐴 = 𝐹. 𝑑 (7 )

𝐹. 𝑑 = 0

𝑅𝑏(1,5 − 0,5) = 6000. (1 − 0,5)

𝑅𝑏 = 3000𝑁

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 = 6000𝑁

𝑅𝑎 = 6000𝑁 − 𝑅𝑏

𝑅𝑎 = 3000𝑁

Com os valores das reações encontradas para Ra=3000N e Rb=3000N ,

representados na Figura 32:

FIGURA 32 - COMPOSIÇÃO DE FORÇAS 2


46

Momento fletor “M”:

Para encontrar o momento fletor para cada força presente na viga, é

necessário fazer o balanço do momento em cada seção, assim obteve-se os

resultados:

Ma = 0

Mra = 1500 . 0,25 = 375

Mrb = 1500 . 0,25 + 1500 . 0,75 – 3000 . 1 + 1500 . 1,25 = 375

Mb = 1500 . 0,25 –3000 . 0,5 +1500 . 0,75 +1500 . 1,25 –3000 .1,5 +1500 .1,75 = 0

GRAFICO 2 - DIAGRAMA DE MOMENTO FLETOR MÁXIMO


Esforços cortantes “V”

Analisando as forças com base em cada porção do tubo, pode-se identificar o

valor de cada esforço, na direção transversal do tubo, tanto da direita como também

da esquerda.

𝑉𝐴 = {𝐸 = 0 𝐷 = −1500

47

𝑉𝑟𝑎 = {𝐸 = −1500 𝐷 = −1500 + 3000 = 1500

𝑉𝑟𝑏 = {𝐸 = 1500 − 3000 = −1500 𝐷 = −1500 + 3000 = 1500

𝑉𝑏 = {𝐸 = 1500 𝐷 = 1500 − 1500 = 0

GRAFICO 3 - DIAGRAMA DE ESFORÇOS CORTANTES


Momento de inércia em relação à linha neutra (𝐼𝐿𝑛)

Segundo Hibbeler (2004), a posição da linha neutra é definida por (�̅�):

�̅� =

(𝐴1. 𝑌1) + (𝐴2. 𝑌2) + (𝐴3. 𝑌3) + (𝐴4. 𝑌4)

𝐴1 + 𝐴2 + 𝐴3 + 𝐴4

(22)

�̅� =(3.50.25) 𝑚𝑚 + (3.44.48,5) 𝑚𝑚 + (3.50.25) 𝑚𝑚 + (3.44.1,5) 𝑚𝑚

(3𝑥50 𝑚𝑚²) + (3𝑥44 𝑚𝑚2) + (3𝑥50 𝑚𝑚2) + (3𝑥44 𝑚𝑚2)

�̅� = 25 𝑚𝑚

48

Entende-se, que a tensão normal é nula no centro do tubo quadrado, posição

da linha neutra.

Momento de inércia em relação à linha neutra (𝐼𝐿𝑛)

FIGURA 33- DIMENSÕES PARA CÁLCULO DE MOMENTO DE INÉRCIA


O momento de inércia em relação à linha neutra (𝐼𝐿𝑛), obtém-se pela

equação:

𝐼𝐿𝑛 = (𝐼𝑥1 + 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠1) + (𝐼𝑥2 + 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠2) + (𝐼𝑥3 + 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠3) + (𝐼𝑥4 + 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠4) (23)

Quando:

𝐼𝑥1 =

(𝑏. ℎ³)

12

(24)

𝐼𝑥1 =(3.50³)

12= 31250 𝑚𝑚4

49

𝐼𝑥2 =(44.33)

12= 99 𝑚𝑚4

𝐼𝑥3 =(3.503)

12= 31250 𝑚𝑚4

𝐼𝑥4 =(44.33)

12= 99 𝑚𝑚4

Assim, pode-se calcular para cada área

𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠1 = (𝐴1). (𝑌1 − �̅�)²

𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠1 = (3.50). (25 − 25)2 = 0

𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠2 = (44.3). (48,5 − 25)2 = 72897 𝑚𝑚4

𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠3 = (3.50). (25 − 25)2 = 0

𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠4 = (44.3). (1,5 − 25)2 = 72897 𝑚𝑚4

Logo:

𝐼𝐿𝑛 = (31250 + 0) 𝑚𝑚4 + (99 + 72897) 𝑚𝑚4 + (31250 + 0) 𝑚𝑚4

+ (99 + 72897) 𝑚𝑚4

𝐼𝐿𝑛 = 208492 𝑚𝑚4

Tensão de compressão/tração no tubo (𝜎𝑚𝑎𝑥)

𝝈𝑚𝑎𝑥 =

𝑀𝑚𝑎𝑥 . �̅�

𝐼𝐿𝑛

(8)

𝝈𝑚𝑎𝑥 =375𝑁. 𝑚𝑚. 25 𝑚𝑚

208492𝑚𝑚4

𝝈𝑚𝑎𝑥 = 0,04496 𝑘𝑁. 𝑚𝑚² ⇒ 44,96 𝑀𝑃𝑎

Critério de verificação de estabilidade na flexão

Na Figura 34 de propriedades mecânicas dos aços, é possível obter o valor

da tensão última à tração ou compressão.

50

FIGURA 34 - PROPRIEDADES MECÂNICAS AÇO 1020

FONTE: MOORE, 2017 (ADAPTADO) - www.uff.br/petmec/downloads/resmat.

Adquirindo o valor de tensão última na Figura 34 e a tensão máxima

admissível na seção 5.4.8, pode-se calcular o C.S, segundo Beer e Johnston, (1995).

através da Equação 13:

𝐶. 𝑆 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎


𝐶. 𝑆 = 420 𝑀𝑃𝑎

44,96 𝑀𝑃𝑎

𝐶. 𝑆 = 9.34

O valor encontrado indica a quantidade de vezes que o projeto poderá

suportar em relação a seu dimensionamento.

Logo, pode-se evidenciar que o valor da tensão admissível é menor que o da

tensão de ruptura sobre o valor do coeficiente de segurança anteriormente calculado

utilizando C.S igual a 9:

𝝈𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝜎𝑅𝑢𝑝

𝐶. 𝑆 (25)

Ao inserir os valores das tensões na Equação 25, tem-se:

44,96 𝑀𝑃𝑎 ≤ 420 𝑀𝑃𝑎

9

44,96 𝑀𝑃𝑎 ≤ 46,66𝑀𝑃𝑎

51

Verificação de estabilidade ao cisalhamento:

FIGURA 35 - DIMENSÕES PARA CÁLCULO DE MOMENTO ESTÁTICO


Para calcular o valor da tensão máxima de cisalhamento, é necessário

calcular o momento estático inicialmente:

𝑚𝑅𝑣 = 𝐴1. 𝑑1 + 𝐴2. 𝑑2 + 𝐴3. 𝑑3 (26)

𝑚𝑅𝑣 = (3.25) 𝑚𝑚. 12,5𝑚𝑚 + (3.44) 𝑚𝑚. 23,5 𝑚𝑚 + (3.25) 𝑚𝑚. 12,5 𝑚𝑚

𝑚𝑅𝑣 = 4 977 𝑚𝑚³

Assim, com o valor do momento estático obtido, através da Equação 9, pode

ser dada continuidade ao cálculo da tensão máxima.

𝝉𝑚𝑎𝑥 =𝑚𝑅

𝑣 . 𝑉𝑚𝑎𝑥

𝐼𝐿𝑛. 𝑡 (9)

𝝉𝑚𝑎𝑥 =4977 𝑚𝑚³. 1,5 𝑘𝑁

208492𝑚𝑚4 . 3 𝑚𝑚

𝝉𝑚𝑎𝑥 = 0,011935 𝑘𝑁. 𝑚𝑚² ⇒ 11,93 𝑀𝑃𝑎

52

Critério de verificação de estabilidade ao cisalhamento:

Com o valor da tensão admissível igual a 11,93 Mpa, a partir da Figura 34 de

propriedades mecânicas dos aços, é possível obter o valor da tensão última.

Assim, pode-se calcular o C.S através da Equação 13:

𝐶. 𝑆 = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎


𝐶. 𝑆 = 250 𝑀𝑃𝑎

11,93 𝑀𝑃𝑎

𝐶. 𝑆 = 20,95

O valor encontrado indica a quantidade de vezes que o projeto poderá

suportar á mais em relação a seu dimensionamento.

Logo, evidencia-se que o valor da tensão admissível é menor que o da tensão

de ruptura sobre o valor do coeficiente de segurança anteriormente calculado

utilizando C.S igual a 20:

𝜎𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝜎𝑅𝑢𝑝

𝐶. 𝑆 (25)

Ao inserir os valores das tensões na Equação 25, temos:

11,93 𝑀𝑃𝑎 ≤ 250 𝑀𝑃𝑎

20

11,93 𝑀𝑃𝑎 ≤ 12,5𝑀𝑃𝑎

Carga crítica

Utilizando a Equação 10, calcula-se a carga critica que o tubo poderá suportar,

onde excedendo essa carga estará ocorrendo efeito de flambagem.

53

𝑃𝐶𝑟 = 𝜋² . 𝐸 . 𝐼𝐿𝑛

𝐿𝑒² (10)

O tubo em estudo estará engastado em apenas uma de suas extremidades

conforme Figura 36:

FIGURA 36 – PRESSÃO ADMISSÍVEL


Considerando que o engaste é apenas em uma das extremidades do tubo,

deve-se ser calculado o comprimento efetivo (Le) de flambagem, pela seguinte

equação:

𝐿𝑒 = 2 . (𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎)

Conforme Figura 36, representa o comprimento da barra em estudo, tem-se:

𝐿𝑒 = 2 . (500 𝑚𝑚)

𝐿𝑒 = 1000 𝑚𝑚

Obtendo o valor para 𝐿𝑒, calcula-se a carga critica:

𝑃𝐶𝑟 = 3,14152. 205

𝑘𝑁

𝑚𝑚² . 208492 𝑚𝑚4

(1000 𝑚𝑚 )²

𝑃𝐶𝑟 = 421,83 𝑘𝑁

54

Entretanto, considerando que o dimensionamento do projeto tem atendido ao

coeficiente de segurança igual ou maior que 9, para calculo da carga admissível,

utiliza-se a Equação 28:

𝑃𝑎𝑑𝑚 =

𝑃𝐶𝑟

𝐶. 𝑆

(27)

𝑃𝑎𝑑𝑚 = 421, 83 𝑘𝑁

9

𝑃𝑎𝑑𝑚 = 46,87 𝑘𝑁

Com o valor carga admissível obtido, entende-se que o tubo de Aço SAE1020

50x50x3mm atenderá a 9 vezes o valor de 46,87 kN.

Consolidando o resultado a partir do critério de verificação, indica-se que o

tubo estará em estado estável e não irá flambar.

𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝑃𝐶𝑟

Logo,

46,87 𝑘𝑁 < 421,83𝑘𝑁

5.5 JUNÇÕES CARREGADAS EM CISALHAMENTO

Nas junções apresentadas, Figura 37, sofrem cargas de cisalhamento

podendo romper-se com a carga superior ao que o parafuso pode aguentar, para o

calculo de tenção de cisalhamento, a Equação 17, fornece os resultados para o

dimensionamento do diâmetro do parafuso.

380𝑀𝑝𝑎 =6000𝑁

𝜋.𝑑2

4

𝑑 = 4,48𝑚𝑚²

55

FIGURA 37 – JUNÇÕES COM CARGA CISALHANTE


Nas especificações do projeto, capítulo 4.1.2, os parafusos padronizados

para utilização nas juntas e demais fixações, são de 10mm de diâmetro, sendo

superior ao diâmetro obtido na Equação 17.

5.6 CALCULO SOLDAS

Para os cálculos das soldas, considerou-se, o ponto de solda da cantoneira,

onde é exercido a maior carga da estrutura, conforme Figura 38.

FIGURA 38 – SOLDA FILETE PARALELAS


Com base no Capítulo 3.8, a soldagem em filetes paralelos, onde ocorre

carregemento de tenções de trasão ou de cisalhamento, conforme Figura 21, nesse

caso deve-se utilizar a equação 20, assim a solda deve correr o tamanho lateral da

Vista lateral Vista Frontal

Soldas

Junções

56

contoneira que é de 30mm, altura do cordão de solda de 3mm, eletrodo escolhido

E60XX, que tem sua tensão de cisalhamento permitida de 124Mpa, Apendice D.

124

𝐾𝑁

𝑚𝑚²=

𝐹

0,707.3𝑚𝑚. 30𝑚𝑚

𝐹 = 7890𝑁

𝐹 = 7,89𝐾𝑁

Esse valor é o resultado para cada cantoneira soldada, de um total de 3,

resultando em um valor de carga de 23,67KN, superior ao de 6KN que deve ser

suportado nas 3 cantoneiras, sendo esse valor satisfatório para o projeto.

5.7 ENSAIOS EXPERIMENTAIS

Neste capitulo, serão demonstrados ensaios mecânicos realizados para

encontrar valores e parâmetros sobre tópicos abrangidos no trabalho.

Na Universidade Tuiuti do Paraná, o núcleo de Engenharia Mecânica,

Laboratório de Materiais, se beneficia de equipamentos de ensaios mecânicos

destrutivos e não destrutivos. No presente trabalho, foram desenvolvidos ensaios

onde foram utilizados os equipamentos e também toda infraestrutura disponibilizada

pela Universidade.

Ensaio visual de solda

Baseando-se nos tópicos apresentados no capítulo 3.8, o ensaio visual de

solda é constituído por seguintes tópicos:

Verificação antes da soldagem;

Verificação durante a soldagem;

Verificação após a soldagem;

Marcações e indicações de defeitos;

Realização de laudos.

57

Ensaio mecânico de resistencia da solda

Para o ensaio mecânico de tração, foi utilizado o equipamento modelo

DL10000BF, confeccionado pela empresa brasileira especializada em prensas e

máquinas de ensaios EMIC.

Este ensaio pode ser dividido nas seguintes etapas:

Atenção à segurança individual e coletiva;

Especificação do Corpo de prova;

Mensurações do corpo de prova;

Ajustes do equipamento;

Realização do ensaio.

Com o equipamento da UTP limitado em aplicação de força para ensaio de

tração foi necessário a redução da área do corpo de prova, onde pode-se atingir a

deformação necessária até a ruptura da solda para extrair informações do gráfico de

tensão/deformação.

Para o ensaio de tração, foi desenvolvido um corpo de prova, Figura 39, com

as características que serão usadas para comparação nos cálculos de resistência da

solda e na confecção do protótipo.

FIGURA 39 – CORPO DE PROVA PARA ENSAIO TRAÇÃO


58

Medidas do corpo de prova:

Comprimento Superior = 100 mm

Comprimento Inferior = 100 mm

Espessura = 3 mm

Espessura da garganta da solda = 3mm

Comprimento cordão de solda = 15mm

Eletrodo = E60

Mensurado o corpo de prova, foram realizados os ajustes e configurações do

equipamento necessário para a realização do ensaio de tracão. Posicionando a

amostra no centro das pinças de carga, conforme Figura 40.

FIGURA 40 – CORPO DE PROVA - ENSAIO TRAÇÃO

FONTE: Próprios Autores, 2018.

Aplicado o valor para velocidade de deslocamento de 5 mm/min, deu-se início

ao ensaio.

Ao findar o processo de tração, foi obtido pelo programa informações para que

fossem calculados parâmetros expostos no capitulo 3, seção 3.8.4. A força máxima

59

encontrada igual á 5023,33N é o limite que a solda resistiu até entrar na fase de

deformação plástica, e logo após a sua ruptura.

GRAFICO 4 - RESULTADOS ENSAIO DE TRAÇÃO


Conforme cálculos usando a Equação 20, pode-se chegar a resultados

satisfatórios em comparação aos testes de tração realizado no corpo de prova, assim

o valor do teste deve ser sempre maior que o valor encontrado no medelamento

matemático.

124𝐾𝑁

𝑚𝑚²=

𝐹

0,707.3𝑚𝑚. 15𝑚𝑚

𝐹 = 3945,06𝑁

𝐹 = 3,94𝐾𝑁

3945,06𝑁 < 5023,33𝑁

60

6 FMEA DESIGN

Como a elaboração do projeto físico, desenvolveu-se o FMEA DESING, esta

ferramenta busca detectar as possíveis falhas no projeto e suas consequências. A

planilha no Apêndice D, mostra detalhadamente cada componente, informando sua

função, as características de falha, a verificação necessária no projeto e seu valor

crítico.

No projeto do carro foram investigados os seguintes itens:

Mesa trabalho

Rodas

Sistema hidráulico

Estrutura de sustentação

De forma a garantir que estas solicitações sejam atendidas, foram

especificadas notas no desenho de fabricação, informando o que deve ser executado

para que todas estas demandas estejam de acordo.

7 PROJETOS TÉCNICOS

O desenvolvimento do projeto técnico usou como referência os valores das

forças atuantes no carro, geradas pela massa da chapa transportada. Estes números

foram obtidos iniciando com a análise de corpo livre, forças aplicadas e momentos

fletores, onde foi possível chegar aos valores de tensões de compressão, tração e

cisalhamento.

Em termos estruturais, o projeto utilizou tubo quadrado de aço SAE 1020, tendo

como medidas de seção 50x50x3mm. O processo de soldagem dos tubos será o de

solda MIG, tendo uma altura de cordão de solda de 3mm.

Com o valor da carga transportada e com as informações contidas no catálogo

do fabricante CIKALA (2018), foi especificado o rodízio que será utilizado no projeto.

Conforme orientações do fabricante, os rodízios escolhidos tem banda de rodagem

em borracha, pois estes facilitam a rodagem do carro em pisos acidentados,

facilitando o transporte da chapa em diferentes locais.

Para fazer o modelo 3D do projeto mecânico e os desenhos técnicos para

fabricação, foi utilizado o programa para desenho mecânico SolidWorks (2013).

61

8 PROTÓTIPO

Após várias etapas decorridas desde a coleta de informações iniciais,

soluções propostas, cálculos e dimensionamentos e outras subsequentes, neste

capítulo será iniciado o protótipo do carro de transporte.

Com a fabricação de uma unidade como se representa na Figura 41 e 42, será

possível fazer um teste para validar a solução desenvolvida e, com isto, avaliar os

resultados obtidos.

FIGURA 41 – PROTÓTIPO – POSIÇÃO MESA


FIGURA 42 – PROTÓTIPO – POSIÇÃO TRANSPORTADOR

FONTE: PRÓPRIOS AUTORES, 2018

62

CONCLUSÃO

Neste capítulo encerra-se o projeto avaliando quais foram os objetivos

atingidos.

Este projeto teve como objetivo a construção e avaliação do carro de transporte

de chapas de granito referenciado no início do desenvolvimento do projeto, utilizando-

se como base no desenvolvimento, ferramentas que possibilitaram a obtenção de

dados para adequação do projeto para o cliente e empregando alguns cálculos em

pontos específicos.

Com o auxílio da ferramenta benchmarking, evidenciou-se que o carro deveria

ser diferenciado dos demais, desta formar, o projeto conta com variação de posição

em dois modos, mesa de trabalho e posição de transporte, ajuste de altura na posição

mesa de trabalho, rodas que giram em 360°, e seu preço de venda sugerido de R$

4.000,00.

Após a construção do protótipo, foi realizado um teste de carregamento com

uma chapa de granito de 400kg, confirmando que o projeto cumpre com os calculos

empregados para o seu desenvolvimento.

Os cálculos mostram que a estrutura pode suportar uma carga superior a

especificada, tendo como um coeficiente de segurança, 9 vezes da sua carga

admissível.

Assim conclui-se que os objetivos deste projeto foram atingidos, pois o projeto

atende aos requisitos da pesquisa de mercado, diferenciais dos concorrentes,

mostrados no benchmaring, sendo o único que pode transportar e servir como mesa

de trabalho e que possui preço inferior a maioria dos concorrentes. Sua resistência ao

carregamento fica comprovada como demonstrado nas figuras do capitulo 8, provando

que o resultado dos cálculos desenvolvidos são satisfatórios ao projeto.

DIFICULDADES ENCONTRADAS

Ao longo do desenvolvimento deste projeto, é possível afirmar que dentre as

dificuldades encontradas, o tempo disponível, a coleta e organização das informações

e os cálculos desenvolvidos foram as que tiveram maior relevância.

Mesmo tendo horário disponível na grade curricular para dedicação ao TCC,

muitas informações não estavam facilmente disponíveis.

63

Por serem necessárias várias informações para o desenvolvimento, houve

dificuldades em referenciar as informações levantadas, pois ao escrever um trabalho

de conclusão de curso, não basta informar, mas sim mostrar a origem da informação

utilizada.

Quanto aos cálculos matemáticos foi necessário rever o conceito de

diversas matérias vistas ao longo do curso o que, embora tenha dispendido um tempo

razoável no desenvolvimento do trabalho, contribuiu para o seu melhor embasamento

técnico.

64

REFERÊNCIAS

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ed. Porto Alegre: AMGH, 2016.

FERDINAND P. BEER, E. RUSSELL JOHNSTON. Resistência dos materiais 3° ed.

São Paulo: Pearson Mkron Books, 1995.

GENERAL FIX PARAFUSOS, catálogo de parafusos. Disponível em:

http://www.generalfix.com.br/catalogo_general.pdf. Acesso em: Abril de 2018.

HIBBELER, R. C. Hibbeler. Resistência dos materiais 5° ed. São Paulo: Pearson

Prentice Hall, 1999.

HIBBELER, R. C. Hibbeler. Mecânica Estática 8° ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos

e Científicos Editora, 2004.

HIBBELER, R. C. Hibbeler. Estática, Mecânica para engenharia 12° ed. São Paulo:

Pearson Prentice Hall, 2011.

INFOESOLDA, Ensaios não Destrutivos e Mecânicos. Disponível em:

http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-nao-destrutivos-e-

mecanicos/218-ensaio-nao-destrutivo-inspecao-visual-dimensional.html. Acesso em:

abril de 2018.

JOBRAJA, Cálculo do torque admissível do aperto do parafuso. Documento disponível

em: http://www.jobraja.com.br/tabelas.php?tab=0. Acesso em: Março de 2018.

MACHADO, Ivan Guerra. Soldagem e Técnicas Conexas: processo. Porto Alegre:

Editado pelo autor, 1996.

MARTHA, Luiz Fernando. Análise de Estruturas, Introdução a Análise de Estruturas.

Conteúdo disponível em: http://webserver2.tecgraf.puc-rio.br/ftp_pub/lfm/civ1112-

aula04.pdf. Acesso em: Março de 2018.

http://www.generalfix.com.br/catalogo_general.pdf

65

Prof. Juan W. Moore E. http://www.uff.br/petmec/downloads/resmat/W%20-

%20Apendice%20C%20Materiais2.pdf

SENAI MECANICA, Noções básicas de processos de soldagem e corte. Disponível

em: www.abraman.org.br/arquivos/73/73.pdf. Acesso em: Março de 2018.

SHIGLEY, Joseph E.; MISCHKE, Charles R.; BUDYNAS, Richard G. Projeto de

Engenharia Mecânica 7° ed. Porto Alegre: Bookman, 2005.

SOLIDWORKS, software de projetos mecânicos. Disponível em:

https://www.3ds.com/products-services/solidworks/. Acesso em: Abril de 2018.

UFU, Ensaios por Líquido Penetrante. Disponível em:

ftp://ftp.mecanica.ufu.br/LIVRE/Valtair%20-

%20END/L%CDQUIDO%20PENETRANTE.pdf. Acesso em: Março de 2018.

http://www.uff.br/petmec/downloads/resmat/W%20-%20Apendice%20C%20Materiais2.pdf

http://www.uff.br/petmec/downloads/resmat/W%20-%20Apendice%20C%20Materiais2.pdf

http://www.abraman.org.br/arquivos/73/73.pdf

66

APÊNDICE

APÊNDICE A – BENCHMARKING

Foto

Mar

caM

od

elo

D

ESCR

IÇA

O

Esp

ecif

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ões

Téc

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Larg

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00

Kg

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ian

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e 3

60

°

D

isp

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Rodas 3

60°

frente

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95

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50

20

00

10

00

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po

Ve

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07

R$

4.20

0,00

R$

1.20

0,00

R$

4.80

0,00

1

72

4

63

01

20

01

20

0

não

não

não

R$

6.78

0,00

50

0kg

60

0/1

40

02

00

0

20

00

Sim

67

APÊNDICE B – PESQUISA DE MERCADO

CARRO TRANSPORTE DE CHAPAS COM BANCADA DE TRABALHO

MARCAR COM UM X A OPÇÃO DESEJADA, OBRIGADO!!

1- Custo?

a) Muito importante

b) Pouco importante

2- Fácil manuseio? Não

precisa de treinamento

especializado?

a) Muito importante

b) Pouco importante

3- Capacidade de carga do

equipamento?

a) Muito importante

b) Pouco importante

4- Fácil manutenção?

a) Muito importante

b) Pouco importante

5- Resistente a corrosão?

a) Muito importante

b) Pouco importante

6- Material das rodas?

a) Pneumáticas

b) Maciças

7- Segurança ao operador?

a) Muito importante

b) Pouco importante

8- Baixo ruído?

a) Muito importante

b) Pouco importante

9- Altura mesa?

a) 80cm

b) 90cm

10- Tamanho da mesa?

a) 2,00m

b) 1,50m

11- Qualidade Material?

a) Muito importante

b) Pouco importante

12- Movimento rodas?

a) 360°

b) Fixa, com direção

68

APÊNDICE C – QFD

Direção de Relação

Núm

ero

da li

nha

C

om

o é

Parâ

metr

os d

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roje

to

Import

ância

para

o c

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1 Merc

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5 5 5 5 5 5 5 3 5

0,2

25 5 5 5 5 5 5

0,1

35

0,1

45 3 3 5 3

0,1

5 5 3 5 5 5 5 5 0,1

63 3 5 3

0,1

75 5 3 5 5 5

0,1

83 3 5

0,1

105 5 5 5 5

0,1

11 5 3 3 0,1

12 3 3 3 0,1

13 5 5 0,1

14

N°

pçs

R$

Kg

Kg

Mp

a mm

Kg

m Kg

2,8 3,8 2,9 2,7 2,7 2,4 2,9 1,1 2,6

4 1 2 5 6 8 3 9 7

Segura

nça

Rodas

Peso d

o e

quip

am

ento

Capacid

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Resis

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str

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Custo

Carga suportada

Risco de tombamento

Capacid

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o p

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idrá

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o

Qualid

ade

Material

Pintura

Durabilidade

Capacid

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io

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de o

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ção d

o e

quip

am

ento

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do m

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e

Padro

niz

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e p

eças

Custo

das p

eças

Altura de trabalho do equipamento

Fácil manuseio

Erg

onom

ia

VALOR DE IMPORTÂNCIA

CLASSIFICAÇÃO POR IMPORTÂNCIA

Manute

nção Custo de manutenção

Frequência de reparo

Acessibilidade de manutenção

UNIDADES

O que éNecessidade do Consumidor

69

APÊNDICE D – FMEA DESING

De

sig

n F

ME

AE

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do

Nom

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/ P

rocesso

No d

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(5)

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pera

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Verificação d

o P

roje

to

Ocorrência (Po)

Severidade (S)

Detecção (Pd)

Número de Prioridade de

Risco (RPN.)

Crítico

Ação Recomendada

Responsável

Pra

zo

Observações

12

34

58

910

1112

1314

1516

1718

Mate

rial i

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eto

Especifi

car

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26

6

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specifi

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carg

a p

ara

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o d

o m

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14

10

Quebra

do

Inopera

nte

Mate

rial i

ncorr

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mate

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s

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o

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28

2

Solto

Desacopla

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Err

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28

2

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l E

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a

Pote

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e

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Macaco

Hid

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3

9

14

4

Me

sa

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do

mate

rial p

ara

trabalh

o

Trinca

Girar

para

carr

egam

ento

e

descarr

egam

ent

o

21

70

APÊNDICE E – VISTAS

71

APÊNDICE F – BASES

72

APÊNDICE G – POSIÇÃO COMPONENTES

73

APÊNDICE H – FMEA DESING

74

ANEXO 1 – EXPECIFICAÇÕES PARA SOLDAS

universidade tuiuti do paranÁ bruno merchiori...

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