usina escola 4d

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  • 7/26/2019 Usina Escola 4D

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    *

    Cludio Batista Vieira1

    Jos Batista Vieira Filho2

    Adriana Matta Machado 3

    Resumo

    Nos ltimos dez anos grande ateno tem sido dada a tecnologia de realidadevirtual, sendo sua aplicao cada vez mais marcante para o desenvolvimento deambientes virtuais imersivos em diferentes reas. Nesse trabalho apresentadauma descrio da plataforma inovadora em realidade virtual de uma planta industrialde produo de ferro-gusa verde. O modelo 4D do alto-forno a carvo vegetalcontempla o projeto detalhado de engenharia dos equipamentos e a partir daintegrao de softwares ehardwares foi modelado um ambiente tecnolgico emrealidade virtual de alto grau de realismo. Essa plataforma foi customizada para serutilizada como Indstria-Escola de Educao Profissional para escolas tcnicas,universidades, institutos de pesquisa, indstrias e museus. A Usina-EscolaSiderrgica utiliza um sistema de blended learning, agregando assim as vantagensexistentes tanto na modalidade do ensino presencial tradicional, como naabordagem do ensino a distncia.

    Palavras-chave: Usina-Escola; Alto-forno; Realidade Virtual; Fbrica 4D.

    Abstract

    Overthe past ten years, virtual reality has been developed and obtained tremendousattention for its potential to provide virtual immersive environments forseveral disciplines. In this paper a description of the innovative virtual realityplatform of a green hot metal industry using stereoscopic projection is presented. Thecharcoal blast furnace 4D model includes all detailed engineering design of industrialequipments. From the integration of different softwares and hardwares, anironmaking plant in virtual reality with high degree of realism was developed. Thisplatform has been developed to be used as Industry School ofProfessional Education applied to technical schools, universities, research institutes,

    museums and industries. It was developed in blended learning methodology, thatcombines both, the advantages of traditional presencial teaching and those ofdistance learning.

    !"#$%&'() Industry School, Blast-Furnace; Virtual Reality; 4D Industry.

    1 Eng.Metalurgista, M.Sc., Dr., Professor da REDEMAT Rede Temtica em Eng. dos Materiais e do DEMET

    - Departamento de Engenharia Metalrgica e de Materiais da Escola de Minas da Universidade Federal de

    Ouro Preto, Foi Presidente do Colegiado da REDEMAT, Foi Chefe do DEMET, Foi Subsecretrio de Ensino

    Superior do Estado de Minas Gerais, Minas Gerais, Brasil.2 Eng. Metalurgista, Ex Aluno da Escola de Minas da UFOP, Diretor da JB, Minas Gerais, Brasil.

    3Psicloga, Consultora em Desenvolvimento Humano e Organizacional, Minas Gerais, Brasil.

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    Nos ltimos dez anos grande ateno tem sido dada a tecnologia de realidadevirtual, sendo sua aplicao cada vez mais marcante para o desenvolvimento deambientes virtuais imersivos em diferentes reas [1,2,3,4,5].

    A realizao de atividades de ensino e aprendizagem em ambientes demanufatura em realidade virtual, ou seja em fbricas virtuais 4D (espao + tempo),contribui de forma significativa para rompimento de paradigmas no campo daeducao profissional.

    A possibilidade de permitir ao aprendiz percorrer todas as reas da fbricavirtual, de conhecer de forma minuciosa o lay-out da planta industrial, de interagircom todos equipamentos e acessrios modelados em 3D e de compreender osprocessos fsicos e qumicos do sistema, contribui para uma acentuada melhoria doseu processo de aprendizagem.

    Neste contexto, apresenta-se neste artigo uma descrio de uma plantaindustrial de produo de ferro-gusa em realidade virtual, concebida para fins deeducao profissional e com foco em siderurgia verde.

    Essa fbrica 4D foi customizada para ser utilizada como Usina-Escola deEducao Profissional de escolas tcnicas, universidades, indstrias, institutos depesquisa e museus.

    A plataforma utiliza um sistema de b-learning (blended learning), agregandoassim as vantagens existentes tanto na modalidade do ensino presencial tradicional,como na abordagem do ensino a distncia.

    Existem diferentes definies para o termo Realidade Virtual (RV), que foiinventado no final na dcada de 1980 [5]. De acordo com Pimental o uso de altatecnologia para convencer o usurio de que ele se encontra em outra realidade,provocando seu envolvimento por completo [6].

    A RV consiste na combinao de diversos componentes, tais como,softwares, hardwares, computadores de alto desempenho, perifricos especializadose equipe tcnica qualificada que permitem criar um sistema de visualizao deaparncia real. fundamentada em trs idias principais, que so: imerso,interao e envolvimento [4].

    A RV teve seu incio na indstria de simulao, com os simuladores de vooque a Fora Area dos Estados Unidos passou a construir depois da segunda guerramundial [5]. Atualmente tem sido utilizada com maior intensidade na medicina,indstria militar, empresas de petrleo, setor aeroespacial e indstria automobilstica.

    Sua aplicao na rea de metalurgia ainda recente, mas alguns trabalhosse despontam na literatura [1,2,3]. Acredita-se que ocorrer uma grande revoluonas prximas dcadas com relao ao desenvolvimento de modelos em RV e suasaplicaes na rea de educao [4].

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    De acordo com Psotka [7], o emprego da tecnologia RV contribuisignificativamente para um melhor processo de ensino-aprendizagem, paravisualizao avanada dos contedos e aprendizagem de conceitos cientficos,assim como para o aumento do desempenho sensrio-motor, por servir deextraordinria ferramenta educacional no manuseio de modelos complexos.

    O b-learning (blended learning ) um modelo misto de educao, onde amaior parte das atividades de ensino-aprendizagem realizada por meio dametodologia de e-learning, entretanto inclui necessariamente situaes presenciais.

    O e-learning corresponde a um modelo de educao a distncia suportadopor tecnologia e estruturado com atividades sncronas e assncronas.

    A abordagem sncrona aquela em que a comunicao, mesmo sendo a

    distncia, feita em tempo real. A assncrona aquela que dispensa a participaosimultnea dos colaboradores.

    Enumeram-se as principais vantagens do b-learning:

    Uso de tecnologias inovadoras no processo de ensino-aprendizagem; Flexibilidade quanto aos horrios e locais de estudos dos participantes; Possibilidade de desenvolver dinmicas de grupo presenciais ou via

    tecnologia virtual em tempo real; Reduo de custos com relao ao investimento de aplicao dos cursos; Possibilidade de promover trabalhos de campo na modalidade presencial,

    assim como realizar visitas tcnicas em ambientes imersivos em realidadevirtual, ou seja, em fbricas virtuais 4D;

    Melhores resultados quanto ao processo de aprendizagem dentro de prazosestabelecidos, com meios mais diversificados e colaborao mais intensaentre os alunos;

    Possibilidade de participao de um maior nmero de instrutoresespecialistas de diversas partes do Brasil e do mundo, sem necessidade deviajar para o local do curso;

    Turmas com alunos em diferentes locais do pas podem cursar as atividades

    de e-learning.

    O blended learningtem sido nos ltimos anos aplicado com sucesso na reade educao profissional. O projeto "e-WindTech, formatado na modalidadeb-learning, foi desenvolvido na Europa objetivando a criao de um cursoprofissional voltado para formao de tcnicos em manuteno de turbinaselicas [8]. Trata-se de um curso estruturado em cinco mdulos e com objetivoprincipal de abordar entre 60-75% das principais operaes crticas ligadas amanuteno dessas turbinas.

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    A partir da integrao de softwaresehardwaresfoi desenvolvido um ambientetecnolgico em realidade virtual, ou seja uma fbrica virtual, cuja visualizao feitana forma de projeo estereoscpica. Empregou-se nesse projeto a concepo de

    uma moderna usina siderrgica no integrada a carvo vegetal do tipo genrica,sendo que o projeto de engenharia do alto-forno e de seus equipamentos perifricosfoi desenvolvido pela JB Consultoria.

    A modelagem 3D foi realizada a partir dos desenhos CAD 2D da usina,empregando um alto nvel de detalhamento. Posteriormente foi feita a converso domodelo 3D para um ambiente em realidade virtual, capaz de permitir a interao emtempo real e de modo a gerar um modelo 4D (espao + tempo) contendo todossistemas, subsistemas e componentes localizados corretamente sobre umatopografia virtual.

    Foram feitas aplicaes de texturas foto-realsticas de modo a conferir as

    instalaes industriais desse modelo uma aparncia mais prxima possvel do real.Tambm foram inseridos no modelo hiperlinkspara incorporao de filmes didticos2D e de apresentaes referentes s prticas operacionais, caractersticas edetalhes de equipamentos, etc.

    O software de realidade virtual empregado nesse projeto o ComosWalkinside 7.0 da Siemens. Trata-se de um software amplamente utilizado porempresas do setor de petrleo e gs, com recursos de navegao intuitiva quepermite interatividade dentro das instalaes industriais do modelo. Com empregode um avatar possvel percorrer todos locais das instalaes da usina em formade figura humana. Assim, os usurios so capazes de simular as restries fsicas

    do mundo real dentro da fbrica virtual, tais como gravidade, obstculos, colises edimenses reais. possvel simular fielmente o local e as condies operacionais,permitindo melhorar questes relativas segurana e ao controle operacional deprocessos. Diversas outras funcionalidades foram implementadas, tais como:

    Introduo de sons 3D localizados para bombas, compressores e alarmes; Disponibilizao da varivel tempo de execuo de tarefas para medir o

    desempenho do aprendiz em diversas situaes na fbrica virtual; Disparo de eventos ao entrar em uma determinada rea do modelo 4D; Uso do Walkinside Particle Enginepara simular fumaa causada por fogo e

    por vazamento de gs em pontos especficos da usina siderrgica.

    O sistema de rastreamento de movimentos, capaz de permitir a interao real eintuitiva do aprendiz com o modelo 4D, ser desenvolvido no futuro prximo.

    A Usina-Escola esta integrada a um sistema de b-learning para oferta decursos na rea de siderurgia. Esses so estruturados em mdulos e so aplicadoscombinando atividades presenciais e de educao a distncia, empregandoe-learningsncrono e assncrono.

    As atividades na Usina Siderrgica Virtual 4D so planejadas para seremrealizadas em mdulos presenciais. Na abordagem a distncia, a maior parte dacomunicao sncrona. A carga horria dos cursos e a proporo das atividades

    presenciais e de educao a distncia so customizadas em funo do perfil decada turma e dos objetivos estabelecidos.

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    A usina siderrgica em realidade virtual composta por diversos mdulos,apresentados nas figuras 1 a 11. Na Figura 1 apresentada uma vista geral dausina 4D, incluindo topografia do terreno.

    Figura 1- Vista da usina siderrgica em realidade virtual, incluindo a topografia do terreno.

    A usina conta com um ptio de minrios de ferro e fundentes com autonomiade estocagem para 40 dias. A rea til desse ptio de 10.000m!(Ver Figura 2).

    Figura 2- Avatar no ptio de matrias-primas com viso das pilhas de minriosde ferro e de fundentes.

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    Este sistema composto por uma moega para descarga de sacaria e por doisviradores (tombadores) de caminhes, um lateral e outrotraseiro para descarga em

    gaiolas (mais usual atualmente),com a capacidade de descarga total de 400m"/h. Ocarvo vegetal recebido em gaiolas pode ser direcionado para o depsito de

    combustvel ou para silo de abastecimento, enquanto que o carvo recebido emsacaria sempre direcionado para o depsito. Na Figura 3 mostrada uma vista dovirador traseiro de carvo vegetal.

    O sistema de estocagem composto por um depsito de armazenamentocom capacidade de 13.000m3 de carvo vegetal e por um silo, com volume de120m", localizado em cima do transportador principal contendo carvo j peneirado ehomogeneizado, pronto para ser dosado e enfornado.

    O sistema de preparao do carvo vegetal composto por uma peneira de

    dois decks com a capacidade de peneiramento 250m"/h e por duas moegasdosadoras de 10m"cada. O circuito de abastecimento da peneira de carvo vegetal feito via tombador traseiro ou do depsito de armazenamento.

    Figura 3- Vista do virador traseiro de carvo vegetal.

    Este sistema composto pelo ptio de matrias-primas, pelo depsitopulmo e pelo sistema principal de estocagem de minrios e fundentes.

    O sistema principal constitudo por 20 clulas, sendo 16 para granulados deminrios de ferro e 04 para fundentes, e tem capacidade de armazenar 2.800toneladas de minrio de ferro. No interior de cada clula existem diversos tubosmetlicos contendo mltiplos furos, que utilizam fumos quentes (150oC a 250oC),oriundos dos glendons, para efetuar as etapas de secagem e de tratamento trmicodos granulados de minrio de ferro.

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    O depsito principal tambm denominado de reator secundrio e atuacomo um sistema de anti-crepitao de minrios hematticos e itabirticos. Temcapacidade para alimentar o alto-forno em um ritmo de at 50 toneladas por hora deminrio de ferro seco e tratado termicamente.

    Figura 4- Vista do depsito principal de minrios de ferro e fundentes.

    composto por uma correia transportadora de 42 polegadas, uma tremonha

    rotativa, duas tremonhas fixas, um conjunto de vedao tipo duplo cone, umdistribuidor com palhetas mveis, vlvulas equalizadoras e sondas automtica emanual.

    Na Figura 5 apresentada uma vista da tremonha rotativa.

    Figura 5- Vista da tremonha rotativa.

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    Trata-se de um alto-forno a carvo vegetal de 15 metros de altura til,12 m2 de rea de cadinho e um volume til de 200m3. Esse equipamento contm14 ventaneiras de cobre eletroltico e essas so refrigeradas a gua.

    O topo do forno composto por uma tremonha rotativa, duas fixas e umdistribuidor de carga, constitudo de placas mveis e situado na goela do reator. Aprimeira tremonha tem um cone de ao carbono e seu acionamento feito por umcilindro pneumtico. A segunda tremonha composta de uma bacia e de um troncode cone de ao mangans e seu acionamento realizado por um cilindropneumtico.

    O revestimento refratrio do forno do tipo slico-aluminoso com refrigeraoda carcaa de ao carbono por lmina de gua atravs de esguicho e spray. Todostijolos do projeto de refratrios foram modelados em 3D.

    Na Figura 6 apresentada uma vista do interior do alto-forno, mostrando osrefratrios e as ventaneiras.

    Figura 6- Vista do interior do alto-forno, mostrando os refratrios slico-aluminosose as quatorze ventaneiras de cobre eletroltico.

    composta por uma perfuratriz pneumtica para efetuar a abertura do furo decorrida, um canho hidrulico para injeo de massa para tamponamento do

    alto-forno, bicas de vazamento de gusa e escria, assim como por uma panela paratratamento de desfosforao do ferro-gusa lquido (ver Figura 7).

    constitudo por trs trocadores de calor operando em paralelo,denominados de glendons (Ver Figura 8). So equipamentos para aquecimento dear do tipo contnuo que empregam serpentinas de ao inoxidvel e com capacidadede aquecer o flido na faixa de 780oC a 820oC. O combustvel empregado naoperao dos glendons o gs de topo limpo.

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    Uma certa quantidade dos fumos gerados nos glendons transportada para osistema principal de estocagem de minrios de ferro e fundentes para realizao dasestapas de secagem e de tratamento trmico dos granulados de minrio de ferro.

    Figura 7- Vista da rea de vazamento, mostrando detalhes da bica de corrida degusa lquido e escria, do canho de tamponamento e da panela de desfosforao.

    Figura 8- Avatar na rea de corrida com viso dos trs glendons, que operam emparalelo e de forma contnua.

    composta por um turbo soprador como equipamento soprante principal.Alm disso, foi tambm instalada na casa de mquinas um sistema com cincosopradores centrfugos, com capacidade nominal de soprar 36.000 Nm3/hora de ar

    e com uma presso de sopro variando na faixa de 9,0 mca a 12 mca, sendo apresso de topo variando de 1,5 mca at 2,5 mca (Ver Figura 9).

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    * Contribuio tcnica ao 44 Seminrio de Reduo de Minrio de Ferro e Matrias-primas,15 Simpsio Brasileiro de Minrio de Ferro e 2 Simpsio Brasileiro de Aglomerao de Minrio deFerro, 15 a 18 de setembro de 2014, Belo Horizonte, MG, Brasil.

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    Figura 9 - Vista do interior da casa de mquinas mostrando o turbo sopradore os sopradores centrfugos.

    composto por um balo expansor para limpeza a seco do gs de topo. Osistema de limpeza a mido constitudo por uma torre de lavagem bruta e deresfriamento, alm de um venturi com abertura regulvel e de um desumificador.

    Esse sistema (Ver Figura 10) permite assegurar uma concentrao mxima

    de particulados no gs de topo aps limpeza que atende satisfatoriamente alegislao ambiental.

    gua do sistema a mido tratada em um decantador e uma prensa.

    Figura 10- Vista do sistema de limpeza de gs de topo, situado ao lado do alto-forno.

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    constitudo de dois carrossis, contendo cada um 143 lingoteiras de ferrofundido, com uma capacidade de lingotamento de 48 toneladas de gusa lquido porhora (Ver Figura 11).

    Figura 11- Avatar na rea de corrida com vista do sistema de lingotamento doferro-gusa lquido, mostrando detalhes dos dois carrossis e das lingoteiras.

    A usina conta com uma sala de comando da instalao industrial, compostapor computadores e pelo sistema supervisrio de monitoramento dos parmetrosoperacionais do processo de fabricao de ferro-gusa. O sistema de automao dosequipamentos ser incorporado ao modelo 4D.

    Ser tambm desenvolvido no futuro um sistema virtual de dados de processoem tempo real referente a operao do alto-forno.

    Outro desenvolvimento importante ser a insero dos colaboradoresvirtuais da equipe de operao e de controle de processo nos postos de trabalhoda fbrica 4D.

    Diversos sites compem as instalaes gerais, tais como portaria da usina,estacionamento, escritrios, almoxarifado, oficina de manuteno, vestirios,banheiros, enfermaria, restaurante e salas de treinamento.

    No futuro sero incorporados ao modelo 4D da Usina Siderrgica os mdulosvirtuais de PCI (pulverized coal injection), da unidade de gerao de energia eltrica

    e de laboratrios qumicos, fsicos e metalrgicos.

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    A Usina-Escola de Ferro-Gusa Verde, que utiliza as tecnologias de realidadevirtual e b-learning, um projeto indito no Brasil e esta disponvel para utilizaopor parte das escolas tcnicas, universidades, empresas, institutos de pesquisa e

    museus.A plataforma permite que os usurios, sejam eles operrios, tcnicos,supervisores, engenheiros, tecnlogos, projetistas, pesquisadores, fabricantes deequipamentos, visitantes, universitrios ou estudantes de nvel mdio faam umavisita tcnica ou um circuito de treinamento por todas as reas da usina siderrgicavirtual. Trata-se de uma ferramenta multidisciplinar que auxilia na apreenso deconhecimentos referentes a questes operacionais, de controle de processos, deanlise de riscos de acidente, de projeto de refratrios, de sade e segurana, demanuteno de equipamentos e acerca de projetos de engenharia de alto-forno.

    A Educao Profissional classificada atualmente no Brasil em trs tipos:(a)formao inicial e continuada de trabalhadores; (b)educao profissional tcnica;(c)educao profissional tecnolgica, de graduao e ps-graduao. A realizaode aulas prticas e tericas em ambientes de manufatura modelados em realidadevirtual, ou seja em fbricas virtuais 4D, permite contribuir de forma acentuada paramelhoria do processo de ensino-aprendizagem e para rompimento de paradigmas nocampo da educao profissional em todos seus nveis.

    A UFOP, REDEMAT, Escola de Minas & Demet, FAPEMIG, Coffey, Virtalis,JB Consultoria, Siemens, Fundao Gorceix e Vale pelo incentivo e apoio direto e/ouindireto ao desenvolvimento de projetos empregando realidade virtual.

    REFERNCIAS

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    [2] Woksepp S, Olofsson, T. Using Virtual Reality in Large Scale Industry. ITcomVol. 11. 2006; p627-640.

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    Faculdade de Engenharia do Porto. 2009; 115p.