CENTRO UNIVERSITÁRIO DAS FACULDADES ASSOCIADAS DE ENSINO – FAE
ACÁCIO PONCIANO RODRIGUES
AVALIAÇÃO DE UM PROJETO DE MANUFATURA UTILIZANDO UMA CHAPA
DE AÇO: otimização do uso de materiais e seu efeito na cadeia sustentável dos produtos
SÃO JOÃO DA BOA VISTA – SP
2014
CENTRO UNIVERSITÁRIO DAS FACULDADES ASSOCIADAS DE ENSINO – FAE
ACÁCIO PONCIANO RODRIGUES
AVALIAÇÃO DE UM PROJETO DE MANUFATURA UTILIZANDO UMA CHAPA
DE AÇO: otimização do uso de materiais e seu efeito na cadeia sustentável dos produtos
Dissertação apresentada ao Curso de
Mestrado do Centro Universitário das
Faculdades Associadas de Ensino – FAE,
como parte dos requisitos para obtenção do
título de Mestre em Desenvolvimento
Sustentável e Qualidade de Vida.
Área de Concentração: Desenvolvimento
Sustentável.
Orientador: Prof. Dr. Wiliam Regone.
SÃO JOÃO DA BOA VISTA – SP
2014
1
TÍTULO DA DISSERTAÇÃO:
AVALIAÇÃO DE UM PROJETO DE MANUFATURA UTILIZANDO UMA CHAPA DE AÇO:
otimização do uso de materiais e seu efeito na cadeia sustentável dos produtos
2
AUTOBIOGRAFIA
Licenciatura Plena em Química, pela Universidade Vale do Rio Doce - UNINCOR;
Especialização em Química, pela Universidade Federal de Lavras – UFLA (2008); Graduação
em Engenharia Química, com ênfase em Engenharia de Alimentos, pelo Centro Universitário
do Sul de Minas – UNIS (2002); Técnico em Química, pelo Centro Técnico do Ensino Médio
– CETEM (1982).
Experiência de 30 anos em Indústria de transformação de plástico, atuando como
Operador de Processo, Analista, Pesquisador e Encarregado de Laboratório Químico,
Supervisor de Laboratório e de Controle de Qualidade e Assistente Técnico. Assessor Técnico
para Gestão e Controle da Qualidade.
Professor de Química no Ensino Médio. Professor em Curso Tecnólogo de Gestão
Ambiental, disciplina de Gestão de Efluentes Atmosféricos. Professor Universitário de
disciplinas da Área de Engenharia Química, sendo: Processos Químicos Industriais,
Eletroquímica, Trocadores de Calor, Estrutura dos Materiais e Práticas Interdisciplinares.
Disciplinas da área de Engenharia de Produção, sendo: Sistemas de Produção, Introdução a
Engenharia de Produção, Gestão da Qualidade, Introdução a Ciência e Tecnologia dos
Materiais, Fenômenos de Transporte e Química Geral. Disciplina da área de Administração,
Gestão Ambiental e Responsabilidade Social e Gestão da Qualidade. Coordenador do Curso
de Engenharia de Produção.
3
Para minha filha Laís... Eu te amo pela
eternidade...
Ainda para minha esposa Érika, para meu pai
José e para minha saudosa mãe Joaquina –
meus alicerces.
Também para as minhas irmãs – Rita de
Cássia, Tereza Cristina, Juliana e Ana Maria –
que sempre torceram por mim.
4
Agradeço a Deus e a Nossa Senhora Aparecida
pela proteção a mim e minha família; pela
força divina nos momentos de incertezas,
medo e preocupação.
À minha amada esposa Érika, sempre ao meu
lado incentivando-me e apoiando-me em todas
as decisões, acredito que às vezes, com muito
mais medo que eu, mas, sem deixar
transparecer.
À instituição FACECA por me abrir as portas
para o meu ingresso no mundo docente.
Ao Eduardo Pereira da Silva, Técnico de
Laboratório do CEFET, pelas aulas de CAD,
SolidWorks.
A Unidade do CEFET-MG por disponibilizar a
estrutura dos laboratórios para esta pesquisa.
Aos professores do mestrado na pessoa do
Professor Doutor Luciel Henrique de Oliveira,
pela riqueza dos conteúdos compartilhados.
Aos meus colegas de mestrado, Christian,
Marcelo Ruocco, Marco Aurélio, Maurício e
Ricardo pela convivência, e tão valiosa troca
de experiência.
À Fernanda Penteado, pelo
ensinamento de muitos conceitos.
auxilio
e
Ao Professor Márcio Henrique da Silva,
companheiro das viagens para o mestrado.
Ao querido Professor Doutor Wiliam Regone,
meu orientador e acolhedor parceiro nessa
empreita. Desde o primeiro contato, sempre
muito atencioso, dinâmico, preocupado com o
trabalho, às infinitas conversas e debates...
Obrigado amigo!
5
Trabalhar com sustentabilidade é plantar um
presente que garanta a subsistência das novas
gerações num planeta que pede socorro e se
aquece a cada dia. Pois melhor que plantar
árvores, despoluir rios, proteger animais, é
semear a consciência de que a garantia da vida
é respeitar as fronteiras da natureza.
(Nildo Lage)
6
RESUMO
O aço é um produto de extrema importância na dinâmica da atividade humana,
assumindo papel determinante no funcionamento da economia. Enquanto em países europeus
a média de consumo per capita passa de 400 kg/habitante, no Brasil é em torno de 100
kg/habitante – o que demonstra a possibilidade de crescimento no mercado interno do aço
para o desenvolvimento econômico do país. Em contrapartida, a produção do aço é intensiva
em energia e geração de poluentes. Com isso se faz necessário a otimização dos projetos,
objetivando o uso racional e sustentável deste material. Esse estudo tem como objeto de
pesquisa a análise dos impactos ambientais no projeto de manufatura de um tanque de aço
para transporte de fluido. A análise partiu de ensaios das propriedades mecânicas do aço A36, seguida do esboço da peça, chapa estampada, através de um software de CAD, onde o
corpo do tanque é projetado em espessuras diferentes, quatro, seis, oito e doze milímetros.
Com a modelagem do projeto, partiu-se para as análises de tensão atuante na chapa, corpo do
tanque, e depois a deformação, seguido pelo fator de segurança. Finalizou-se o projeto,
seguindo para as análises de sustentabilidade do tanque projetado. Foi possível avaliar o ciclo
de vida do produto, começando pela pegada de carbono, consumo de energia, acidificação do
ar e eutrofização da água. Na etapa de discussão dos resultados, importantes considerações
foram realizadas sobre a aplicabilidade do projeto, tanto nas fases de tensão atuante e fator de
segurança no corpo do tanque, como na avaliação do ciclo de vida. Por fim, na análise dos
impactos ambientais duas considerações destacam-se no projeto: quanto maior a espessura da
chapa maior é o impacto dos materiais no meio ambiente e; a etapa da extração, retirada dos
materiais na natureza, é a de maior impacto ambiental.
Palavras-chave: Aço. Manufatura. Desenvolvimento Sustentável.
7
ABSTRACT
Steel is a product of extreme importance in the dynamics of human activity, getting
importance in the economy. While in European countries the average per capita consumption
is only 400 kg/person in Brazil is around 100 kg – which demonstrates the possibility of
growth in the domestic steel market for the country's economic development. In contrast, steel
production is highly energy intensive and polluting generation. Because it is necessary to
optimize the project, aiming at the rational and sustainable use of materials. This study
focuses on a project of manufacture of a steel tank for fluid transport. The analysis was based
on testing the mechanical properties of steel A- 36, then the outline of the piece, stamped,
through CAD software, where the frame of the tank is designed in different thicknesses. With
the simulation project, followed to the analysis of tension acting on the plate, tank frame, and
after the deformation, followed by the safety factor. Finished up the project following for the
tank sustainability analyzes. It was possible to assess the life cycle of the product, starting
with the carbon footprint, energy consumption, air acidification and eutrophication. In the
results stage, important considerations were made on the applicability of the project, both at
the stage of active tension and the safety factor in the body of the tank, as in the assessment of
the life cycle.Finally, the analysis of the environmental impacts about two considerations
stand out in the project: the greater the thickness of the plate is greater the impact of the
materials and the environment; and also the stage of the extraction, removal of materials in
nature, is the highest environmental impact greater.
Keywords: Steel Manufacturing. Sustainable Development.
8
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................... 16
1.1 Justificativa........................................................................................................................ 18
1.2 Objetivos............................................................................................................................ 19
2 REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................................ 20
2.1 O aço.................................................................................................................................. 20
2.1.1 Produção do aço ....................................................................................................... 21
2.2 Considerações sobre projeto na área de engenharia .......................................................... 25
2.2.1 Considerações econômicas, ambientais e sociais de um projeto.............................. 26
2.3 Ciclo de vida de um material em um projeto..................................................................... 28
2.4 Impacto ambiental dos materiais na produção de aço ....................................................... 30
2.4.1 A poluição da atmosfera ........................................................................................... 31
2.4.1.1 Impacto dos gases na atmosfera ...................................................................... 34
2.4.1.2 Impacto dos gases na produção do aço............................................................ 34
2.4.2 A poluição da água ................................................................................................... 35
2.5 Solidworks ......................................................................................................................... 36
2.6 Modelagem da peça ........................................................................................................... 37
2.7 O método dos elementos finitos ........................................................................................ 38
2.8 Solidworks Sustainability .................................................................................................. 39
2.9 Modelagem/elaboração do projeto do tanque.................................................................... 40
3 MATERIAIS E MÉTODO................................................................................................... 42
3.1 Aço A-3642
3.2 Ensaio mecânico ................................................................................................................ 42
3.2.1 Ensaio de tração........................................................................................................ 44
3.3 Modelagem no Solidworks ................................................................................................ 48
3.4 Programa SolidWorks ........................................................................................................ 49
3.5 O método dos elementos finitos ........................................................................................ 50
3.6 Solidworks Sustainability .................................................................................................. 51
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................................... 53
9
4.1 Ensaio de tração................................................................................................................. 53
4.2 Modelagem/elaboração do projeto do tanque.................................................................... 54
4.3 Análise da resistência do tanque projetado........................................................................ 56
4.3.1 Análise da tensão atuante na chapa de Aço A-36..................................................... 57
4.3.2 Análise da deformação atuante na chapa de Aço A-36 ............................................ 59
4.3.3 Análise do fator de segurança para a chapa de Aço A-36 ........................................ 62
4.4 Análise da sustentabilidade do tanque projetado............................................................... 66
4.4.1 Análise da sustentabilidade para pegada de carbono................................................ 67
4.4.2 Análise da sustentabilidade para o consumo de energia........................................... 69
4.4.3 Análise da sustentabilidade para a adicificação do ar .............................................. 71
4.4.4 Análise da sustentabilidade para a eutrofização da água.......................................... 74
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................... 77
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS................................................................ 78
REFERÊNCIAS ...................................................................................................................... 79
ANEXO 1 – PROJETO DE UM TANQUE............................................................................ 85
10
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 Equação de tensão.................................................................................................. 46
Equação 2 Equação de deformação ......................................................................................... 46
Equação 3 Equação módulo elasticidade................................................................................. 47
Equação 4 Equação do coeficiente de Poisson........................................................................ 48
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Esquema representativo de um alto-forno................................................................. 22
Figura 2 Representação esquemática do ciclo total dos materiais........................................... 28
Figura 3 Fotografia máquina de ensaio tração com zoom no equipamento de fixação .......... 43
Figura 4 Fotografia de um corpo de prova de um aço A-36.................................................... 44
Figura 5 Gráfico esquemático de uma curva tensão versus deformação, com seus pontos
característicos .......................................................................................................................... 45
Figura 6 Esquema do ciclo de vida do projeto do seu suplemento Sustainability .................. 48
Figura 7 Vistas e perspectivas de um tanque de transporte de líquidos .................................. 49
Figura 8 Modelo discretizado em elementos finitos................................................................ 51
Figura 9 Curva tensão versus deformação do aço A-36.......................................................... 53
Figura 10 Vistas e perspectivas de um tanque de transporte de líquidos ................................ 55
Figura 11 Tanque com 12 mm de espessura mostrando comportamento da tensão................ 57
Figura 12 Tanque com 8 mm de espessura mostrando comportamento da tensão.................. 58
Figura 13 Tanque com 6 mm de espessura mostrando comportamento da tensão.................. 58
Figura 14 Tanque com 4 mm de espessura mostrando comportamento da tensão.................. 59
Figura 15 Tanque com 12 mm de espessura mostrando comportamento da deformação ....... 60
Figura 16 Tanque com 8 mm de espessura mostrando comportamento da deformação ......... 60
Figura 17 Tanque com 6 mm de espessura mostrando comportamento da deformação ......... 61
Figura 18 Tanque com 4 mm de espessura mostrando comportamento da deformação ......... 61
Figura 19 Gráfico mostrando em destaque a região elástica ................................................... 62
Figura 20 Tanque com 12 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança ..... 63
Figura 21 Tanque com 8 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança ....... 64
Figura 22 Tanque com 8 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança ....... 64
Figura 23 Tanque com 4 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança ....... 65
Figura 24 Peso do tanque projetado para diferentes espessuras de chapa de aço A-36 .......... 66
Figura 25 Análise da sustentabilidade para pegada de carbono .............................................. 69
Figura 26 Análise da sustentabilidade para o consumo de energia ......................................... 70
Figura 27 Análise da sustentabilidade para a adicificação do ar............................................. 72
Figura 28 Análise da sustentabilidade para a eutrofização da água ........................................ 75
12
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 Principais reações químicas que ocorrem na produção do aço ............................... 24
Quadro 2 Composição química do aço A-36........................................................................... 42
Quadro 3 Dados característicos do aço A-36 .......................................................................... 54
13
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Tempo de residência e composição média de alguns gases na atmosfera................ 33
14
LISTA DE SIGLAS
CAD
Computer-Aided Design
ESTRN
Deformação
FGV
Fundação Getúlio Vargas
FOS
Fator de Segurança
GAF
Gás de Alto Forno
IBS
Instituto Brasileiro de Siderurgia
INMETRO
Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
LCA
Avaliação do Ciclo de Vida
MEF
Método dos Elementos Finitos
ONGS
Organizações Não-Governamentais
PIB
Produto Interno Bruto
PNUMA
Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente
RTQ
Regulamento Técnico da Qualidade
15
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento sustentável é um processo de transformação no qual a exploração
dos recursos, a direção dos investimentos, a orientação do desenvolvimento tecnológico e a
mudança institucional, se harmonizam e reforçam o potencial presente e futuro, a fim de
atender às necessidades e aspirações humanas. O aumento do consumo pela sociedade
moderna fez, em alguns casos, com que as tecnologias de processo ficassem cada vez mais
eficientes do ponto de vista operacional, mas com grandes impactos ao aumento da poluição.
O ecossistema natural não pode ser diferente do ecossistema industrial, já que as
atividades industriais não devem se opor à natureza. Preservar a natureza é tão importante
quanto administrá-la de maneira responsável e, a partir daí, introduzir nela a gestão
responsável da empresa.
A indústria siderurgia identifica e propõe novos arranjos para os fluxos de materiais
em sistemas de produção do aço e busca assim a integração das atividades econômicas e a
redução da degradação ambiental. Paralelamente tem-se também um compromisso com a
melhoria da qualidade de vida da sociedade pela manutenção e aprimoramentos dos conceitos
de sustentabilidade.
O aço é um produto de extrema importância na dinâmica da atividade humana,
assumindo papel determinante no funcionamento da economia, sobretudo por figurar como
um elemento essencial para o perfeito encadeamento de diversas cadeias produtivas.
O aço movimenta a economia em todos os seus estágios. A produção subiu, a partir da
década de 70, de 2 milhões para 31,6 milhões de toneladas, posicionando o Brasil como o 9°
maior produtor mundial (AÇO BRASIL, 2011). O crescimento da indústria do aço tem grande
impacto para a economia e sobre a sociedade como um todo. Enquanto em países europeus a
média de consumo per capita passa de 400 kg/habitante, no Brasil se manteve em torno de
100 kg/habitante nos últimos 30 anos, indicador que mostra a possibilidade de crescimento do
mercado interno de aço para o desenvolvimento econômico do país. No mundo, segundo
dados de World Steel Association, o crescimento do consumo em 2011 cresceu 5,6% e atingiu
1.373 milhões (WORLDSTEEL ASSOCIATION, 2013).
Com a necessidade de atender um mercado cada vez mais competitivo, as indústrias
vêm buscando o conhecimento e o desenvolvimento de projetos mecânicos para que supram
as novas exigências de materiais, especialmente do aço, de segurança e qualidade. Para a
indústria de chaparia, essa busca pela excelência dos materiais implica no desenvolvimento de
16
aços com alto grau de conformabilidade, melhorando o acabamento e permitindo a
conformação de formatos cada vez mais complexos. Para muitas aplicações, a conformação
do material é de extrema importância, pois este deve resistir a todo e qualquer defeito, como
trincas, fissuras e rugas.
A escolha do ensaio mecânico mais adequado depende da finalidade do material, dos
tipos de esforços que esse material vai sofrer e das propriedades mecânicas que se deseja
medir. Em geral, existem especificações para vários tipos de produto, e nelas constam os
ensaios mecânicos que devem ser realizados para se saber se determinado produto está em
conformidade com a finalidade proposta. Geralmente esses ensaios são destrutivos, pois
promovem a ruptura ou a inutilização do corpo-de-prova. Nesta categoria tem os ensaios de
tração, sendo que este deve ter um corpo-de-prova com padronização dimensional. Para este
experimento há uma facilidade de execução e a reprodutibilidade dos resultados torna esse
ensaio um dos mais importantes. Podem-se avaliar diversas propriedades dos materiais que
são importantes em qualquer projeto mecânico (SOUZA, 1982).
O projeto mecânico é a essência da engenharia contemporânea e a base de toda a
produção industrial. Tradicionalmente o conceito de projeto está associado ao do ‘desenho
industrial’ por isso é importante a utilização da palavra modelagem. Esse projeto ou ‘a
modelagem’
traz
em
si
o
desenvolvimento
de
sistemáticas
e
otimizações.
O
projeto/modelagem pode ser além de um desenho, um organograma onde se caracteriza as
propriedades mecânicas de cada material obtidas por experimentos em laboratórios. Projetar é
uma atividade que tem como objetivo encontrar soluções ótimas para problemas técnicos,
com considerações científicas, tecnológicas, econômicas, estéticas e também no mundo de
hoje para o desenvolvimento sustentável. Isto porque o desenvolvimento de um produto não
pode depender unicamente de aspectos técnicos, sendo necessário incluir aspectos ambientais
relacionados à execução de um projeto mecânico. Uma ferramenta capaz de modelar produtos
é o SolidWorks como software de Computer-Aided Design (CAD)1.
O SolidWorks é hoje em dia o software de CAD mais utilizado em todo o mundo.
Estimasse que neste momento este é utilizado por cerca de 3,4 milhões de engenheiros e
designers distribuídos por mais de 100.000 empresas espalhadas pelo planeta. O SolidWorks
baseia-se na computação paramétrica, permitindo a criação de formas tridimensionais a partir
de formas geométricas elementares. Neste software há um suplemento denominado de
SustainabilityXpress, que executa uma avaliação ambiental de cada uma das peças que
1
Na língua vernácula ‘Desenho Assistido por Computador’.
17
compõem o projeto mecânico com suas propriedades específicas dos materiais que são
obtidas, por exemplo, no ensaio de tração.
1.1 Justificativa
A crescente preocupação com as questões ambientais é hoje fator preponderante no
desenvolvimento de novos produtos e ao sucesso dos negócios nas organizações. Neste
contexto, os processos/serviços estarão sofrendo progressivas pressões, da sociedade, do
governo e de Organizações Não-Governamentais (ONGs), visando à melhoria do desempenho
ambiental das suas atividades e a redução do impacto ambiental dos seus produtos e serviços.
Neste sentido, a indústria deverá investir na concepção de produtos ambientalmente mais
sustentáveis, por meio da substituição dos materiais e dos processos industriais atuais por
outros menos nocivos ao ambiente, e considerando para a fase de concepção, todo o ciclo-devida dos produtos.
A fase de elaboração do projeto de um produto, prevendo um menor impacto
ambiental, é a mais importante e talvez a menos onerosa, pois tudo ainda será conhecido. É
nesta fase que a metodologia de avaliação do ciclo de vida é essencial para que se consiga
atenuar o impacto ambiental, tendo como objetivo principal avaliar o projeto, produtos e
processos que reduzam o uso de recursos não renováveis. A avaliação do ciclo de vida é uma
ferramenta necessária para atingir o desenvolvimento sustentável, uma vez que promove a
utilização otimizada de recursos para preservar o meio ambiente, atendendo às necessidades
humanas, de forma a que possam ser satisfeitas não só no presente, mas também para as
gerações futuras.
O transporte de produtos líquidos geralmente é feito por caminhão tanque. Esse
deslocamento é realizado por caminhões-tanques devidamente equipados que atendem a essa
finalidade, sendo que os mesmos percorrem longos trechos de estradas até chegarem ao ponto
de consumo da carga. O transporte de líquido geralmente é acondicionado em um caminhão
com carroceria tanque de aço, geralmente com aço A-36, também chamado de caminhãocisterna, carro-tanque ou caminhão-pipa. Pode-se transportar de produtos perigosos, como a
gasolina, ou transporte de produtos como sucos, leite e água. O caminhão-pipa é utilizado
exclusivamente para o transporte de água principalmente na região nordeste do Brasil. O
caminhão-pipa também pode ser utilizado para lavar ruas, abastecimento de água em
18
residências e empresas em todo o Brasil. Os tanques utilizados por esses caminhões no
transporte de produtos alimentícios como o leite são produzidos por inúmeros fabricantes,
cada um com sua forma construtiva distinta. Não existe norma específica que padroniza a
fabricação desse tipo de equipamento (CAIXETA FILHO; MARTINS, 2001).
Embora não existam normativas para a fabricação de tanques no transporte rodoviário
de produtos alimentícios, algumas exigências são praticadas pelas indústrias para manter a
qualidade do produto transportado. Entre as exigências, pode-se destacar o uso de material
que não contamina o produto e de fácil higienização e acabamento sanitário para evitar
acúmulo de sujeiras. Porém, em relação à estrutura do tanque, não há dimensionamento para
resistência desses equipamentos através de cálculos de engenharia, permitindo assim que os
mesmos se utilizem de experiências práticas de construção, apontando uma tendência de uso
de estruturas e processos mais econômicos (ALVARENGA; NOVAES, 1994).
Mas para os tanques fabricados para o segmento de transporte de carga líquida
perigosa estes são normatizados pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e
Qualidade Industrial (INMETRO) através do regulamento técnico da qualidade – RTQ 7C da
Portaria n. 91 de 31 de março de 2009 (WELTER et al, 2006).
1.2 Objetivos
O objetivo geral se resume em investigar a variabilidade das dimensões e propriedades
mecânicas de uma chapa estampada do aço A-36 no formato de tanque para transporte de
fluido e seu impacto ambiental.
Os objetivos específicos são:
a) Obter as propriedades mecânicas de resistência do aço A-36;
b) Desenvolver o projeto mecânico de uma peça de aço para reservatório/tanque de
fluidos;
c) Aplicar as propriedades mecânicas para desenvolver e analisar comportamento
mecânico do tanque projetado;
d) Verificar a sustentabilidade do projeto;
e) Relacionar a variação da espessura da chapa do tanque à capacidade de
sustentabilidade do projeto.
19
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 O aço
A preservação do meio ambiente entendida como elemento essencial à satisfação das
necessidades humanas das gerações atuais e futuras tem sido o ponto central das discussões
acerca do meio ambiente e do desenvolvimento sustentável. Para Sachs (2004, p. 15-16) “o
desenvolvimento sustentável está estruturado a partir de cinco pilares: Social, Ambiental,
Territorial, Econômico e Político”.
O termo desenvolvimento sustentável, apresentado em 1986 pela Comissão
Brundtland – grupo designado pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente
(PNUMA). O susto na comunidade internacional foi grande e até influenciou as conclusões da
Conferência das Nações Unidas sobre o Ambiente Humano promovido pela ONU, em
Estocolmo, Suécia, em 1972. O documento final foi severo, ao pedir respeito ao meio
ambiente. A repercussão foi forte, a ponto de inspirar a realização da Conferência da ONU
sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento (Eco-92), no Rio de Janeiro. (LAYARGUES,
1997). Em 2012, de 13 a 22 de junho, na cidade do Rio de Janeiro, foi realizado a Rio+20 –
assim conhecida porque marcou os vinte anos de realização da conferência das Nações Unidas
sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento (Rio-92) e contribuiu para definir a agenda do
desenvolvimento sustentável para as próximas décadas (BRASIL, 2013).
Apesar das dificuldades de implementação, o desenvolvimento aponta avanços, tanto
nas discussões teóricas quanto em diversas práticas, o que tem contribuído como uma
alternativa a ser seguida.
Uma prática adotada frequentemente é a elaboração de projetos para um determinado
produto, onde as organizações necessitam cada vez mais justificar o seu desempenho,
sobretudo em nível da preservação ambiental e utilização racional de recursos naturais. A
indústria do aço – importante segmento da economia – desempenha papel fundamental nos
objetivos e metas das indústrias do setor, com contribuição para a sedimentação da economia
global como também pelos seus impactos significativos no desenvolvimento sustentável.
O consumo de aço tem relevante relação e impacto sobre o Produto Interno Bruto
(PIB) e o crescimento econômico dos países. Um estudo realizado pela Fundação Getúlio
Vargas (FGV), em 2011, intitulado ‘Importância Estratégica do Aço na Economia Brasileira’,
20
utilizou metodologia de análise multissetorial, baseada no modelo matriz insumo produto e
apontou a relevância da indústria produtora de aço na alavancagem de diversas cadeias
produtivas. O PIB do setor do aço no Brasil em 2010 foi estimado em R$ 25 bilhões e com
contabilização dos impactos indiretos e induzidos, estes se multiplicam substancialmente. No
total, pode-se afirmar que, em 2010, o aço foi responsável por um total de R$ 146,8 bilhões,
ou 4,0% do produto interno bruto do país. Da mesma forma, se esses efeitos fossem aplicados
à quantidade de empregos gerados diretamente pelo setor, o número de ocupações no período
passaria para quase 3,3 milhões (AÇO BRASIL, 2011).
O aço é transformado em ampla gama de produtos que atende as mais variadas
demandas de outras indústrias e abastece a cadeia produtiva de setores como o automotivo, o
de máquinas e equipamentos, a construção civil, a de embalagens e recipientes, a cutelaria e
linha branca. Gera ainda emprego e renda para uma segunda cadeia produtiva formada por
empresas especializadas na coleta, triagem e venda de materiais recicláveis (CAMPOS e
RUIZ, 2009).
2.1.1 Produção do aço
Ligas ferrosas das quais o ferro é o constituinte principal são produzidas em maiores
quantidades do que qualquer outro metal, sendo o aço a sua principal liga. Elas são
especialmente importantes como materiais de construção de engenharia. O uso é largamente
difundido devido a três fatores: (1) compostos contendo ferro existem em quantidades
abundantes na crosta terrestre; (2) ferro metálico e aços podem ser produzidos usando técnicas
relativamente econômicas de extração, de refino, de adição de elementos de liga e de
fabricação; (3) ligas ferrosas são extremamente versáteis, no sentido de que elas podem ser
elaboradas sob medida para ter uma larga faixa de propriedades mecânicas e físicas
(BLANCO, 2011).
Nos seus 2000 anos de existência, o processo siderúrgico de transformação de minério
de ferro em produtos de aço evoluiu juntamente com a civilização, mas sua essência é ainda a
mesma: usa-se uma fonte de carbono, carvão vegetal ou coque que é proveniente do carvão
mineral, reagindo com o sopro de ar para extrair o ferro do minério e para fornecer energia ao
processo, que ocorre num equipamento chamado alto forno. Durante esse processo, o minério
de ferro atinge aproximadamente de 1.500 ºC e o ferro se liquefaz, sendo então chamado de
21
ferro gusa. Resultam também desse processo impurezas como calcário, sílica, dentre outras,
que formam a escória (INSTITUTO BRASILEIRO DE SIDERURGIA, 2006).
As usinas siderúrgicas utilizam equipamentos chamados altos fornos para a redução do
minério de ferro em ferro metálico. A Figura 1 mostra um esquema representativo deste
equipamento. Alto forno é um reator cilíndrico vertical com dimensões na ordem de 10 a 14
m de diâmetro por 60 a 70 m de altura, que funciona com auxílio de outros equipamentos,
como os regeneradores que utilizam os gases que saem do próprio alto forno para
aquecimento do ar a ser injetado no mesmo; turbo-sopradores – turbina multi-estágio de alta
pressão e vazão para injeção do ar aquecido –; sistema de limpeza dos gases – retenção de
particulados –; além, do sistema de pesagem e alimentação de materiais no topo do forno. No
processo de redução, o alto-forno recebe a partir do topo a carga sólida, composta por
camadas de sinter de minério de ferro, coque e fundentes. Em sua parte inferior é injetado o ar
aquecido, como conseqüência, há a produção do gusa – ferro e carbono em solução líquida a
1500 ºC –, a escória – sistema oxidado líquido que contém os minerais de ganga do minério
de ferro – impurezas – e o Gás de Alto Forno (GAF). As paredes do alto forno são revestidas
internamente por cerâmicas refratárias, para reter e protegendo-o do calor (ARAÚJO, 1997).
Figura 1 Esquema representativo de um alto-forno
Fonte: Araújo (1997).
22
Os produtos do alto forno sofrem tratamentos antes de serem utilizados nos processos
conseguintes: O gusa sofre pré-tratamentos como a desfosforação e dessulfuração, para
possibilitar a produção de aços de maior nível de qualidade. A escória sofre um processo de
granulação com água, sendo produzida a escória granulada de alto forno, matéria-prima
utilizada pela indústria cimenteira. O GAF sofre um processo de ‘lavagem’ para retirada de
particulados, sendo queimado nos regeneradores para o aquecimento do ar injetado no próprio
alto forno, e/ou misturado posteriormente a outros gases do processo e utilizado no balanço
energético da planta (RIZZO, 2005).
O alto forno é um reator metalúrgico, ou seja, local onde ocorrem reações químicas.
Essas reações geram o ferro gusa que é obtido a partir da fusão de minério de ferro.
Analisando de uma forma resumida pode-se dizer que o processo químico ocorre da seguinte
forma. O minério geralmente utilizado é a hematita (Fe2O3) e sua ganga que é constituída
basicamente por Mn, Mg, Si todos na forma de óxidos. Junto com o minério são incluídos na
carga, calcário (CaCO3), carvão mineral ou vegetal (C) e ar quente. O carvão servirá para
reduzir o minério e produzir energia, o calcário servirá como fundente. O ar quente que é
soprado no interior da zona de combustão queima o carbono do coque ou carvão vegetal,
gerando CO2. Essa reação que é uma das mais importantes do alto forno é chamada de
regeneração do CO2 pode ser assim representada: CO2 + C ↔ 2CO. Esse CO é um gás redutor
capaz de reagir principalmente com o oxigênio dos óxidos de ferro presentes, gerando CO2 e
liberando o Ferro que é depositado no cadinho na forma líquida e é chamado de ferro gusa
(MOURÃO, 2007). O Quadro 1, na sequencia, mostra as principais reações químicas que
ocorrem para a produção de aço.
A produção diária em média de um alto forno varia em relação a sua capacidade
volumétrica. Uma carga do alto forno para a produção de uma tonelada de ferro gusa tem-se
que adicionar basicamente 1,7 toneladas de minério (Fe2O3 + ganga) mais 0,25 tonelada de
calcário (CaCO3), mais 0,5 tonelada de carvão e 2 toneladas de ar (H20, N2, O2). Nesta
proporção vai se ter uma produção de 1 tonelada de Ferro Gusa, mais 0,2 a 0,4 tonelada de
escória e 2,3 a 3,5 toneladas de gás de CO2 e CO (ARAÚJO, 1997).
No cotidiano da indústria ou no seu comércio em geral aços são entendidos como ligas
ferro-carbono que podem conter apreciáveis concentrações de outros elementos de liga;
existem centenas de ligas que têm diferentes composições e/ou tratamentos térmicos. As
propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono, que é normalmente menor do que
1,0% em peso. Alguns dos aços mais comuns são classificados de acordo com a concentração
de carbono, isto é, em tipos baixo-carbono, médio-carbono e alto-carbono. Também existem
23
subclasses dentro de cada grupo de acordo com a concentração de outros elementos de liga.
Aços-carbono comuns contêm apenas concentrações residuais de impurezas outras que não o
carbono. Para aços-liga, elementos de liga são intencionalmente adicionados em
concentrações específicas (ARAÚJO, 1997).
Quadro 1 Principais reações químicas que ocorrem na produção do aço
Processo
Remoção do CO2;
3 MnCO3 → Mn3O4 + CO2 + CO
3 FeCO3 → Fe3O4 + CO2 + CO
FeCO3 → FeO + CO2
Temperatura (°C)
≥ 525
380 – 570
≥ 570
Redução de Fe2O3 a Fe3O4;
3 Fe2O3 + CO → Fe3O4 + CO2
400 - 550
Remoção do CO2;
MgCO3 → MgO + CO2
400 – 500
MgCO3 CaCO3 → MgO CaO + CO2
400 - 750
Decomposição do CO
2CO → CO2 + C
450 – 600
Redução do Fe3O4 a FeO
FeO3 + CO → 3FeO + CO2
570 – 800
Remoção do CO2;
CaCO3 → CaO + CO2
850 - 950
Redução do FeO a Fe
FeO + CO → Fe + CO2
650 – Ts
Reação de Boudouard
CO2 + C → 2CO
≥ 900
Combustão do Ccoque
Ccoque + O2 → CO
1800 – 2000
2Ccoque + CO2 → 2CO
2000 – 1450
Ccoque + 0,5O2 → CO
1550
Fonte: Mourão (2007).
Para o controle de qualidade dos aços, ou para fornecer dados para a análise de
segurança de componentes estruturais de aços, os métodos de ensaios destrutivos são
largamente utilizados. A determinação de propriedades mecânicas dos aços de grande
importância são o módulo de elasticidade, tensão de escoamento e o coeficiente de
encruamento. Estas informações técnicas são determinadas por ensaio de tração que é
considerado um ensaio completo porque é possível determinar com exatidão a maioria das
propriedades mecânicas dos materiais; os corpos-de-prova deste ensaio são padronizados
(CALLISTER, 2002).
24
O setor de aço constitui um caso clássico de evolução tecnológica, em particular nos
aspectos ambientais. Em primeiro lugar, o setor é intensivo em energia e envolve grandes
volumes de insumos materiais, poluentes e rejeitos. Em segundo lugar, enfrenta o desafio da
competição com outros materiais, tanto no que se refere aos custos de produção quanto ao
desempenho dos produtos. E em terceiro lugar, as crescentes exigências expressas na
legislação ambiental têm afetado as opções e o desenvolvimento tecnológico. Hoje, entre as
empresas siderúrgicas já é possível identificar tendências para a integração das variáveis de
competitividade, qualidade de produto e redução do impacto ambiental. Apesar de grandes
investimentos realizados para o controle de poluição – os quais levaram a significativas
reduções na emissão de poluentes – melhorias e mudanças tecnológicas adicionais são
necessárias para que as variáveis citadas se integrem de fato. A saudável preocupação oriunda
de associações industriais, agências ambientais e da sociedade de modo geral revela uma
mudança gradual para uma perspectiva de prevenção da poluição (PAULA, 2011).
2.2 Considerações sobre projeto na área de engenharia
Elaborar um projeto é uma das tarefas mais complexas na engenharia. Normalmente,
para cada aplicação de um material, há um conjunto de requisitos de desempenho que o
material deve satisfazer. Nem sempre estes requisitos de desempenho se traduzem claramente
em propriedades mensuráveis. Além disso, nem sempre as propriedades mensuráveis são
adequadas para testes de controle da qualidade e questões ambientais. Para se ter uma
otimização da aplicação deve-se correlacionar os parâmetros de desempenho com
características mais controláveis dos materiais – como é o caso do ensaio de resistência do
material (DOYLE et al, 1978).
Existem três fatores sobre os quais o engenheiro detém o controle e que afetam a
elaboração de um produto; são eles: o projeto do componente; o material empregado e; as
técnicas de fabricação que são empregadas. Esses fatores estão inter-relacionados, pois o
projeto do componente pode afetar a escolha do material utilizado, e tanto o projeto do
componente como do material utilizado irão influenciar a seleção das técnicas de fabricação
(SAMANEZ, 2009).
O projeto do componente consiste na especificação das dimensões, da forma e da
configuração de fatores que irão afetar o desempenho do componente quando em serviço. Por
25
exemplo, se forças mecânicas estiverem presentes, então uma análise de tensões poderá ser
necessária. Devem ser preparados desenhos detalhados do componente; normalmente
utilizando computadores, com programas gerados para essa função específica (WOILER;
MATHIAS, 1996).
Materiais em termos econômicos devem possuir as combinações de propriedades
apropriadas e que seja o mais barato possível. O preço do material é, em geral, cotado com
base em um peso unitário. O volume da peça pode ser determinado a partir das suas
dimensões e da sua geometria, sendo então convertido em massa de material com o auxílio da
sua densidade (CUNHA, 2007).
A fabricação será influenciada tanto pelo material que já foi selecionado como pelo
projeto da peça. O processo de fabricação como um todo consistirá normalmente em
operações primárias e secundárias. As operações primárias são aquelas que convertem a
matéria-prima em uma peça reconhecível, enquanto as operações secundárias são aquelas
empregadas subsequentemente para produzir a peça acabada. As principais considerações
relacionadas a custo para esses processos incluem o custo de capital com equipamentos,
ferramentas, mão-de-obra, manutenção, depreciação das máquinas e perdas (NOVASKI,
1994).
Em engenharia, especificamente na elaboração de um projeto as decisões tomadas têm
impactos sobre o consumo de matérias-primas e de energia, sobre a contaminação da
atmosfera e da água, e sobre a capacidade do consumidor em reciclar ou dispor dos produtos
consumidos, consequentemente, a qualidade de vida da população depende, em certo grau, de
como essas questões são abordadas pela comunidade mundial de engenharia (CUNHA;
GUERRA, 2003).
2.2.1 Considerações econômicas, ambientais e sociais de um projeto
É essencial que o engenheiro conheça e compreenda as questões econômicas, sociais e
ambientais de um projeto. Uma força motriz crítica na prática da engenharia é aquela vinda
dos fatores econômicos; colocado de forma clara, a empresa deve apurar o lucro dos produtos
que ela fabrica e vende. Assim, o engenheiro pode projetar o componente perfeito. Contudo,
uma vez fabricado, ele deve ser ofertado para venda a um preço que seja atrativo para o
consumidor e, além disso, dar como retorno um lucro adequado para a empresa. As decisões
26
tomadas na engenharia possuem consequências econômicas que estão relacionadas tanto aos
custos dos materiais como aos custos de produção (HIRSCHFELD, 2000).
A consciência das questões ambientais e sociais é importante para o engenheiro, uma
vez que com o passar do tempo as demandas em relação aos recursos naturais do planeta estão
aumentando. Além disso, os níveis de poluição estão cada vez maiores. A correção de
qualquer problema ambiental que seja associado com a fabricação irá influenciar o preço do
produto. Isto é, o custo de fabricação é normalmente maior para um produto verde – ou
‘ambientalmente amigável’ do que para o seu equivalente produzido sob condições em que as
questões ambientais são minimizados. Dessa forma, uma empresa deve enfrentar o dilema
dessa troca potencial entre os aspectos econômicos e do meio ambiente, e então decidir as
importâncias relativas dos fatores econômicos e do impacto sobre o meio ambiente (ABREU
et al, 2004).
Foi estimado que em escala mundial algo ao redor de 15 bilhões de toneladas de
matérias-primas seja extraída da terra todos os anos; algumas dessas matérias-primas são
renováveis, enquanto outras não o são. Com o passar do tempo, está se evidenciando que o
planeta é virtualmente um sistema fechado em relação aos seus materiais constituintes, e que
os seus recursos são finitos. Além disso, a medida que as sociedades amadurecem e as
populações aumentam, os recursos disponíveis se tornam cada vez mais escassos, o que
requer maior atenção para a utilização mais efetiva desses em relação ao ciclo de materiais
(CALLISTER, 2012).
As modernas tecnologias e a fabricação dos produtos que estão associados a elas
causam impactos sobre as sociedades de diversas formas. Esses impactos são internacionais
em termos de abrangência, uma vez que os recursos exigidos para uma nova tecnologia vêm,
com frequência, de muitos países diferentes. A prosperidade econômica que resulta de
desenvolvimentos e das tecnologias é de âmbito global e os impactos ambientais podem se
estender além das fronteiras de um único país (CUNHA e GUERRA, 2003).
Há quase um século, desde a revolução industrial, os aços são os materiais industriais
mais amplamente empregados, com emprego nas indústrias automotivas, cutelaria, estruturas
e construção civil e mecânica. O principal fator que levou o aço a ocupar este papel
preponderante na engenharia é o amplo espectro de propriedades e características de
desempenho que podem ser obtidos a custos baixos (ensaios mecânicos). O aço é um material
em constante evolução, sendo o setor, regido pela necessidade de ligas mais eficientes no
aspecto econômico e resistência mecânica. O processo de seleção de aços para determinada
aplicação deve levar em conta as tendências de desenvolvimento na própria indústria do aço, a
27
que se destina o emprego e custo. Assim o processo de seleção de materiais tem um
comportamento dinâmico (NIEMANN, 1971).
2.3 Ciclo de vida de um material em um projeto
Os materiais de emprego em engenharia desempenham papel crucial no contexto
tecnologia-economia-meio ambiente-social. Um material que utilizado em algum produto
final e que então seja descartado passa, ao longo de sua vida, por diversos estágios ou fases –
representados na Figura 2 –, chamado de ciclo total dos materiais (COHEN, 1995).
Figura 2 Representação esquemática do ciclo total dos materiais
Fonte: Cohen;Callister, 2012
Observando a Figura 2, as matérias-primas são extraídas de seus habitats naturais no
planeta, por meio de operações de mineração, perfuração, ou cultivo. Essas matérias-primas
são então purificadas, refinadas e convertidas em formas brutas, tais como minério de ferro e
carvão. A síntese e o processamento adicionais resultam em produtos chamados de ‘materiais
28
engenheirados’, dos quais são exemplo as ligas metálicas, com destaque para o aço. Em
seguida, esses materiais engenheirados são configurados, tratados e montados na forma de
produtos, dispositivos e utensílios prontos para uso pelo consumidor – isso se constitui no
estágio de ‘projeto, fabricação e montagem do produto’. O consumidor adquire esses produtos
e os utiliza. No estágio de ‘aplicações’, configura-se o período em que eles são consumidos
até se tornarem obsoletos e posteriormente descartados. Nessa hora, os constituintes do
produto podem ser reciclados/reutilizados – situação em que eles reentram no ciclo dos
materiais – ou eliminados como rejeito – situação em que eles são normalmente incinerados
ou descartados na forma de resíduo sólido, em aterros municipais –; como tal, eles retornam
para a terra e completam o ciclo dos materiais (SULLIVAN e YOUNG, 1995).
Deve-se observar que há um fornecimento de energia durante cada estágio do ciclo.
Nos Estados Unidos, foi estimado que aproximadamente metade da energia consumida pelas
indústrias de manufatura é gasta para a produção e a fabricação de materiais. A energia é um
recurso que, em certo grau, possui suprimento limitado; por esse motivo, devem ser tomadas
medidas para que a sua conservação e a sua utilização sejam feitas de forma mais efetiva nas
etapas de produção, aplicação e descarte de materiais (SALVATO et al, 2003).
Existem interações e impactos sobre o meio ambiente natural durante todos os estágios
do ciclo dos materiais. As condições da atmosfera e da água dependem em grande parte do
cuidado com o ciclo dos materiais. Alguns danos ecológicos, além da destruição da paisagem,
resultam, indubitavelmente, da fase de extração das matérias-primas. Podem ser gerados
poluentes que são expelidos para o ar e para a água durante o estágio de síntese e
processamento. Além disso, quaisquer produtos químicos tóxicos que sejam produzidos
precisam ser eliminados ou descartados. O produto, dispositivo ou utensílio final deve ser
projetado de modo tal que durante a sua vida útil, preferivelmente, deve ser feita uma
provisão para o reciclo dos materiais que compõem o produto; ou na pior das hipóteses, deve
ser feita uma provisão para o descarte desses materiais com um mínimo de degradação
ecológica (PORTER, 2002).
A reciclagem de produtos usados, em vez de seu descarte como resíduo é um
procedimento desejável por várias razões. Em primeiro lugar, o uso de materiais reciclados
reduz a necessidade de se extrair matérias-primas da terra, e, dessa forma, conserva os
recursos naturais e elimina quaisquer impactos ecológicos que estejam associados à fase de
extração. Em segundo lugar, as exigências de energia para o refino e o processamento de
materiais reciclados são, normalmente, menores do que os seus equivalentes naturais; por
exemplo, aproximadamente 28 vezes mais energia é exigida para refinar minerais naturais de
29
alumínio. E finalmente, não existe qualquer necessidade de se descartar os materiais
reciclados (ACKERMAN, 1997).
Dessa forma, o ciclo dos materiais da Figura 2 é realmente um sistema que envolve
interações e permutas entre materiais, energia e meio ambiente. Em muitos países, as questões
ambientais estão sendo abordadas pelo estabelecimento de padrões exigidos pelas agências
governamentais de regulamentação. Ainda mais, a partir de uma perspectiva industrial, a
proposição de soluções viáveis para questões ambientais existentes e potenciais se torna
incumbência dos engenheiros projetistas.
Um procedimento que está sendo implementado pela indústria para melhorar o
desempenho dos seus produtos em relação ao meio ambiente é conhecido por
análise/avaliação do ciclo de vida. Com esse procedimento para elaboração do projeto para
um produto, é considerada a avaliação ambiental do produto, isto é, desde a extração do
material até a fabricação do produto, passando pela sua utilização e, finalmente, pela sua
reciclagem e descarte. Além disso, é conduzida uma avaliação em relação ao impacto sobre o
meio ambiente, global e local, em termos dos efeitos sobre a ecologia, a saúde humana e as
reservas de recursos (COHEN, 1994).
2.4 Impacto ambiental dos materiais na produção de aço
A compreensão do processo de degradação do meio ambiente passa pela análise da
interação entre as ecologias natural e humana. Desde o surgimento na biosfera, o homem
destacou-se dos demais seres vivos por sua capacidade de engenho e aprendizagem. Com isso,
passou a conquistar novos habitats, desenvolver novos nichos e nesse processo evolutivo,
muito mais tecnológico do que biológico, passou a olhar o ambiente como sendo parte externa
e não como elemento componente. Como consumidor, criou o ciclo humano de materiais à
parte dos ciclos naturais. Porém, a manutenção desse ciclo humano depende da manutenção
dos ciclos naturais, pois todas as ‘entradas’ no ciclo de produção de bens para satisfazer o
consumo humano vêm dos ecossistemas naturais e todas as ‘saídas’ do ciclo humano se
convertem geralmente em poluição (EDMUNDS e LETEY, 1975).
O processo básico da poluição na natureza obedece a três fases distintas, a saber: na
primeira ocorre a geração e a emissão de poluentes pelas diversas fontes poluidoras
existentes; na segunda ocorre o transporte e a difusão desses poluentes no ambiente. Nesta
30
fase, as águas e os ventos, têm papel preponderante; na terceira ocorre o contato dos poluentes
com o homem, os animais, os vegetais, os bens materiais, prejudicando, direta ou
indiretamente o homem e ficando assim caracterizada a poluição ambiental.
Os programas voltados para o controle da poluição ambiental devem, de preferência,
atacar o problema da poluição na sua primeira fase, isto é, controlar as fontes poluidoras.
Entende-se por fonte poluidora qualquer equipamento, processo ou atividade capaz de gerar e
emitir poluentes. O poluente é qualquer forma de matéria ou de energia que venha de maneira
prejudicial, direta ou indiretamente, alterar as características do ambiente (MERICO, 1996).
2.4.1 A poluição da atmosfera
A atmosfera é o mais importante de todos os componentes não só do clima, como
também da manutenção da vida na Terra. O ar atmosférico é uma mistura composta
essencialmente de nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono e vapor de água, que constitui o ar
que se respira. Além desses gases, outros constituintes como argônio, hélio, metano, amônia,
ozônio, emanações radioativas, poeiras, organismos vivos, podem ser encontrados no ar, cuja
composição varia muito, não só em função das características físicas locais, como também
pela presença do homem (BAIRD, 2002).
A existência de indústrias poluidoras e de grande número de veículos trafegando nas
cidades altera as concentrações dos vários constituintes do ar normal nas áreas industriais e
centros urbanos densamente povoados, originando o fenômeno da poluição atmosférica.
Entende-se a poluição do ar como sendo as modificações sofridas pela atmosfera
natural, que possam, direta ou indiretamente, causar prejuízos ao homem, criando condições
nocivas à sua saúde, segurança e bem-estar, prejuízos à fauna e à flora e, ainda, prejuízos aos
demais recursos naturais em todas as suas utilizações consideradas normais (BAIRD, 2002).
As fontes poluidoras do ar podem ser classificadas em dois grupos: processos de
combustão – cujos poluentes originam-se da combustão em incineradores, veículos
automotores, centrais térmicas; processos industriais – cujos poluentes têm origem em algum
processo industrial: siderúrgico, petroquímico ou químico. As fontes devido à combustão,
principalmente a combustão incompleta que ocorre nos meios de transporte em geral, são
responsáveis pela maior parcela de poluição atmosférica nos centros urbanos (SILVA LARA,
2000).
31
Os poluentes atmosféricos tanto podem ser substâncias que normalmente não estão
presentes no ar, como podem ser um de seus constituintes normais produzidos por atividades
humanas em quantidades excessivas. Alguns poluentes apresentam-se na forma de gases
(COx, SOx), outros na forma de partículas em suspensão no ar, provenientes das mais variadas
fontes. As consequências da poluição do ar vão desde o comprometimento da saúde, dos bens
materiais e dos recursos naturais do homem, a nível local ou regional, até globais envolvendo
todos os recursos do planeta (OLIVEIRA, 2000).
O efeito preciso da poluição do ar sobre a saúde, usualmente não pode ser previsto,
porque uma pessoa normalmente está exposta a uma mistura de poluentes e a resposta
humana à poluição é influenciada por fatores como a idade, o estado geral de saúde e desgaste
físico, bem como pela intensidade e a duração da exposição. De um modo geral, a maioria das
vítimas não morre durante os períodos críticos. Elas contraem uma doença respiratória ou
outro sintoma associado com a poluição do ar, enfraquecem gradativamente, para depois
morrerem tipicamente de pneumonia, ataque do coração ou falha em algum órgão vital; ou
geram crianças com defeitos congênitos; ou, ainda, desenvolvem algum tipo de doença –
como o câncer, causado por diversos fatores associados com a poluição do ar (RIBEIRO,
1999).
Como acontece em qualquer tarefa de melhorar a qualidade do ambiente, o primeiro
passo seria investigar o problema, para em seguida determinar as medidas de controle. Na
investigação do problema, dois conjuntos de informações são indispensáveis: levantamento
geral das fontes poluidoras e seus poluentes; identificação dos padrões de qualidade do ar a
serem atingidos. No estudo da poluição atmosférica, distinguem-se alguns problemas
mundiais: o ‘efeito estufa’ e a ‘chuva ácida’ (BRAGA et. al, 2005).
Denomina-se ‘efeito estufa’ o fenômeno que conduz ao aumento progressivo da
temperatura média global do planeta. Tal efeito resulta do aumento da concentração de gases
como dióxido de carbono (CO2). Além de provocar modificações climáticas cuja intensidade
permanece de difícil previsão, o aquecimento desencadearia alterações no nível dos mares, na
agricultura e silvicultura. Tanto o aumento de CO2, como a elevação da temperatura, pode
afetar de forma significativa o crescimento e a distribuição das espécies vegetais. As
alterações climáticas conseqüentes podem ainda gerar mudanças nos padrões globais de
muitos processos ecológicos (BRAGA et. al, 2005).
Convencionalmente, é considerada ‘chuva ácida’ quando a chuva apresenta valores de
pH menores do que 5,6. O pH define o grau de acidez de uma solução, ou seja, o teor de íons
hidrogênio (H+) livres. Os dois ácidos predominantes na chuva ácida são o ácido sulfúrico,
32
H2SO4, e o ácido nítrico, HNO3. Em termos gerais, a chuva ácida precipita-se segundo a
direção do vento em um local distante da fonte dos poluentes primários, isto é, dióxido de
enxofre, SO2, e óxidos de nitrogênio, NOX. Os ácidos são gerados durante o transporte da
massa de ar que contem os poluentes. Deste modo, a chuva ácida é um problema de poluição
que não respeita os estados nem fronteiras nacionais em razão do deslocamento de longa
distância que sofrem com frequência os poluentes atmosféricos. Tal grau de acidez da chuva
tem sido apontado como responsáveis por algumas alterações ecológicas. Isto se deve ao fato
do aumento da mobilidade química de metais potencialmente tóxicos presentes no solo. Tais
alterações têm como consequência a queda da produtividade das lavouras, além da
intoxicação e mortandade da fauna (BRAGA et. al, 2005).
A atmosfera terrestre pode ser considerada um grande reator químico. Este contém,
além de oxigênio, que é um composto altamente reativo, diversos compostos em pequenas
concentrações, os quais podem atuar como reagentes/ou catalisadores, e a luz solar, como
fonte de energia e promotora de reações – fotocatálise. Ao chegar à atmosfera, compostos
provenientes da superfície terrestre começam imediatamente a sofrer transformações
químicas. Como em toda reação, a velocidade dessas transformações pode ser muito rápida –
minutos ou horas – ou muito lenta – anos. A velocidade da reação depende dos vários fatores,
como concentração dos reagentes, temperatura, catalisador e reatividade da molécula. Muitos
dos compostos geralmente emitidos para a atmosfera já foram convenientemente estudados e
tiveram sua capacidade de reagir estabelecida. Tal capacidade é conhecida como tempo de
residência, definido como o tempo médio de permanência do composto na atmosfera. A
Tabela 1 lista o tempo de residência de alguns compostos na atmosfera (ROCHA et al, 2004).
Tabela 1 Tempo de residência e composição média de alguns gases na atmosfera
Compostos
Tempo de residência
Composição (ppb) em
volume
Dióxido de carbono, CO2
4 anos
360.000
Monóxido de Carbono, CO
0,1 anos
100
Óxido de nitrogênio NO2
1 dia
0,3
Dióxido de enxofre, SO2
1-4 dias
0,01-0,1
Fonte: Rocha (2009).
33
2.4.1.1 Impacto dos gases na atmosfera
Conforme tabela 1, se consideradas as existências de fontes para a atmosfera, é
necessário que sejam considerados também os processos de consumo dos componentes que
nela chegam. Tais processos são conhecidos como sorvedouros. O composto pode sair da
atmosfera devido a um sorvedouro que a retira diretamente, como no caso da chuva que
dissolve os gases solúveis – deposição úmida –, ou do vento que arrasta o composto em
direção ao solo – deposição seca –, ou ainda como no caso de um sorvedouro que utiliza
mecanismo químico, transformando o composto em uma espécie diferente (ROCHA et al,
2009).
Elucidando tal contexto, tem-se o ácido clorídrico, que na forma de gás, reage como o
gás amônia, formando a partícula de cloreto de amônio, NH4Cl. Esse sorvedouro será,
portanto, uma fonte secundária, se o produto permanece na atmosfera. Como os processos de
emissão, a transformação e a saída da atmosfera envolvem reações químicas ou mudanças de
fase passando pelos vários ecossistemas terrestres, envolvendo inclusive os seres vivos. Essa
sequência de transformações é conhecida como ciclo bioquímico. Existem vários ciclos, mas
os mais importantes, pela quantidade envolvida de cada espécie, são os do carbono, da água,
do nitrogênio e do enxofre (ROCHA et al, 2009).
A informação sobre o tempo de residência é muito importante para reconhecer o raio
de ação de um composto, tomando por base o local em que ocorreu a emissão (ROCHA et al,
2009).
2.4.1.2 Impacto dos gases na produção do aço
A produção diária em média de um alto forno varia em relação a sua capacidade
volumétrica. Uma carga do alto forno para a produção de uma tonelada de ferro gusa tem-se
que adicionar basicamente 1,7 toneladas de minério (Fe2O3 + ganga) mais 0,25 tonelada de
calcário (CaCO3), mais 0,5 tonelada de carvão e 2 toneladas de ar (H20, N2, O2). Nesta
proporção tem-se uma produção de 1 tonelada de Ferro Gusa, mais 0,2 a 0,4 tonelada de
escória e 2,3 a 3,5 toneladas de gás de CO2 e CO (ARAÚJO, 1997).
34
2.4.2 A poluição da água
A água constitui o recurso natural mais abundante no planeta. Cobrindo ¾ de
superfície terrestre, forma biótopos como rios, lagos, lagoas, riachos, mares e oceanos, que
possibilitam a existência das biocenoses aquáticas. Apesar de toda abundância, apenas 3% é
água doce e, destes, apenas 1% está acessível na superfície. A água apresenta composição e
propriedades físico-químicas que se destacam pela sua importância ecológica. Devido ao
elevado calor específico que possui, absorve muito calor sem se aquecer em demasia,
contribuindo para amenizar o clima da Terra. A tensão superficial, na interface líquidogasoso, permite a vida próxima à superfície. Solvente universal, e é nesse meio que se
encontram dissolvidos sais minerais, matéria e gases essenciais à vida. É também nesse meio
que o homem lança os subprodutos das suas atividades, causando a sua degradação (ROCHA
et al, 2009).
Uma das causas da poluição das águas está relacionada ao desenvolvimento da
indústria como a siderúrgica e seus despejos complexos, com os mais variados poluentes. O
resultado disso é um alastramento da poluição não só em rios, riachos, lagos e ao longo das
praias, mas também nas fontes naturais subterrâneas. Desse modo, ao se encarar o problema
da poluição e a necessidade de corrigi-la, é preciso que se tenha presente em cada caso os
usos a que se destina a água. Para se assegurar um uso, ou um conjunto de usos, é necessário
que a mesma possua certas características mensuráveis, de natureza física, química e
biológica, dentro de padrões de qualidade para aquele uso. Uso e qualidade são fatores interrelacionados. Desta forma, sempre que alterações indesejáveis acarretarem a diminuição do
nível de qualidade da água tem-se consequência à qualidade de vida (REBOUÇAS et al,
2006).
Denomina-se eutroficação o processo resultante da fertilização das águas por despejos
orgânicos domésticos ou industriais, despejos de resíduos da agricultura, e poluição do ar. O
processo também pode ter origem natural, desencadeado pelo escoamento das águas de chuva
nos solos, que arrasta nutrientes para os corpos d'água, dando origem à eutrofização. Seja
eutrofização ou eutroficação, o processo caracteriza-se pelo envelhecimento precoce de um
corpo d'água, devido à grande quantidade de nutrientes. O processo ocorre da seguinte forma:
nas águas fertilizadas, nutrientes como nitrogênio e fósforo deixam de vincular como fatores
limitantes para organismos produtores, o que favorece a proliferação de algas. O aumento de
algas e, consequentemente, de oxigênio, leva também a um aumento na proliferação de
35
pequenos animais que as utilizam como alimento, e também de peixes que se nutrem desses
animais. O mecanismo pode ser encarado como uma reação em cadeia, de causas e efeitos
característicos, que têm como resultado a quebra do equilíbrio ecológico, pois passa a haver
mais produção de matéria orgânica do que o sistema é capaz de assimilar (BRAGA et al,
2005).
O aumento na produção primária tem como conseqüência um aumento na quantidade
de substâncias orgânicas no meio, cuja decomposição por microrganismos consome oxigênio.
Por outro lado, à noite, cessada a atividade fotossintetizante, as algas também passam a
consumir parte do oxigênio produzido durante o dia. Com a queda do oxigênio dissolvido na
água, surgem outros gases da atividade de bactérias anaeróbias, entre os quais, o gás
sulfídrico, a amônia e o metano. Estes, extremamente tóxicos para a maioria dos organismos
aquáticos, especialmente para os peixes, que morrem, aumentando a carga de matéria
orgânica no meio (FIORUCCI; BENEDETTI FILHO, 2005).
As principais técnicas utilizadas para controle e correção dos efeitos da eutroficação,
envolvem o seguinte processo: diminuição da entrada de agentes eutrofizantes. A contenção
do processo é uma tarefa das mais difíceis, que exige técnicas especializadas e apoio políticosocial dos mais importantes. Da tecnologia saem as medidas para o seu controle e do apoio
político as leis que viabilizam essas medidas (FERNANDES; FERREIRA, 2007).
2.5 Solidworks
O desenho é uma ferramenta imprescindível para o projetista. Uma nova estrutura,
uma nova máquina, um novo mecanismo, uma nova peça nasce da ideia de um engenheiro,
em geral sob a forma de imagens no seu pensamento. A descrição com o objetivo de
interpretar, analisar e estabelecer modos de intervenção no relacionamento dos espaços
implica uma atitude de representação gráfica, caracterizada por uma simbologia própria e,
consequentemente, uma linguagem própria. Pode-se afirmar que a representação gráfica é o
desenho técnico. O desenho deve ser considerado uma ferramenta de trabalho (NORTON,
2004).
O desenvolvimento da informática durante as últimas décadas tem desempenhado um
papel preponderante em todos os domínios da atividade humana, em especial na engenharia,
tanto no que diz respeito ao cálculo, como no que diz respeito ao desenho. A utilização cada
36
vez mais generalizada de sistemas de CAD com auxílio à concepção de projetos mecânicos
gerou um impulso sem precedentes no desenvolvimento industrial e da investigação. De um
modo sucinto, um sistema CAD consiste em um software que apresenta um conjunto de
comandos específicos para operações de desenho – linhas, polígonos, sólidos geométricos – e
sua manipulação – ampliação, deformação, mudanças de escala, translações. Os sistemas
CAD evoluíram para outra filosofia, baseada na representação paramétrica de modelos
tridimensionais. Os modelos passaram a ser mais detalhadamente representados, sendo fácil
obter imagem das peças em qualquer posição e com diferentes efeitos de visualização. Outro
aspecto é poder fazer a inserção de propriedades mecânicas específicas de cada material, ou
no caso de aço (ROCHA; GONÇALVES, 2011).
O SolidWorks é hoje em dia o software de CAD mais utilizado em todo o mundo. O
mesmo baseia-se na modelagem paramétrica, permitindo a criação de formas tridimensionais
a partir de formas geométricas elementares. No que diz respeito à interação com o programa
propriamente dito, a criação de um sólido – modelo – começa quase sempre com a definição
da topologia – ramo da geometria que se baseia na noção de um espaço não quantitativo e em
que apenas se consideram as relações de posição dos elementos das figuras – num esboço de
duas ou três dimensões. Essa topologia define a conectividade e alguns relacionamentos
geométricos entre vértices e curvas, em relação ao esboço (SPECK, 2011).
2.6 Modelagem da peça
Os aumentos constantes de material e energia e a tendências para a fabricação flexível
requerem que os processos de conformação dos metais sejam projetados e desenvolvidos com
uma mínima quantidade de tentativas e erros e com visão no desenvolvimento sustentável.
Por esta razão, as aplicações CAD se tornaram comuns na tecnologia de fabricação de
produtos de metais. O uso prático dessas técnicas requer um completo conhecimento das
principais variáveis de um processo e suas interações. Essas variáveis incluem geometria,
características do material, tolerâncias dimensionais, acabamento superficial, propriedades
mecânicas bem como o efeito do processo e do material no meio ambiente (SANTOS, 2001).
Com o surgimento no início da década de 90 da análise de projetos por meio de
desenhos assistidos por computador, CAD, com destaque para o SolidWorks, foi possível a
implementação da modelagem para analise de forças e pressões que atuam no
37
desenvolvimento de equipamentos mecânicos. Desta forma, estes programas foram
adaptando-se e evoluindo continuamente para atender as demandas das empresas e usuários
(THOMAS; CHARLES, 2005).
As grandes vantagens no uso do SolidWorks são na facilidade proporcionada na
comunicação entre os membros do projeto através da visualização das montagens e dos
princípios de solução em três dimensões (HENDERSON, 2005).
Assim, a tecnologia de simulação SolidWorks garante a qualidade e o desempenho do
projeto antes de executar a produção (SOLIDWORKS, 2012).
2.7 O método dos elementos finitos
Vários matemáticos desenvolveram teorias e técnicas analíticas para a solução de
problemas por mais de um século, porém, a evolução ficou praticamente estagnada, devido às
dificuldades e limitações no processamento de equações algébricas. Inicialmente, o método
dos elementos finitos (MEF) fora desenvolvido como um método de simulação, auxiliado
pela computação, para análises em estruturas aeroespaciais, porém, no final dos anos 60,
também, passou a ser utilizado em simulações de problemas não estruturais como fluídos,
termomecânica e eletromagnetismo. A partir de então, seu desenvolvimento foi exponencial,
sendo considerada hoje uma técnica conveniente e estável para a solução computacional de
problemas complexos nos diferentes campos da engenharia, da medicina, odontologia e áreas
afins (LOTTI et al, 2006).
No projeto de estruturas, o MEF tem por objetivo apresentar os resultados das tensões
e deformações de um sólido que apresenta geometria arbitrária, quando exposto a ações
externas – forças. O método que apresenta maior simplicidade e, consequentemente, maior
versatilidade é o método dos deslocamentos, utilizado neste estudo. As estruturas dos modelos
foram discretizadas em pequenos elementos denominados elementos finitos em um programa
específico para aplicação do MEF denominado de Simulation 2013 - SolidWorks. As
informações são transmitidas entre os elementos através dos nós (SOLIDWORKS, 2012b).
Cada nó apresenta um número definido de graus de liberdade, que representam a
forma como os nós irão deslocar-se no espaço. Os elementos representam coordenadas no
espaço, podendo assumir diversos formatos, sendo que neste estudo foi utilizado o formato
casca triangulares de segunda ordem. Quanto maior o número de elementos na etapa de
38
discretização mais precisa seria o estudo do modelo, como mostra a Figura 8. Os elementos de
casca triangulares de segunda ordem têm alta qualidade de solução. As arestas e as faces dos
elementos de casca de segunda ordem podem assumir formas curvilíneas no processo de
geração de malha, quando for necessário mapear geometrias curvas e/ou durante o processo
de deformação sob uma carga. Essa malha de elementos de casca, criada com elementos de
segunda ordem, mapeia com precisão a geometria curvilínea (CAMPOS, 2006).
No projeto de estruturas, o MEF tem por objetivo apresentar os resultados das tensões,
deformações e fator de segurança de um sólido que apresenta geometria arbitrária, quando
exposto a ações externas como forças ou pressões (BELYTSCHKO; FISH, 2009).
2.8 Solidworks Sustainability
Todo processo ou produto deve ser examinado visando seus efeitos ambientais, isto é,
em termos de poluição do ar, da água, e o uso de energia e recursos/escassez de materiais.
Além disso, deve-se levar em consideração a interface com os recursos humanos, em termos
de segurança humana e efeitos fisiológicos e psicológicos. Assim, consequentemente, a
introdução e uso de um produto ou processo devem ser antes considerados com vistas a esses
fatores. O SolidWorks Sustainability permite que você acesse uma ampla gama de fatores
ambientais durante o projeto do produto, assim podendo fazer ajustes para reduzir os impactos
ambientais do seu produto. Este é baseado na ciência da avaliação do ciclo de vida (LCA) –
metodologia formal de medição do impacto ambiental de um projeto sobre todo o seu ciclo de
vida, que abrange quatro itens principais: o material, a manufatura, o transporte e o fim de
vida útil (SOLIDWORKS, 2012c).
No ciclo de vida especificamente da produção do material – que neste estudo é o aço
A-36 – tem-se inicialmente a extração de matéria-prima. Isto inclui a energia e outros recursos
utilizados para adquirir os materiais básicos utilizados no produto, através da mineração. Esta
fase pode incluir materiais reciclados. Há também o processamento das matérias-primas na
qual são convertidas em subprodutos – aço líquido – para serem utilizadas para o a produção
do aço, como ocorre na fase da aciaria (JOILLET et al, 2003).
A manufatura corresponde à industrialização e nesta fase abrange partes de fabricação
tal como a laminação, a moldagem de metais, a soldagem e a usinagem. A montagem em
muitos casos dos produtos utiliza-se processos que vão para além da criação de componentes
39
individuais. Assim, avaliações de impacto ambiental aumentam significativamente em
complexidade. Qualquer energia utilizada ou emissões geradas, ou outros recursos afetados
diretamente pelo produto durante a sua utilização efetiva são contabilizados nesta fase – isto
inclui os resíduos que ocorre no contexto de utilização de um produto (COOPER; FAVA,
2006).
O transporte não é normalmente dado como uma fase do ciclo de vida, pois este ocorre
entre cada uma das fases do ciclo de vida, mas é uma consideração importante para dar conta
do impacto no ciclo de vida do produto. Em alguns casos, o transporte pode aparecer como
um componente separado do ciclo de vida, especialmente entre a montagem e utilização do
produto no consumo. Nos dias de hoje a maioria dos componentes, por exemplo, chapas de
aços, são feitos na Ásia especificamente na China, ou seja, depois que o produto é
produzido/montado na Ásia, ele é enviado de navio para o mercado consumidor (JOILLET et
al, 2003).
Uma vez que o produto não é mais usado, ele chegou ao fim da vida. Isso geralmente
significa que o produto não é mais utilizável. Esta fase é geralmente dividida em três
correntes resultantes: a fração de um produto que está sendo enviado para o aterro, a
incineração, e para reutilização ou reciclagem.
Embora a responsabilidade social e ambiental seja pouco desenvolvida (LEANDRO;
REBELO, 2011), muitas empresas estão descobrindo que o projeto sustentável é ‘um bom
negócio’. Assim, as empresas estão encontrando novas maneiras de diminuir o consumo
materiais, os custos de energia, para aumentar a receita. Uma forma de atingir este objetivo é
através das inovações de novos produtos. Altos executivos das indústrias destacam que o
projeto é o mecanismo mais importante para suas empresas interagir com a sustentabilidade
(LEWIS; GERTSAKIS, 2001).
2.9 Modelagem/elaboração do projeto do tanque
Para a indústria, os projetos de desenho assistido por computador – CAD –, se fazem
essencial o design, a quantificação do peso, a forma geométrica de produto mecânico e seu
desenvolvimento no processo. Nos tempos atuais, a modelagem 3D em CAD oferece muitas
vantagens competitivas extras como menor custo, maior confiabilidade e segurança, maior
precisão nos detalhes e produz modelos de peças de engenharia para comparação com modelo
40
físico. A tecnologia 3D apóia diretamente a concepção do produto, do ciclo de vida e de
desenvolvimento do processo. Desta forma, aumenta a produção, através da redução de
muitos erros em projetos, com a utilização de um programa CAD como o SolidWorks. Sendo
que este leva em consideração o ciclo de vida do produto, criando ou estimulando o
desenvolvimento sustentável (RINEIRO; DIAS, 2006).
A fase do projeto conceitual é considerada uma das fases mais importantes no
desenvolvimento de um projeto onde as decisões tomadas afetarão diretamente as fases
posteriores. Portanto, nesta fase do projeto a utilização da modelagem apresenta grande
relevância (REIS et al, 2003).
41
3 MATERIAIS E MÉTODO
3.1 Aço A-36
O aço carbono, representado simbolicamente por ASTM A-36, é muito utilizado na
forma de chapa. Este aço é empregado para aplicação em componentes estruturais onde as
propriedades físicas são bem definidas para permitirem sua utilização em projetos que exigem
dobramento e boa soldabilidade. Na forma de chapa este tem resistência dentro das normas de
seguranças estabelecidas, aplicadas em componentes estruturais variados, desde os mais
comuns até os mais elaborados tais como: galpões, estruturas de máquinas, locomotivas,
pontes, edifícios de andares múltiplos e caminhão tanque, ou seja, onde o projeto exige
racionalidade e leveza arquitetônica (SCHAEFFER, 2001; BIDERMAN; BETIOL, 2011).
O Quadro 2 mostra uma composição química típica de um aço ASTM A-36, com seus
principais elementos constituintes.
Quadro 2 Composição química do aço A-36
C(Max) (%) Mn(Max) (%) Si(Max) (%) P(Max) (%) S(Max) (%)
0,25
0,8/1,20
0,40
0,04
0,05
Fonte: Elaborado pelo autor
3.2 Ensaio mecânico
Em qualquer projeto de componentes mecânicos existem características que devem ser
consideradas para resistirem às forças impostas sobre esses componentes. O comportamento
de um componente mecânico submetido a forças quaisquer informa as características
mecânicas dos materiais. A informação necessária provém do laboratório nos quais os
materiais são sujeitos à ação de forças preestabelecidas. Esses laboratórios realizam os testes
ou ensaios, que reproduzem com fidelidade as condições de carregamento à qual determinado
42
componente mecânico estará submetido. Um teste que informa as características de um
material é o ensaio de tração (SOUZA, 1982).
O ensaio de tração é um método para determinar o comportamento de materiais
solicitados por carregamento uniaxial. Desta forma, mede-se a variação do comprimento do
corpo de prova como função da aplicação da carga. O equipamento fornece dados
quantitativos de tensão e deformação. A Figura 3 mostra uma máquina de ensaio de tração
universal – Modelo WDW30CE; Fabricante Time/Arotec; Capacidade de ensaio de 6 a 300
kN – que pertencente ao Laboratório de Ensaios Mecânicos da Unidade do CEFET-MG
Campus Varginha que foi utilizado para realização do ensaio.
Figura 3 Fotografia de uma máquina de ensaio tração com zoom no equipamento de fixação
Fonte: Arquivos da unidade do CEFET-MG
A Figura 4, na sequência, mostra uma fotografia do corpo de prova antes do ensaio.
Para este experimento foram utilizados corpos de prova com diâmetro inicial médio de 6 mm
e foram ensaiados na velocidade de ensaio 2 cm/min. Foram realizados três ensaios de tração
no aço A-36
43
Figura 4 Corpo de prova de um aço A-36
Fonte: Elaborada pelo autor
3.2.1 Ensaio de tração
Muitas vezes um problema para determinar qual aço utilizar é saber selecionar qual
aço tem a correta combinação de características para uma aplicação específica. Portanto, as
pessoas que estão envolvidas na tomada de decisão devem ter algum conhecimento das
opções disponíveis. Um dos ensaios mecânicos mais comuns é executado sob tração. A
facilidade de execução e a reprodutibilidade dos resultados tornam esse ensaio um dos mais
importantes. Podem-se avaliar diversas propriedades dos materiais, tais como o módulo de
elasticidade e o limite de escoamento, que são importantes em qualquer projeto mecânico
(VAN VLACK, 1984).
Desta forma, o ensaio de tração consiste em submeter um material a um esforço que
tende a alongá-lo de um comprimento inicial ‘l0’ para um comprimento final maior que o
inicial denominado de ‘li’. Destaque-se que a aplicação de uma força ‘F’ num corpo-de-prova
sólido promove uma deformação na direção do esforço. O corpo-de-prova é fixado numa
máquina de ensaio que aplica esforços crescentes na direção axial, sendo medidas as
deformações correspondentes por intermédio de um aparelho especial, extensômetro. As
forças são medidas na própria máquina e o corpo-de-prova pode ou não ser levado até a sua
ruptura (DIETER, 1981).
As deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas, pelo menos
até ser atingida uma força máxima próxima do final do ensaio. A uniformidade da deformação
permite obter medições precisas da variação dessa em função da tensão aplicada
(CALLISTER, 2002).
Essa variação é determinada pelo traçado da curva tensão versus deformação,
conforme a Figura 5, a qual pode ser obtida diretamente pela máquina de ensaio de tração.
44
Figura 5 Curva tensão versus deformação, com seus pontos característicos
Fonte: Elaborada pelo autor
Alguns
materiais
apresentam
características
plásticas,
outros
apresentam
características elásticas e um terceiro grupo apresenta características dos dois tipos. O aço é
um exemplo, pois até uma determinada tensão, ele é um material elástico, e a partir de uma
determinada tensão específica, começa a apresentar características dos efeitos de material
plástico, como mostra a Figura 5. No comportamento elástico o aço volta a sua forma
primitiva, uma vez cessada a causa determinante da sua deformação, ou seja, a força. A
deformação elástica é reversível. Pode-se afirmar que a deformação é proporcional à tensão
aplicada. No comportamento plástico os aços que sofrem deformações devido a atuação da
força geram no interior do corpo de prova tensões. A deformação plástica é o resultado de um
deslocamento permanente dos átomos que constituem o material e, portanto, difere da
deformação elástica, onde os átomos mantêm suas posições relativas (SHIGLEY et al, 2005).
Ao se aplicar uma força normal de tração em um corpo de prova de aço A-36, ele irá
apresentar o diagrama da Figura 5, onde os pontos I, II, III, IV e V apresentam as seguintes
características: o ponto I, indica o limite de proporcionalidade, até este ponto tem-se uma reta;
o ponto II caracteriza o limite de elasticidade, que se resume em retornar ao tamanho inicial
assim que a força deixa de agir; o ponto III, o limite de escoamento, que se caracteriza pela
45
perda da propriedade elástica do material; o ponto IV é o limite de resistência, que se resume
em maior tensão que o corpo pode suportar; o ponto V é o rompimento do corpo ou tensão de
ruptura (MELCONIAN, 1999).
Tensão é definida como a resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada
sobre ele, em uma determinada área de secção transversal. Sendo ‘F’ uma força aplicada no
eixo longitudinal do corpo-de-prova e ‘A0’ corresponde à área da secção transversal inicial do
corpo-de-prova. A tensão tem a dimensão de força por unidade de área (N/mm2 no SI)
(HIBBELER, 2004).
A tensão é calculada pela Equação 1:
Equação 1 Equação de tensão
Deformação é a variação de uma dimensão longitudinal quando o corpo-de-prova é
submetido a um esforço que modifica a sua geometria. Matematicamente a deformação é a
razão entre a variação da dimensão considerada pela dimensão inicial que o corpo
apresentava. Sendo ‘l0’ o comprimento inicial do corpo-de-prova, e ‘li’ o comprimento final
do corpo-de-prova. A deformação é uma grandeza adimensional (VAN VLACK, 1984).
A Equação 2 refere-se à deformação:
Equação2 Equação de deformação
O Módulo de Elasticidade (E), também conhecido como Módulo de Young, é a razão
dada entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. O módulo de elasticidade é a
medida da rigidez do material, ou seja, quanto maior o seu valor em módulo, menor será a
deformação elástica e mais rígida será o metal. O módulo de elasticidade é determinado pelas
forças de ligação entre os átomos de um metal (DONALD; PRADEEP, 2008).
A reta que liga a origem até o ponto I da Figura 5 correspondente à região elástica. O
modulo de elasticidade está relacionado com a tensão e a deformação de acordo com a
Equação 3:
46
Equação3 Equação módulo elasticidade
O escoamento compreende a região onde se inicia uma transição heterogênea e
localizada entre a região elástica e plástica. Neste estágio o corpo-de-prova começa a ter as
suas dimensões modificadas. Inicialmente, tem-se um limite de tensão superior de escoamento
onde os defeitos no interior do material denominado por discordâncias começam a se
movimentar no interior da matriz metálica. Após o início da movimentação, a tensão decai até
o limite inferior de escoamento e as discordâncias/defeitos continuam se propagando por todo
extensão do comprimento submetido à força (LEMAITRE; CHABOCHE, 2012). Os pontos II
e III da Figura 5 caracterizam esse comportamento na curva tensão versus deformação.
Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica cresce
até um máximo, ponto IV na Figura 5 e a seguir decresce até a fratura, ponto V. O limite de
resistência à tração é a tensão no máximo na curva de tensão versus deformação. Isto
corresponde à tensão máxima que pode ser suportada por uma estrutura em tração; se esta
tensão é aplicada e mantida, a fratura acontecerá. Toda deformação até este ponto IV é
uniforme aplicada em toda a região mais estreita do corpo de prova de tração. Entretanto,
nesta tensão máxima, uma pequena constrição ou pescoço começa a se formar e toda
subsequente deformação é confinada neste pescoço, como indicado pelas amostras
esquemáticas inseridas na Figura 5 entre os pontos IV e V. Este fenômeno é denominado
estricção, e a fratura finalmente ocorre no pescoço. A resistência à fratura ou resistência à
ruptura corresponde à tensão na fratura (HIBBELER, 2004; CALLISTER, 2002).
Tomando como referencia eixos nas direções x, y e z e quando uma tensão de tração é
imposta sobre um corpo de prova, há um alongamento longitudinal elástico e sua deformação
correspondente é εz – deformação axial – resultante na direção da tensão aplicada. Como
resultado deste alongamento, haverá constrições nas direções laterais x e y perpendiculares à
tensão aplicada; a partir destas contrações, as deformações compressivas εx e εy – deformação
laterais – podem ser determinadas (COUTINHO, 1992). O parâmetro denominado coeficiente
de Poisson (ν) é definido como a razão entre as deformações lateral e axial e pode ser
calculado pela Equação 4:
47
Equação 4 Equação do coeficiente de Poisson
3.3 Modelagem no Solidworks
A modelagem que será desenvolvida no trabalho será feita em três dimensões (3D), ou
seja, nos eixos x, y e z com auxilio do software SolidWorks. O modelo desenvolvido servirá
para gerar informação como as propriedades mecânicas de resistência do aço, o peso do
produto, e suas dimensões. Outro aspecto associado a ferramenta de CAD para o software
SolidWorks é seu suplemento Sustainability. Esta fornece avaliação de projeto sustentável
com base no ciclo de vida do projeto mecânico ou da peça, conforme mostra a Figura 6
(BOCCHESE, 2007).
Figura 6 Esquema mostrando o ciclo de vida do projeto do seu suplemento Sustainability
Fonte: Elaborada pelo autor
Com base no esquema apresentado, podem-se avaliar os indicadores por todo o ciclo
de vida do projeto, desde a matéria-prima e produção, até a utilização e o fim da vida útil.
48
3.4 Programa SolidWorks
Com a utilização do programa SolidWorks no projeto mecânico torna-se possível a
execução de desenhos em três dimensões, modelamento de peças, montagens de várias
concepções para a construção de protótipo do projeto e simulações numéricas do
comportamento do projeto em relação ao material. A modelagem de sólidos permite a redução
do ciclo de desenvolvimento dos produtos, desde sua concepção até a sua produção para o
mercado. Aliada a um sistema flexível de manufatura, possibilita a personalização de
produtos, fabricação de produtos em pequenas séries sem uma penalização excessiva nos
custos.
Nesta parte do trabalho tem-se por objetivo principal demonstrar o projeto de um
tanque de transporte de líquidos nas suas varias vistas ou perspectivas por meio da Figura 7.
Figura 7 Vistas e perspectivas de um tanque de transporte de líquidos
Fonte: Elaborada pelo autor
49
Ressalta-se que mais informações ou detalhes dimensionais do projeto é mostrado no
Anexo 1 deste estudo.
A partir do tanque projetado utilizou-se o SolidWorks Simulation como ferramenta de
simulação que testa a resistência e segurança do material; como no mundo real para ajudar a
tomar decisões que melhorem a qualidade do produto. Esta ferramenta de análise abrangente
permite testar modelos digitalmente. Desta forma, obtém-se informações que poderão
determinar os métodos para reduzir o peso e os custos de materiais, melhorar a durabilidade e
capacidade de fabricação, otimizar margens e comparar alternativas do projeto para atender
melhor às exigências específicas do produto.
No tanque projetado foi realizada analise estrutural em relação aos parâmetros de
tensão, depois deformação e finalmente o fator de segurança. As analises foram feitas
utilizando uma simetria do tanque para facilitar o processamento matemático dos dados. Estes
parâmetros são gerados no material devido à aplicação da gravidade e de uma massa
distribuída de 20.000 kg. Nestes modelos foram utilizado sempre o aço A-36 e com uma
variação de espessura da chapa do tanque de 12, 8, 6 e 4 mm.
3.5 O método dos elementos finitos
Os deslocamentos são as principais incógnitas do MEF e, a partir deles, calculam-se as
deformações e tensões atuantes no estudo. Os elementos continuam conectados aos nós, após
o deslocamento, e estão sujeitos aos mesmos componentes de deslocamento. Para as análises
dos modelos experimentais, é utilizada a tensão equivalente de Von Misses para comparar
com a tensão de escoamento do material, podendo-se, posteriormente, obter um fator de
segurança.
A análise estrutural através do MEF sempre parte de um modelo de geometria 3D, e
avança para o pré-processamento, onde ocorre a definição dos materiais envolvidos, das
condições de contorno e da discretização da geometria – conforme Figura 8. Após essa etapa,
é gerada a solução e o pós-processamento que é a avaliação dos resultados obtidos (ALVES,
2007).
50
Figura 8 Modelo discretizado em elementos finitos
Fonte: Elaborada pelo autor
Foram consideradas neste estudo, apenas análises no regime linear do material, o qual
nos garante uma segurança maior e possível de ser calculada, através do método numérico
existente no programa Simulation do SolidWorks, que opera conforme as equações mostradas
anteriormente.
3.6 Solidworks Sustainability
O software leva em consideração quatro principais indicadores ambientais: a pegada
de carbono, a energia total consumida, o impactos ao ar e impactos à água. A pegada de
carbono é uma medida das emissões de dióxido de carbono e equivalentes, como monóxido
de carbono e o metano, que são liberadas na atmosfera principalmente pela queima de
combustíveis fósseis. O consumo de energia leva em consideração todas as formas de energia
não renovável consumidas durante todo o ciclo de vida do produto. A acidificação do ar
considera as emissões ácidas, como dióxido de enxofre e óxidos nitrosos, que levam à
ocorrência de chuvas ácidas prejudicando a qualidade de vida do ecossistema. A eutrofização
da água analisa a contaminação dos ecossistemas aquáticos por águas residuais e de
fertilizantes, resultando na abundância de algas e na eventual morte da flora e fauna aquática
(SOLIDWORKS, 2012c).
51
Outra importante característica do software, para efeito da sustentabilidade, esta na
seleção da região da terra – país determinado para as etapas de extração do material, da
manufatura, do transporte e do fim da vida útil. Devido ao fato de se viver em um mundo com
economia global as figuras esboçadas no resultado deste estudo irão também mostrar a
condição da chapa de aço de 6 mm se produzida na China (CHN) para efeito de comparação
com o Brasil.
52
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O desenvolvimento do produto sustentável é uma escolha mais responsável que pode
causar mudanças em outras áreas como a criação de uma sociedade mais sustentável
globalmente. Para o desenvolvimento deste projeto foi elaborado um cronograma de ensaios
laboratoriais, dividido conforme etapas: (1) realização do ensaio de tração; (2) obtenção de
dados pela interpretação da curva tensão versus deformação gerada no ensaio de tração,
modelagem/projeto do tanque utilizando software de CAD SolidWorks;(3) inclusão dos dados
obtidos no ensaio de tração no software; (4) simulações com alteração das propriedades
dimensionais do material para avaliação de resistência e finalmente o impacto ambiental do
material.
4.1 Ensaio de tração
As propriedades mecânicas constituem uma das características mais importantes dos
metais em suas várias aplicações na engenharia, visto que o projeto e a fabricação de produtos
se baseiam principalmente no comportamento destas propriedades. A determinação das
propriedades mecânicas dos materiais é obtida por meio da análise e interpretação da curva
tensão versus deformação gerada no ensaio mecânico de tração. A Figura 9 mostra a curva
tensão versus deformação para o aço A-36.
Tensão (MPa)
600
500
400
300
200
100
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40
Deformação (%)
Figura 9 Curva tensão versus deformação do aço A-36
Fonte: Elaborada pelo autor
53
Com a análise dos dados da curva versus deformação apresentada na Figura 9 e as
equações previamente apresentadas na metodologia são gerados os dados característicos do
aço A-36, sendo estes: módulo de elasticidade que pode ser pensado como a rigidez ou uma
resistência do material à deformação elástica; o coeficiente de Poisson que é definido como a
razão entre as deformações lateral e axial; o módulo cisalhante – ou modulo transversal – que
representa a ação da carga cortante; o limite de escoamento que caracteriza a perda da
propriedade elástica do material; e o limite de resistência ou tensão de ruptura que representa
a maior tensão que o corpo pode suportar (CALLISTER, 2002). Tais valores são exibidos
através do Quadro 3.
Quadro 3 Dados característicos do aço A-36
Propriedade
Aço A-36
Unidade
Módulo de elasticidade
200000
N/mm2
Coeficiente de Poisson
0,26
-
79300
N/mm2
Limite de escoamento
250
N/mm2
Resistência a tração
400
N/mm2
Módulo de cisalhamento
Fonte: Elaborado pelo autor
Após a determinação das propriedades mecânicas do aço A-36 estas foram utilizados
na modelagem/projeto do equipamento, ou seja, em um tanque para transporte de líquido.
Assim, essa etapa que caracteriza o comportamento aço influencia diretamente nas respostas
das aplicações das forças, garantindo desta forma, a fidelidade dos resultados.
4.2 Modelagem/elaboração do projeto do tanque
Atualmente, organizações privadas ou estatais primam por difundir diretrizes do
desenvolvimento sustentável em todos os tipos de ação empresarial, principalmente, na gestão
de projetos relacionados a produtos. Tais projetos justificam a organização perante o mercado
consumidor. Estes são os responsáveis pelos impactos positivos e negativos em termos
econômicos, ambientais e sociais (ALMEIDA, 2007).
54
A Figura 10 mostra o projeto de um tanque de transporte de líquidos em uma vista
isométrica, sendo realizado um corte nos planos XY e YZ. Destaca-se que o plano YZ será
usado como plano de simetria. Ainda, tem-se um ‘zoom’ na curvatura da tampa lateral do
tanque com um corte no plano YZ.
Figura 10 Vistas e perspectivas de um tanque de transporte de líquidos
Fonte: Elaborado pelo autor
Passa-se então para uma discussão da importância deste modelo de transporte.
Destaca-se neste ponto que o aço A-36 é um produto essencial para este equipamento. O
objetivo desta discussão é mostrar a importância se ter a economia de consumo de aço para
este meio de transporte.
O transporte é um dos serviços essenciais para o processo logístico, sendo assim deve
atender à demanda de maneira rápida, segura e econômica. São quatro os modais de
transportes básicos utilizados: aéreo, ferroviário, rodoviário e aquaviário. O modal rodoviário
possui grande importância por participar da complementação dos demais modais de transporte
no Brasil. A malha rodoviária Brasileira apresenta três características destacadas a seguir:
Interligações de centros urbanos; interligação do interior com o litoral; rodovias alimentadoras
nas zonas agrícolas. O rodoviário possui baixos custos fixos e níveis médios de custo variável.
Os atributos são definidos como: o atributo de velocidade que se refere ao tempo em que a
carga permanece no percurso; o atributo da disponibilidade é a flexibilidade do transporte em
atender ‘ponta a ponta’; o atributo da confiabilidade que é o nível de capacidade do modal de
atender as programações de entrega esperadas. Já o atributo de capacidade indica a
55
possibilidade de atender diferentes tipos e tamanhos de carga e a frequência que está
relacionada à quantidade de movimentação programada (FIGUEIREDO et al, 2006).
4.3 Análise da resistência do tanque projetado
Na área de equipamentos mecânicos, vários avanços tecnológicos têm sido
implementados no que diz respeito à modelagem do projeto, principalmente, devido à
necessidade de antever a ocorrência de certos eventos indesejáveis como a deformação
plástica. Portanto, executam-se as modificações necessárias, ainda nas fases iniciais do
projeto. Destacando-se que tal fato anteriormente só era possível de ser verificado após a
fabricação de um protótipo.
Este estudo tem o propósito de apresentar a análise apenas no quesito estrutural, para
evitar rompimento do equipamento, garantindo assim, a segurança do produto. Desta forma,
apresenta uma análise individual e comparativa realizada pelo MEF, entre quatro formas
construtivas diferentes de tanques utilizados no transporte rodoviário por caminhões. O MEF
é uma análise matemática que consiste na discretização de um meio contínuo em pequenos
elementos, mantendo as mesmas propriedades do meio original. Esses elementos são descritos
por equações diferenciais parciais e resolvidos por modelos matemáticos, geralmente
amparados por recursos computacionais, para que sejam obtidos os resultados esperados
(SORIANO, 2009).
Os resultados são mostrados em um conjunto de vistas isométrica do tanque. As
Figuras 11 a 28 mostram os modelos com analise estrutural em relação aos parâmetros de
tensão, depois deformação e finalmente o fator de segurança. As analises foram feitas
utilizando uma simetria do tanque para facilitar o processamento matemático dos dados. Nas
legendas, os parâmetros variam de valores adequados (coloração em azul) até valores críticos
(coloração em vermelho). Estes parâmetros são gerados no material devido a aplicação da
gravidade e de uma massa distribuída de 20.000 kg. Nestes modelos foram utilizado sempre o
aço A-36 e com uma variação de espessura da chapa do tanque de 12, 8, 6 e 4 mm.
Os modelos do tanque projeto são mostrados nas Figuras 11 a 23 com um corte no
plano XY, pois este é um plano de simetria. Assim, destaca-se que devido ao fato de utilizar
metade do tanque para analise deve desconsiderar as bordas do plano de simetria para efeitos
dos parâmetros de tensão, da deformação e fator de segurança.
56
4.3.1 Análise da tensão atuante na chapa de Aço A-36
O conjunto de Figuras 11 a 14 mostram a variação da tensão de zero – mínimo em
azul – até 700 N/mm2 – máximo em vermelho – com o valor do limite de escoamento no
valor de 250 N/mm2. Pode-se afirmar de uma forma geral que em nenhuma destas figuras há
uma coloração que mostre uma ultrapassagem no valor acima do limite de escoamento, ou
seja, não se atingiu a região plástica do material. Desta forma a variação de espessura da
chapa do tanque de 12, 8, 6 e 4 mm apresentam a mesma resistência do material quando
submetidas a mesma aplicação do peso. Na Figura 14 há uma coloração esverdeada na região
da curvatura do tampão lateral do tanque. O que sugere uma região crítica do tanque. Assim,
está região tem que ser analisada conjuntamente com a deformação e o fator de segurança
para verificar se o tanque de aço irá deformar além do campo elástico.
Figura 11 Tanque com 12 mm de espessura mostrando comportamento da tensão
Fonte: Elaborada pelo autor
57
Figura 12 Tanque com 8 mm de espessura mostrando comportamento da tensão
Fonte: Elaborada pelo autor
Figura 13 Tanque com 6 mm de espessura mostrando comportamento da tensão
Fonte: Elaborada pelo autor
58
Figura 14 Tanque com 4 mm de espessura mostrando comportamento da tensão
Fonte: Elaborada pelo autor
4.3.2 Análise da deformação atuante na chapa de Aço A-36
Em relação ao comportamento de deformação do tanque projetado em função de uma
chapa de aço A-36 são demonstrados nas Figuras 15 a 18. Para interpretar se a chapa de aço
A-36 está sofrendo deformação, além do campo elástico, temos que analisar em conjunto com
o gráfico da curva tensão versus deformação da Figura 19. Relembrando que esta curva é
dividida basicamente em duas regiões em relação à deformação. Uma região inicial que
caracteriza o comportamento elástico, no qual o material volta a sua forma original após
cessar a aplicação da carga. Este comportamento é expresso matematicamente por uma reta
para a relação tensão versus deformação. Posteriormente tem-se o comportamento plástico
onde o material não volta a sua forma original. Para uma melhor visualização da Figura 9 foi
feito um ‘zoom’ próximo ao ponto (0,0) do eixo cartesiano como mostrado na Figura 19, o
eixo da deformação que caracteriza o campo elástico vai até o valor limite de 0,0033.
59
Figura 15 Tanque com 12 mm de espessura mostrando comportamento da deformação
Fonte: Elaborada pelo autor
Figura 16 Tanque com 8 mm de espessura mostrando comportamento da deformação
Fonte: Elaborada pelo autor
60
Figura 17 Tanque com 6 mm de espessura mostrando comportamento da deformação
Fonte: Elaborada pelo autor
Figura 18 Tanque com 4 mm de espessura mostrando comportamento da deformação
Fonte: Elaborada pelo autor
61
Quando se compara os valores da deformação Figura 19 com os valores dados pelas
variações de cores de um mínimo – coloração em azul – até um máximo de 0,003 de
deformação – coloração em vermelho – das Figuras 15 a 18 pode-se afirmar que o material só
tem a ação de cargas que geram deformação elástica. Em relação a Figura 18 pode-se
observar na variação de cores em que a deformação atingiu um valor máximo de 0,0023.
Observando este valor de deformação no gráfico da Figura 19 concluí-se que esta deformação
está no campo elástico.
600
Tensão (MPa)
500
400
região
elástica
300
200
100
0
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010
Deformação
Figura 19 Gráfico mostrando em destaque a região elástica
Fonte: Elaborada pelo autor
4.3.3 Análise do fator de segurança para a chapa de Aço A-36
Para uma melhor analise do comportamento do tanque projetado torna-se necessário
mais informações além da tensão e deformação, tal como, o fator de segurança.
Para projetos mecânicos as tolerâncias de projeto devem ser feitas para proteger-se
contra uma falha não prevista. Assim para as incertezas da magnitude das cargas aplicadas em
serviço, deve-se levar em consideração o conceito de tensão admissível. A tensão admissível
está baseada no limite de escoamento do material e é definida como sendo o limite de
escoamento dividido por um fator de segurança N. Desta forma, a escolha de um apropriado
valor de N é necessária. Quando se tem N demasiado grande, então resultará um
superdimensionamento do componente, isto é, demasiada quantidade de material ou uma liga
tendo uma resistência maior do que a necessária para uso. Para fator de segurança valor 1
corresponde que a tensão de escoamento é igual a tensão admissível, sendo que este valor é
62
considerado como crítico, pois pode levar a deformação plástica do material. Valores
normalmente usados variam entre 1,2 e 3; um bom valor médio é 2,0. Para seleção de N
dependerá de um número de fatores, incluindo a experiência anterior do projetista, economia e
o desenvolvimento sustentável (NORTON, 2004).
Portanto, a tensão admissível, ou seja, o fator de segurança está baseado no limite de
escoamento do material, se a tensão aplicada for próxima, ou maior do que a tensão de
escoamento do material, o fator de segurança poderá ser menor do que 1. Quanto mais o valor
da tensão admissível se afasta do valor da tensão de escoamento maior e o valor do fator de
segurança.
A seguir são mostrados os resultados nas Figuras 20 a 23 para o fator de segurança dos
modelos de tanque gerados nas simulações numéricas do SolidWorks. Observa-se uma
variação de cores do valor 0,1 em vermelho até o valor 5 em azul.
Figura 20 Tanque com 12 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança
Fonte: Elaborada pelo autor
63
Figura 21 Tanque com 8 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança
Fonte: Elaborada pelo autor
Figura 22 Tanque com 6 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança
Fonte: Elaborada pelo autor
64
Figura 23 Tanque com 4 mm de espessura mostrando os valores do fator de segurança
Fonte: Elaborada pelo autor
Pode-se observar que nas Figuras 20 a 22, o comportamento do material está para
valores de 4 a 5 – o que indica que o material está superdimensionado. Observação deve ser
feita que nas Figuras 21 e 22 na região de curvatura lateral do tanque tem-se valores do fator
de segurança entre 2 a 4, mas que ainda estão dentro dos parâmetros de engenharia aceitável.
Para a Figura 23 tem-se na região de curvatura lateral do tanque valores para o fator de
segurança entre 1 e 2. Estes valores têm indicativos de atenção especial, que deve ser feita
através de uma manutenção preventiva, como a observação do surgimento de pontos de
corrosão. Quando se compara conjuntamente os valores da tensão, deformação e do fator de
segurança para está figura pode-se afirmar que não há indicação de se atingir a região de
deformação plástica. Desta forma, pode-se afirmar que não há uma carga que gere uma tensão
maior que a do limite de escoamento e também que a deformação atuante na chapa do aço A36 é só elástica.
O conjunto de Figuras 11 ate 23 mostram os modelos com uma variação de espessura
da chapa do tanque de 12, 8, 6 e 4 mm utilizando o aço A-36. Nestes modelos foram feitas
analises estrutural em relação aos parâmetros de tensão, depois deformação e o fator de
segurança.
65
A Figura 24 mostra a variação de massa do projeto do tanque em relação às diferentes
espessuras. Pode-se afirmar que todos apresentam praticamente as mesmas características em
relação a esses parâmetros estruturais, ou seja, a chapa não vai deformar plasticamente. Desta
forma, pode-se utilizar a chapa de menor espessura para fazer o projeto do tanque, pois está
apresenta uma menor massa. Assim teremos um melhor aproveitamento do aço em
conformidade com as necessidades estruturais do projeto e idealizando um projeto com
desenvolvimento sustentável.
Figura 24 Massa do tanque projetado para diferentes espessuras de chapa de aço A-36
Fonte: Elaborada pelo autor
4.4 Análise da sustentabilidade do tanque projetado
A idéia de ‘projeto sustentável’ está aparecendo cada vez mais em produtos industriais
nos dias de hoje. Assim, os engenheiros e projetistas estão querendo incorporar os princípios
de sustentabilidade em seus projetos.
Com o objetivo de tornar o aço um material mais ecológico, as grandes siderúrgicas
mundiais estão implementando várias medidas no sentido da preservação ambiental. Os
aspectos de maior preocupação são basicamente a diminuição do consumo de energia e a
redução da emissão de poluentes. Para este propósito é essencial a eficiência dos aços e que
estes sejam consumidos em menor quantidade, assim, estes materiais têm que possuir a maior
66
resistência mecânica, juntamente com a diminuição da sua dimensão de espessura o que
ocasiona um menor peso do material.
Uma consideração importante na avaliação da sustentabilidade de um produto é o
intuito das análises, geralmente descritas pela avaliação do impacto do ciclo de vida do
produto. Não existe um ciclo de padrão, embora certamente há alguns que são mais
comumente usado.
Neste trabalho, o ciclo de vida dos modelos com uma variação de espessura da chapa
do tanque de 12, 8, 6 e 4 mm, utilizando o aço A-36, foram medidos em relação: ao material
que leva em consideração a produção do aço; a manufatura, ou seja, a etapa de fabricação do
produto em processo; o transporte que considera do local onde o material produzido até o
local onde é manufaturado; e o fim de vida útil que é período em que o material não está
sendo utilizado. Essa medição foi feita em relação a dados do Brasil conforme mostram o
conjunto de Figuras 25 a 28. Devido ao fato de se viver em um mundo com economia global
estas figuras também mostram se a chapa de aço de 6 mm fosse produzida na China (CHN)
para efeito de comparação com o Brasil.
4.4.1 Análise da sustentabilidade para pegada de carbono
Pode-se observar de uma forma geral que na Figura 25, na sequência, em formato de
gráfico de pizza que quanto menor a espessura da chapa menor é a geração de CO2 para a
atmosfera. Assim, tem-se uma diminuição do dióxido de carbono e outros gases que resultam
da queima de combustíveis fósseis. Desta forma, como estes não se acumulam em grandes
proporções na atmosfera a temperatura média do planeta não aumentará. Observa-se nestas
figuras que a pegada de carbono em relação ao ciclo de vida do material no Brasil e na China
é praticamente a mesma. Isto pode ser explicado provavelmente devido ao fato do setor
siderúrgico ter os processos produtivos em grande escala e muito semelhantes.
Inicialmente, compara a pegada de carbono para o material em relação a variável
espessura. Quanto maior for a espessura do material, chapa do tanque, maior será a
quantidade de emissão de CO2. No estudo comparativo entre o material, chapa de 6 mm
extraído no Brasil e na China, não há diferença no impacto ambiental, geração de CO2. Nessa
fase, somente o minério é retirado da jazida, não há conversão em aço, portanto, valores
iguais.
67
Na sequência, tem-se a pegada de carbono para a manufatura em relação as várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de emissão de CO2. Para a manufatura tem-se a etapa de utilização do alto forno,
na qual tem-se a transformação de carga sólida, composta por minério de ferro, coque ou
carvão vegetal em aço assim gerando emissões de CO2. No estudo comparativo entre o
material, chapa de 6 mm extraído no Brasil e na China, há uma diferença significativa no
impacto ambiental, geração de CO2. Esta diferença é explicada devido ao processo de
fabricação do aço. Na China obtêm-se o aço a partir do carvão mineral, com alto teor de
concentração de carbono.
Posteriormente, tem-se a pegada de carbono para o transporte em relação as várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será o peso a
ser transportado, gerando maior consumo de combustível, óleo diesel, gerando maior
quantidade de CO2 para a atmosfera. No estudo comparativo entre o material, chapa de 6 mm
extraído no Brasil e na China, há uma diferença significativa no impacto ambiental, geração
de CO2. Isto é devido ao programa Sustainability Xpress, disponibilizar o transporte no Brasil
de caminhão enquanto que na China ele é feito de navio, com maior volume de aço
transportado, de menor impacto ambiental.
Por fim, na mesma figura, tem-se a pegada de carbono para fim da vida útil em relação
as várias espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior
será a quantidade de emissão de CO2. Define-se como fim da vida útil, o período em que o
material não está sendo utilizado, mas com continua liberação de CO2. Isto implica que, um
material com maior espessura, irá contribuir com maior liberação de CO2. No estudo
comparativo entre o material, chapa de 6 mm produzidas no Brasil e na China, há uma
diferença significativa no impacto ambiental, geração de CO2. Isto é devido ao programa
Sustainability Xpress, disponibilizar diferentes porções para esta etapa. Enquanto no Brasil
33% do aço é reciclado, na China o percentual é de 2,0 %. O volume incinerado também é
diferenciado; no Brasil ele é de 13%, enquanto na China ele é de 18%. Em contrapartida, o
material destinado ao depósito de lixo – enterrado – é de 54% no Brasil e na China ele é de
80%.
Baseado na espessura de 6 mm, em observação, a Figura 25, verifica-se que na fase do
material, ou seja; etapa de produção do aço, há um aumento substancial de produção de CO2,
7800 kg, em relação as demais etapas, manufatura, com 920 kg, transporte com 280 kg e fim
da vida útil com 3000 kg de gás dióxido de carbono. Este poluente, CO2, é um dos maiores
responsáveis pelo fenômeno do ‘efeito estufa’, com consequente elevação da temperatura da
68
terra. Este efeito resulta do aumento da concentração de gases como o dióxido de carbono,
CO2, que tem um período de residência de 4 anos na atmosfera terrestre, se avolumando em
360.000 ppb – partes por bilhão. Conforme estudo, a fase material, etapa de produção do aço,
é a mais crítica, devendo ser tratada com prioridade.
Figura 25 Análise da sustentabilidade para pegada de carbono
Fonte: Elaborada pelo autor
4.4.2 Análise da sustentabilidade para o consumo de energia
O consumo de energia constitui parcela significativa do custo de produção de aço. A
Figura 26, que segue, em formato de gráfico de pizza mostra de uma forma geral o consumo
69
de energia medidos em relação ao material, manufatura, transporte e fim de vida útil.
Observa-se que o maior valor consumido de energia é em relação ao material. A eficiência
energética em usinas siderúrgicas pode variar em função da rota de produção, do tipo de
minério de ferro e do carvão utilizado, ou seja, do ‘mix’ de produtos siderúrgicos produzidos,
da tecnologia empregada, das condições de operação e da eficiência no consumo de matérias
primas. Portanto, a melhoria na eficiência energética leva a uma redução dos custos de
produção e, consequentemente, melhoria da competitividade das empresas. Os valores de
energia consumida no Brasil são em geral um pouco menor que os Chineses.
Figura 26 Análise da sustentabilidade para o consumo de energia
Fonte: Elaborada pelo autor
Inicialmente, tem-se a energia total consumida para o material em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será o
70
consumo de energia total consumida (MJ). Nessa fase, somente o minério é retirado da jazida,
não há conversão em aço, portanto, valores iguais.
Na sequência tem-se a energia total consumida para a manufatura em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de energia total consumida (MJ). No estudo comparativo entre o material, chapa
de 6 mm produzidas no Brasil e na China, há uma diferença significativa na energia total
consumida. Isto é explicado devido à diferença de utilização na obtenção do aço. Enquanto no
Brasil utiliza-se o carvão vegetal, na China é utilizado o carvão mineral. Isto ocorre devido a
diferença de poder calorífico do carvão mineral – mais energético – ou vegetal – menos
energético – no processo de obtenção do aço, que sofre redução em alto-forno.
Posteriormente observa-se a energia total consumida para o transporte em relação as
várias espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será o
peso a ser transportado, gerando maior consumo de energia (MJ), na forma de combustível,
óleo diesel e consequentemente gerando maior quantidade de CO2 para a atmosfera.
Por fim observa-se a energia total consumida para fim da vida útil em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de energia total consumida (MJ). Para um material com maior espessura, este terá
que utilizar quantidade de energia total maior para ser reprocessado ou para ser enviado ao
aterro. No estudo comparativo entre o material, chapa de 6 mm produzido no Brasil e na
China, há uma diferença significativa no impacto ambiental, quantidade de energia total
consumida (MJ). Esta diferença é explicada provavelmente devido à diferença no modo de
reprocessamento, ou formas de aterramento do material.
4.4.3 Análise da sustentabilidade para a adicificação do ar
A Figura 27, na sequência, mostra gráficos em forma de pizza da emissão do dióxido
de enxofre, que é extremamente prejudicial a qualidade de vida da sociedade. A principal via
de exposição da população geral ao dióxido de enxofre é a inalatória. Os efeitos adversos da
exposição a altos níveis de SO2 incluem dificuldade respiratória, alteração na defesa dos
pulmões, agravamento de doenças respiratórias e cardiovasculares. O composto irrita o nariz,
garganta e pulmões causando tosse, falta de ar, chiado no peito, catarro e crises de asma. Os
indivíduos asmáticos ou com doenças crônicas de pulmão e coração e as crianças são mais
71
sensíveis aos efeitos do dióxido de enxofre. Os óxidos de enxofre (SO2) podem reagir com
outros compostos presentes na atmosfera, formando pequenas partículas que penetram
profundamente em partes sensíveis dos pulmões, e causar ou agravar doenças respiratórias.
Pode-se ver nestes gráficos que a acidificação do ar na China é muito maior, devido à
utilização de coque mineral como redutor. Assim, levando um risco para o desenvolvimento
sustentável no país.
Figura 27 Análise da sustentabilidade para a adicificação do ar
Fonte: Elaborada pelo autor
Inicialmente, tem-se a acidificação do ar para o material em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de emissão de SO2. No estudo comparativo entre o material, chapa de 6 mm
produzidas no Brasil e na China, não há diferença no impacto ambiental, geração de SO2.
72
Nessa fase, somente o minério é retirado da jazida, não há conversão em aço – portanto,
valores iguais.
Na sequência tem-se acidificação do ar para a manufatura em relação as várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de emissão de SO2. No estudo comparativo entre o material, chapa de 6 mm
produzidas no Brasil e na China, há uma diferença significativa na acidificação do ar. Isto é
explicado devido a diferentes processos de obtenção do aço. Enquanto no Brasil utiliza-se o
carvão vegetal – rico em SO2 com menor impacto ambiental –, na China é utilizado o carvão
mineral – rico em SO2 com maior impacto ambiental. Isto ocorre devido a diferença de poder
calorífico do carvão mineral ou vegetal no processo de obtenção do aço, que sofre redução em
alto-forno. Embora o Brasil produza o aço a partir do carvão vegetal (CO2), de menor impacto
ambiental, mas como consequência alimentará o desmatamento das florestas.
Posteriormente observa-se a acidificação do ar para o transporte em relação as várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será o peso a
ser transportado, gerando maior consumo de combustível, óleo diesel, gerando maior
quantidade de SO2 para a atmosfera. Isto é devido ao programa Sustainability Xpress,
disponibilizar o transporte no Brasil de caminhão enquanto que na China ele é feito de navio,
com maior volume de aço transportado, de menor impacto ambiental.
Por fim tem-se a acidificação do ar para o fim da vida útil em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de emissão de SO2. Define-se como fim da vida útil, o período em que o material
não está sendo utilizado, mas com continua liberação de SO2. No estudo comparativo entre o
material, chapa de 6 mm produzido no Brasil e na China, há uma diferença significativa na
acidificação do ar. Isto é devido ao programa Sustainability Xpress, disponibilizar diferentes
porções para esta etapa; tais como: material, manufatura, transporte e fim da vida util.
Baseado na espessura de 6 mm, em observação a Figura 27 verifica-se que na fase do
material há um aumento substancial de produção de SO2, 22 kg, em relação as demais etapas;
manufatura, com 2,3 kg, transporte com 1,3 kg e fim da vida útil com 5,5 kg de gás dióxido
de enxofre. Este poluente possui relevante importância na qualidade do ar atmosférico, ou
seja; grande parte do enxofre é transformada em partículas de sulfato (SO4) na atmosfera ou
sofre outras transformações. O sulfato (SO4), ligado a moléculas de água (H2O), forma o
ácido sulfúrico, responsável por promover aumento da acidez da chuva, chuva ácida. Este
termo genérico abrange vários fenômenos, como a neblina ácida e a neve ácida, todos
relacionados a precipitações substanciais de ácido no meio atmosférico. O grande problema
73
da chuva ácida esta na abrangência do seu efeito difusivo na atmosfera, deslocando-se
segundo a direção do vento em um local distante da fonte dos poluentes primários. Deste
modo, a chuva ácida é um problema de poluição que não respeita os estados nem fronteiras
nacionais, causando sérios prejuízos a qualidade de vida nas cidades. Dessa maneira,
aplicações de tecnologias produtivas aliadas a programas de fomentos, envolvendo sociedade
e governo, constituem em medidas de controle deste poluente.
4.4.4 Análise da sustentabilidade para a eutrofização da água
A Figura 28, na sequencia, mostra em formato de pizza os valores de eutrofização para
produção de aços em relação ao material, a manufatura, o transporte e o fim da vida útil com
o intuito de informar as populações e autoridades.
Inicialmente tem-se a eutrofização da água para o material em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de emissão de PO4. Nessa fase, somente o minério é retirado da jazida, não há
conversão em aço, portanto, valores iguais.
Na sequência observa-se a eutrofização da água para a manufatura em relação as
várias espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de emissão de PO4. No estudo comparativo entre o material, chapa de 6 mm
produzida no Brasil e na China, há uma diferença significativa no impacto ambiental, geração
de PO4. Esta diferença é explicada devido ao processo de obtenção do aço, que sofre redução
em alto-forno. A matéria prima principal é o minério de ferro que geralmente tem
concentrações consideráveis de fósforo (P). Este elemento químico e oxidado para PO4. No
processamento do aço não há como retirar este elemento químico.
Posteriormente tem-se a eutrofização da água para o transporte em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior a quantidade
de PO4 gerada.
Por fim observa-se a eutrofização da água para o fim da vida útil em relação às várias
espessuras. Quanto maior for a espessura do material – chapa do tanque –, maior será a
quantidade de emissão de PO4.
74
Figura 28 Análise da sustentabilidade para a eutrofização da água
Fonte: Elaborada pelo autor
Baseado na espessura de 6 mm, em observação a Figura 28, verifica-se que na fase do
material, ou seja; etapa de produção do aço, há um aumento substancial de produção de PO4,
8,8 kg, em relação as demais etapas, manufatura, com 0,219 kg, transporte com 0,28 kg e fim
da vida útil com 1,2 kg de fosfato. Este poluente, de classificação primária, em contato com
os rios, lagoas, riachos e em fontes naturais subterrâneas, causa um desequilíbrio ao meio
ambiente, trazendo como consequência um aumento no consumo de oxigênio por
microrganismos.
Este
efeito,
conhecido
como
eutrofização,
caracteriza-se
pelo
envelhecimento precoce de um corpo d’água, devido a grande quantidade de nutrientes. Dessa
forma, o controle da eutrofização deve ser feito na fonte de origem visando a diminuição da
entrada dos agentes eutrofizantes. Para o setor siderúrgico esta é tarefa das mais importantes e
complexas. Para isso, os usos de inovações tecnológicas aliadas aos programas sociais e
governamentais se fazem estritamente necessários.
75
A vulnerabilidade ou fragilidade ambiental está relacionada com a susceptibilidade de
uma área em sofrer danos quando submetida a uma determinada ação. Em função da
eutrofização, muitos reservatórios e lagos no mundo já perderam sua capacidade de
abastecimento de populações, de manutenção da vida aquática e de recreação. No Ceará, o
monitoramento da água de 4 açudes, que são mananciais de abastecimento humano, nas
bacias do Curu e Acaraú vem apresentando concentrações elevadas de nitrogênio e fósforo,
sendo um fator de preocupação por parte do poder público e das populações usuárias das
águas (ARAÚJO et al, 2006).
A ocorrência de processos de eutrofização em inúmeros reservatórios, aliada ao déficit
de investimento em infra-estrutura dos serviços de saneamento básico em todo o país,
dificulta a tomada de decisão pelo poder público de quais reservatórios encontram-se em
situação mais crítica para implementação de ações emergenciais de controle e reversão desse
processo. Em países como Estados Unidos e Inglaterra, esse problema vem sendo abordado
em trabalhos que buscam ajudar a tomada de decisão a partir do estudo da vulnerabilidade das
bacias onde estão localizados reservatórios ou lagos com índices de trofia elevados (ARAÚJO
et al, 2006).
76
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Cada vez mais o setor de manufatura depara-se com o cenário da efetividade nos
processos. Neste contexto, programas como ‘Produção Mais Limpa’ e ‘Avaliação do Ciclode-vida’, ganham importante destaque na fase de elaboração do projeto dos produtos. É nesta
etapa que importantes pontos devem ser determinados, do tipo: qual a maximização das
propriedades dos materiais com consequente maior rendimento e menor geração de poluentes
na fonte. Este último com consequência direta, a ganhos na qualidade de vida da população
humana e meio ambiente.
Este trabalho chegou a importantes considerações na avaliação da sustentabilidade de
um produto, sendo elas que:
a) As propriedades do Aço-A36 obitadas podem ser copilatadas para software
SolidWords para geração de malhas de análise das estruturais;
b) As análises estruturais em relação aos parâmetros de tensão, deformação e o fator de
segurança. Pode-se afirmar que todos apresentam caraterísticas semelhantes em
relação a esses parâmetros estruturais, ou seja, a chapa não vai deformar
plasticamente. Desta forma, pode-se utilizar a chapa de menor espessura para fazer o
projeto do tanque, pois esta apresenta menor peso;
c) Quanto mais grossa a chapa maior é o impacto na pegada de carbono, consumo de
energia, acidificação do ar e eutrofização da água;
d) Ao se comparar no ciclo de vida do projeto as etapas de produção de material,
manufatura, transporte e fim da vida útil, o maior impacto ficou na etapa de material,
evidenciando a importância do controle de agentes poluentes na fonte – requer um
cuidado maior nesta fase do processo;
e) Comparando-se o produto para a chapa de 6 mm fabricado no Brasil e na China o
processo na China é mais poluidor do que no Brasil.
f) O software é uma excelente ferramenta para comparar a sustentabilidade utilizando o
sustainability.
77
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Pesquisas de novos produtos e processos, objetivando o desenvolvimento sustentável,
são frequentes nos projetos de Engenharia. Como extensão e desenvolvimento para este
trabalho, com formulação de teses, consolidando propostas e aprimorando os produtos e
operações, as seguintes ações podem ser buscadas:
a) Substituição do material aço A-36 por outro material metálico;
b) Comparação com outro país – ao invés da China opta-se por outro da América do
Norte;
c) Idealização de novo projeto, com material de polipropileno para análise do efeito
sustentável;
d) Projeto do tanque com espessuras diferenciadas nas regiões de encosto, topo e fundo,
em relação ao corpo do tanque.
78
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ANEXO 1 – PROJETO DE UM TANQUE
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