ANALISE DE FALHAS EM CADEIRAS ESCOLARES

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1 INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CAMPUS SÃO MATEUS JUDSON BARCELOS RAFAEL FRAISLEBEM THIAGO PREATO ANALISE DE FALHAS EM CADEIRAS ESCOLARES SÃO MATEUS

2 JUDSON BARCELOS RAFAEL FRAISLEBEM THIAGO PREATO ANALISE DE FALHAS EM CADEIRAS ESCOLARES Trabalho realizado pelos alunos do 5º período em engenharia mecânica, apresentado à disciplina de Resistência dos materiais. Prof. M. sc. João Paulo Barbosa SÃO MATEUS

3 Sumário INTRODUÇÃO... 4 OBJETIVO... 5 Objetivo Geral... 5 Objetivos Específicos... 5 Introdução Teórica... 6 Compressão... 6 Flexão... 6 Ergonomia... 7 Cálculo do centro de massa... 9 ANÁLISE ESTRUTURAL ANÁLISE DE FALHAS EM CADEIRAS ESCOLARES º Situação: º Situação: CORREÇÕES POSSIVEIS PARA A ESTRUTURA Correção 1: Correção 2: Correção 3: CONCLUSÃO REFERÊNCIAS MEMORIAL DE CÁLCULO

4 INTRODUÇÃO O processo de análise de falhas se faz necessário em todos componentes mecânicos, uma vez que estes estão sujeitos a esforços e cargas mecânicas que, se sobrecarregados, podem levar a falhas ou uma eventual perda total da peça. Este presente trabalho pretende fazer uma análise sucinta de falhas presentes em uma cadeira escolar, que estão sofrendo vários esforços, levando à fratura do encosto da mesma. Na figura abaixo esta o modelo da cadeira utilizada neste estudo. 4

5 OBJETIVO Objetivo Geral O presente trabalho tem o objetivo fazer a analise da estrutura de uma cadeira escolar, assim como obter possíveis soluções para a falha do componente. Objetivos Específicos Especificamente, pretende-se: 1. Identificar todas as forças envolvidas na estrutura; 2. Obter a distribuição do peso do corpo humano enquanto sentado; 3. Identificar possíveis situações encanto ao posicionamento das forças, assim como a postura; 4. Comprovar o ponto de fratura. 5

6 Introdução Teórica O objeto de estudo em questão está presente em todo território mundial, e seu uso é diário e de certa forma contínuo, estando sujeito à fadiga por uso prolongado, sendo necessário o estudo de sua estrutura, pois a falta de base teórica pode levar à falhas prematuras, levando a uma despesa que seria prevenida caso houvesse um profundo estudo estrutural do projeto. Compressão É apresentada quando temos tensões na direção axial, no sentido de penetrar a peça, causando uma deformação negativa na mesma. Flexão É apresentada quando temos tensões espalhadas ao longo da superfície de um corpo, a flexão é causada pelo deslizamento de planos cristalográficos uns sobre os outros, causando uma deformação na rede cristalina. 6

7 Ergonomia A ergonomia pode ser definida como um conjunto de ciências e tecnologias que procura a adaptação confortável e produtiva entre o ser humano e o trabalho, tornado a procura adaptar as condições de trabalho às características do homem. Segundo Oliveira (2006), a ergonomia aplicada ao trabalho é dividida em cinco áreas de atuação: - Ergonomia na organização do trabalho pesado: trata de planejar o sistema de trabalho em atividades, com alto dispêndio energético, bem como o trabalho em ambientes de altas temperaturas. - Biomecânica aplicada ao trabalho: estuda as diversas posturas no trabalho ( em pé ou sentado), a prevenção da fadiga e outras complicações, através da análise do comportamento da coluna vertebral, da mecânica dos membros superiores e das causas das tenossinovites e outras lesões, causadas por traumas cumulativos. - Adequação ergonômica geral do posto de trabalho: através da antropometria podem-se medir as dimensões humanas e, assim, planejar o posto de trabalho de acordo com os ângulos de conforto/desconforto do trabalhador. De um modo geral, a ergonomia se contenta quando consegue atingir as necessidades de conforto de 90% da população. - Prevenção da fadiga no trabalho: em geral, trata da fadiga física do trabalhador; as atividades de recursos humanos tratam de prevenir a fadiga psíquica. - Prevenção do erro humano: essa é uma área relativamente nova na ergonomia e tem por objetivo adotar medidas para que o trabalhador acerte no seu trabalho; é claro que nem toda falha humana é decorrente das condições ergonômicas, porém verifica-se que elas constituem causas relativamente frequentes de erro. Devido às diferentes abordagens ergonômicas, pode-se concluir que a ergonomia é uma ciência multidisciplinar, por isso um bom estudo sobre o assunto deve ser realizado por uma equipe multidisciplinar de profissionais, pois, por se tratar de um assunto que abrange diversas áreas do estudo humano e de seu ambiente, seria praticamente impossível que um só profissional realizasse este trabalho. Segundo Oliveira (2006) a posição ergonômica correta: É aquela em que o indivíduo, mantém uma posição que exige pequeno esforço da musculatura e dos ligamentos para se manter com alinhamento e equilíbrio das principais curvaturas da coluna vertebral (regiões: cervical, torácica e lombar) e bom posicionamento dos membros superiores e inferiores. A boa postura requer uma área para o manuseio dos materiais, recursos e equipamentos. Esta área de manuseio sinaliza a amplitude livre para os movimentos dos antebraços, ou seja, serve para que as tarefas sejam realizadas sem impedimentos ou dificuldades. 7

8 Mas enquanto a postura sentada segundo Nalasco (2010) e indicada nas figuras seguintes, sendo está uma das posturas a serem estudadas na avaliação dos exerço presentes na estrutura da cadeira. 8

9 Cálculo do centro de massa O centro de massa pode ser definido como o ponto teórico equivalente cuja localização muda de instante a instante durante um movimento ou posição durante um determinado tempo. O centro de gravidade é ponto de aplicação da força peso, sendo os termos centro de massa e centro de gravidade podem ser usados e obtidos de formas equivalentes, e sendo sua posição considerada praticamente fixa na analise tanto em movimento e estática do corpo humano. Para este estudo foi utilizado um modelo de calculo biomecânico (conforme a figura abaixo) tendo como base quatros segmento conforme ARAUJO (2006). Os membros cabeça, braços e tronco formam um segmento e os membros inferiores foram divididos em três segmentos coxas, pernas e pé. O centro de massa de cada segmento e obtido a parti de sistema de coordenadas localizados nas estruturas anatômicas de referencias e de dados antropométricos fornecido no quadro (ARAUJO (2006)) seguinte: 9

10 Sendo Df é a distancia do CM do segmento em relação a uma das extremidades do segmento. A figura abaixo ilustra o calculo do centro de massa da coxa, onde d é distancia da localização do centro de massa e obtida através do produto de Df que é a posição do centro de massa em relação ao comprimento total do segmento (Lc), neste caso a coxa, retirado da tabela acima. Como: Logo o centro de massa de um das coxas será: Sendo para este estudo tomado como base sempre a distancia inferior para a superior de cada segmento. Logo esta metodologia, em relação ao centro de massa, foi adotada para os outros três segmentos e seus respectivos centros de massa. 10

11 ANÁLISE ESTRUTURAL O procedimento adotado tem como base primeiramente o estudo dos esforços presentes na cadeira, isto é reconhecer todas as forças que atua no corpo assim como a sua distribuição ao longo do mesmo. Assim sabendo onde são os pontos de aplicação de cargas podemos analisar onde são as regiões onde tem maior probabilidade de vim a ocorre uma fratura ou um ponto de fadiga no material, que podem ser reconhecidos através de cálculos, com base no tipo de esforço, e sua comprovação através de softwares de simulação. Logo após reconhecendo os pontos da região de fratura, recorremos a hipótese para a correção desta falha. E novamente através de cálculos e comprovação através de softwares de simulação a validade destas situações de correção. Mas como o ponto de fratura é conhecido os estudos serão especificados em função deste ponto de tensão, na figura abaixo demonstra o ponto de fratura. 11

12 ANÁLISE DE FALHAS EM CADEIRAS ESCOLARES Neste estudo, para a analise estrutural das cadeiras escolares, foram utilizadas duas situações comuns, uma em relação à postura ergonômica correta, com a pessoa sentada fazendo um esforço sobre o encosto da cadeira causando uma flexão da barra. 1º Situação: Para os cálculos estruturais consideramos os seguintes dados:, Onde os pesos foram obtidos através do produto entre massa de segmento e a gravidade. Sendo e distancias pré-determinadas pela posição do centro massa. Para a realização dos cálculos foi realizada a seguinte suposição: O peso dos pés e das pernas é anulado pela normal Conforme o diagrama de corpo livre acima encontramos as seguintes equações para e. 12

13 Eq.1 E para o momento anti-horário positivo, em relação ao ponto 1 temos: Eq.2 Agora para a analise da tensão na barra de sustento temos que usa o método das seções, este método requer que seja feita uma seção ou um corte através da região em que as cargas internas devem ser determinadas. Considerando que os tubos de ligação entrem as partes de fixação não geram resultantes, pois uma reação é anulada pela outra reação. A seção considera e demonstrada na figura seguinte: E os cálculos das reações internas seguem: Eq.3 Ou seja, sem forças de cisalhamento. 13

14 [N] Eq.4 Eq.5 Logo a tensão suportada pela barra de sustentação será: Eq.6 Portanto a força de tensão máxima suportada pela barra será: Eq.7 E a massa máxima suportada será: Eq.8 Como comprovado no memorial de calculo, para esta estrutura com esta configuração de cargas não gera deformações ao ponto de alterar na estrutura. Mas como já discutido, netas estrutura com as cargas sendo distribuída nesta forma, acima descrita, não apresenta problemas de fraturas, mas na 2º situação já apresenta falhas na sua construção. 2º Situação: Para os cálculos estruturais consideramos os seguintes dados:, 14

15 Sendo e distancias pré-determinadas pela posição do centro massa e e, pois o centro de massa e deslocado conforme a figura acima indica. Eq.9 Eq.10 E para o momento anti-horário positivo, em relação ao ponto 1 temos: Eq.11 15

16 Agora para a analise da flexão barra de encosto temos que usa o método das seções, este método requer que seja feita uma seção ou um corte através da região em que as cargas internas devem ser determinadas. Considerando novamente que os tubos de ligação entrem as partes de fixação não geram resultantes, pois uma reação é anulada pela outra reação. A seção considera e demonstrada na figura abaixo: Os cálculos das reações internas seguem: Eq.12 Eq.13, esta será a força interna de cisalhamento presente. Eq.14 16

17 Este e momento interno do local de ruptura. Agora a tensão de flexão e calculada da seguinte forma: Eq.15 Mas nesta região a uma concentração de tensão devido à existência de um furo passante no tubo, logo se utiliza a tabela de concentração de tensão seguinte para encontra o valor do fator de concentração. Logo a tensão real neste ponto será: Tendo como base todas as situações apresentadas assim como suas receptivas equações, no memorial de calculo e apresentado um calculo para uma pessoa de com 100 Kg de massa, sendo utilizadas as duas situações, e considerando que o material da estrutura seja aço SAE

18 CORREÇÕES POSSIVEIS PARA A ESTRUTURA Tendo como base os cálculos apresentados assim como sua receptiva falha, apresentada na estrutura. Apresentaremos três situações para a devida correção. Correção 1: Como nos diferentes modelos, de cadeiras, encontrados no mercado difere se pelas espessuras da parede do tubo. E no modelo em questão analisado a espessuras é de 1,1mm, podendo ser considerada uma parede fina. Logo como um das soluções validas e simplesmente altera a espessura do tubo, no caso de 1,1mm para 1,7mm como indica a figura abaixo. Assim como seguem no memorial de calculo os dados e cálculos comprovando esta analise. Correção 2: Para esta segunda correção utilizará uma mudança da posição e do tamanho da barra de apoio existente como indicar a figura seguinte, assim nesta nova posição ela terá a função de absorver parte da força empregada na flexão do tubo, os devidos cálculos que comprovão esta hipótese seguem no memorial de calculo. 18

19 Correção 3: Nesta terceira situação consiste em utiliza em conjunto das duas outras hipóteses de correção, os cálculos seguem no memorial de calculo. 19

20 CONCLUSÃO Analisando os resultados obtidos tanto pelos cálculos, demonstrado no memorial de calculo, e os resultados obtidos pela simulação. Podemos avaliar que a estrutura para a primeira situação não gera problemas, pois a aplicação das cargas esta muito abaixo do limite de compressão para este material. Entretanto para a segunda situação com uma pessoa de 100 Kg a principio não leva a fratura, mas se pode ter a fratura se considera o fenômeno de fadiga, e também se aumentamos o peso da pessoa logo teremos a fratura do encosto da cadeira. Logo após a aplicação de uma das correções temos comprovado que o valor do peso a ser aplicado podes ser aumentar sem que haja a ruptura da estrutura. A comprovação da validade das correções também foram comprovadas através dos cálculos e de simulação. 20

21 REFERÊNCIAS ARAUJO, C.C. Trajetória do centro de massa na marcha humana normal em ambiente aquático, programa de pós-graduação em tecnologia em saúde, PUCPR, Curitiba, HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais, 5 ed. São Paulo: Pearson,S.D. NALASCO, L. F. curso de orientação postural, posição sentado no trabalho, Comunicação científica, ano JAVARONI, C. E; GONÇALVES, R. M. Perfis de aço formados a frio submetidos à flexão: análise teórico-experimental, S.L

22 MEMORIAL DE CÁLCULO 22