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SEM0544 SEM0544 -- Aula 8Aula 8 Confiabilidade Confiabilidade Confiabilidade Confiabilidade Prof. Dr. Marcelo BeckerProf. Dr. Marcelo Becker Prof. Dr. Rodrigo NicolettiProf. Dr. Rodrigo Nicoletti SEM - EESC - USP • NENHUM SISTEMA É 100% SEGURO: – Erros na especificação, desenho e realização – “time-to-market” cada vez mais importante Introdução à Confiabilidade 2 – “time-to-market” cada vez mais importante (e curto !) – Imprevisibilidades internas e externas ao sistema – Nas empresas: • dependência de sistemas de informação críticos • sistemas são factor de concorrência • falhas nos sistemas podem parar o negócio (na aviação podem resultar em perda de vidas humanas !) EESC-USP © M. Becker 2011 • O que é importante nos sistemas: – o reconhecimento de que podem falhar – a compreensão das causas de falha – diminuição do impacto de falhas (interno e externo) – a comprovação do seu bom funcionamento Introdução à Confiabilidade 3 – a comprovação do seu bom funcionamento • Abordagem sistemática destes problemas é urgente!! • Necessidade de acordo na terminologia a utilizar • Base comum para estudo e discussão EESC-USP © M. Becker 2011 Definição de Confiabilidade: • Segundo a NBR 5462, confiabilidade é a capacidade de um item desempenhar uma função requerida sob condições especificadas, durante um dado intervalo de tempo. Introdução à Confiabilidade “Confiabilidade é a qualidade tempo. • Confiabilidade é a melhor medida quantitativa da integridade de um projeto, de uma peça, componente, produto ou sistema. Confiabilidade é a probabilidade que peças, componentes, produtos, ou sistemas irão executar suas funções de projeto sem falhas em um ambiente especificado, por um período projetado, com um determinado nível de confiança “Confiabilidade é a qualidade ao longo do tempo” EESC-USP © M. Becker 2011 4 Definição de Confiabilidade: Introdução à Confiabilidade Pode-se verificar que a completa especificação de confiabilidade envolve basicamente sete aspectos: 1) O estatístico que é a probabilidade da ocorrência de1) O estatístico que é a probabilidade da ocorrência de uma falha; 2) O nível de confiança que a probabilidade é expressa; 3) O relacionado ao intervalo de tempo, para o qual a probabilidade é estabelecida, também chamada de tempo da missão; 4) A idade ou tempo de vida do produto, pois a probabilidade de falha se altera com a vida; EESC-USP © M. Becker 2011 5 Definição de Confiabilidade: Introdução à Confiabilidade 5) A caracterização do que é considerado como falha, quais os limites de desempenho admitidos; 6) O ambiente de operação, quais as solicitações6) O ambiente de operação, quais as solicitações ambientais que o produto estará sujeito; 7) As condições de uso do produto, qual o ciclo de operação, a carga, a solicitação operacional, ambiental e elétrica que o produto estará sujeito. EESC-USP © M. Becker 2011 6 • Von Braun e Eric Pieruschka (II Guerra) Introdução à Confiabilidade Histórico 7 V1 - Buzz-Bomb EESC-USP © M. Becker 2011 Aumento da complexidade dos produtos Houve um grande aumento do número de peças nos novos produtos: � Um Boeing 747 é feito com Introdução à Confiabilidade 8 � Um Boeing 747 é feito com aproximadamente 4,5 milhões de peças; � Um trator de 1935 continha 1200 peças críticas, em 1990 o número aumentou para 2900 peças críticas. � A nave espacial Mariner / Mars dependeu do bom funcionamento de 138.000 componentes, pelo mínimo de nove meses no espaço. EESC-USP © M. Becker 2011 Trator ano Número de peças críticas Confiabilidade assumindo 99,99% de conf. das peças Número de tratores que falham por 1000 Aumento da complexidade dos produtos Introdução à Confiabilidade 9 críticas de conf. das peças falham por 1000 1935 1200 88,7 % 113 1960 2250 79,9 % 201 1970 2400 78,7 % 213 1980 2600 77,1 % 229 1990 2900 74,8 % 252 EESC-USP © M. Becker 2011 Número de peças críticas Confiabilidade das peças 99,999% 99,99% 99,9% 99,0% Confiabilidade do sistema Aumento da complexidade dos produtos Introdução à Confiabilidade 10 10 99,99 % 99,90 % 99,00 % 90,44 % 100 99,90 % 99,01 % 90,48 % 36,60 % 250 99,75 % 97,53 % 77,87 % 8,11 % 500 99,50 % 95,12 % 60,64 % 0,66 % 1.000 99,01 % 90,48 % 36,77 % < 0,1 % 10.000 90,48 % 36,79 % < 0,1 % < 0,1 % 100.000 36,79 % < 0,1 % < 0,1 % < 0,1 % Assumindo que as peças estejam todas dispostas em série EESC-USP © M. Becker 2011 A confiabilidade como um dos parâmetros da qualidade Iniciando pela qualidade, Garvin em 1987 determinou oito dimensões para a qualidade: 1)1) DesempenhoDesempenho, significando como o produto irá Introdução à Confiabilidade 11 1)1) DesempenhoDesempenho, significando como o produto irá executar o trabalho pretendido; 2)2) ConfiabilidadeConfiabilidade, significando com que freqüência o produto falha; 3)3) DurabilidadeDurabilidade, significando por quanto tempo o produto irá durar; 4)4) MantenabilidadeMantenabilidade, significando o quão fácil é reparar o produto; EESC-USP © M. Becker 2011 5)5) EstéticaEstética, significando o apelo visual do produto; 6)6) CaracterísticasCaracterísticas, significando o que o produto faz; 7)7) QualidadeQualidade percebidapercebida, significando qual a reputação A confiabilidade como um dos parâmetros da qualidade Introdução à Confiabilidade 12 7)7) QualidadeQualidade percebidapercebida, significando qual a reputação da empresa e do seu produto; 8)8) ConformidadeConformidade com o projeto, significando a adequação do produto à intenção do projetista. O processo de manufatura não deve distorcer a intenção do projetista, de forma a desqualificar o produto. EESC-USP © M. Becker 2011 Riscos do desenvolvimento de produtos Ênfase no gerenciamentoGarantia e custos dos serviços Competição Pressões do mercado Introdução à Confiabilidade Percepção dos 13 Riscos do gerenciamento Requisitos do consumidor Legais Responsabilidade pública Segurança Eng. de ConfiabilidadeEng. de Confiabilidade Percepção dos Riscos EESC-USP © M. Becker 2011 • Conjunto de atitudes destinadas a aumentar a confiabilidade do produto • Rastreamento e análise de falhas e suas causas • Realimentação para Projeto, Processos e Políticas de Qualidade • Realimentação para Projeto, Processos e Materiais EESC-USP © M. Becker 2011 14 Definição de Falha: • O término da capacidade de um sistema ou componente de realizar sua função especificada. Introdução à Confiabilidade especificada. • Tipos: – Parcial – Catastrófica – Completa – Marginal – Gradual – Degradação – Súbita EESC-USP © M. Becker 2011 15 Tipos de Falhas Falha Parcial: • Desvios de características, além de limites estabelecidos, mas que não causam perda completa da função requerida. Introdução à Confiabilidade completa da função requerida. Falha Completa: • Desvios além de limites estabelecidos, causando perda total da função requerida. EESC-USP © M. Becker 2011 16 Desenvolvimento das Falhas Falha Gradual: • Ocorrência pode ser prevista através de inspeção e/ou acompanhamento Introdução à Confiabilidade inspeção e/ou acompanhamento Falha Súbita: • Ocorrência imprevisível • Falha aleatória EESC-USP © M. Becker 2011 17 Falha Catastrófica: • Falha Súbita e Completa Falha Marginal: Introdução à Confiabilidade Falha Marginal: • Súbita e Parcial Degradação: • Falha Gradual e Parcial. EESC-USP © M. Becker 2011 18 Falha Gradual Monotônica y(t) ymax Falha Introdução à Confiabilidade Tempo ymin FalhaAjustes EESC-USP © M. Becker 2011 19 Vida Útilde um Componente • Ex.: Uma lâmpada em particular Introdução à Confiabilidade Tempo (h) C o n f i a b i l i d a d e 1.0 0.0 350 EESC-USP © M. Becker 2011 20 Vida Útil de um Componente • Outra lâmpada similar Introdução à Confiabilidade 1.0 0.0 350 400 Tempo (h) C o n f i a b i l i d a d e EESC-USP © M. Becker 2011 21 1.0 Vida Útil de Vários Componentes em Cj. • Várias lâmpadas similares Introdução à Confiabilidade 1.0 0.0 Tempo (h) C o n f i a b i l i d a d e EESC-USP © M. Becker 2011 22 Função de Confiabilidade • Média dos testes de Vida Útil de uma população de componentes similares Introdução à Confiabilidade Tempo (h) R(t) 1.0 0.0 t0 R(t0) EESC-USP © M. Becker 2011 23 • R(t0) equivale à Confiabilidade (probabilidade de operação) no instante t0 Função de Confiabilidade Introdução à Confiabilidade – Também equivale à probabilidade de que a vida útil do componente ou sistema exceda o instante t0 Tempo (h) R(t) 1.0 0.0 t0 R(t0) EESC-USP © M. Becker 2011 24 • Probabilidade Cumulativa de Falhas F(t) = 1 - R(t) Definições • Vida Útil: Tempo de operação dentro do qual F(t) é menor que um valor especificado EESC-USP © M. Becker 2011 25 Probabilidade Cumulativa de Falhas R(t) 1.0 R(t0) Definições t0.0 t0 t F(t) = 1-R(t) 1.0 0.0 t0 t0+ d t d F(t) EESC-USP © M. Becker 2011 26 Função de Densidade de Probabilidade de Falhas • Derivada da Probabilidade Cumulativa de falhas Definições dt tdR dt tdF tf )()()( −== t f(t) 0.0 EESC-USP © M. Becker 2011 27 Taxa de Falhas • Probabilidade de um componente falhar no intervalo [ t , t + dt ] dado quedado que o mesmo Definições intervalo [ t , t + dt ] dado quedado que o mesmo componente estava operando no instante t )( )()( )( 1 )( )()()( tR tf dt tdR tRtR tFdttF tz =−= −+ = EESC-USP © M. Becker 2011 28 Taxa de Falhas t R(t) 1.0 0.0 Definições t t z(t) 0.0 t f(t) 0.0 EESC-USP © M. Becker 2011 29 MTTF – “Mean Time to Failure” • Tempo médio até ocorrência de falha; obtido pela média da vida útil de uma população de Definições pela média da vida útil de uma população de N elementos similares (Vida Média) t R(t) 1.0 0.0 MTTF ∫ ∞ = 0 )( dttRMTTF EESC-USP © M. Becker 2011 30 A “Curva da Banheira” Mortalidade Infantil Desgaste Definições Log (t) z(t) Operação Normal EESC-USP © M. Becker 2011 31 “Burn – in” • Operação do sistema por um período equivalente à mortalidade infantil, antes da entrega para uso normal Desgaste Definições Log (t) z(t) Operação Normal Desgaste Burn-in EESC-USP © M. Becker 2011 32 Manutenção Preventiva • Substituição de componentes entrando na fase de desgaste, mesmo que não apresentem falhas Definições Log (t) z(t) EESC-USP © M. Becker 2011 33 Modelos de Funções de Confiabilidade Distribuição Retangular • Aplica-se a componentes em que há esgotamento progressivo de um ingrediente essencial (ex.: combustível, emissão iônica, Definições essencial (ex.: combustível, emissão iônica, eletrólitos) t R(t) 1.0 0.0 T TMTTF Ttf TttR TttR = = ≥= <≤= )()( 0)( 01)( δ EESC-USP © M. Becker 2011 34 • Ex.: Lâmpadas Modelos de Funções de Confiabilidade Definições • Vida útil: ~1000 hs (incandescente); 10000 hs (fluorescente) EESC-USP © M. Becker 2011 35 Distribuição Exponencial • Taxa de Falhas constante; modela falhas aleatórias, independentes do tempo Modelos de Funções de Confiabilidade Definições t R(t) 1.0 0.0 T λ λ λ λ λ 1 )( )( )( = = = = − − MTTF tz etf etR t t EESC-USP © M. Becker 2011 36 Distribuição Log-Normal • Modelagem de processos físicos de fadiga mecânica (propagação de fissuras, falhas estruturais, etc.); desgastes em geral Modelos de Funções de Confiabilidade Definições estruturais, etc.); desgastes em geral ( ) − −= −− = ∫ ∞ 2 2 2 log 2 1 exp 2 1 )( log 2 1 exp 2 1 )( σ µ σpi σ µ σpi µ tttf du u tR t t f(t) 0.0 EESC-USP © M. Becker 2011 37 Medida de Taxa de Falhas • 1 FIT (Failure In Time): 1 falha por dispositivo em 1 bilhão de horas 5 - 500Resistores λλλλ (FIT)Componente Definições 50 - 100Conectores (por pino) 30 - 1000Relês 5 - 50Circuitos Integrados CMOS LSI 50Diodos de sinal 200 - 2000Capacitores Eletrolíticos 5 - 500Resistores EESC-USP © M. Becker 2011 38 Sistemas com Manutenção (Reparo) Reparo Tempo R(t) 1.0 0.0 Falhas EESC-USP © M. Becker 2011 39 Disponibilidade de um Sistema Sujeito a Reparo • MTTR (“Mean Time to Repair”) = Tempo médio para reparo • MTBF (“Mean Time Between Failures”) = Tempo Sistemas com Manutenção • MTBF (“Mean Time Between Failures”) = Tempo médio entre falhas (MTBF = MTTF + MTTR) • Disponibilidade (“Availability”): MTTRMTTF MTTFD + = EESC-USP © M. Becker 2011 40 Confiabilidade de um Sistema Configuração Série: • O sistema opera se todos os blocos (partes) estiverem operando. B1 B3B2 R1 R3R2 RS = R1 × R2 × R3 (se estatisticamente independentes) EESC-USP © M. Becker 2011 41 duuztRcomo RtR t ii n i iS −= = ∫ ∏ = )(exp)( )( 0 1 Confiabilidade de um Sistema Lei de Lusser n tRterdevemostRtRe tRsejaoutRSe duuztRtemos n iji SS t n i iS ε ε ε −≈−== −=→ −= ∫ ∑ = 11)(,)()( ,)1()(,1)( )(exp)( 0 1 EESC-USP © M. Becker 2011 42 Sistema Série com Falhas Aleatórias exp)(então )(,constanteé)(se ∑ −= = n iii ttR tztz λ λ Confiabilidade de um Sistema série)sistema tes,independen amenteestatistic (falhas 1portanto exp)(então 1 1 ∑ ∑ = = = −= n i i S i iS MTTF ttR λ λ EESC-USP © M. Becker 2011 43 Redundância a Nível de Componente • Ex.: 2 Diodos em Série Confiabilidade de um Sistema • Se os diodos falharem em aberto, o sistema é uma configuração série. • Se falharem em curto, a configuração é paralela. EESC-USP © M. Becker 2011 44 Configuração em Paralelo: • O sistema opera se pelo menos um bloco estiver operando. B Confiabilidade de um Sistema B1 B2 R1 R2 RP = 1- (1- R1) × (1- R2 ) (se estatisticamente independentes) EESC-USP © M. Becker 2011 45 Redundância a Nível de Componente • 2 Diodos em Paralelo Confiabilidade de um Sistema • Se os diodos falharem em curto, o sistema é uma configuração série. • Se falharem em aberto, a configuração é paralela. EESC-USP © M. Becker 2011 46 • 4 Diodos em Série / Paralelo Redundância a Nível de Componente Confiabilidade de um Sistema EESC-USP © M. Becker 2011 47 Probabilidade de Falha – 4 Diodos NN CANCANCAN CCCAAANNN N = Normal A = Aberto C = Curto D1 D2 D3 D4 Confiabilidade de um Sistema CC AC NC CA AA NA CN AN Falha D1 D2 D3 D4 EESC-USP © M. Becker 2011 48 10-1 100 PF4 PC=2xPA Probabilidade de Falha – 4 Diodos Confiabilidade de um Sistema 10-2 10-1 100 10-4 10-3 10-2 10 PFD PC=PA PA=2xPC EESC-USP © M. Becker 2011 49• Considerando a manutenção, a taxa de falhas será 4 vezes maior que a de um diodo. • Há vantagem se o componente defeituoso puder ser substituído sem desativar o sistema completo, Redundância a Nível de Componente Confiabilidade de um Sistema substituído sem desativar o sistema completo, reduzindo assim o MTTR (modularidade). EESC-USP © M. Becker 2011 50 • Há a necessidade de monitoração para detectar falhas não catastróficas do conjunto (sensores de corrente e tensão). Redundância a Nível de Componente Confiabilidade de um Sistema • Circuitos de monitoração acrescentam componentes que podem falhar, criando alarmes falsos. EESC-USP © M. Becker 2011 51 • Ex.: Transponder de Satélite Ativo Redundância a Nível de Subsistema Confiabilidade de um Sistema Filtro Osc F.I.X X Osc F.I. Filtro P.A.LNA Filtro Osc F.I.X X Osc F.I. Filtro P.A.LNA “Stand-by” EESC-USP © M. Becker 2011 52 Exemplo A-10 Thunderbolt • A estrutura do A-10 é simples, sendo 95% de alumínio • Suas redundâncias são 53 • Suas redundâncias são fundamentais para aumentar sua confiabilidade e resistência a danos. EESC-USP © M. Becker 2011 53 Exemplo A-10 Thunderbolt 54EESC-USP © M. Becker 2011 54 • Utilizar o menor número possível de componentes • Dimensionar os componentes com Projetar a Confiabilidade • Dimensionar os componentes com margem de segurança adequada • Distribuir a confiabilidade por todos os componentes (evitar pontos fracos!!) EESC-USP © M. Becker 2011 55 • Reações químicas (contaminação, umidade, corrosão) • Difusão de materiais diferentes entre si • Eletromigração (densidades de corrente elevadas) • Propagação de fissuras (vibração, fadiga mecânica, ciclos térmicos em materiais com coeficientes de Mecanismos de Falhas ciclos térmicos em materiais com coeficientes de dilatação diferentes) • Ruptura secundária (afunilamento de corrente devido a coeficiente térmico negativo) • Ruptura dielétrica por ionização EESC-USP © M. Becker 2011 56 λλλλM = λλλλ ×××× fT ×××× fE ×××× fR • fT = Fator de Temperatura • f = Fator Ambiental Fatores Multiplicativos • fE = Fator Ambiental • fR = Fator de Dimensionamento • Outros fatores (ciclo térmico, radiação, etc.) EESC-USP © M. Becker 2011 57 Fator de Temperatura • Modelo de Arrhenius para velocidade de reações químicas −= Ef 11exp Fatores Multiplicativos • E = Energia de Ativação (~ 0,7 eV p/ semicondutores) • k = Constante de Boltzmann (8,62 ××××10-5 eV/K • T0 = Temperatura de referência (K) • TA = Temperatura de operação (K) −= A T TTk f exp 0 EESC-USP © M. Becker 2011 58 10 4 10 5 10 6 E (eV) Fator de Temperatura Fatores Multiplicativos 0 50 100 150 200 10 0 10 1 10 2 10 3 1,0 0,7 0,3 OC EESC-USP © M. Becker 2011 59 0,3Defeitos no Substrato (Silício) 0,3Defeitos no Óxido E (eV)Tipo de Defeito Energias de Ativação Fatores Multiplicativos 1,4Contaminação 1,3Micro-fissuras 0,5~1,0Carga Superficial 0,9Contatos Metálicos 0,6Eletromigração EESC-USP © M. Becker 2011 60 1,0Estacionário, normal 0,5Estacionário, ar condicionado fETipo de Ambiente Fator Ambiental Fatores Multiplicativos 2,0Marítimo 4,0Aviação militar 1,5Aviação civil 2,0Móvel, automotivo 1,5Equipamento portátil 1,0Estacionário, normal EESC-USP © M. Becker 2011 61 1,5Resistores, 100% da potência máxima 1,0Resistores, 10% da potência máxima fRSobre / sub-dimensionamento Fator de Dimensionamento Fatores Multiplicativos 2,0Semicondutores, 200% da pot. nominal 1,5Semicondutores, 100% da pot. nominal 1,0Semicondutores, 10% da pot. nominal 6,0Capacitores, 200% da tensão máxima 3,0Capacitores, 100% da tensão máxima 1,0Capacitores, 10% da tensão máxima 2,0Resistores, 200% da potência máxima EESC-USP © M. Becker 2011 62 • Fator de Maturidade Tecnológica fL = 1.0 (tecnologia estabelecida) = 10 (tecnologia nova) Outros Fatores Fatores Multiplicativos = 10 (tecnologia nova) • Fator de Qualidade fQ = 0,5 (componente homologado) = 1.0 (componente padrão) = 3 ~ 30 (componente comercial / origem duvidosa) EESC-USP © M. Becker 2011 63 Dimensionamento de um Componente • Capacidade do componente deve ser maior que o esforço a que é submetido Resistência nominal do componente utilizado Esforço nominal aplicado Esforço Margem de Segurança EESC-USP © M. Becker 2011 64 • Propriedades dos componentes e das condições de uso possuem dispersão Dimensionamento de um Componente Resistência do componente Esforço aplicado Esforço EESC-USP © M. Becker 2011 65 Porque Ocorre uma Falha • Esforço aplicado (físico, elétrico, mecânico) excede a resistência do componente Dimensionamento de um Componente Resistência do componente Esforço aplicado Probabilidade de falhas Esforço EESC-USP © M. Becker 2011 66 Tif⋅ Ciclo Térmico Tif⋅ EESC-USP © M. Becker 2011 67 Taxa de Falhas Vs. Temperatura / Tensão Capacitores Eletrolíticos de Tântalo EESC-USP © M. Becker 2011 68 Depreciação de Corrente Nominal Corrente de “ripple” em Capacitores Eletrolíticos EESC-USP © M. Becker 2011 69 P r o b a b i l i d a d e d e o b s e r v a ç ã o d e 1 o u m a i s d e f e i t o s Tamanho da amostra Análise de Falhas por Amostragem Porcentagem de itens defeituosos P r o b a b i l i d a d e d e o b s e r v a ç ã o d e 1 o u m a i s d e f e i t o s EESC-USP © M. Becker 2011 70 • Aumentar artificialmente o esforço (temperatura, voltagem, vibração, etc.) para obter taxas de falha mensuráveis em tempo reduzido Sobrecarga Testes Acelerados Sobrecarga Probabilidade de falhas Esforço EESC-USP © M. Becker 2011 71 Métodos de Teste Acelerado • Temperatura elevada (ex.: 1000 hs @ 125 OC) • Choque térmico (ex.: 1000 ciclos, –65 OC a 125 OC) • Umidade (ex.: 150 hs @120 OC, 100% R.H., 15 psi, ) Testes Acelerados • Umidade (ex.: 150 hs @120 C, 100% R.H., 15 psi, ) • Vibração (100 G, 100 Hz) • Sobre-alimentação (destrutivo ou não) • Sobrecarga EESC-USP © M. Becker 2011 72 • Identificar riscos prioritários • Detectar mecanismos de falha • Determinar soluções para as causas Objetivos Testes Acelerados • Determinar soluções para as causas • Tomar ações corretivas nos processos produtivos • Realimentar para as diretrizes de projeto. EESC-USP © M. Becker 2011 73 • A análise de confiabilidade (a posteriori) de uma população de componentes pode ser usada para prever o comportamento Questão Filosófica ser usada para prever o comportamento futuro (a priori) de componentes similares? EESC-USP © M. Becker 2011 74 • Identificar componentes críticos • Identificar margens de projeto inadequadas • Comparar alternativas de implementação • Reduzir custos evitando “excesso de qualidade” Benifícios da Análise de Confiabilidade • Reduzir custos evitando “excesso de qualidade” • Verificar viabilidade de atingir um determinado MTTF • Determinar tempo ideal para “Burn-in” • Determinar a influência de fatores ambientais no MTTF EESC-USP © M. Becker 2011 75 • Modelos não podem ser extrapolados para níveis elevados de sobrecarga • Modelos para novos produtos e processos são imprecisos Riscos da Análise de Confiabilidadeimprecisos • Fatores multiplicativos podem assumir valores irreais ou indeterminados • Mudanças de processos ou insumos podem alterar taxas de falhas dos componentes EESC-USP © M. Becker 2011 76 • Nenhum sistema é 100% seguro ! • O impossível acontece mesmo [Murphy’s Law] ! • Sistemas críticos devem ser tolerantes a faltas ! • Confiabilidade deve ser pensada desde o início ! Conclusões 77 • Confiabilidade deve ser pensada desde o início ! • Credibilidade é importante … • … e talvez um dia o Murphy esteja errado... EESC-USP © M. Becker 2011
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