APS - GUINDSTE COM ROLDANAS UNIP

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP CAMPUS CHACARA SANTO ANTÔNIO
ENGENHARIA MECÂNICA
APS-ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA
"GUINDASTE COM ROLDANAS"
Breno Luís Lopes Mori – C41206-6 - EM5Q07
Gabriel Gomes De Souza – C55IAC2- EM5Q07
Kauê Tomaz Dos Santos – D2881F3 - EM5P07
Pedro Henrique Parejo Medeiros – T7898F4- EM5Q07
Rafael Folador – A982JA7- EM5Q07
Thayna S Da Silva – C978701- EM5P07
SÃO PAULO
2020
SUMÁRIO
1. Objetivo..........................................................................................................3
2. Introdução.......................................................................................................4
3. Desenvolvimento técnico................................................................................7
4. Métodos e Etapas de construção...................................................................7
5. Desenho e especificações do protótipo..........................................................9
6. Dados de bases e Cálculos...........................................................................10
7. Resultados dos testes preliminares..............................................................14
8. Relações de materiais e custos....................................................................15
9. Conclusão.....................................................................................................16
10. Referências bibliográficas............................................................................17
OBJETIVO
Projetar e construir um guindaste com roldanas, articulável. Estudar o ganho de forças através de associação de polias. Habilitar o guindaste para ser capaz de suportar o peso de 50N e logo após de 100N, o cabo ligado ao dinamômetro e obter a carga entre 200 a 400 gramas neste instrumento.
 Este trabalho apresenta uma abordagem teórica sobre o processo de fabricação de um protótipo projetado e construído conforme as pesquisas realizadas e de acordo com as normas pré-estabelecidas peça Instituição de Ensino. Os alunos desenvolveram um projeto relacionando todos os conhecimentos obtidos das matérias estudadas durante o semestre, destacando Estática das Estruturas, Fabricações Mecânicas, Metrologia e Ciências dos Materiais. 
 Estudar o ganho de forças através da associação de polias, construindo um guindaste que se utiliza da associação de roldanas, articulável após demonstrar o nivelamento, podendo ser travado. Deve ser capaz de suportar o peso de 50N e logo após de 100N, o cabo ligado a um dinamômetro e obter a carga entre 200 a 400 gramas neste instrumento.
INTRODUÇÃO
1. Guindaste
Podemos definir Guindaste como sendo um equipamento utilizado para carregar armações, blocos, elevadores, caixa d’água, máquinas de ar condicionado, entre outros materiais ou cargas pesadas. Normalmente são utilizados quando a obra é muito extensa, e possui prejuízo na mobilidade por conta da distância. (LARRUBIA,2005)
Dentre os diversos tipos de Guindaste, podemos citar (MENDES,2012):
Grua: Também chamada de guindaste universal de torre, é um equipamento desenvolvido para auxiliar no transporte de cargas, tanto na horizontal como na vertical. Podemos dizer que é um equipamento de grande durabilidade e versatilidade: tendo manutenção adequada, poderá ser utilizado por várias décadas.
Pinça ou Multiangular: Usada normalmente na construção civil. É composto de duas extremidades e tem esse nome por possuir uma pinça elevatória descendente ou ascendente em uma delas, e na outra fica um imenso contrapeso, que estabiliza o conjunto, evitando sua queda.
Pórticos: Normalmente utilizados em portos. Esse tipo de equipamento tem capacidade para erguer em média até 12 containers de 20 m³ (cada).
Grua Florestal: Utilizada por industrias madeireiras no transporte das toras até os caminhões ou carretas.
Truckcrane ou Rodoviário: São equipamentos montados sobre caminhões convencionais ou já possuem seu próprio veículo acoplado a eles. Possui diversas aplicações na construção civil, como: descarga de maquinário, montagem de estruturas e movimentação de tanques, silos, entre outras.
Figura 1 - Modelos de guindaste
1.1. Roldanas
Polias ou roldanas são dispositivos mecânicos usados para tornar mais cômodo ou reduzir a força necessária para deslocar objetos com um grande peso.
Esse tipo de máquina simples é composto por uma ou mais rodas, que giram em torno de um eixo central e possui um sulco por onde passa uma corda ou fio flexível. 
Figura 2 - Exemplo de roldanas em funcionamento
As polias, quanto ao modo de operação, classificam-se em dois tipos: fixas e móveis. 
Roldanas fixas: A roldana fixa tem o seu eixo preso em algum ponto apoio, portanto, apresenta apenas movimento de rotação, não sendo possível o movimento de translação.
Figura 3 - Exemplo de Roldana Fixa
Roldanas móveis: Diferente das roldanas fixas, os móveis possuem o eixo livre, desta maneira, possuem movimento de rotação e também de translação.
Figura 4 - Exemplo de Roldana Móvel
PROJETO
2. Desenvolvimento técnico
O projeto consiste em desenvolver um guindaste com roldanas, com dimensões pré-estabelecidas pela universidade e onde o mesmo deverá ter uma distância mínima de comprimento da ponte de lado fixo entre 200mm e 600mm do lado de movimento, com tolerância de +/- 100mm. Deverá também obedecer ao limite de largura entre 100mm e 200mm, com tolerância de +/- 20mm. E altura deverá ter entre 100mm e 900mm, com +/- 20mm de tolerância suportada. Contrapeso Fixo para nivelamento da barra horizontal. Suportar carga mínima de 50N e máxima de 100N.
Com base nos conceitos aplicáveis aos protótipos de guindastes reais e aos modelos pré-obtidos em um debate em grupo, obteve-se a definição do modelo do guindaste a ser apresentado, respeitando as normas pré-estabelecidas pela universidade.
2.1. Métodos e etapas de construção
 Primeiramente analisamos os cálculos de peso para ter o equilíbrio de forças com base nos materiais utilizados;
 Em seguida, utilizamos as barras de tubo de 80mm x 80mm x 2mm para a estrutura cortadas em 80 cm e soldadas com eletrodo tipo E6013 e 2,5mm de diâmetro;
Figura 5 - Vigas da estrutura soldadas
 Modelo eletrônico desenvolvido pelo software AVEVA E3D
Para a base utilizamos uma chapa de 1m x 0,5m sendo que a estrutura foi fixada a esta chapa por meio de solda a arco elétrico com a máquina regulada para a amperagem de 90ª;
Figura 6 - Base soldada as vigas da estrutura
 
Fixamos as roldanas com parafusos na estrutura e passamos o cabo de aço para poder instalar os contrapesos e iniciar os testes;
Figura 7 - Estrutura montada com os cabos e roldanas
 
 Os contrapesos foram feitos com galões de gasolina contendo de areia;
2.2. Desenho e especificações do protótipo
 
3. Dados de bases e Cálculos
· Peso das Cargas 5kg (50N) e 10kg (100N)
· Tubos de Aço 80x80x2mm 
· Dinamômetro deve ficar aberto entre 200g e 400g
· Base 300mm x 300mm x 15mm em aço
· Dimensões: 780mm x 90mm x 700mm (C x L x H)
· Polia fixa apenas transfere o movimento 
· Polias móveis dividem a carga nelas aplicadas por 2
	Para Carga 5 Kg
Força = Peso /2
T1 = 50/2 = 25N
T2 = 25/2N = 12,5N
T3 = 12,5/2 = 6,25N
T4 = 6,25/2 = 3,125N = 0,3125 Kg = 312,5g
	Para Carga 10 Kg
Força = Peso /2
T1 = 100/2 = 50N
T2 = 50/2 = 25N
T3 = 25/2N = 12,5N
T4 = 12,5/2 = 6,25N
T5 = 6,25/2 = 3,125N = 0,3125 Kg = 312,5g
	Peso Parte “Móvel” do Guindaste 
Densidade do Aço: 7,86g/cm³
50*(8*8*0,2) = 640cm³
640cm³ * 7,86g/cm³ = 5030,4g
	Peso Parte Fixa do Guindaste 
Densidade do Aço: 7,86g/cm³
16*(8*8*0,2) = 204,8cm³
204,8cm³ * 7,86g/cm³ = 1609,728g
Para calcular os contrapesos usamos:
M = F*d
m = massa contrapeso 
m’ = massa da carga
M = momento do contrapeso 
M’ = Momento da carga
d = distância do contrapeso
d’ = distância da carga
F = m*g, portanto, M = m*g*d
M’ + (-M) = 0
M’ – M = 0
m’*d’*g = m*d*g 
m’*d’ = m*d
	Contrapeso p/ Carga = 0 Kg
m’*d’ = m*d 
(5,0304 Kg+0,78 Kg) * 50mm = 160mm * m
m = (500mm * 5,8104 Kg) / 160mm
m = 16,547772 Kg – 1,609728 Kg (Peso da Estrutura Fixa) = 14,94 Kg 
A massa do contrapeso para carga = 0 kg é de aproximadamente 14,94 Kg, descontado o peso da estrutura fixa da ponte. Este contrapeso tem a função de estabilizar a ponte, apenas com seu peso e de seus componentes sem adição de carga de prova.
	Contrapeso p/ Carga = 5 Kg
m’*d’ = m*d 
(5,0304 Kg+ 0,78 Kg) * 500mm = 160mm*m
m = (500mm*10,8104 Kg) /160mm
m = 33,7825 Kg
m = 33,78 Kg
A massa total do contrapeso para carga = 
5 kg é de aproximadamente 33,78 Kg, ou seja, basta acrescentar aprox. 17,23 Kg ao contrapeso inicial e ao peso da estrutura fixa. Este contrapeso tem a função de estabilizar a ponte, com seu peso e de seus componentes e com adição de carga de prova de 5 Kg.
	Contrapeso p/ Carga = 10 Kg
m’*d’ = m*d 
(5,0304 Kg+ 0,78 Kg) * 500mm = 160mm*m
m = (500mm * 15,8104 Kg) /160mm
m = 49,4075 Kg
m = 49,41 Kg
A massa total do contrapeso para carga = 
10 kg é de aproximadamente 49,41 Kg, ou seja, basta acrescentar aprox. 32,86 Kg ao contrapeso inicial e ao peso da estrutura fixa. Este contrapeso tem a função de estabilizar a ponte, com seu peso e de seus componentes e com adição de carga de prova de 10 Kg.
Com base nos cálculos demonstrados acima, chegamos à conclusão que a parte fixa onde apoiamos o contrapeso com apenas 160mm de comprimento, resultou em elevada carga para contrapeso. Visando diminuir essa carga usada no contrapeso, refizemos os cálculos, que foram posteriormente definidos como os que utilizaríamos na construção, uma vez que as cargas de contrapeso seriam menores e, por fim, mais viáveis.
	Peso Parte “Móvel” do Guindaste 
Densidade do Aço: 7,86g/cm³
50*(8*8*0,2) = 640cm³
640cm³ * 7,86g/cm³ = 5030,4g
	Peso Parte Fixa do Guindaste 
Densidade do Aço: 7,86g/cm³
20*(8*8*0,2) = 256cm³
256cm³ * 7,86g/cm³ = 2012,16g
Para calcular os contrapesos usamos:
M = F*d
m = massa contrapeso 
m’ = massa da carga
M = momento do contrapeso 
M’ = Momento da carga
d = distância do contrapeso
d’ = distância da carga
F = m*g, portanto, M = m*g*d
M’ + (-M) = 0
M’ – M = 0
m’*d’*g = m*d*g 
m’*d’ = m*d
	Contrapeso p/ Carga = 0 Kg
m’*d’ = m*d 
(5,0304 Kg+ 0,78 Kg) * 500mm = 200mm*m
m = (500mm * 5,8104 Kg) / 200mm
m = 14,526 Kg – 2,01216 Kg = 12,51384 kg 
m= 12,51 Kg
A massa do contrapeso para carga = 0 kg é de aproximadamente 12,51 Kg, descontado o peso da estrutura fixa da ponte. Este contrapeso tem a função de estabilizar a ponte, apenas com seu peso e de seus componentes sem adição de carga de prova.
	Contrapeso p/ Carga = 5 Kg
m’*d’ = m*d 
(5,0304 Kg+ 0,78 Kg) * 500mm = 200mm*m
m = (500mm * 10,8104 Kg) /200mm
m = 27,026 Kg
m = 27,03 Kg
A massa total do contrapeso para carga = 
5 kg é de aproximadamente 27,03 Kg, ou seja, basta acrescentar aprox. 12,5 Kg ao contrapeso inicial e ao peso da estrutura fixa. Este contrapeso tem a função de estabilizar a ponte, com seu peso e de seus componentes e com adição de carga de prova de 5 Kg
	Contrapeso p/ Carga = 10 Kg
m’*d’ = m*d 
(5,0304 Kg+ 0,78 Kg) * 500mm = 200mm*m
m = (500mm * 15,8104 Kg) /200mm
m = 39,526 Kg 
m = 39,53 Kg
A massa total do contrapeso para carga = 
10 kg é de aproximadamente 39,53 Kg, ou seja, basta acrescentar aprox. 25,00 Kg ao contrapeso inicial e ao peso da estrutura fixa. Este contrapeso tem a função de estabilizar a ponte, com seu peso e de seus componentes e com adição de carga de prova de 10 Kg.
Com base nos cálculos acima apresentados notamos uma sensível redução da carga dos contrapesos com um aumento de apenas 40mm no comprimento da estrutura fixa da ponte, ainda respeitando o limite de dimensões estipulado em manual fornecido pela universidade.
4. Resultados dos testes preliminares
Ao realizar os testes para o peso de 5 kg, 50N, e com 4 polias móveis e uma fixa, pode-se obter o padrão solicitado, que é de 200g a 400g. O resultado com 4 polias móveis e uma fixa ficou em 3,125 N, aferidos no dinamômetro, convertidos 0,3125 kg, ou 312,5 g.
Para a carga de 10kg, 100N, foi necessário adicionar uma polia móvel, afim de dividir as cargas.
Com isto, concluímos que para a carga de 5kg, 50N, será utilizado uma polia fixa e 4 móveis, e para carga de 10kg, 100N, será utilizado uma polia fixa, e 5 polias móveis. 
5. Relação de Materiais e Custos
	
Material
	
Quantidade
	
Valor
	
Total
	
Roldanas Ø6cm
	
6
	
R$ 7,80
	
R$ 46,80
	
Chapa de aço ASTM A36 #1/4” 0,30m x 0,30m (para base)
	
1
	
R$ 187,90
	
R$ 187,90
	
Parafuso rosca soberba Ø1/4”
	
1
	
R$ 29,74
	
R$ 29,74
	
Parafuso Sextavado Ø1/4” Rosca Grossa (20 FPP)
	
4
	
R$ 2,00
	
R$ 8,00
	Porca Autotravante Sextavada Ø1/4” Rosca Grossa (20FPP)
	4
	R$ 2,00
	R$ 8,00
	
Tubo quadrado de aço 80mm x 80mm e com parede de 2mm
	
1
	
R$ 170,62
	
R$ 170,62
	
Eletrodos para arco elétrico E6013 Ø2/5mm
	
2
	
R$ 40,20
	
R$ 80,40
	
Cabo de aço revestido com PVC Ø2mm
	
1
	
R$ 45,99
	
R$ 45,99
	
Saco de 20kg de areia
	
4
	
R$ 7,90
	
R$ 31,60
	
Galões de gasolina reaproveitados
	
5
	
R$ 1,00
	
R$ 1,00
	
	
	
Total
	
R$ 610,05
6. Conclusão
A utilização de roldanas ou “polias” para alivio de cargas a partir do desvio da direção e do sentido de aplicação força é muito comum em diversas áreas, afim de diminuir os esforços e aumentar a efetividade de um determinado trabalho de força ou desvio de trajetória de uma determinada carga.
Neste projeto é possível observar que a partir de cálculos de dimensionamento para transmissão de esforços atuantes para elevar as cargas solicitadas, é possível obter-se êxito quando se têm já os valores pré-determinados de cargas a serem transportadas pelo dispositivo.
A partir da otimização das polias, além do acompanhamento do valor do fator de segurança obtido com as simulações, também é necessário verificar a geometria da peça e analisar a viabilidade, assim como ter uma base bem estruturada para as forças poderem atuar de forma a se tornarem nulas. Porém, pode ocorrer de o projeto estar com a estrutura bem otimizada proporcionando uma ótima redução de massa, e ao mesmo tempo essa mesma peça estar tendo problemas durante o processo de fabricação com isso estará se ganhando em massa, porém ao mesmo tempo se perdendo em processo, com isso é necessário estar atento nessa parte, para o projeto ser viável.
Sobre os resultados obtidos, é possível notar que a estrutura construída pelo grupo pode suportar cargas superiores às solicitadas, desde que seja possível equilibrar as forças de tal modo que as forças atuantes nos cabos se anulem entre si. 
Uma melhoria para este processo, seria a aplicação de um sistema de motorização elétrico para realizar o içamento de carga de forma automatizada. 
7. Referências bibliográficas
Consulta para revisão bibliográfica:https://www.ufrgs.br/blogdabc/como-fazer-uma-revisao-bibliografica-2/ - Acesso em 24/05/20
Guindaste e suas funções na engenharia: http://engcivilmanitowoc.blogspot.com/2010/05/guindastes-e-suas-funcoes-na-engenharia.html - Acesso em 24/05/20
Imagem 1 – Modelos de Guindaste: www.pt.dreamstime.com - Acesso em 25/05/20
Explicativo sobre polias ou roldanas e imagem 2: https://www.todamateria.com.br/polias/ - Acesso em 25/05/20
Imagem 3 e 4 – Modelos de roldanas: https://pequenoscientistassanjoanenses.wordpress.com/2016/02/12/mecanica-simples-roldanas/ - Acesso em 25/05/20
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