Projeto do Subsistema de Estruturas

Definição de critérios de avaliação dos materiais

Na tabela abaixo, estão listados os critérios definidos e as pontuações para cada requisito e por fim o peso definido pela soma das pontuações:

Critério	RF1	RF2	RF3	RF4	RN1	RN2	Peso
Possui normas nacionais para especificar seu uso?	1	1	1	1	0	0	4
Possui embasamento literário extenso para os cálculos?	1	1	1	1	0	0	4
Objeto disponível no laboratório?	0	0	0	0	1	1	2
Possui vasta aplicação industrial no contexto de estruturas?	1	1	1	1	1	1	6

Tabela 1 - Critérios para cada requisito de estruturas
Fonte: Autores.

Projeto da Estrutura Interna da Estufa Hidropônica

O projeto da estrutura interna foi desenvolvido de forma a atender às necessidades específicas de uma estufa hidropônica, com foco na eficiência e funcionalidade. O material escolhido para a construção foi o PVC, principalmente devido ao seu baixo custo, facilidade de manuseio e ampla disponibilidade no mercado. Essas características foram fundamentais para garantir um projeto economicamente viável e prático para implementação.

Divisão da Estrutura Interna

A estrutura interna é composta por duas partes principais: o apoio e a serpentina superior:

Apoio

O apoio é responsável por sustentar toda a estrutura e foi construído com tubos de PVC de 20 mm. Ele foi projetado para garantir estabilidade e fornecer a inclinação necessária para o funcionamento eficiente do sistema hidropônico. A inclinação da estrutura é cuidadosamente calculada, com a extremidade mais alta possuindo 300 mm de altura e a mais baixa 200 mm, resultando em um ângulo aproximado de 9,5 graus.

Essa inclinação auxilia no fluxo gravitacional da solução nutritiva, permitindo que ela se mova de maneira contínua e natural ao longo da serpentina. Além disso, o apoio foi reforçado com conexões sólidas e precisas para suportar o peso da serpentina, da água e das mudas, garantindo durabilidade e segurança durante o uso.

Serpentina

A serpentina superior, feita com tubos de PVC de 40 mm, foi projetada para acomodar as mudas e distribuir uniformemente a solução nutritiva. Sua configuração em forma de serpentina otimiza o uso do espaço interno da estufa, permitindo que um número maior de mudas seja cultivado em uma área compacta.

Os tubos possuem furos estrategicamente espaçados, onde cada muda é posicionada. Essa disposição garante que todas as plantas recebam uma quantidade uniforme de água e nutrientes, promovendo um crescimento saudável e homogêneo. A configuração em serpentina também reduz a velocidade de circulação da água, provocando uma perda de carga intencional, que dá às raízes das plantas tempo suficiente para absorver os nutrientes presentes na solução.

Design Modular e Componentes

O design da estrutura foi desenvolvido de forma modular, facilitando a montagem, manutenção e possíveis adaptações. A estrutura é composta por duas partes principais, cada uma com seus próprios componentes específicos:

Apoio Interno:

• Conexões do tipo joelho de 90 graus: Feitas em PVC com espessura de 20 mm..
• Tubos de PVC de 20 mm: Com diferentes comprimentos.
• Conexões do tipo "T": Também em PVC com espessura de 20 mm.

Serpentina

• Conexões do tipo joelho de 90 graus: Feitas em PVC com espessura de 40 mm, utilizadas para criar as curvas no formato de serpentina.
• Tubos de PVC de 40 mm: Com comprimentos variados.

Os detalhes completos sobre as dimensões, quantidades e especificações técnicas dos componentes podem ser consultados nos desenhos técnicos associados ao projeto.

Configuração e Funcionalidade

A estrutura interna da estufa foi projetada com uma baixa inclinação e no formato serpentina, visando otimizar o fluxo da água. Essa configuração permite que a água circule de maneira mais desacelerada, resultando em uma perda de carga considerável.

A desaceleração é essencial para assegurar que as mudas tenham tempo suficiente para absorver os nutrientes presentes na água. Dessa forma, essa abordagem visa encontrar um equilíbrio eficiente entre o fluxo hídrico e a absorção de nutrientes, promovendo um ambiente adequado para o crescimento das mudas.

Projeto da Estrutura Externa da Estufa Hidropônica

A crescente demanda por sistemas agrícolas eficientes e sustentáveis impulsiona a adoção de tecnologias inovadoras, como a hidroponia. Nesse contexto, este projeto apresenta o desenvolvimento de uma estrutura externa para uma estufa hidropônica, destacando-se pela integração entre eficiência, funcionalidade e acessibilidade.

O material escolhido para a construção da armação da estrutura é o Aço-Carbono que compõe tubos de metalon, nesse caso de seção quadrada de 20 mm. Este material é amplamente reconhecido por suas características que atendem às necessidades deste tipo de aplicação. A escolha baseia-se em vantagens como facilidade de aquisição por ampla disponibilidade no mercado, alta resistência mecânica, pouca deformabilidade e custo acessível. Caso haja preocupação com ferrugem, é possível reverstir o material com tintas anti-corrosivas ou galvanização. Esses atributos fazem do metalon uma solução ideal para garantir durabilidade e viabilidade econômica ao projeto, alinhando-o às práticas sustentáveis e acessíveis.

A proposta tem como objetivo criar uma estrutura que otimize o ambiente interno da estufa, promovendo as condições necessárias para o crescimento eficiente das culturas, ao mesmo tempo em que garante a segurança doméstica e a facilidade de armazenamento em ambientes internos, essenciais para a popularização da hidroponia como prática agrícola moderna. O projeto será desenvolvido com foco em simplicidade e segurança, por já atender às configurações espaciais necessárias para germinação das plantas cultivadas.

Configuração e Funcionalidade

A estrutura externa foi desenvolvida com foco em simplicidade e eficiência estrutural, equilibrando peso total e resistência mecânica. As tubulações de metalon foram posicionadas de forma a permitir fácil acesso ao interior, isto é, com espaço suficiente para visualização e manuseio das plantas, caso necessário.

Design Completo e Componentes

A estrutura externa é composta por:

• 4 tubos verticais de 1 m de comprimento;
• 9 tubos horizontais de 0,75 m de comprimento;
• 4 paredes de Madeirite coladas a manta térmica no interior, para garantir leveza, impermeabilidade e refletividade;
• 1 base em metal revestido apoiado em poliestireno, para apoio dos componentes internos, como apresentado na figura 1;
• 1 chapa de ACM de 0,75 x 075 m de comprimento para apoio do led;
• 1 chapa de comprensado de 0,75 x 0,75 m de comprimento para o topo;

Figura 1 - Estrutura externa
Fonte: Autores.

Simulações Numéricas Estruturais

Devido à complexidade dos cálculos estruturais analíticos e à razoável simplicidade estrural, optou-se por fazer simulações numéricas com métodos dos elementos finitos utilizando o módulo Static Structural do software Ansys Workbench 2024R2. Os critérios foram avaliados em relação ao escoamento do aço-carbono e ponto equivalente a isso para o PVC.

Estrutura Interna

Para as condições de contorno da estrutura interna, foi considerado o contato com a base da estrutura externa por um apoio que restringe movimentos em todas as direções. Já para as condições de carregamento, considerou-se a ação da gravidade e o peso das plantas em cultivo. Essas plantas tem peso médio menor que 400g, e por isso esse é o peso considerado no carregamento.

A criação da malha foi feita por métodos MultiZone a fim de obter melhor uma qualidade de elementos dentro do possível para a geometria da tubulação.

Os resultados de tensão equivalente e deformação total não configuram criticidade à estrutura, garantindo a integridade da estrutura interna. Esses resultados estão nas figuras abaixo.

Estrutura Externa

Para as condições de contorno da estrutura externa, foi considerado o contato com o chão como um apoio que restringe movimentos em todas as direções. Já para as condições de carregamento, considerou-se a ação da gravidade, o peso da estrutura interna, incluindo as plantas e reservatório, o peso da ventoinha e o peso da placa central de eletrônica. Além disso, por se tratar de um produto para uso doméstico, considerou-se a força equivalente a uma criança de 50kg sentada apenas em uma fas vigas horizontais do topo da estrutura, para evitar subdimensionamento. Esses componentes tem carregamentos em locais diferentes e que foram considerados na simulação.

A criação da malha foi feita por elementos de viga BEAM181 a fim de obter velocidade computacional enquanto se mantém qualidade de resultados, respeitando a geometria da estrutura em metalon.

Os resultados de tensão equivalente e deformação total não configuram criticidade à estrutura, garantindo a integridade da estrutura interna. A condição crítica adotada foi o limite de escoamento do metalon, sendo tensão a equivalente de Von-Mises simulada em comparação à tensão de escoamento (250 MPa), e a deformação total máxima em comparação à deformação de escoamento (1.19 microns ou até 1 mm de alongamento longitudinal). Esses resultados estão nas figuras abaixo.

Projeto Hidráulica

Por se tratar de um sistema de irrigaçaõ e cultivo hidropônicos, é necessário que haja um reservatório de capacidade grande e que se garanta a circulação em baixa velocidade de água e nutrientes, necessário para o crescimento saudável das plantas ao absorver a quantidades adequadas dessas substâncias. Para isso, a escolha da bomba a ser utilizada é determinante na qualidade do produto final. Além disso, o projeto hidráulico desse sistema inclui inserção de nutrientes diluidos, que tem irrisória influência no volume total, e reposição de água no reservatório, feito apenas quando necessário. Por isso, esses dois últimso fatores não foram incluidos no dimensionamento da bomba.

O diagrama do projeto hidráulico está disponível na figura abaixo.

A escolha de uma bomba para sistemas hidráulicos é baseada na sua potência útil. Ela deve garantir o ganho de elevação e suprir a perda de carga gerada pela distribuição da tubulação. Dessa forma, essas duas quantidades devem ser determinadas.

Ganho de elevação geométrica

Geometricamente, a bomba deve ser posicionada na mesma altura que o piso do reservatório principal, a fim de que a variação do nível da água não isole a bomba do contato com o líquido. Como explicado no projeto da estrutura interna, o ganho de altura do piso até o centro do tubo mais alto é de 30 cm (0.3 m), sendo esse ganho de elevação considerado para dimensionamento da bomba. A perda de carga, isto é, distância horizontal sob ação de atrito e mudanças geométricas que gerem efeito equivalente a ganho de elevação, é determinada separadamente em perda localizada e distribuida.

Perda de carga localizada

A perda de carga localizada é obtida experimentalmente e fornecida em catálogos técnicos dos fabricantes, nesse caso a Tigre, e possui valores variados para cada dimensão e formato de componente diferente. Como os acessórios à tubulação são apenas conectores do tipo Joelho de 90º para tubos de 40 mm de diâmetro, confere-se o seu valor unitário de perda de carga de 2.0 m por joelho adicionado, totalizando 24.0 m de perda de carga localizada.

Perda de carga distribuida

Para a perda de carga distribuida, é necessário usar a equação de Darcy-Weissbach, que por sua vez precisa dos valores dos comprimentos característicos, da aceleração da gravidade, da velocidade do escoamento, e do fator de atrito da tubulação.

Os comprimentos característicos são o diâmetro ddos tubos (40 mm) e o comprimento total da tubulação (2.8 m) obtido dos desenhos técnicos anexos. A aceleração da gravidade é conhecida (9,81 m/s²).

A velocidade média do escoamento é obtida pela vazão de água do sistema, que é devida apenas à absorção de água das plantas, normatizadas pela Embrapa. Visando dimensionamento para condições mais críticas, hortaliças de maior massa foliar, como couve, acelga e alface, podem consumir até 800 mL de água por dia. Além disso, é razoável considerar o escoamento de tubo preenchido, uma vez que a fricção com a água é muito maior que a fricção com o ar, garantindo que está dimensionado com segurança, o cálculo da velocidade de escoamento considera a área total de seção transversal do tubo. Essa velocidade é utilizada também para cálculo do número de Reynolds (Re) do escoamento.

Já o fator de atrito é obtido pelo diagrama de Moody, desenvolvido empiricamente e disonível na figura abaixo, que leva em consideração a rugosidade relativa do tubo e o Re do escoamento. A depender da vagareza que a água escoa, é necessário usar calculadoras online como a Advanced Delphi Systems. O fator de atrito obtido foi de aproximadamente 0.45.

Desse modo, é finalmente possível substituir os valores conhecidos e obtidos na equação de Darcy-Weissbach e obter perda de carga distribuida de 3.16e-09 m, irrisória em comparação à perda localizada.

Potênica da bomba

Com a perda de carga total de aproximadamente 24.3 m, e com uma vazão requerida de 800 mL/dia (5.55e-8 m³/s), é possível calcular a potência útil necessária da bomba, segundo a equação abaixo.

O valor final obtido para potência de bomba foi de 0.0132 W (13.2 mW) de potência requerida, o que é bem abaixo das potências disponíveis no mercado. Dessa forma, cabe ao projeto eletrônico reduzir a potência da bomba adquirida para garantir bom funcionamento da circulação do escoamento.

Todos os cálculos necessário foram feitos utilizando código em criado pelos autores.

Referências

• KRAJEWSKI, Lee J.; RITZMAN, Larry P.; MALHOTRA, Manoj K. Administração de produção e operações. 8. ed. São Paulo: Pearson, 2012. xiv, 615 p. ISBN 9788576051725.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 08403: Aplicação de linhas em desenhos - Tipos de linhas - Larguras das linhas Rio de Janeiro, 1984.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 10067 - Princípios Gerais de Representação em Desenho Técnico, 1995

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 10068 - Folha de Desenho - Leiaute e Dimensões, 1987

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 10126 - Cotagem em Desenho Técnico, 1987

• TIGRE TG-085-16 - Orientações para instalações de Água Fria, 2016

• EMBRAPA - Água para hortaliças, 2016

Versionamento

Versão	Data	Modificação	Autor
Versão	Data	Modificação	Autor
--	--	--	--
0.1	29/11/2024	Criação do documento	X
1.0	29/11/2024	Versão 1 estrutura externa	Teodoro
1.2	30/11/2024	Atualizações externas	Teodoro
1.3	30/11/2024	Assembly estrutura externa corrigida	Teodoro
1.4	01/12/2024	Assembly Parcial	Teodoro
1.5	02/12/2024	Assembly Parcial V2	Teodoro
1.6	02/12/2024	Projeto da Estrutura Interna	Michele Andrade
1.7	02/12/2024	SImulações Numéricas	Pedro Dionísio
2.1	20/01/2024	Simulações Numéricas corrigidas e correção de texto	Pedro Dionísio
2.2	20/01/2024	Dimensionamento da Bomba	Pedro Dionísio
2.3	20/01/2024	Atualização da estrutura interna - Apoio Interno	Michele Andrade
2.4	20/01/2024	Diagrama hidráulico	Pedro Dionísio
2.5	20/01/2024	Atualização da estrutura externa	Teodoro Kowalski
2.6	20/01/2024	Atualização de design modular e componentes	Louyse Lopes
2.7	20/01/2024	Atualização da estrutura interna - Serpentina	Michele Andrade
2.8	20/01/2024	Atualização da configuração e funcionalidade	Louyse Lopes
3.0	09/02/2025	Atualização do design e componentes	Michele Andrade