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Avaliação da Magnitude de Carga na Tarefa de Empurrar um Carrinho de Transporte Evaluation of the Magnitude of Task Load Pushing a Trolley Transportation Calixto, Cyntia Cristina Zaruch; Msc; Universidade Federal do Paraná [email protected] Lazzari, Marcio; Msc; Universidade Tecnológica Federal do Paraná [email protected] Okimoto, Maria Lúcia Leite Ribeiro; Dr. Eng.; Universidade Federal do Paraná [email protected] Guimarães, Bernhard; Eng.; Universidade Federal do Paraná [email protected]

Resumo Adotando-se três percentiles diferentes de estatura e massa para um indivíduo do sexo masculino, quantificou-se a magnitude das forças no transporte de cargas utilizando-se um carrinho de tração humana movido a empurrão de uso industrial. A tarefa de empurrar algo em uma superfície horizontal permite diferentes posturas. Assim, considerando-se os dados dos esforços atuantes nos membros superiores, realizou-se uma análise da situação usuário-carrinho através de simulações feitas pelo software CATIA V5 R16, obtendo-se os esforços atuantes na coluna vertebral, o que permitiu observar o que pode contribuir para a concepção de um novo carrinho mais adequado para os usuários.

Palavras Chave: Tarefa de empurrar; Carrinho de transporte; Análise de carga. Abstract Adopting three different percentiles of height and mass for a male gender, was quantified the magnitude of the forces in load transportation using a trolley for industrial use. The task of pushing something on a horizontal surface allows different postures. Thus, considering the data of the efforts acting on the upper limbs, there was an analysis of user-cart through simulations made by the software CATIA V5 R16, obtaining the stresses in the vertebral column, which allowed to observe what may contribute to the design of a new trolley most appropriate for users. Keywords: Push task; Trolley Transportation; Load analysis.

Avaliação da Magnitude de Carga na Tarefa de Empurrar um Carrinho de Transporte: Uma abordagem para usuários do sexo masculino com variação de três percentiles de massa e estatura diferentes

9º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design

1. Introdução O trabalho de manipulação de cargas com sistemas mecânicos é extremamente comum

em diversas áreas produtivas. De acordo com Okimoto e Guimarães (2008), por se tratar de uma tarefa de transporte que utiliza um equipamento, poucas vezes há uma avaliação ergonômica do trabalho.

Além disso, o fato deste tipo de tarefa ser desenvolvida por um número pequeno de trabalhadores, se considerado um universo da área produtiva, não há preocupação e interesse suficientes para que as empresas e seus dirigentes se preocupem com a melhoria da qualidade deste tipo de tarefa sob o ponto de vista ergonômico.

Jansen et al. (2002) e Laursen e Schibye (2002) informam que o trabalho de empurrar e puxar cargas manualmente tem recebido atenção científica limitada, apesar destas serem tarefas associadas aos problemas músculo-esqueléticos, especialmente da coluna lombar, ombros e braços.

Assim, considerando-se a escassez de estudos sobre o transporte manual de cargas, através da utilização de carrinhos, é que se resolveu dar continuidade ao estudo de Okimoto e Guimarães (2008) e procurar respostas aos questionamentos sobre quais os níveis seguros para a tarefa de empurrar um carrinho de carga em um plano com zero graus de inclinação, considerando a altura da pega, a estatura e o peso (massa) de um indivíduo de naturalidade francesa, sexo masculino, e em três percentiles diferentes.

1.1 Objetivos

Este estudo é uma continuação de um estudo sobre a avaliação ergonômica da

magnitude da carga na tarefa de empurrar um carrinho de transporte apresentada por Okimoto e Guimarães (2008) e tem como objetivo quantificar a magnitude das forças de uma situação de transporte de peças realizada por um homem considerando três percentiles diferentes de massa e estatura.

A tarefa definida foi a de empurrar um carrinho de transporte de peças em superfície horizontal plana e sem considerar os efeitos de forças de atrito das rodas do carrinho em contato com o piso.

Como Snook e Ciriello (1991) somente consideram a variação de percentiles de massa, optou-se por verificar a variabilidade dos percentiles em estatura, fixando-se em um percentile para massa e vice-versa. Com isso, adotando-se percentiles de 5%, 50% e 95% objetiva-se, através de uma combinação de nove resultados, analisar as posturas obtidas e propor sugestões para que a tarefa seja realizada de forma que o usuário não sofra lesões.

1.2 Estrutura do artigo

O artigo aborda primeiramente uma introdução sobre a manipulação e transporte de

cargas em sistemas mecânicos, com a definição dos principais objetivos sobre o estudo apresentado. Em seguida são apresentadas as etapas referentes ao método utilizado (método de avaliação). No item três são apresentados os resultados obtidos, com a descrição da tarefa, das posturas de trabalho, da magnitude de carga, além da criação de manequins e análise dos esforços atuantes. No quarto item é apresentado o diagnóstico ergonômico assim como uma breve discussão sobre os resultados encontrados e a proposta de itens a serem adequados no



veículo para a realização da tarefa. No item cinco, são apresentadas as considerações finais sobre a avaliação ergonômica realizada.

2. Método de Avaliação

Para Okimoto e Guimarães (2008), em um estudo sobre a avaliação da magnitude de

carga na tarefa de empurrar e puxar um carrinho de transporte são propostas três etapas: a primeira é constituída de um estudo experimental em laboratório, com a utilização de uma célula de carga mostrada na Figura 1, em que é apresentada a situação real de trabalho, com as mesmas condições de uso (carrinho de transporte, piso e massa de carregamento); a segunda é realizada em uma situação real de empurrar e puxar em uma empresa industrial do setor metal-mecânico (considerando três indivíduos e utilizados planos distintos de avaliação, transporte na horizontal e em situação de plano inclinado com sete graus); e na terceira etapa foram simulados os dados em software de simulação virtual em três dimensões (3D), software CATIA V5 R16 da Dassault Systems, utilizando os módulos de Ergonomics Analysis / Activity Analysis, Biomechanics Analysis e Push-Pull Analysis.

Figura 1: Célula de Carga de 500Kgf, marca Kratos, indicador de carga e modelo do carrinho de transporte avaliado (Okimoto e Guimarães, 2008)

Para o estudo apresentado neste artigo, foram propostas as etapas de: i) Revisão bibliográfica sobre o transporte de cargas por carrinhos (Laursen e Shibye, 2002, Jansen et al., 2002); ii) Construção de manequins masculinos no software CATIA V5R16; iii) Compreensão dos métodos utilizados e dados obtidos por Okimoto e Guimarães (2008); iv) Definição dos percentiles de 5%, 50% e 95% para massa e estatura (estipulando-se uma combinação entre a variação de ambos); v) simulação dos dados no software CATIA V5R16 da Dassault Systems, utilizando os módulos de Ergonomics Analysis / Activity Analysis, Biomechanics Analysis e Push-Pull Analysis, com base de Snook e Ciriello (1991); vi) elaboração de uma lista de melhorias com vias de facilitar o desenvolvimento de um novo protótipo de um novo carrinho, mais adequado para os percentiles dos usuários da tarefa a ser realizada.

3. Resultados 3.1 Descrição da tarefa

A tarefa utilizada é a mesma apresentada por Okimoto e Guimarães (2008), em uma

empresa industrial do setor metal-mecânico. Nesta, o transporte é realizado do setor de



usinagem para o setor de depósito onde as peças são colocadas em caixas sobre o carrinho de transporte. Com o carrinho, o operador transporta 20 caixas de massa de 7,5kg, totalizando 193kg ou aproximadamente 1930 Newton, incluindo a massa do carrinho. As forças de atrito com o piso não foram consideradas.

Todavia, para a adequação desta tarefa neste estudo, foi considerado um deslocamento de 20 metros em um intervalo de tempo de cinco minutos e sendo realizada uma vez em um período de sete horas. Além disso, foi considerada uma carga de 12kgf, distribuída simetricamente com seis quilogramas-força.

3.2 Posturas de trabalho no plano reto

As posturas de trabalho adotadas por Okimoto e Guimarães (2008), mostram os

operadores se posicionando em frente ao carrinho, simulando o mesmo ângulo de esforço de empurrar o carrinho em uma situação semelhante a real. A Figura 2A mostra o operador empurrando o carrinho em um plano reto, com o corpo mais próximo possível do carrinho. Na Figura 2B, o carrinho é empurrado com uma postura de braços e antebraços mais afastados do carrinho.

Figura 2A e B: Posicionamento do operador para transporte da carga (Okimoto e Guimarães, 2008)

3.3 Descrição da magnitude da carga atuante sobre o sistema de transporte

A atividade de empurrar o carrinho demanda um esforço integrado do corpo do

operador. A partir do contato com o carrinho através das mãos, a decomposição de forças pode ser visualizada conforme ilustra Figura 3, baseada no modelo biomecânico proposto por Pullat (1997) e Helander.

Figura 3: Modelo estático da coluna vertebral (baseado em Pullat (1997, p. 490) e Helander)

A partir da Figura 3 é possível decompor as componentes de forças no sistema biomecânico para iniciar o movimento de deslocamento da carga, ilustrado através da Figura 4.



Figura 4: Análise físico–matemática simplificada das forças envolvidas na realização da tarefa (Okimoto e Guimarães, 2008)

A força F é a força média numa dada direção, dado pelo ângulo formado entre o braço do indivíduo e ponto de pega. As resultantes Fx e Fy, são as componentes de forças formadas pelo ângulo F médio. Esta representa a força exercida pelo próprio carrinho, isto é, a força de resistência (OKIMOTO e GUIMARÃES, 2008).

Além disso, a quantificação das cargas necessárias para vencer a inércia do sistema (i.e. força inicial para mover o carrinho com a carga), torna-se representativa, pois é onde se encontra a força máxima de desempenho do sistema, sendo progressivamente reduzida uma vez que o sistema se encontre em deslocamento, atuando a força de sustentação do sistema, e sendo esta menor que a força inicial.

Para esta quantificação, a Figura 5 apresenta a simulação das tarefas através dos módulos de Ergonomia (Ergonomics Analysis) do software CATIA V5 R16.

Figura 5: Simulação da tarefa no software CATIA V5 R16

A magnitude de carga de esforço do operador na tarefa de empurrar foi definida em 12 kgf (quilograma-força) com um ângulo de entrada de 90º, baseado no valor de pico medido na célula de carga de acordo com Okimoto e Guimarães (2008).

Além disso, foi considerada a direção da componente de força, ilustrada na Figura 6, conforme a sua localização de quadrante (elevação), a qual foi calculada pelo software CATIA V5 R16 através da posição do ângulo de força nos indivíduos (somando-se ou subtraindo-se conforme a posição relativa de leitura de ângulos).



Figura 6: Orientação da entrada de dados de ângulo de atuação da carga no software CATIA módulo Activity

Analysis (Okimoto e Guimarães, 2008)

3.4 Dados dos indivíduos e criação de manequins A partir da definição dos percentiles de 5%, 50% e 95% para massa e estatura,

considerando a duração da tarefa, a carga e a distância (i.e. deslocamento) foram criados os manequins utilizando os módulos de Ergonomia (Ergonomics Analysis) do software CATIA V5 R16, apresentados na Tabela 1. Estes módulos utilizam a base de dados proposta por Snook e Ciriello (1991).



Tabela 1. Correlação da estatura com a massa para percentile do sexo masculino, nacionalidade francesa, variáveis de 5, 50 e 95, segundo Snook e Ciriello (1991). Elaborado através do software CATIA V5 R16

Estatura P. 5% (1,64m)



Massa P.5%

(54,60kg)

Massa P.50%

(70,60kg)

Massa P.95%

(86,60kg)

Com estes dados pode-se dizer que a massa variou em 54,60kg, 70,60kg e 86,60kg, enquanto que a estatura variou em 1,64m, 1,74m e 1,85m, para os respectivos percentiles de 5%, 50% e 95%.

3.5 Análise de esforços atuantes na tarefa de transporte pelo princípio do modelo estático da coluna vertebral

Através do software CATIA V5 R16, com os três percentiles diferentes para massa e

estatura, foram obtidos os dados apresentados na Tabela 2. Estes dados são baseados de acordo com Snook e Ciriello (1991), utilizando cargas de seis quilogramas-força em cada braço do usuário em um ângulo de 90º.



Tabela 2. Correlação dos esforços atuantes nos indivíduos de estatura com a massa para percentile do sexo masculino, nacionalidade francesa, variáveis de 5, 50 e 95, de acordo com Snook e Ciriello (1991). Dados extraídos do módulo Ergonomic Analysis do software CATIA V5 R16 e formatados para melhor visualização

Estatura P. 5% Estatura P. 50% Estatura P. 95% Análise dos valres de esforços para uma carga de 12kg (6 em cada braço) de acordo com Snook & Ciriello (1991)

(1,64m) (1,74m) (1,85m)15 69 83 Momento (Nm) na L4-L5

525 1486 1694 Força de Compressão (N) na L4-L5280 309 304 Força de Compressão no Carregamento do Corpo (N) na L4-L50 5 3 Força de Compressão na Torção Axial (N) na L4-L5

245 1146 1382 Força de Compressão na Flexão e Extensão (N) na L4-L5155 Posterior 77 Posterior 59 Posterior Força na Junção L4-L5 (Joint Shear ) (N)

0 0 0 Força Abdominal (N)0 0 0 Pressão Abdominal (N)

Massa P.5% Reação do piso no corpo do indivíduo (N)(54,60kg) 118 118 118 Total (X)

0 0 0 Total (Y)536 536 536 Total (Z)59 59 59 Pé esquerdo (X)0 0 0 Pé esquerdo (Y)

268 268 268 Pé esquerdo (Z)59 59 59 Pé direito (X)0 0 0 Pé direito (Y)

268 268 268 Pé direito (Z)12 80 99 Momento (Nm) na L4-L5







346 346 346 Pé direito (Z)8 91 113 Momento (Nm) na L4-L5







425 425 425 Pé direito (Z) Além desta tabela, foram criados quatro gráficos representados através das Figuras 7, 8, 9 e 10, os quais demonstram os esforços de compressão (em Newton) atuantes no disco da coluna vertebral da região lombar (posição L4-L5) do usuário. A Figura 7 apresenta a força de compressão total da lombar enquanto a Figura 8, apresenta a força de compressão no carregamento do corpo.



148616941759

20322027

2328

525

561

580

0

500

1000

1500

2000

2500

Estatura P.5% (1,64m)



Massa P.5%(54,60kg)

Massa P.50%(70,60kg)


Figura 7: Força de Compressão na L4-L5 (N)

280309 304

364 385 374

448 460 444

050

100150200250300350400450500

Estatura P. 5%(1,64m)



Massa P.5%(54,60kg)



Figura 8: Força de Compressão no Carregamento do Corpo na L4-L5 (N)

Já a Figura 9 apresenta a força de compressão quando o indivíduo necessita de um mínimo movimento para mover o carrinho. Esta força é visualizada através dos esforços de flexão na L4-L5.

114613821335

16571520

1883

245

197132

0200400600800

100012001400160018002000




Massa P.5%(54,60kg)



Figura 9: Força de Compressão na Flexão e Extensão na L4-L5 (N)

Nestes três casos percebe-se que um indivíduo de percentile 95% com estatura maior (1,85m) e maior massa (86,60kg) é o que sofre os maiores esforços, enquanto que o indivíduo de percentile 5% sofre os menores esforços tanto para estatura quanto para massa.



A Figura 10 apresenta as forças na junção L4-L5. Estes esforços diminuem na medida em que tanto a estatura quanto a massa dos indivíduos diminuem.

155

77595536

9

156

154

330

20406080

100120140160180




Massa P.5%(54,60kg)



Figura 10: Força na junção L4-L5 (Joint Shear) (N)

Neste caso, ao contrário das três situações de esforços de compressão citadas anteriormente, um indivíduo de percentile 95% com estatura maior (1,85m) e maior massa (86,60kg) é o que sofre os menores esforços, enquanto que o indivíduo de percentile 5% sofre os maiores esforços tanto para estatura quanto para massa.

4. Discussão

O estudo ateve-se na maior força (realizada em alguns segundos), sendo os valores

máximos encontrados dentro dos padrões para a média da população masculina, se considerada a baixa freqüência de carga do usuário para o transporte de 12kg.

A partir dos três casos analisados, com a combinação de nove resultados, percebeu-se que um indivíduo de percentile 95% com estatura maior (1,85m) e maior massa (86,60kg) é o que sofre os maiores esforços, enquanto que o indivíduo de percentile 5% sofre os menores esforços tanto para estatura quanto para massa, para as forças de compressão. Todavia, ao contrário das três situações de esforços de compressão, um indivíduo de percentile 95% com estatura maior (1,85m) e maior massa (86,60kg) é o que sofre os menores esforços, enquanto que o indivíduo de percentile 5% sofre os maiores esforços tanto para estatura quanto para massa.

Os valores também podem apresentar diferenças conforme a posição que o usuário segura o carrinho, ou seja, a posição das pegas, pois as componentes de forças se alteram conforme a sua posição em relação ao ponto de pega, conforme ilustrado na figura do modelo estático da coluna vertebral por PULLAT (1997). Assim, o movimento de flexão ou extensão da coluna, é responsável pela distância do ponto de pega e a redistribuição das forças, em determinados instantes de tempo no qual o indivíduo é avaliado.

O sistema de transporte é dinâmico e a avaliação de pico tomou apenas uma situação pré-definida. Para a quantificação do esforço estático, deve-se lembrar que a variação de forças para um mesmo indivíduo é um fato esperado dentro de uma determinada faixa de valores, pois na situação real ocorre esta variação pela liberdade de movimentos que a situação permite. Sugere-se então, para o aprofundamento destes aspectos, uma avaliação não apenas de pico, mas de forma contínua registrando um intervalo de tempo maior.



A posição em que a pega é realizada pode alterar a resultante de força aplicada inicialmente. Como a força medida é aquela proveniente do instante de início do deslocamento (executada em fração de segundos), qualquer força de manutenção do movimento será menor que o valor inicial.

De posse destas informações dos usuários a equipe de projeto, desenvolvedora dos carrinhos, é a responsável por conciliar as necessidades do usuário com os requisitos de projeto, na fase de projeto conceitual. Estas necessidades podem ser listadas como:

a) Facilidade da pega (altura da pega e flexibilidade para adequação da pega com a variação de altura e posicionamento das mãos);

b) Tipo de manípulo ou manopla para apoio das mãos (agradabilidade da forma, textura, rugosidade e inexistência de cantos vivos);

c) Peso compatível com a capacidade do usuário.

A partir desta lista a equipe projeto pode repensar e propor sugestões de melhorias em novos protótipos que venham a ser desenvolvidos com a finalidade de diminuir os esforços atuantes quando da realização da tarefa de empurrar a carga.

5. Considerações Finais

Através da avaliação da magnitude de carga é possível visualizar as eventuais

situações de risco nas quais os usuários possam estar submetidos. A partir das posturas assumidas pelos usuários foi possível identificar os esforços que são aplicados nas vértebras da coluna vertebral (neste caso L4-L5) e verificar quais usuários sofrem os maiores comprometimentos. Com isso, foi possível listar melhorias no carrinho de transporte, a fim de que a equipe desenvolvedora de carrinhos possa contribuir com protótipos menos danosos aos usuários, fazendo com que estes corram riscos menores de eventuais lesões para a tarefa determinada.

Referências HELANDER, Martin. A Guide to the Ergonomics of Manufacturing. Linköping Institute of Technology, Sweden. Ed.Taylor &Francis. JANSEN, Jorrit P.; HOOZEMANS, Marco J.M.; VAN DER BEEK, Allard J.; FRINGS-DRESEN, Monique H.W. Evaluation of ergonomic adjustments of catering carts to reduce external pushing forces. 2002, Elsevier Science Ltda. Applied Ergonomics (2002), V.33. p.117–127. LAURSEN, Bjarne; SCHIBYE, Bente. The effect of different surfaces on biomechanical loading of shoulder and lumbar spine during pushing and pulling of two-wheeled containers. Applied Ergonomics (2002), Volume 33, p. 167–174. OKIMOTO, Maria Lúcia Leite Ribeiro; GUIMARAES, Bernhard Johnson Barroso. Avaliação da Magnitude de Carga na Tarefa de Empurrar e Puxar em Carrinho de Transporte. ABERGO. Porto Seguro/BH: 2 a 6 de Novembro 2008.



PULLAT, B. Mustafa. Fundamentals of Industrial Ergonomics. 2 ed. Waveland. Illinois. USA.PUSH. 1997. SNOOK, S.H.; CIRIELLO, V.M. The Design of Manual Handling Tasks: Revised Tables of Maximum Acceptable Weights and Forces. Ergonomics (1991). Volume 34, Number 9, p.1197-1213.

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