Marcus Vinícius Vieira Silva (1) Paulo César Santana Silva (2) Resumo

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(1) Anglo American – Analista de Engenharia de Manutenção e Confiabilidade PL (2) Anglo American – Coordenador de Engenharia de Manutenção e Confiabilidade

REDUÇÃO DE CUSTO COM A OTIMIZAÇÃO DA VIDA ÚTIL DOS PRINCIPAIS COMPONENTES DO TREM DE FORÇA DOS CAMINHÕES

830-E BAS830-EADA 830-EM ANÁLIS830-E D830-E CONFIABILIDAD830-E 830-E LCC

Marcus Vinícius Vieira Silva (1) Paulo César Santana Silva (2)

Resumo

Em empresas de extração mineral, a busca por um cenário de menor custo de produção tem-se tornado sempre mais desafiadora com a necessidade constante de aprimoramento dos processos de extração para atendimento aos requisitos da legislação ambiental, de segurança e saúde do trabalhador e da comunidade ao seu entorno, o que pressiona para o aumento do custo de beneficiamento do mineral extraído. As atividades do processo de manutenção de equipamentos da área de lavra consomem uma parte significativa do orçamento de custeio destas empresas e por isso tornam-se estratégicas na obtenção de um cenário mais atrativo de redução de custos. Com este objetivo, para o Projeto Minas-Rio da empresa AngloAmerican, foi desenvolvido e aplicado um estudo utilizando as técnicas de LCC (Análise do Custo de Ciclo de Vida do Ativo) e LDA (Análise de Confiabilidade dos Dados de Vida) para o Caminhão Komatsu Off Road 830E-1AC e seus principais componentes do Trem de Força, definindo assim o ponto ótimo (expectativa de vida otimizada) para substituição destes componentes gerando economia e mantendo a performance operacional do equipamento.

1. Introdução

Atualmente, um dos grandes desafios das empresas é a busca pela mais alta qualidade de seu produto tendo em contrapartida, menor custo de produção possível. A melhor maneira de obter se este resultado é a utilização das novas ferramentas e tecnologias que maximizem a eficiência. Segundo Ishikawa (1993), qualidade é a rápida percepção e satisfação das necessidades do mercado, adequação ao uso e homogeneidade dos resultados do processo. Com qualidade é possível desenvolver, projetar, produzir e comercializar um produto mais econômico, mais útil e satisfatório para o consumidor.

No setor de mineração o desafio é ainda maior, por se tratar de um segmento que demanda altos investimentos e a existência de uma constante volatilidade na variação do dólar e do preço da commodity.

Na atividade de operação de Equipamentos Móveis de Superfície (EMS), principalmente no ramo de extração de minério de ferro, adotamos o conceito de análise de LCC (Life Cycle Cost) para determinar qual o ponto ótimo de

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2 substituição de um ativo do ponto de vista econômico. Uma boa análise de LCC é parte fundamental deste contexto, pois determina o custo total da posse de um equipamento durante toda a sua vida. O “Custo do Ciclo de Vida”, em tradução livre, ajuda-nos a entender a ligação entre os custos de todas as fases, desde a compra (CAPEX), passando pela operação (OPEX) até a sua disposição. Estes itens são baseados na Apostila de Custo do Ciclo de Vida dos ativos industriais; SAE 1999: Reliability and Maintainability Guideline for Manufacturing Machinery and Equipment e IEC 60300-3-3: Dependability management – Part 3-3: Application guide – Life Cycle Cost.

A análise da confiabilidade baseada na vida útil (LDA – Life Data Analisys) dos itens (componentes) que compõe um EMS voltadas para determinação da vida média destes itens (MTTF – Mid Time To Failure) nos ajuda a entender melhor o ponto de substituição destes itens dentro do ciclo de vida deste ativo e assim, nos permite determinar com maior grau de certeza quando, no futuro, ocorrerão os maiores custos de manutenção e como iremos compor a estratégica para absorção e redução destes custo.

Sendo assim, o principal objetivo deste estudo é determinar, através das análises de LDA e LCC o ponto ótimo, em horas trabalhadas, para substituição dos componentes do Trem de Força dos caminhões Off Road Komatsu 830E-1AC que operam no projeto Minas-Rio da empresa AngloAmerican. Este ponto deverá precisar uma expectativa de vida média em que uma determinada quantidade de itens não falhe, permitindo assim, determinar qual a quantidade de itens irão compor o parque reserva, e ao mesmo tempo reduzir o número de vezes em que estes itens serão substituídos dentro da vida útil do equipamento e por consequência os custos de manutenção destes itens. Esta abordagem é importante para execução da previsão orçamentária.

2. A Empresa Anglo American

No Brasil, a Anglo American está presente com produções de minério de ferro e níquel. Denominada Minas-Rio, a operação de minério de ferro contempla um sistema integrado de logística com mina e usina, localizadas em Conceição do Mato Dentro (MG) e Alvorada de Minas (MG), além de um mineroduto, que leva a produção até o Porto de Açu, em São João da Barra (RJ), para embarque para os mercados internacionais. Em Goiás, a empresa tem duas operações de ferroníquel: uma em Barro Alto e outra em Niquelândia (Codemin). A produção é destinada para os mercados interno e externo.

3. Definições e Conceitos

3.1 Análise de Custo do Ciclo de Vida (LCC)

A Análise de Custo do Ciclo de Vida (LCC – Life Cycle Cost) são somatórios de estimativas de custo desde a concepção até a baixa, tanto de equipamentos quanto de projetos, por meio de um estudo analítico e uma estimativa do total de custos durante a vida destes. O objetivo de uma análise de LCC é escolher a melhor aproximação de uma série de alternativas para que o menor custo de longo prazo seja atingido.

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3 A análise do LCC, na verdade incorpora a utilização de diversas metodologias e técnicas, tais como: ferramentas estatísticas e de matemática, engenharia econômica e matemática financeira, engenharia da confiabilidade, engenharia da manutenabilidade, disponibilidade de sistemas, controle de estoque, métodos de previsão, assim como, a utilização dos dados e informações presentes nos diversos setores da empresa.

A análise de LCC ajuda os profissionais a justificar a seleção de equipamentos e processos baseados no custo total e não apenas no custo de aquisição inicial. Geralmente os custos de operação, manutenção e baixa excedem todos os outros custos. Assim como quase todas as ferramentas de engenharia, o LCC promove melhores resultados quando arte e ciência estão juntas com um bom julgamento.

O LCC é a soma de todos os custos do ativo ao longo da sua vida útil, desde seu projeto até seu descarte ou substituição, incluindo custos de aquisição, instalação, operação, manutenção, reformas, revenda ou descarte do equipamento, entre outros.

Na aplicação do LCC como ferramenta, para todo o ciclo de vida dos ativos, pode-se também otimizar a operação e a manutenção, bem como determinar o momento de ótimo de substituição.

Figura I: Custos acumulados ao longo da vida útil

3.2 Confiabilidade e Análise de Dados de Vida

A definição de confiabilidade de um item é a probabilidade deste item desempenhar a sua função esperada por um tempo determinado sem falhas, sob condições específicas de uso.

Para calcular a confiabilidade é necessário utilizar dados do ciclo de vida dos itens aplicados nas mesmas condições (ou condições bem semelhantes) como quantas horas operou até falhar, quantos ciclos até falhar, quantos quilômetros percorreu até falhar. Com estes dados são construídos modelos matemáticos

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4 que estimam a taxa de falha bem como probabilidade falha ao longo do tempo ou ciclos ou outra dimensão em que este mesmo item for utilizado.

Figura II: Representação de modelos matemáticos comuns utilizados em análises LDA

4. Objetos do Estudo

4.1 Caminhão Off Road Komatsu 830E-1AC

O Caminhão 830E-1AC Off Road (fora de estrada) é utilizado para transporte de material nas áreas de Mina de exploração de Minerais das mais variadas litologias. É capaz de transportar uma carga nominal de aproximadamente 240 toneladas métricas.

Atualmente a empresa possui uma frota de 32 caminhões deste modelo operando no projeto Minas-Rio, por uma área de lavra com aproximadamente 12 Km de extensão com regime de operação de turnos de revezamento contínuos e com horas trabalhadas média de aproximadamente 20 horas por dia.

No ano de 2019, foi movimentada uma massa de 68 milhões de toneladas de minério de ferro e outros materiais por esta frota.

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4.2 Trem de Força do Caminhão Off Road Komatsu 830E-1AC e Principais Componentes

O Caminhão Off Road Komatsu 830E-1AC é equipado com vários componentes dentre eles estão os componentes do Trem de Força que são responsáveis por várias funções dos equipamentos dentre elas a sua locomoção. Juntos, os valores dos componentes do Trem de Força representam mais de 70% do valor do caminhão inteiro representando também o maior custo de manutenção.

O Trem de Força é composto basicamente por 01 Motor Diesel, 01 Alternador Principal e 02 Rodas Motorizadas conforme abaixo.

Figura IV: Trem de Força do Caminhão Off Road Komatsu 830E-1AC

5. Desenvolvimento do trabalho

5.1 Análise LCC do Caminhão Off Road Komatsu 830E 1AC

5.1.1 Levantamento de dados para cálculos dos custos de manutenção e operação

Foram levantados e organizados os dados como vida média, custo de material, custos de mão-de-obra, custos de operação dos itens conforme tabela (I).

Motor Diesel Alternador Principal Rodas Motorizadas

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6 Tabela I: Levantamento dados

5.1.2 Projeção de Disponibilidade Física e MTBF médios e estimativa de horas trabalhadas por ano de operação

Para obter projeção de média de Disponibilidade Física e MTBF (tempo médio entre falhas) por ano de operação foram utilizados dados históricos e recursos de software de confiabilidade. Com estes valores e multiplicando pela Utilização Física orçada para cada ano, foi possível também estimar as horas trabalhadas médias totais por de operação.

Figura V: Projeção Anual de DF e MTBF médios

5.2.3 Composição, avaliação dos custos e resultado do LCC

Com os dados de valor de aquisição, custo de manutenção e operação e de expectativa de horas trabalhadas ao longo dos anos foi realizado então a

830E-AC 830E-AC 830E-AC 830E-AC 830E-AC 830E-AC 830E-AC 830E-AC

DESCRIÇÃO DO EVENTO INTERVALO (Horas) INTERVALO (Meses) Quant/ equip Nº de pessoas HH previsto

CUSTO DE MATERIAL PRÉ FALHA (DOLAR)

Nº DE VIDAS

OPE Salário operadores 1 1 4 176,00 1

COMB Combustível 1,00 1 1 0,03 1

BOR Pneus 9.000 6 2 8,00 $ 56.603,77 1

TDF ENGINE ASSEMBLY - COMPLETE, ALL SUBCOMPONENTS 30000 1 4 120,00 $ 1.292.583,42 3

TDF MAIN RADIATOR 30000 1 3 18,00 $ 82.499,92 4

TDF AFTERCOOLER RADIATOR 30000 1 2 6,00 $ 46.753,74 4

TDF HIGH-PRESSURE TURBOCHARGER 18000 4 2 1,00 $ 23.898,86 3

TDF AFTERCOOLER WATER PUMP 22000 1 2 3,00 $ 5.879,07 2

ELT PRELUBRICATION PUMP AND MOTOR 20000 1 2 1,00 $ 7.913,81 2

TDF HIGH PRESSURE FUEL PUMP 22000 1 2 2,50 $ 13.056,40 2

ELT START MOTOR 12000 2 1 3,00 $ 5.767,48 8

ELT ENGINE ALTERNATOR 12000 1 1 4,00 $ 6.149,10 2

ELT TRACTION ALTERNATOR 30000 1 3 48,00 $ 93.656,00 3

ELT RETARDING GRIDS - BLOWER / MOTOR 40000 2 3 4,00 $ 105.779,36 4

TDF MOTORIZED WHEEL ASSEMBLY (WHEEL MOTOR) 22000 2 3 18,00 $ 419.222,54 4

CIL HOIST CYLINDER 22000 2 3 6,00 $ 76.194,47 4

HID HOIST PUMP 22000 1 2 8,00 $ 15.172,72 3

HID HOIST CONTROL VALVE 50000 1 2 6,00 $ 30.526,46 1

HID BLEEDDOW VALVE 50000 1 2 6,00 $ 17.441,16 4

HID FLOW AMPLIFIER VALVE 50000 1 2 4,00 $ 6.144,67 4

EST REAR SUSPENSION 30000 2 3 16,00 $ 41.048,86 6

EST FRONT SUSPENSION 30000 2 3 36,00 $ 131.006,07 5

HID FAN CLUTCH 30000 1 2 8,00 $ 32.328,79 4

CIL STEERING CYLINDER 18000 2 2 4,00 $ 11.404,96 4

HID STEERING / BRAKE PUMP 16000 1 2 8,00 $ 13.604,41 3

HID STEERING ACCUMULATOR 20000 2 2 6,00 $ 9.008,46 4

HID REAR BRAKE ACTUATOR 20000 4 2 5,00 $ 7.098,97 5

HID FRONT BRAKE ACTUATOR 20000 6 2 4,00 $ 5.577,08 5

HID SERVICE BRAKE ACCUMULATOR 20000 1 2 3,00 $ 3.995,35 4

HID PARKING BRAKE ACCUMULATOR 20000 1 2 2,00 $ 3.995,35 4

EST OPERATOR SEAT 10000 1 2 3,00 $ 4.032,76 1

EST STEERING ARMS AND LINKAGE 30000 2 3 6,00 $ 20.582,89 6

HID FRONT SPINDLE AND BRAKE 25000 1 2 8,00 $ 33.028,64 2

EST RIM ASSEMBLY - FRONT (Roda) 30000 2 2 8,00 $ 21.979,00 3

EST BALL STUD (PINO ÂNCORA) 20000 1 3 24,00 $ 20.282,14 1

EST CAÇAMBA 25.000 1 4 12,00 $ 358.802,58 1

EST Reparo estrutura Frontal e Traseira(Fadiga) 60.000 1 4 98,00 $ 208.906,18 1

BOR Serviços de Borracharia (reparo pneus) 6.000 6 2 18,00 $ 1.132,08 1

LUB PREVENTIVA 500 (Não acumulativa) 500 1 2 2,00 $ 3.192,24 1

LUB PREVENTIVA 1000 (Não acumulativa) 1.000 1 2 4,00 $ 5.602,62 1

LUB PREVENTIVA 2500 (Não acumulativa) 2.500 1 2 2,00 $ 9.733,40 1

LUB PREVENTIVA 5000 (Não acumulativa) 5.000 1 2 2,00 $ - 1

LUB PREVENTIVA 10000 (Não acumulativa) 10.000 1 2 4,00 $ - 1

LUB INSPEÇÃO ROTINEIRAS 250 1 1 4,50 $ - 1

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7 composição do fluxo de caixa e a obtenção da curva de CG (Custo Global Acumulado).

Figura VI: Composição do Fluxo de Caixa

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8 Dividindo-se a curva CG pelo respectivo custo no período obtém-se a curva CAE (Custo Anual Equivalente) que nos permite comparar o custo por período e identificar aquele período cujo custo seja o menor dentre todos representando o ano mais vantajoso, em termo de análise, para substituição do equipamento. Vale ressaltar, que este valor, representa uma equivalência de custo constante para cada ano em que o equipamento for operado na instalação.

Figura VIII: Custo Anual Equivalente (CAE)

No caso dos caminhões Komatsu 830E-1AC em operação no projeto Minas -Rio o resultado foi uma expectativa de vida baseado em análise econômica de 14 anos de utilização com uma estimativa de hora trabalhada acumulada neste período de 89.554 horas podendo ser arredondada para 90.000 horas.

Figura IX: Resumo do resultado da Análise LCC 830E-1AC Projeto Minas-Rio

5.2 Análise de confiabilidade dos componentes do trem de força

Utilizando os dados de campo históricos de substituição dos componentes do Trem de Força foi realizada a análise dos dados de vida destes componentes conforme representando a seguir:

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5.2.1 LDA Motor Diesel

Figura X: Curva de Confiabilidade Motor Diesel 830E-1AC

Parâmetros Distribuição Weibull 2P Análises MLE Método do IC FM Ranqueando MED Beta 4,829932 Eta (h) 38188,54621 Valor da LK -49,185008 F \ S 4 \ 32

LOCAL VAR/COV MATRIX

Var-Beta=4,780479 CV Eta Beta=-15078,168458

CV Eta Beta=-15078,168458 Var-Eta=6,318699E+07

Tabela II: Parâmetros e resultados do modelo de distribuição

Dados relevantes:

• Expectativa de vida (antes do estudo): 26.000 Horas trabalhadas • Lead Time (reforma): 150 – 180 dias

• Valor unitário do componente (com frete e impostos): $1.237.921,93 • Nível de complexidade de reforma: Alto

• Teste antes de aplicação: Sim

• Nível de monitoramento preditivo: Alto (Telemetria, VE, AL, Termografia) • Fator de reforma baseado em custo (médio): 50%

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5.2.2 LDA Alternador Principal

Figura XI: Curva de Confiabilidade Alternador Principal 830E-1AC

Tabela III: Parâmetros e resultados do modelo de distribuição

Dados relevantes:

• Expectativa de vida (antes do estudo): 22.000 Horas trabalhadas • Valor unitário do componente (com frete e impostos): $560.668,01 • Lead Time (reforma): 70 – 100 dias

• Nível de complexidade de reforma: Médio • Teste antes de aplicação: Não

• Nível de monitoramento preditivo: Médio (VE, Termografia) • Fator de reforma baseado em custo (médio): 30%

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5.2.3 LDA - Roda Motorizada

Figura XII: Curva de Confiabilidade Roda Motorizada 830E-1AC

Tabela IV: Parâmetros e resultados do modelo de distribuição

Dados relevantes:

• Expectativa de vida (antes do estudo): 22.000 Horas trabalhadas • Valor unitário do componente (com frete e impostos): $1.254.799,51 • Lead Time (reforma): 60 – 90 dias

• Nível de complexidade de reforma: Médio • Teste antes de aplicação: Não

• Nível de monitoramento preditivo: Médio (VE, AL) • Fator de reforma baseado em custo (médio): 20%

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6 Escolha do Cenário Otimizado e resultados

Os cenários de custo foram avaliados buscando a expectativa de vida que melhor poderia ser utilizada como ponto ótimo entre a confiabilidade requerida e o custo total de reforma.

Para mensurar os resultados, utilizou-se um comparativo com a projeção de substituição dos componentes durante a vida útil de todos os caminhões da frota antes da realização do estudo e a nova projeção já com os novos valores de expectativa de vida propostos.

Em ambas as análises, a confiabilidade e o custo médio de reforma de cada componente foram considerados para composição final dos valores.

Por serem itens importados a moeda utilizada foi o dólar americano ($).

6.1 Cenário Otimizado e Resultados - Motor Diesel

Antes do estudo a expectativa de vida era de 26.000 horas trabalhadas com 86% de confiabilidade o que geraria um custo de $64.211.010,47 ao longo da vida útil de todos os caminhões da frota.

Ajustando esta expectativa de vida otimizada para 30.000 horas trabalhadas houve uma redução da confiabilidade para 73%, porém, o aumento da vida útil esperada reduziu em 01 ciclo de troca para cada caminhão da frota gerando um custo de $48.736.986,36.

Esta alteração representa uma redução de $15.474.024,12 (24,09%) com custo de reforma.

Tabela V: Comparação de Cenários HT X Confiabilidade X Custo Motor Diesel

Resumindo, os resultados obtidos aumentando a expectativa de vida útil de motores de 26.000 HT para 30.000HT com o LCC da frota em 90.000 horas trabalhadas por caminhão são:

• Aumento de 13,3% na expetativa de vida útil. • Redução da confiabilidade de 86% para 73%.

• Redução de $15.474.024,12 com custo de reforma (24,09%).

• Redução do número de substituições geral de 104 para 79 na frota (3 para 2 giros por equipamento) já levando em consideração a probabilidade de falha antes do cumprimento da missão.

• Uma vez atingido a vida útil de 26.000 horas a probabilidade é de 95,73% de atingir as 30.000 horas (Confiabilidade Condicional).

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6.2 Resultados para o Alternador Principal

Ajustando esta expectativa de vida otimizada para 30.000 horas trabalhadas houve uma redução da confiabilidade para 70%, porém, o aumento da vida útil esperada reduziu 02 ciclos de troca para cada caminhão da frota gerando um custo de $13.556.952,48.

Esta alteração representa uma redução de $10.260.224,58 (43,1%) com custo de reforma. Outra vantagem obtida também foi a possibilidade de executar a substituição em conjunto com o motor diesel uma vez são fisicamente conectados facilitando a tarefa.

Tabela VI: Comparação de Cenários HT X Confiabilidade X Custo Alternador Principal

Resumindo, os resultados obtidos aumentando a expectativa de vida útil de alternadores principais de 22.000 HT para 30.000HT com o LCC da frota em 90.000 horas trabalhadas por caminhão são:

• Aumento de 36,6% na expectativa de vida útil.

• Redução de $10.260.224,58 com custo de reforma (43,1%).

• Redução do número de substituições geral de 142 para 81 na frota (4 para 2 giros por equipamento) já levando em consideração a probabilidade de falha antes do cumprimento da missão.

• Uma vez atingido a vida útil de 22.000 horas a probabilidade é de 85,0% de atingir as 30.000 horas (Confiabilidade Condicional).

6.3 Resultados Roda Motorizada

Ajustando esta expectativa de vida otimizada para 24.000 horas trabalhadas houve uma redução da confiabilidade para 70%, porém, com o aumento da vida útil esperada reduziu-se 01 ciclo de troca para cada caminhão da frota gerando um custo de $59.377.112,80.

Esta alteração representa uma redução de $13.056.239,09 (18%) com custo de reforma.

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14 Tabela VII: Comparação de Cenários HT X Confiabilidade X Custo Roda

Motorizada

Resumindo, os resultados obtidos aumentando a expectativa de vida útil das rodas motorizadas de 22.000 HT para 24.000HT com o LCC da frota em 90.000 horas trabalhadas por caminhão são

• Aumento de 9,1% na expectativa de vida útil.

• Redução de $13.056.239,09 com custo de reforma (18%). • Redução da Confiabilidade de 73% para 70%.

• Redução do número de substituições geral de 289 para 237 na frota (4 para 3 giros por equipamento).

• Uma vez atingido a vida útil de 22.000 horas a probabilidade é de 95,26% de atingir as 24.000 horas e 85,73% de atingir 28.000 horas (Confiabilidade Condicional).

7 Considerações finais

A realização das análises LCC e de Confiabilidade baseada nos dados de vida neste estudo mostrou um potencial de ganho bastante satisfatório para cada componente analisado. Somando-se todos os resultados houve uma redução aproximada de $38.792.000 (Trina e oito milhões setecentos e noventa e dois mil dólares americanos) que representa 24,17% do orçamento inicial.

Todas as premissas orçamentárias foram atualizadas para os cenários utilizados assim como a aquisição dos itens sobressalentes para utilização no processo de remoção, reforma e instalação.

É importante frisar que os procedimentos de manutenção dos componentes dos equipamentos devem ser sempre seguidos e, se as condições de operação dos caminhões da frota forem alteradas de forma mais intensa, será necessário refazer as análises e reajustar os novos pontos ótimos de substituição.

Agradecemos o empenho das equipes de execução e planejamento da manutenção que contribuíram de forma decisiva para sucesso deste processo.

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LAFRAIA, J. R. B. Manual de Confiabilidade, Mantenabilidade e

Disponibilidade. Rio de Janeiro: Qualitymak, 2001

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ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas; ISO 3450:2015