MCI PropriedadesComportamentomateriais

Disciplina:Materiais de Construção

Civil I

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Programa• Propriedades e comportamentos dos materiais de construção• Metais

• Produtos não ferrosos• alumínio• Cobre• Zinco

• Produtos ferrosos• Madeira• Produtos cerâmicos

• Vidros• Produtos a base de argila

• Polímeros• Tintas• Materiais betuminosos



Bibliografias

• Callister, JR, W.D.. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução.LTC Editora. 5ª Edição, 2002.

• Van Vlack, L.H.. Princípios de Ciência dos Materiais. Editora EdgardBlücher Ltda. 14ª Edição, 2002.

• Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia deMateriais. Ed. Isaia, G.C. IBRACON, 2007. V.1, 1ª Edição.

• Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia deMateriais. Ed. Isaia, G.C. IBRACON, 2007. V.2, 1ª Edição.

• Associação Brasileira de Normas Técnicas. Aço destinado a armaduraspara estruturas de concreto armado NBR 7480. Rio de janeiro,2007.



Bibliografias•Associação Brasileira de Normas Técnicas. Fios de aço para estruturasde concreto protendido-Especificação, NBR 7482. Rio de janeiro,2008.

Associação Brasileira de Normas Técnicas. Cordoalhas de aço paraestruturas de concreto protendido-Especificação, NBR 7483. Rio dejaneiro,2008.

Associação Brasileira de Normas Técnicas. Placas cerâmicas pararevestimento - Especificação e métodos de ensaios,NBR 13818. Rio dejaneiro,1997.

Associação Brasileira de Normas Técnicas. Componentes cerâmicos.Parte 1: Blocos cerâmicos para alvenaria de vedação - Terminologia erequisitos. NBR 15270. Rio de janeiro, 2005.



Propriedades ecomportamento dosmateriais de construção



Propriedades associadas com a capacidade queo material tem de resistir a forças mecânicas

Resistência Tenacidade

Dureza Rigidez

ResiliênciaFluência

Propriedades mecânicas



É a relação entre a cargaaplicada e a área resistente.

F F F

a b c

É expressa em•kgf/cm2,•1N/m2=1Pa,•1MPa = 1N/mm2,•1MPa ~ 10kgf/cm2,•1MPa ~ 10-1kgf/mm2.

Tensão

ó = CAresistente

(Carga em N ou kgf – 1N~10kgf)



Resistência à Compressão

n Resistência àcompressão

n Influência¨ da forma do cp¨ velocidade de

carregamento¨ temperatura¨ umidade

Região deinfluência darestrição dos

planos deaplicação da

cargaRc = Cmáx.comp.Aresistente



Resistência à CompressãoExemplo:

Cmáx.comp = 35.350Kgf

As = ð . 102 = 78,5cm2

4Rc = 35.350kg = 450kgf/cm2

78,5cm2

Rc = 450kgf/cm2 ~ 45,0MPaØ = 10cm



Resistência à compressão



Resistência à compressão

Deformaçãolateral

Ruptura porcisalhamento Tensões de tração devido

ao efeito Poisson

Geometria do cp influencia muito o resultado



Resistência à Tração

n Ensaio de tração direta

n Sistema de garrasn Forma do corpo-de-

provan Medidor de deformação

Clipgage

Rt = Cmáx.traçãoAresistente



Resistência à Tração

Exemplo:

Cmáx.traçao = 22.500Kgf

As = ð . 202 = 314,16mm2

4Ø=20mm

Rt = 22.500kg = 71,6 kgf/mm2

314,16mm2

Rt = 71,6kgf/mm2 ~ 716MPa



Resistência à Tração na flexão

n Assume elasticidadelinear¨ Módulo de ruptura

n Três pontos

n Quatro pontos (figura)

223

bePLxMOR =

2bePLMOR = LVDT = mede a flecha no meio

do vão



Resistência à Tração na flexão

b=15cm

e=15cm

15cm 15cm 15cm

Pmáx= 4250kgf

L = 45cm

MOR = Rtf = 4.250 x 45 = 56,7kgf/cm2 ~ 5,7MPa15 x 152



Compressão Tração

Cisalhamento

Tensão Deformação

Reversível ou permanente,instantânea ou a longo prazo

longitudinal e transversal

f(temperatura)

Tensão à deformação



L0 Lf

Deformação Cresce com a tensão

0LL∆

=ε

(L/L) m/m, mm/mm

Strain gages

Deformação específica



Deformação elástica

n Instantânean Reversível

¨ Volta àsdimensõesoriginais quandoretira a carga

n Linear ou não linearCompressão Tração



Deformação elástica e os átomos



Deformação elásticaC

arga

Tempot2t1

Tempot2t1

Def

orm

ação

Independente do tempo





å = ÄLL

ó

x

x



Forças Interatômicas

Rep

ulsã

oA

traçã

o Fatrativa

Frepulsiva

Fliquida

Espaçamento interatomicoForç

aF

Energia atrativa EA

Energia repulsiva ER

Energia líquida EL

E0

Ener

gia

pote

ncia

lE

Atra

ção

Rep

ulsã

o

E = Fdr

EL = FAdr + FRdr

r0



Módulo de elasticidade

n Lei de Hook:Deformação éproporcional a tensão(elasticidade linear)

n Módulo deelasticidade ouYoung

εσ

=EDeformação específica

Tens

ão

ααtgE =

Deformação específicaIndepende do comprimento de medida





å = ÄLL

ó

x

xE1= tgá1

E2= tgá2



Deformação específicaTe

nsão

Módulo de elasticidade

Deformação específica

Tens

ão

Elástico linear Elástico não linear



Módulo de elasticidade(exemplos)

Material Módulo de elasticidade (GPa)Concreto 15 - 40

Tungstênio 407Aço 210Alumínio 70Fibras de carbono 200 – 450Borracha 0.001 – 0.02

Fonte: TAYLOR, GD (1991).



Coeficiente de Poisson

n Exemplo:¨ Poisson do concreto é

aprox. = 0,2

L

t

εε

ν =

2Tε

2Lε



Deformação plástican Ocorre acima de

determinada cargan Instantânea en Irreversíveln Sem mudança de volume

¨ Escorregamento¨ Deslocamento relativo

entre átomos (planoscristalinos) ou moléculas

DeformaçãoTe

nsão

Elástica Plástica



Deformação elasto-plásticaC

arga

Tempot2t1

Tempot2t1

Def

orm

ação




Formas de ruptura

n Ruptura frágil¨ Ocorre sem que o

material apresentedeformações plásticassignificativas

n Ruptura dúctil¨ Ocorre com o

material apresentandodeformações plásticas

ruptura catastróficasem aviso

ruptura precedidade grandes

deformaçõesvisíveis



Impacto

n Impacto = carga de curtaduração

n Associado a capacidadede absorção de energia¨ Trabalho de

deformação¨ Formação de

superfície

∆h

Ensaio de pendulo de Charpy



Energias de ruptura

n Tenacidade¨ Energia absorvida até

sua rupturan Resiliência

¨ Energia absorvida atéseu limite elástico

n Conceito de trabalho

dF.=τDeformação (L)

Car

ga(p

)

Tenacidade

Resiliência



Formas de ruptura

n Material frágil¨ Pouca absorção de energia¨ Baixa resistência à impactos

n Material dúctil¨ Grande deformação antes da ruptura¨ Grande absorção de energia¨ Alta resistência à impactos



Deformação lenta

Car

gaTempo

t2t1

Tempot2t1

Def

orm

ação

Tempot2t1

Def

orm

ação

Dependentes do tempo

ESCOAMENTO VISCOSOESCOAMENTO VISCOELÁSTICO



Fluência

n Tensão constanten Deformação crescente com o

tempon Irreversíveln Sólidos amorfos e fluidosEscoamento viscoso)n Sólidos cristalinos

(movimento de discordâncias)n Deslocamento relativo entre

os átomos ou moléculas Corpo-de-prova

Massa

Medida doalongamento com

o tempo



Relaxação

n Deformação constanten Tensão decrescente

com o tempo¨ Aço de protensão

n Mesmo mecanismo dafluência



Fadiga

n Esforço cíclico rompe em tensão< Rmec

n Função do nível detensão

+

+

+

+

++

++ +

N° de ciclos

Limite de fadiga

+

+

+

+

+

++

+

+

+

N° de ciclos

Polímeros

+

+

+

+



Dureza

n Resistência à penetraçãooferecida pela superfíciedo material

n Medida por escalas¨ Mohs=f(escala

comparativa commateriais de referência)

¨ Brinell=f(área depenetração de bilhaesférica)

¨ Rocwel=f(profundidadede penetração de bilhapadrão)



Dureza x resistência mecânica

n Em alguns materiaispode-se relacionar a suaresistência mecânicacom a sua dureza

n Ensaio não destrutivode avaliação de ummaterial

y=2.183xR2=0.9832

05

10152025303540

0 5 10 15 20

Fc(MPa)

Dure

za(M

Pa)

Gesso



Material Dureza Brinell Dureza Mohs

Aço carbono 200 Entre 4 e 5

Latão 100 Entre 2 e 3

Plásticos 12 Entre 1 e 2

Dureza (exemplos)



Densidade e porosidade

n Massa específicaaparente¨ Considera o

n volume de sólidos (Vs)n volume de poros (Vp)

¨ M/V (g/cm³...)

n Massa específica real¨ Considera só o

volume de sólidos (Vs)

¨ M/V (g/cm³...)

apap V

m=ρ

sreal V

m=ρ

real

ap

ρρ

η −=1Porosidade

psap VV

m+

=ρ



Porosidade, densidade eabsorçãon Determinados a partir

da:¨ massa seca, massa

saturada superfícieseca e massa imersa

Absorção=M.água*100M.Seca



Porosidade

n Porosimetria porintrusão de mercúrio

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1.E+001.E+011.E+021.E+031.E+041.E+051.E+06

Diameter (nm)

Incr

eman

tali

ntru

sion

(%)

Telha 3 CP1

Telha 3 CP2

Telha de cimento-amianto



Importância dos Defeitos

n porosidade¨ relação

água/cimento¨ relação

água/gesson fissurasn falhas cristalinas

0

0.25

0.5

0.75

1

0 5 10 15 20 25

Volume de Poros (%)

Res

istê

ncia

Rel

ativ

a

(Neville, 1983)



Propriedades térmicas

n Ponto de fusão¨ Passagem do estado sólido para o líquido¨ Importantes para o processamento dos

materiais (ex. Metais, reciclagem dospolímeros termoplásticos)

¨ Não existe em materiais amorfos



Propriedades térmicasn Dilatação térmica

¨ Possibilita a determinação da variaçãodimensional do material com a mudança detemperatura

MaterialCoeficiente de dilatação térmica( cm/cm/ Ca 20 C)

Concreto 12,6 x 10-6

Cobre 16,2 x 10-6

Alumínio 22,5 x 10-6



Propriedades térmicasn Condutividade térmica

¨ Possibilita a determinação da capacidadede um material conduzir ou transferircalor

MaterialCoeficiente de condução térmica

( C.cm2.sa 20 C)

Tijolo cerâmico 0,0015Aço 0,115Poliestireno 0,0002

W/mºC



Propriedades elétricas

n Condutividade e resistividade elétrica¨ São as propriedades que definem a facilidade ou

dificuldade de um material em conduzir correnteelétrica

Material Resistividade elétrica (ohm.cm a 20 C)

Aço 17,1 x 10-6

Cobre 1,7 x 10-6

Alumínio 2,9 x 10-6

Poliestireno 10+18



Propriedades químicas

n Estabilidade química¨ É a propriedade que um

material tem de não reagirquimicamente com outrasubstância

n Durabilidade =f(estabilidade química)

n Estabilidade químicadepende:¨ Da composição química¨ Grau de cristalização e

nível de defeitos¨ Temperatura¨ Das substâncias

envolvidas



Propriedades químicas

n Reatividade¨ Facilidade que um

material tem de reagirquimicamente comoutra substância

n Reatividade depende:¨ Composição química¨ Temperatura¨ Catalisadores e

granulometria¨ Grau de amorfização e

nível de defeitos



Estrutura dos Sólidos xNível de Energia

cristalinoener

gia

vítreo

Energia gastana cristalização

Ex: quartzo SiO2 Ex: microsilica SiO2



Sólidos vítreos ou amorfos

pozolana



Outras propriedades

n Ópticas:¨ Transmitância¨ Absorbância ...

n Acústicas:¨



Custo

n Viabiliza ou não a aplicação deum material

n Custo unitário não é suficiente(verificação da influência noprocesso)

n Custo ambiental



Conceitos básicosde DURABILIDADEConceitos básicosde DURABILIDADE

Materiais de ConstruçãoCivil I

vmjohn



Desempenho das Construções

n Construções devematender as

n Conscientesn Inconscientes

n Analisardesempenho:

adequação aouso

n Independente¨ Materiais¨ Soluções construtivas¨ .....



Desempenho das ConstruçõesNorma de desempenho das edificações (NBR 15575)

• Desempenho estrutural;• Segurança contra incêndio;• Segurança de uso e operação;• Estanqueidade;• Desempenho térmico;• Desempenho acústico;• Desempenho lumínico;• Durabilidade e manutenabilidade.



Desempenho das Construções• Desempenho estrutural



Desempenho das Construções• Desempenho acústico



DurabilidadeMateriais interagem com o ambiente

usuários

produtos do uso

água

radiação solar

variação térmica

esforços cíclicosanimais emicro-organismos



Durabilidade

n Conceito complexo,de difícil mensuração









Vida útil

n Período de tempo que o componente atende asnecessidades dos usuários, em condições deuso específicas

n Projeto para a vida útil¨ Projetar levando em conta:

§ Degradação dos componentes§ Mudança de necessidades dos usuários

¨ Planejar as atividades de manutenção¨ Facilitar adaptação à mudanças de necessidades dos

usuários



Conceitos IMPORTANTESrelacionados à durabilidade

fck = 60 MPa 36.000 t. de aço 8.500 m³ 120 anos de vida útil



Estimando a vida útil

MateriaisMeio ambiente

radiação, salinidade,materiais vizinhos...

Componente Degradado

Atendenecessidades dos

usuários?Vida útil...

Não

Sim

Tempo



Estimativa da Vida Útiln Modelos

¨ Ex: concreto armado (corrosão por cabonataçãoou cloretos)

¨ Correlacionam intensidade dos fatores dedegradação com perda de desempenho

n Ensaios acelerados¨ Radiação UV + condensação p/polímeros¨ Ciclos de molhagem e secagem (névoa salina)¨ Carbonatação acelerada

n Envelhecimento natural (durar.pcc.usp.br)¨ Áreas de envelhecimento¨ Monitoramento de meio ambiente

(temp, radiação, chuva...)PDF Creator - PDF4Free v3.0 http://www.pdf4free.com


Envelhecimento Natural

Materiais naEstação de envelhecimento

natural deRio Grande



Materiais & Durabilidade

n Todos os materiais degradam seexpostos a determinados fatores dedegradação

n Projeto:¨ medidas de proteção¨ selecionar material mais resistente na

aplicação



Fatores de Degradação

n Ambientais¨ Radiação¨ Temperatura¨ Água¨ Constituintes do Ar e

poluentes¨ Gelo-Degelo¨ Vento

n Biológicos¨ Roedores¨ Fungos¨ bactérias¨ …



Fatores de Degradação

n Carregamento¨ deformação lenta¨ fadiga¨ Cargas de uso

n Incompatibilidade¨ Química¨ Eletroquímica¨ física

n Fatores de uso¨ Desgaste¨ Atividades de

manutenção¨ Projeto



Exemplos de degradaçãoMaterial Mecanismo de

DegradaçãoMedida de projeto/

proteçãoPolímeros Foto

Térmicodo sol

temperaturas elevadasAço Corrosão umidade

cloretosConcreto Corrosão da armadura

por carbonataçãocobrimento

resistência mecânicaMadeira Apodrecimento por

ação de fungosumidade



Tendências atuais

n Desenvolver ensaios acelerados eficientese técnica e economicamente viáveis;

n Melhorar as comparações entre osensaios acelerados e a exposição natural;

n Aprimorar os modelos de degradação;n Incorporar a durabilidade como um dos

prioritários na normalização



Observação final

Condição imprescindível (não o único) para



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