mci propriedadescomportamentomateriais
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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
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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.
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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.
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Propriedades ecomportamento dosmateriais de construção
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Propriedades associadas com a capacidade queo material tem de resistir a forças mecânicas
Resistência Tenacidade
Dureza Rigidez
ResiliênciaFluência
Propriedades mecânicas
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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)
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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
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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
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Resistência à compressão
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Resistência à compressão
Deformaçãolateral
Ruptura porcisalhamento Tensões de tração devido
ao efeito Poisson
Geometria do cp influencia muito o resultado
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Resistência à Tração
n Ensaio de tração direta
n Sistema de garrasn Forma do corpo-de-
provan Medidor de deformação
Clipgage
Rt = Cmáx.traçãoAresistente
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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
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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
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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
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Compressão Tração
Cisalhamento
Tensão Deformação
Reversível ou permanente,instantânea ou a longo prazo
longitudinal e transversal
f(temperatura)
Tensão à deformação
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L0 Lf
Deformação Cresce com a tensão
0LL∆
=ε
(L/L) m/m, mm/mm
Strain gages
Deformação específica
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Deformação elástica
n Instantânean Reversível
¨ Volta àsdimensõesoriginais quandoretira a carga
n Linear ou não linearCompressão Tração
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Deformação elástica e os átomos
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Deformação elásticaC
arga
Tempot2t1
Tempot2t1
Def
orm
ação
Independente do tempo
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Deformação elástica
Independente do tempo
å = ÄLL
ó
x
x
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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
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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
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Deformação elástica
Independente do tempo
å = ÄLL
ó
x
xE1= tgá1
E2= tgá2
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Deformação específicaTe
nsão
Módulo de elasticidade
Deformação específica
Tens
ão
Elástico linear Elástico não linear
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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).
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Coeficiente de Poisson
n Exemplo:¨ Poisson do concreto é
aprox. = 0,2
L
t
εε
ν =
2Tε
2Lε
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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
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Deformação elasto-plásticaC
arga
Tempot2t1
Tempot2t1
Def
orm
ação
Independente do tempo
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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
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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
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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
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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
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Deformação lenta
Car
gaTempo
t2t1
Tempot2t1
Def
orm
ação
Tempot2t1
Def
orm
ação
Dependentes do tempo
ESCOAMENTO VISCOSOESCOAMENTO VISCOELÁSTICO
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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
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Relaxação
n Deformação constanten Tensão decrescente
com o tempo¨ Aço de protensão
n Mesmo mecanismo dafluência
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Fadiga
n Esforço cíclico rompe em tensão< Rmec
n Função do nível detensão
+
+
+
+
++
++ +
N° de ciclos
Limite de fadiga
+
+
+
+
+
++
+
+
+
N° de ciclos
Polímeros
+
+
+
+
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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)
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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
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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)
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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
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Porosidade, densidade eabsorçãon Determinados a partir
da:¨ massa seca, massa
saturada superfícieseca e massa imersa
Absorção=M.água*100M.Seca
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Estrutura dos Sólidos xNível de Energia
cristalinoener
gia
vítreo
Energia gastana cristalização
Ex: quartzo SiO2 Ex: microsilica SiO2
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Sólidos vítreos ou amorfos
pozolana
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Outras propriedades
n Ópticas:¨ Transmitância¨ Absorbância ...
n Acústicas:¨
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Custo
n Viabiliza ou não a aplicação deum material
n Custo unitário não é suficiente(verificação da influência noprocesso)
n Custo ambiental
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Conceitos básicosde DURABILIDADEConceitos básicosde DURABILIDADE
Materiais de ConstruçãoCivil I
vmjohn
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Desempenho das Construções
n Construções devematender as
n Conscientesn Inconscientes
n Analisardesempenho:
adequação aouso
n Independente¨ Materiais¨ Soluções construtivas¨ .....
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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.
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Desempenho das Construções• Desempenho estrutural
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Desempenho das Construções• Desempenho acústico
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DurabilidadeMateriais interagem com o ambiente
usuários
produtos do uso
água
radiação solar
variação térmica
esforços cíclicosanimais emicro-organismos
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Durabilidade
n Conceito complexo,de difícil mensuração
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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
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Conceitos IMPORTANTESrelacionados à durabilidade
fck = 60 MPa 36.000 t. de aço 8.500 m³ 120 anos de vida útil
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Estimando a vida útil
MateriaisMeio ambiente
radiação, salinidade,materiais vizinhos...
Componente Degradado
Atendenecessidades dos
usuários?Vida útil...
Não
Sim
Tempo
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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
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Materiais & Durabilidade
n Todos os materiais degradam seexpostos a determinados fatores dedegradação
n Projeto:¨ medidas de proteção¨ selecionar material mais resistente na
aplicação
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Fatores de Degradação
n Ambientais¨ Radiação¨ Temperatura¨ Água¨ Constituintes do Ar e
poluentes¨ Gelo-Degelo¨ Vento
n Biológicos¨ Roedores¨ Fungos¨ bactérias¨ …
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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
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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
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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
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Observação final
Condição imprescindível (não o único) para
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