Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Os melhores documentos à venda: Trabalhos de alunos formados
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Comunidade
Peça ajuda à comunidade e tire suas dúvidas relacionadas ao estudo
Descubra as melhores universidades em seu país de acordo com os usuários da Docsity
Guias grátis
Baixe gratuitamente nossos guias de estudo, métodos para diminuir a ansiedade, dicas de TCC preparadas pelos professores da Docsity
Este documento fornece uma introdução à classificação e propriedades básicas de materiais de construção, incluindo materiais metálicos, poliméricos e compósitos. Além disso, aborda a seleção e o controle de qualidade dos materiais, ensaios de materiais, propriedades mecânicas, térmicas e acústicas dos materiais, e normas relacionadas a materiais de construção.
Tipologia: Notas de aula
1 / 44
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
1. Introdução
Todas as obras de engenharia civil são realizadas com recurso a materiais de construção. O uso racional dos materiais, do ponto de vista técnico e económico, exige o conhecimento adequado das suas propriedades e dos processos de fabrico ou de transformação. Só assim será possível seleccionar, entre várias opções viáveis, aquela que permita melhores desempenhos. Torna-se, pois, necessário conhecer as propriedades básicas dos materiais, a sua origem e natureza, assim como o seu processo de fabrico.
2. Classificação dos materiais de construção
Os materiais de construção podem ser classificados segundo diversos critérios. Seguidamente apresentam-se alguns critérios de classificação. Critério de classificação Designação^ Descrição^ Exemplos
Materiais estruturais
Materiais que constituem os elementos resistentes de uma construção.
Betão Aço Pedra Madeira Materiais de enchimento
Materiais que ocupam o espaço entre os elementos estruturais.
Tijolo cerâmico
Materiais de revestimento
Materiais que revestem os materiais estruturais e os materiais de enchimento
Argamassa Tinta
Materiais de isolamento térmico
Materiais utilizados para melhorar o desempenho térmico dos edifícios
Poliestireno Cortiça
Materiais de isolamento acústico
Materiais utilizados para melhorar o desempenho acústico dos edifícios
Cortiça
Relativamente à aplicação
Materiais impermeabilizantes
Materiais utilizados para impermeabilizar elementos de construção
Betumes
Vidros Vitrocerâmica Esmaltes Refractários electrofundidos Fibras cerâmicas
3. Os materiais usados em engenharia
Como foi dito no ponto anterior, podem-se considerar vários critérios para a classificação dos materiais. No entanto, em engenharia, e por razões de conveniência, é habitual admitir-se a classificação dos materiais em função da sua natureza. Dada a sua crescente importância em engenharia, devem considerar-se, nesta classificação os materiais compósitos e os materiais electrónicos [8]:
3.1 Materiais metálicos
Os materiais metálicos são substâncias de origem inorgânica que contêm elementos metálicos (tais como ferro, cobre, alumínio, níquel ou titânio) e não metálicos (por exemplo,
Com formação de fase vítrea
Sem formação de fase vítrea
Por cozedura
Por fusão
azoto, carbono e oxigénio). Microscopicamente, os metais têm uma estrutura cristalina, na qual os átomos se dispõem de forma ordenada. Estes materiais são, na generalidade, dúcteis e resistentes à temperatura ambiente e apresentam boa condutibilidade térmica e eléctrica. Em função da quantidade de ferro que contêm, dividem-se em materiais ferrosos (com elevada percentagem de ferro) e não ferrosos (quando o ferro não entra na sua composição ou surge em quantidades muito reduzidas). O ferro fundido e o aço são materiais ferrosos, enquanto que o alumínio, o cobre, o zinco, o titânio e o níquel são materiais não ferrosos. Nas figuras 1 a), b) e c) apresentam-se algumas obras que utilizam estes materiais na sua construção.
a) b) c) Figura 1 - Utilização de materiais metálicos na construção: a) Ponte 25 de Abril, em Lisboa; b) Elevador de Santa Justa, em Lisboa; c) Ponte D. Maria Pia, no Porto.
3.2 Materiais poliméricos
Os materiais poliméricos são constituídos por longas cadeias de moléculas orgânicas. Tratam-se de meterias cuja estrutura é não cristalina ou mista (com regiões cristalinas e regiões não cristalinas). A maioria destes materiais é mau condutor térmico e eléctrico, possuindo baixa densidade e decompõem-se a baixas temperaturas. Na figura 2 apresentam-se algumas aplicações de materiais poliméricos, na construção.
3.4 Materiais compósitos
Os materiais compósitos resultam da mistura de pelo menos dois materiais, de modo a obter um material com determinadas características e propriedades. Os materiais que constituem um compósito não se dissolvem entre si, podendo ser facilmente identificáveis. O betão (figura 4 a) ) e a madeira (figura 4 b) ) são materiais compósitos. Existem outros tipos de materiais compósitos, como por exemplo, os que resultam da associação de fibras de vidro e poliéster ou de fibras de carbono e resina epoxídica. As figuras 5 a) e b) ilustram a utilização de materiais compósitos na construção: o edifício da Torre do Tombo em betão branco e o pavilhão temporário da Serpentine Galery , em Londres, cuja estrutura foi edificada em madeira e policarbonato.
a) b) Figura 4 - Materiais compósitos: a) Betão; b) Madeira.
a) b) Figura 5 - Utilização de materiais compósitos na construção: a) Torre do Tombo, em Lisboa; b) Serpentine galery , Londres (2005).
3.5 Materiais electrónicos
Os materiais electrónicos assumem importância extrema no domínio das tecnologias avançadas, já que são utilizados em sistemas de microelectrónica. É graças a esta tecnologia que são possíveis os computadores, os satélites de comunicação ou os relógios digitais. O silício é um dos materiais mais importantes neste domínio, pois um simples cristal de silício permite condensar num chip, um elevado número de circuitos electrónicos.
4. Normas e organismos relacionados com os materiais de construção
Para aferir todas as intervenções no domínio dos materiais de construção existem as Normas. As Normas são documentos do domínio público com funções diversas, mas que relativamente aos materiais de construção visam a satisfação de alguns dos seguintes objectivos:
Em todos os países existem organismos responsáveis pela realização de normas: NP – Normas Portuguesas – Instituto Português da Qualidade ATIC / ONS – Associação Técnica da Indústria do Cimento / Organismo de Normalização Sectorial. ASTM – American Society for Testing Material ACI – American Concrete Institute PCA – Portland Cement Association BS – British Standards Institution AFNOR – Associação Francesa de Normalização DIN – Deutsche Normenausschuss UNE – União das Normas Espanholas ISO – Organização Internacional de Normalização CEN – Comissão Europeia de Normalização
exercidos pelo equipamento de ensaio no material, dado que os resultados dos ensaios dependem de vários factores, tais como:
Os ensaios de recepção não destrutivos utilizam métodos em que não há destruição das peças a ensaiar. Estes ensaios têm a vantagem de se poderem realizar na própria peça e portanto sem necessidade de recorrer a provetes, permitindo também acompanhar a resistência da peça ao longo do tempo. Seguidamente apresentam-se alguns ensaios de recepção não destrutivos: Esclerómetro de Schmidt – os métodos esclerométricos aferir a resistência do betão à compressão, com base no recuo de um pistão depois deste colidir com a superfície da peça a ensaiar, estimando, desta forma, a resistência a partir da dureza superficial do betão. O esclerómetro de Schmidt (figura 6) é constituído por um pequeno cilindro maciço de aço junto ao qual existe uma mola que recua ao fazê-lo chocar com a superfície da peça. Este recuo é tanto maior quanto maior for a resistência à compressão da peça. Este método é útil para determinar a evolução do endurecimento do betão ou comparar a sua qualidade em diferentes zonas da mesma obra, mas não para controlar a resistência do betão já que a dispersão dos diferentes valores obtidos é bastante grande e além disso a parte ensaiada é apenas a camada superficial do betão. Os valores obtidos dependem de alguns factores como por exemplo, a posição do esclerómetro, o estado da superfície, a humidade do betão, a rigidez da peça e a concentração de grãos à superfície.
Figura 6 - Esclerómetro de Schmidt.
Martelo de Einbeck – trata-se também de um ensaio de dureza, conseguido à custa de uma mossa provocada na superfície da peça de betão com um martelo. Mede-se o diâmetro da mossa e quanto maior ele for menos duro é o material. Métodos de auscultação dinâmica – estes métodos consistem em imprimir vibrações às peças em observação com vista a determinar a resistência mecânica. Método de Propagação de Ondas – este método consiste na emissão de um pulso sonoro (através de uma sonda de emissão) ao material a estudar e a partir da trajectória das ondas no interior do material, aferir a integridade das propriedades desse material. A partir da velocidade de propagação pode-se determinar o módulo de elasticidade e, a partir deste obter a resistência da peça. Há tendência para usar a velocidade de propagação como elemento aferidor da resistência da peça, em vez do módulo de elasticidade. Apresentam-se os valores médios da velocidade de propagação em alguns materiais: Granito – 4000 a 6000 m/s Betão – 4400 a 5000 m/s Aço – 5600 m/s a 5900 m/s Alumínio – 6200 m/s Terra vegetal – 300 a 600 m/s
Para a aplicação deste método pode-se usar um aparelho designado por PUNDIT – “Portable Ultrasonic Non-Destructive Digital Indicating Tester” (figura 7). Este equipamento produz ondas ultra sónicas que são transmitidas ao material através de uma sonda que é colocada numa das faces do material. No extremo oposto é posicionada outra sonda que recebe o sinal propagado através do material. Desta forma é possível detectar defeitos no interior da peça, tais como cavidades, fendas e fissuras.
Volume absoluto, Vr (ou volume real): corresponde ao volume ocupado pela matéria, não se considerando o volume de vazios desse corpo; Vr=V - Vv (2)
Massa volúmica aparente: corresponde à massa de um corpo por unidade de volume aparente desse corpo (kg/m^3 ); Massa volúmica absoluta: é a relação entre a massa de um corpo e o volume absoluto (real) desse corpo (kg/m^3 ); Peso volúmico: é o peso de um corpo por unidade de volume aparente desse corpo (kgf/m^3 ); Densidade: relaciona a massa de um corpo com a massa de igual volume de água a uma temperatura de 4ºC; Porosidade: corresponde ao quociente entre o volume de vazios e o volume aparente (expresso em %).
7. Características mecânicas dos materiais
O dimensionamento estrutural de uma edificação só é possível quando se conhecem perfeitamente as propriedades mecânicas dos materiais que vão ser utilizados na sua construção. De uma forma muito simples, pode-se afirmar que o cálculo estrutural de um edifício consiste na definição de áreas capazes de resistir a uma determinada solicitação (por exemplo a uma carga, à acção do vento ou à acção de um sismo). Qualquer corpo quando é submetido à acção de uma solicitação exterior (força ou momento) sofre uma deformação (figura 8). As deformações podem ter carácter reversível ou irreversível. No primeiro caso, quando a força externa deixa de ser aplicada, o corpo retoma a sua forma inicial.
a) Barra b) Tracção Compressão c) Esforço transverso d) Momento de flexão e) Momento de torção
Figura 8 – Deformações causadas por várias acções exercidas sobre uma barra.
Em cada secção o esforço distribui-se pela área. Se a área da secção transversal é pequena, o esforço será grande; se a área aumentar, o esforço diminuirá. A relação entre as forças aplicadas numa determinada secção e a sua área designa-se por tensão , σ.
O conceito de tensão é essencial em engenharia. A tensão máxima que um material suporta em determinadas condições de carregamento é uma característica muito importante desse material.
Cada material reage de forma diferente às tensões instaladas, isto é, para uma mesma tensão poderá haver uma deformação diferente, em diferentes materiais. No entanto, a uma acção aplicada num determinado elemento corresponde sempre uma variação das suas dimensões (deformação). As variações dimensionais para além de serem proporcionais às tensões instaladas, também variam em função das dimensões lineares dos elementos onde os esforços estão a ser exercidos, pelo que devem ser expressas em função do comprimento unitário. É desta forma que se definem as deformações unitárias ou extensões. A extensão, ε, é expressa através da relação entre a variação dimensional provocada pelo carregamento relativamente ao comprimento inicial, medido antes da aplicação da força (figura 9).
Figura 11 - Diagrama tensões normais - deformações de um aço macio.
A partir da análise do diagrama da figura 11, podem-se quantificar alguns parâmetros, tais como limite de resistência à rotura , limite elástico ou módulo de elasticidade. No mesmo diagrama, as tensões nominais, σ, são dadas por :
em que F é a força de tracção e A 0 é a área da secção inicial do provete. A deformação nominal, ε, isto é, a extensão, é calculada por
0 0
0
em que ∆L é o aumento de comprimento e L 0 é o comprimento inicial do provete.
Ainda da análise do diagrama da figura 11, é possível identificar as seguintes fases de comportamento do material (até este atingir a rotura):
Regime elástico
em que deixa de haver proporcionalidade entre as tensões e as deformações. A tensão
chama-se módulo de resiliência e representa a capacidade física do material em absorver energia sem adquirir deformações permanentes.
Cedência plástica A cedência plástica é atingida quando a força aplicada, F, passa a manter-se
do diagrama que corresponde à cedência é sensivelmente horizontal e designa-se por patamar de cedência. A partir desta fase e até à rotura, o material apresenta sempre deformações permanentes após a descarga, o que caracteriza o comportamento plástico.
Endurecimento
nome de tensão de rotura do material, ainda que a rotura do provete não ocorra nesta fase. No entanto, esta designação justifica-se pelo facto do valor máximo da tensão nominal coincidir com a rotura no caso dos materiais frágeis. Observa-se que até ao final da fase de endurecimento, a deformação é sensivelmente uniforme ao longo do provete.
Estricção A estricção ocorre após o endurecimento e caracteriza-se por a deformação deixar de ser uniforme ao longo do provete, concentrando-se numa determinada zona – zona de estricção - facilmente identificável por um acentuado estrangulamento da secção transversal do provete. O provete rompe finalmente pela secção mais reduzida na zona de estricção. Durante esta fase, ao decréscimo da tensão nominal corresponde um acréscimo da deformação nominal.
Um aspecto importante a referir no ensaio de tracção é a diferença do comportamento observado entre materiais dúcteis e materiais frágeis : um material dúctil sofre uma deformação plástica significativa antes da rotura, enquanto que um material frágil exibe um comportamento praticamente elástico até à rotura.
Os materiais também se podem deformar devido a outras causas, tais como o acréscimo de temperatura: se um material sofrer um aumento de temperatura dilatar-se-á. Para um estudo mais pormenorizado, pode-se classificar essa dilatação em três tipos: dilatação linear (que
Figura 13 – Efeito do acréscimo de temperatura na área da secção de um determinado material.
A variação da área da secção, ∆A, devido ao acréscimo de temperatura ∆t do material da figura 13 é calculada pela expressão:
Em que
A área da secção, A, correspondente à temperatura T pode ser calculada através da expressão (11).
Nas expressões (9), (10) e (11): ∆t - Variação de temperatura, t-t 0 (ºC) A 0 – Área da secção inicial (mm^2 )
Na dilatação de um paralelepípedo devido ao aumento de temperatura, o facto predominante é o acréscimo de volume desse paralelepípedo. Um corpo de volume inicial V 0 à temperatura t 0 , ao ser aquecido à temperatura t, passa a ter um volume V (figura 14).
Figura 14 – Efeito do aumento de temperatura no volume de um corpo de um determinado material.
A variação de volume, ∆V, do corpo da figura 14, devido ao acréscimo de temperatura ∆t é:
Em que.
O volume final do corpo, V, correspondente à temperatura t é dado pela expressão (14):
Nestas três ultimas expressões: V 0 – Volume do corpo (mm³), à temperatura t (ºC)
∆t - variação de temperatura, t-t 0 (ºC)
6. Características térmicas dos materiais
6.1 Comportamento ao fogo
A principal característica de um material, em termos de segurança contra incêndio, é a sua maior ou menor contribuição para a deflagração de um incêndio ou para o seu desenvolvimento. Esta característica designa-se por reacção ao fogo e permite classificar os materiais em cinco classes (figura 15). No quadro 1 indicam-se as características mais importantes de cada classe de reacção ao fogo dos materiais.
Incom bustível C om b ustível
inflam ávelN ão In flam ável M 1 M 2 (^) M 3 M 4
M 0
R eacção aoF ogo
Figura 15 – Classes de reacção ao fogo dos materiais.
