cap1 - A ciência e a engenharia de materiais de construção civil

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Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Geraldo Cechella Isaia
UFSM
A CIÊNCIA E A ENGENHARIA DOS 
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL
CAPÍTULO 1
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
• Recurso natural qualquer insumo de que os organismos, as
populações e os ecossistemas necessitam para a sua
manutenção.
a. recursos renováveis : aqueles que, após utilizados, ficam
disponíveis novamente graças aos ciclos naturais, como a
água (ciclo hidrológico), o ar, a biomassa e a energia eólica;
b. recursos não-renováveis: aqueles que, uma vez utilizados,
não se renovam por meios naturais. Podem ser subdivididos
em duas classes:
i. minerais energéticos: combustíveis fósseis (carvão
mineral, petróleo, urânio);
ii. minerais não-energéticos: são minerais como ferro,
calcário, argilas em geral, etc...
• .
INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO II
• Os recursos naturais são compostos de matéria, isto é,
qualquer substância, sólida, líquida ou gasosa, que ocupa
lugar no espaço.
• Sob o ponto de vista utilitário, materiais são substâncias
com propriedades úteis na construção de máquinas,
estruturas, dispositivos e produtos, ou seja, os materiais
que o homem utiliza para “fazer coisas” (Cohen, 1987).
• Historicamente, o desenvolvimento do homem esteve
ligado à sua habilidade em detectar, manipular e
aperfeiçoar os materiais disponíveis para atender suas
necessidades de manutenção, proteção, abrigo ou
religiosidade (Figuras 1 e 2).
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Materiais naturais usados 
na Antiguidade
•Figura 1 – Stonehenge (2075 a.C.): monumento megalítico da Idade do Bronze, no 
condado de Wiltshire, na Inglaterra. (Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Stonehenge).
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Materiais naturais usados 
na Antiguidade II
•Figura 2 – Muralha construída pelo Imperador romano Adriano (122 - 130 d.C.) no 
nordeste da Inglaterra, com 120 km de extensão. 
•(Fonte: www.bbc.co.uk/history/ancient/romans/hadrian_gallery.shtml)
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Ciência e Engenharia de Materiais
• Ciência e Engenharia dos Materiais (CEM) definida,
segundo Cohen (1987), como “a área da atividade
humana associada com a geração e aplicação de
conhecimento que relaciona composição, estrutura e
processamento dos materiais às suas propriedades e
usos”.
• Trata-se do acoplamento, por um lado, da Ciência dos
Materiais que engloba disciplinas científicas tradicionais
(Física, Química, Matemática) e, de outro lado, com a
Engenharia dos Materiais que estuda e desenvolve
processos e aplicações dos materiais.
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Figura 3 - Ciclo global dos materiais
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Figura 4 Multidisciplinaridade da CEM
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Figura 5 Áreas de conhecimento da CEM
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Classe do estudo 
Ciência dos 
Materiais 
Ciência e Engenharia 
dos Materiais 
Engenharia dos 
Materiais 
Nível microestrutural mesoestrutural macroestrutural 
Escala 10-7- 10-3 mm 10-3- 1 mm >1 mm 
Estrutura molecular fases, grãos todo material 
Exemplos 
moléculas de 
celulose 
silicatos de cálcio 
hidratado 
células da madeira 
pasta de cimento 
madeira 
concreto 
Técnicas de ensaios 
porosimetria a Hg 
microscopia 
eletrônica 
estrutura das fases 
propriedades 
mecânicas 
Interpretação dos 
resultados 
modelos estruturais 
teoria das 
deformações 
modelos multifásicos 
transferência de massa 
diagramas 
gráficos 
Uso da informação 
conhecimento 
novos materiais 
conhecimento 
parâmetros 
custos, ensaios 
parâmetros 
 
Quadro 1 – Níveis de estudo/informações 
sobre os materiais 
(Illston, Dinwoodie e Smith, 1979 – adaptado).
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Importância do estuda da escolha dos 
materiais
• A escolha de dado material para caso específico depende
não somente do conhecimento técnico-científico do
engenheiro, mas também de sua experiência acumulada,
porque nem sempre o enfoque técnico leva à melhor
solução com base em evidências aparentes. Além dessas
questões, devem ser levadas em conta as questões
ambientais: consumo de energia, poluição, descarte, etc.
• Essas decisões devem ser tomadas na fase de projeto,
em que, através de processos e métodos de cálculo
baseados em modelos e conceitos estabelecidos, são
escolhidos os materiais pelas suas propriedades
conhecidas e testadas em laboratório ou obras.
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Exemplo de escolha de fck do concreto
Ano fck MPa 
Pilar curto de concreto Armadura 
cm cm² Índice cm² Índice 
1939 
1963 
1973 
1989 
29 
45 
65 
105 
40 x 40 
28 x 28 
23 x 23 
15 x 15 
1600 
784 
529 
240 
100 
49 
33 
15 
14,3 
7,9 
6,8 
5,9 
100 
55 
48 
41 
 
Quadro 2 – Evolução comparativa de pilar curto calculado pela Norma Norueguesa 
NS 3473, em igualdade de carregamento (1992) (Helland, 1988).
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Figura 6 – Diagrama 
de seleção de 
materiais baseado na 
resistência em função 
da densidade. Foram 
construídas linhas-guia 
para os índices de 
desempenho (P) de 3, 
10, 30 e 100 
MPa2/3,m³/Mg, todas 
com inclinação de 3/2 
(Callister Jr., 2002, p. 
502).
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Classificação dos Materiais
a) Metais
• Os metais são compostos de combinação de elementos
metálicos que possuem grande elétrons livres, não ligados a
qualquer átomo em particular, constituindo-se na
denominada ligação metálica, que se configura numa
“nuvem” eletrônica com o compartilhamento dos elétrons
entre átomos vizinhos. As propriedades dos metais derivam
dessa sua constituição: bons condutores de eletricidade e de
calor, muito resistentes e deformáveis.
• Dos 92 elementos químicos da Tabela Periódica, 70 têm
caráter metálico predominante. A maioria foi descoberta nos
últimos 250 anos ao passo que até um século atrás, com
exceção de cerca de 20 elementos químicos, os demais
eram estudados apenas em laboratório.
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Figura 7 – Elementos químicos descobertos 
nos últimos dois milênios (Padilha, 1997, p. 16).
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Classificação dos Materiais
b) Cerâmica
• As cerâmicas são formadas por espécies químicas
metálicas e não metálicas, com ligações iônicas e
covalentes com elétrons ligados em posições definidas e
fixas, o que lhes confere propriedades características
como resistência mecânica, até maior que a dos metais,
visto que os átomos não podem se deslocar de suas
posições originais.
• Por isso, apresenta baixa deformação na ruptura, o que
lhes confere fragilidade, propriedade oposta à tenacidade
dos metais. Outras propriedades derivadas de suas
ligações químicas fortes são estabilidade a altas
temperaturas, resistência ao ataque químico e isolamento
elétrico.
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Classificação dos materiaisc) Polímeros
• Os polímeros se constituem em moléculas de cadeia longa
com grupos repetitivos que apresentam ligações covalentes,
geralmente muito fortes. Os principais elementos desta
cadeia são C, H, O, N, F e outros elementos não metálicos.
As cadeias se unem entre si por ligações secundárias (forças
de van der Waals) relativamente fracas, resultando em
deslizamento entre si quando são aplicadas forças externas,
conferindo-lhes resistências mecânicas baixas.
• Os polímeros apresentam como vantagens baixo custo, baixa
densidade, facilidade de conformação em formas complexas.
Em contrapartida, a sua resistência mecânica é relativamente
baixa, são de difícil reparação e, em geral, possuem baixa
resistência aos raios UV.
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Quadro 3 – Consumo de polímeros por 
habitante em diversos países e regiões 
(Padilha, 1997).
País ou região Produção total – 106 t Por habitante - kg 
Europa Ocidental 
Estados Unidos 
Canadá 
Japão 
Índia 
América do Sul 
África 
África do Sul 
Ex- URSS 
22 
21 
2 
7 
1 
3 
1 
0,7 
7 
63 
89 
80 
58 
1,3 
4,5 
2 
21 
17,5 
 
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Classificação dos materiais
d) Compósitos
• Os materiais compósitos, também denominados de materiais
conjugados ou compostos, são a união de dois ou mais
materiais com o objetivo de obterem-se propriedades
especiais não apresentadas isoladamente pelos seus
componentes por meio da utilização de métodos
convencionais.
• Existem compósitos naturais tradicionais, como a madeira
em que a matriz e o reforço são poliméricos, assim como a
madeira compensada. No concreto estrutural, tanto a matriz
à base de pasta de cimento e os agregados são materiais
cerâmicos, podendo ainda ser utilizadas barras ou fibras de
aço para aumentar a resistência à tração.
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Figura 8 – Evolução da produção de materiais 
nos Estados Unidos (Padilha, 1997, p. 22).
A expansão no 
desenvolvimento e uso 
dos compósitos iniciou-
se a partir dos anos 70 
do século passado. 
Hoje, abrange gama 
muito grande de 
materiais utilizados 
principalmente nas 
indústrias de produtos 
eletrônicos.
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Classificação dos materiais
e) Semicondutores
• Os semicondutores são materiais de composição como o
silício e o germânio, além do gálio, arsênio, cádmio e
telúrio, que forma m ligações covalentes semelhantes a
dos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como
uma subclasse de cerâmica, porque suas propriedades
mecânicas são muito próximas.
• Possuem características diferentes das cerâmicas quanto
à tecnologia empregada e ao nível de miniaturização e de
higiene e limpeza para a sua produção. Além das
características elétricas e isolantes, são muito sensíveis à
impurezas, que são rigidamente controladas para que não
seja ultrapassada a proporção de poucos átomos
estranhos por um bilhão de átomos do material (Schaffer
et al., 2000).
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Classificação dos materiais
e) Biomateriais
• Os biomateriais são empregados em implantes no corpo
humano para substituição de partes danificadas,
principalmente ossos. Não podem produzir substâncias
tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo, ou
seja, não causar rejeição.
• Os materiais empregados são metais, cerâmicas, polímeros,
compósitos e semicondutores que servem para fabricar
próteses, que são dispositivos implantados no corpo para
suprir a falta de um órgão ausente ou para restaurar uma
função comprometida, como articulações de bacias
fraturadas (Callister Jr, 2002).
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Classificação dos materiais segundo 
desenvolvimento científico 
• Materiais naturais: aqueles in natura com pouco ou
nenhum beneficiamento do estado em que foi coletado,
como a madeira, couro, diamante, cobre, borracha natural.
• Materiais desenvolvidos empiricamente: materiais
coletados e trabalhados ou transformados segundo a
experimentação adquirida ao longo do tempo, através de
ensaio-erro. Neste grupo, destacam-se o bronze, aço
comum, ferro fundido, cerâmicas, vidro, cimento, concreto.
• Materiais desenvolvidos com conhecimento científico:
equivalem à aplicação das descobertas realizadas pelas
pesquisas entre 1850 e 1950. Exemplos:ligas de alumínio,
de titânio, de magnésio, aços inoxidáveis, aços
microligados, termoplásticos, termorrígidos, elastômeros.
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Classificação dos materiais segundo 
desenvolvimento científico 
• Materiais projetados: desenvolvidos a partir não mais do
estudo de sua composição, propriedades e função, e, sim,
ao contrário, partindo-se de uma necessidade específica e
das propriedades requeridas para uso com dada
finalidade, tiveram sua microestrutura projetada e
construída para atender a essas necessidades. Neste
grupo, têm-se os semicondutores, materiais para reatores
nucleares, aços de ultra-alta resistência, compósitos
reforçados com fibras, ligas com memória de forma, vidros
metálicos, etc.
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Figura 9 – Visão história dos materiais de 
construção (Patton, 1978).
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Materiais Avançados
• Geralmente se utiliza o nome de materiais avançados
àqueles que possuem aplicações em alta tecnologia (high-
tech), isto é, dispositivos ou produtos que operam ou
funcionam utilizando princípios relativamente sofisticados,
como equipamentos eletrônicos, sistemas de fibra ótica,
espaçonaves, aeronaves, foguetes, etc.
• Esses materiais muitas vezes são tipicamente tradicionais
cujas propriedades foram aprimoradas ou, ainda, materiais
novos de alto desempenho. Podem ser de várias classes,
como metais, cerâmicos ou polímeros ou composições de
dois ou mais tipos e, geralmente, são de alto custo unitário
(Callister Jr., 2002).
• Exemplo: revestimento ônibus espacial.
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Materiais não Convencionais
• Por questões de sustentabilidade do planeta, alguns
setores da construção têm desenvolvido projetos e
utilizado materiais ecologicamente mais corretos, além de
utilizar maior quantidade de resíduos e de materiais e
produtos reciclados.
• Alguns materiais ou técnicas utilizadas pelo homem há
milênios foram reintroduzidas na execução de construções
para economizar recursos e contribuir para a
sustentabilidade dos ecossistemas. Técnica milenar
reintroduzida em algumas obras atuais é a terra crua, seja
sob a técnica de taipa de pilão, taipa de mão ou pau-a-
pique, ou ainda pela utilização de tijolos de barro crus
(adobe).
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Figura 10 – Micrografia de Microscópio de Intensidade Atômica (AFM – Atomic 
Force Microscope) Nanoestrutura de C-S-H de fenogrãos parcialmente 
hidratados. A amostra polida possui um ano de idade com relação a/c 0,4. As 
dimensões da área retangular é 25 x 25 nm (Bonen, 2006, p. 1520).
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Figura 11 – Residência construída em taipa de pilão 
(ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DOS CONSTRUTORES COM 
TERRA, www.abcterra.com.br/construções)
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Figura 12 – Residência construída com bambu 
(BAMBOO TECHNOLOGIES, 
www.bambootechnologies.com/bbhomes.htm)
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A importância da indústria da construção 
civil e dos materiais
Importância da Engenharia Civil segundo Instituto Britânico de
Engenheiros Civil (apud Mehta, 1994):
• representa os músculos e os tendões que conectam a
sociedade (pontes, túneis, estradas de rodagem e de ferro,
aeroportos, portos);
• é responsável pela provisão e manutenção de seus
corações e pulmões (água potável, estações de tratamento
de esgoto, instalações de depuração de resíduos);
• é fornecedora da energia necessária para todos os
trabalhos (plataformas marítimas de extração de óleo,
barragens hidroelétricas, usinas nucleares e maré-
motrizes , instalações eólicas).
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Figura 13 – Curva do crescimento 
exponencial da população 
(Braga et al. , 2006, p. 3).
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Importância no desenvolvimento social
União Nacional da Construção, 2006)
O Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento
Humano (PNUD), criou o Índice de Desenvolvimento
Humano (IDH) para estabelecer-se comparação de
qualidade de vida entre as nações, sendo composto por
três subíndices:
• o PIB per capita, que sinaliza as condições de renda;
• a expectativa de vida ao nascer, que dá idéia da
longevidade e disponibilidade de saúde de um país;
• a educação, avaliada pelo índice de analfabetismo e taxa
de matrícula em todos níveis de ensino Em 2003, o país
que ficou em primeiro lugar foi a Noruega, com IDH 0,963,
o México em 53º lugar, com 0,814 (último lugar no grupo
IDH alto). O Brasil ficou em 63º lugar, com índice 0,792 (6º
lugar dentro do blocos dos países com IDH médio).
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Importância no desenvolvimento econômico
Construbusiness: cadeia de atividades ligadas a todos os
negócios direta ou indiretamente conectados com a
construção civil.
• O setor da construção civil, em 2003, correspondeu a 46,1 %
(R$ 83,7 bilhões de Valor Agregado) do construbusiness, e
empregou 5,77 milhões de pessoas, seguido da indústria de
materiais de construção e fornecedores, que representaram
44,0% (R$ 80,0 bilhões de VA) e utilizaram 2,01 milhões de
empregados.
• movimenta valores similares ao da indústria de materiais,
aloca 2,87 vezes mais postos de trabalho, devido ao caráter
intensivo de utilização de mão-de-obra que caracteriza suas
atividades (União Nacional da Construção, 2006).
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•Figura 14 –
Números gerais 
da cadeia de 
produção da 
indústria da 
construção -
Construbusiness)
(União Nacional 
da Construção, 
2009, p. 26).
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Importância econômica da Construção Civil
• De acordo com o Sindicato da Indústria da Construção
Civil de São Paulo (SINDUSCON, 2005), o valor
adicionado pela construção civil, no ano de 2004, somou
R$ 115 bilhões, o que correspondeu a 6,5% do PIB do
Brasil e, por sua vez, correspondeu ao valor de R$ 346
bilhões na formação bruta do capital fixo das empresas,
representando 62,3% do total do investimento fixo. Para
2006, a projeção do PIB da Construção Civil está previsto
em 6,2%, enquanto que o do Construbusiness como um
todo é de 15,6%
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Importância na manutenção da 
sustentabilidade
•Figura 15 – O desafio do desenvolvimento sustentável.
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Premissas para estudo da sustentabilidade 
na Construção Civil
O construbusiness é uma atividade que está relacionada com
qualquer a atividade humana, sendo imprescindível para a
satisfação das necessidades da sociedade. Com base
nisso, podem-se enunciar as seguintes premissas:
• a construção civil está presente em todas as regiões do
planeta, de diferentes formas e graus tecnológicos:
• a cadeia produtiva é atividade econômica responsável por
parcela considerável do PIB das nações;
• o impacto ambiental da construção civil é proporcional ao
avanço social de uma sociedade;
• a construção civil é um dos macrosetores da economia que
produz bens de maiores dimensões físicas do planeta,
sendo o maior consumidor de recursos naturais em
qualquer país do mundo.
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•Figura 16 – Projeção de consumo de materiais para
• produção de concreto até o ano 2050.
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Premissas para adoção de produção 
sustentável em ciclo fechado 
• aperfeiçoamento dos projetos para que o consumo de
materiais seja minimizado e otimizado;
• substituição de materiais tradicionais com elevado
conteúdo energético ou descarte por outros com melhor
eficiência de relação energia/massa;
• aumento da durabilidade dos materiais pela escolha
daqueles com melhor desempenho e,maior vida útil dos
sistemas ou da construção como um todo;
• redução da geração de resíduos e sua reutilização através
de reciclagem.
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•Figura 17 – Ecoeficiência na construção: princípio dos 4R. 
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Desafios para a construção
CIB (2000)
• Projeto: escolha de materiais recicláveis/reutilizáveis, de
desmonte fácil, com medidas padronizadas, não tóxicos e
cuja fabricação exija pouca energia;
• Construção: uso de materiais locais e reutilização de peças
aproveitáveis, construção com enfoque modular, rotulagem
dos componentes para facilitar a remoção seletiva e
reciclagem, introdução de padrões de qualidade para
materiais reciclados e uso de manuais de operação e
manutenção;
• Desconstrução: novas técnicas para desconstrução e
demolição para facilitar a reciclagem e reutilização dos
materiais de construção;
• Fabricantes: maior responsabilidade para com seus
produtos, do início ao fim da linha de produção.
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•Figura 18 – Aspectos e desafios 
da construção sustentável 
•(CIB, 2000, p. 72).
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Importância da formação profissional 
e do ensino
•Figura 19 – Evolução dos 
conceitos de segurança e 
qualidade na Engenharia 
Estrutural
• (Meseguer, 1985, p.73).
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Reciclagem profissional e avanço do 
conhecimento I
• nos últimos 300 anos, os conhecimentos científicos e
tecnológicos cresceram exponencialmente, duplicando-se
a cada 15 anos;
• estão vivos 80% dos criadores dos conhecimentos atuais
da humanidade;
• hoje, um estudante, ao terminar seu curso de graduação,
após 35 anos de serviço constatará que 80% do progresso
científico se processou diante de seus olhos e apenas
20% o antecederam;
• engenheiros e arquitetos, no exercício de sua profissão,
devem dispor de mecanismos permanentes de atualização
para evitar obsolescência de seus conhecimentos, que
ocorre com velocidade muito grande;
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Reciclagem profissional e avanço do 
conhecimento II
• se um Engenheiro ou Arquiteto, ao se graduar em um
curso superior,dominar 100% do conhecimento de sua
especialidade, ao não se atualizar durante o exercício
profissional, terá reduzido o seu cabedal de
conhecimentos ao longo do tempo, os quais, segundo a
expansão atual da ciência e tecnologia, em 15 anos se
expandirão em 200%;
• o maior problema é que os estudantes não se graduam
com 100% dos conhecimentos disponíveis em suas áreas
de atuação, enquanto que os novos desenvolvimentos
científicos e tecnológicos se processam por substituição
de conhecimentos anteriores, que se tornam obsoletos, e
não por expansão daqueles preexistentes.
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Importância da qualificação profissional 
• a sociedade acredita que os Engenheiros Civis estão aptos a tomar
decisões técnicas corretas, pois as conseqüências das decisões
equivocadas são conhecidas posteriormente e, algumas vezes,
podem ser devastadoras; a profissão de Engenheiro Civil é de
“confiança pública”, porque a sociedade espera e acredita, a priori,
que estes são providos de competências adequadas para assumirem
as responsabilidades inerentes às suas atividades;
• é necessário garantir a formação adequada aos Engenheiros Civis
para o exercício profissional, controlado correta e constantemente
pelos Conselhos Regionais quanto à qualificação e habilitação
profissional;
• a evolução do conhecimento teórico e prático, do refinamento dos
modelos de cálculo e projetos, dos métodos e técnicas construtivas é
uma realidade que exige atualização e qualificação permanentes.