Propriedades Mecanincas do Materiais (I)

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Disciplina:Disciplina:
Materiais de ConstruMateriais de Construçção ão 
Civil ICivil I
 
Programa
• Propriedades e comportamentos dos materiais de construção
• Metais
• Produtos não ferrosos
• alumínio
• Cobre
• Zinco
• Produtos ferrosos
• Produtos cerâmicos
• Vidros
• Produtos a base de argila
• Polímeros
• Madeira
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 Edgard 
Blücher Ltda. 14ª Edição, 2002.
• Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia de 
Materiais. Ed. Isaia, G.C. IBRACON, 2007. V.1, 1ª Edição.
• Materiais de Construção Civil e Princípios de Ciência e Engenharia de 
Materiais. Ed. Isaia, G.C. IBRACON, 2007. V.2, 1ª Edição.
• Associação Brasileira de Normas Técnicas. Aço destinado a armaduras 
para estruturas de concreto armado NBR 7480. Rio de janeiro,2007.
• Associação Brasileira de Normas Técnicas. Aço destinado a 
armaduras para estruturas de concreto armado NBR 7480-Especificação. 
Rio de janeiro,2007.
Bibliografias
•Associação Brasileira de Normas Técnicas. Fios de aço para estruturas 
de concreto protendido-Especificação, NBR 7482. Rio de janeiro,2008.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Cordoalhas de aço para 
estruturas de concreto protendido-Especificação, NBR 7483. Rio de 
janeiro,2008.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Placas cerâmicas para 
revestimento - Especificação e métodos de ensaios,NBR 13818. Rio de 
janeiro,1997. 
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Componentes cerâmicos. 
Parte 1: Blocos cerâmicos para alvenaria de vedação - Terminologia e 
requisitos. NBR 15270. Rio de janeiro, 2005.
Associação Brasileira de Normas Técnicas. Componentes cerâmicos. 
Parte 1: Blocos cerâmicos para alvenaria de vedação - Terminologia e 
requisitos. NBR 15270. Rio de janeiro, 2005 
Propriedades e 
comportamento dos 
materiais de construção
Propriedades associadas com a capacidade que 
o material tem de resistir a forças mecânicas
Resistência Tenacidade
Dureza Rigidez
ResiliênciaFluência
Propriedades mecânicas
É a relação entre a carga 
aplicada e a área resistente. F F F
a b c
resistenteA
F
=σ
É expressa em 
•kgf/cm2
•N/m2=Pa, 
•MPa = N/mm2.
Tensão
Resistência à Tração
� Ensaio de tração direta
� Sistema de garras
� Forma do corpo-de-
prova
� Medidor de deformação
A
Pf rupt =
Clipgage
Resistência à Tração na flexão
� Assume elasticidade
linear
� Módulo de ruptura
� Três pontos
� Quatro pontos (figura)
22
3
be
PL
xMOR =
2be
PLMOR =
δ
P
I
LE
1296
23 3
=
LVDT = mede a flecha no meio 
do vão
Resistência à Compressão
� Resistência à
compressão
� Influência
� da forma do cp
� velocidade de 
carregamento
� temperatura
� umidade
Região de 
influência da 
restrição dos 
planos de 
aplicação da 
carga
A
Pf rupc =
Resistência à compressão
Deformação
lateral
Ruptura por
cisalhamento Tensões de tração devido
ao efeito Poisson
Geometria do cp influencia muito o resultado
Compressão Tração
Cisalhamento
Tensão Deformação
Reversível ou permanente, 
instantânea ou a longo prazo
longitudinal e transversal
f(temperatura)
Tensão � deformação
L0 Lf
Deformação Cresce com a tensão
0L
L∆
=ε
(L/L) m/m, mm/mm
Strain gages
Deformação específica
Deformação elástica
� Instantânea
� Reversível
�Volta às
dimensões
originais quando
retira a carga
� Variação de volume
� Linear ou não linear
Compressão Tração
Deformação elástica e os átomos
Forças Interatômicas
atração + repulsão ligação
R
e
p
u
l
s
ã
o
 
 
 
 
 
A
t
r
a
ç
ã
o Fa
Fr
Fliquida
Espaçamento interatomicoF o
r
ç
a
 
Módulo de elasticidade
� Lei de Hook: 
Deformação é
proporcional a tensão
(elasticidade linear)
� Módulo de 
elasticidade ou
Young
ε
σ
=E
Deformação específica
T
e
n
s
ã
o
α
αtgE =
Deformação específica
Independe do comprimento de medida
Deformação específica
T
e
n
s
ã
o
Módulo de elasticidade
Deformação específica
T
e
n
s
ã
o
Elástico linear Elástico não linear
Módulo de elasticidade 
(exemplos)
0.001 – 0.02Borracha
200 – 450Fibras de 
carbono
70Alumínio
210Aço
15 - 40Concreto
Módulo de elasticidade (GPa)Material
Fonte: TAYLOR, GD (1991).
Coeficiente de Poisson
� Exemplo:
� Poisson do concreto é
aprox. = 0,2
L
t
ε
ε
ν =
2
Tε
2
Lε
Deformação plástica
� Ocorre acima de 
determinada carga
� Instantânea e
� Irreversível
� Sem mudança de volume
�Escorregamento
�Deslocamento relativo
entre átomos (planos
cristalinos) ou moléculas
Deformação
T
e
n
s
ã
o
Elástica Plástica
Formas de ruptura
� Ruptura frágil
�Ocorre sem que o 
material apresente
deformações plásticas
significativas
� Ruptura dúctil
�Ocorre com o 
material apresentando
deformações plásticas
ruptura catastrófica
sem aviso
ruptura precedida
de grandes
deformações
visíveis
Impacto
� Impacto = carga de curta
duração
� Associado a capacidade
de absorção de energia
� Trabalho de 
deformação
� Formação de 
superfície
∆h
Ensaio de pendulo de Charpy
Energias de ruptura
� Tenacidade
� Energia absorvida até
sua ruptura
� Resiliência
� Energia absorvida até
seu limite elástico
� Conceito de trabalho
dF.=τ
Deformação (L)
C
a
r
g
a
(
p
)
Tenacidade
Resiliência
Formas de ruptura
� Material frágil
�Pouca absorção de energia
�Baixa resistência à impactos
� Material dúctil
�Grande deformação antes da ruptura
�Grande absorção de energia
�Alta resistência à impactos
Deformação lenta
� Elástica ou viscosa
(fluência)
� Depende do 
tempo, exemplos:
�Concreto, vidro
e asfalto
Tempo
D
e
f
o
r
m
a
ç
ã
o
Recuperação
elástica
Deformação lenta
C
a
r
g
a
Tempo
t2t1
Tempo
t2t1
D
e
f
o
r
m
a
ç
ã
o
Tempo
t2t1
D
e
f
o
r
m
a
ç
ã
o
Tempo
t2t1
D
e
f
o
r
m
a
ç
ã
o
Fluência
� Tensão constante
� Deformação crescente com o 
tempo
� Irreversível
� Sólidos amorfos e fluidos
Escoamento viscoso)
� Sólidos cristalinos
(movimento de discordâncias) 
� Deslocamento relativo entre 
moléculas Corpo-de-prova
Massa
Medida do 
alongamento com 
o tempo
Relaxação
� Deformação constante
� Tensão decrescente
com o tempo
�Aço de protensão
� Mesmo mecanismo da 
fluência
Fadiga
� Esforço cíclico �
rompe em tensão
< Rmec
� Função do nível de 
tensão
+
+
+
+
+
+
++ +
N° de ciclos
R
e s
i s t
ê n
c i
a
Limite de fadiga
+
+
+
+
+
++
+
+
+
N° de ciclos
R
e s
i s t
ê n
c i
a
Polímeros
+
+
+
+
Dureza
� Resistência à penetração
oferecida pela superfície
do material
� Quanto maior a dureza
maior será a resistência ao
impacto
� Medida por escalas
�Mohs=f(escala
comparativa com 
materiais de referência)
� Brinell=f(área de 
penetração de bilha
esférica)
� Rocwel=f(profundidade
de penetração de bilha
padrão)
Dureza x resistência mecânica
� Pode-se relacionar a 
resistência mecânica de 
um material com a sua
dureza
� Ensaio não destrutivo
de avaliação de um 
material
y = 2.183x
R2 = 0.9832
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20
Fc (MPa)
D
u
re
z
a
 
(
M
P
a
)
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
� Densidade aparente
� Considera o 
� volume de sólidos (Vs)
� volume de poros (Vp)
�M/V (g/cm³...)
� Densidade real
� Considera só o 
volume de sólidos (Vs)
� M/V (g/cm³...)
ap
ap V
m
=ρ
s
real V
m
=ρ
real
ap
ρ
ρη −=1Porosidade
ps
ap VV
m
+
=ρ
Porosidade, densidade e 
absorção
� Determinados a partir 
da:
�massa seca, massa 
saturada superfície 
seca e massa imersa
Absorção=M.água*100
M.Seca
Porosidade
� Porosimetria por 
intrusão 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)
I
n
c
r
e
m
a
n
t
a
l
 
i
n
t
r
u
s
i
o
n
 
(
%
)
Telha 3 CP1
Telha 3 CP2
Telha de cimento-amianto
Importância dos Defeitos
� porosidade
� relação 
água/cimento
� relação 
água/gesso
� fissuras
� falhas cristalinas
0
0.25
0.5
0.75
1
0 5 10 15 20 25
Volume de Poros (%)
R
e
s
i
s
t
ê
n
c
i
a
 
R
e
l
a
t
i
v
a
(Neville, 1983)
Propriedades térmicas
� Ponto de fusão
�Passagem do estado sólido para o líquido
�Importantes para o processamento dos 
materiais (ex. Reciclagem dos polímeros
termoplásticos)
�Não existe em materiais amorfos
Propriedades térmicas
� Dilatação térmica
�Possibilita a determinação da variação
dimensional do material com a mudança de 
temperatura
Material Coeficiente de dilatação térmica ( cm/cm/ C a 20 C)
Concreto 12,6 x 10-6
Cobre 16,2 x 10-6
Alumínio 22,5 x 10-6
Propriedades térmicas
� Condutividade térmica
�Possibilita a determinação da capacidade
de um material conduzir ou transferir
calor
Material
Coeficiente de condução térmica 
( C.cm2.s a 20 C)
Tijolo cerâmico 0,0015
Aço 0,115
Poliestireno 0,0002
W/mºC
Propriedades elétricas
� Condutividade e resistividade elétrica
� São as propriedades que definem a facilidade ou
dificuldade de um material em conduzir corrente
elétrica
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
� Estabilidade química
� É a propriedade que um 
material tem de não reagir
quimicamente com outra
substância
� Durabilidade = 
f(estabilidade química)
� Estabilidade química
depende:
� Da composição química
� Grau de cristalização e 
nível de defeitos
� Temperatura
� Das substâncias
envolvidas
Propriedades químicas
� Reatividade
� Facilidade que um 
material tem de reagir
quimicamente com 
outra substância
� Aplicabilidade = 
f(reatividade)
� Reatividade depende:
� Composição química
� Temperatura
� Catalisadores e 
granulometria
� Grau de amorfização e 
nível de defeitos
Estrutura dos Sólidos x 
Nível de Energia
cristalino
e
n
e
r
g
i
a
vítreo
Energia gasta 
na cristalização
Ex: quartzo SiO2 Ex: microsilica SiO2
Sólidos vítreos ou amorfos
pozolana
Outras propriedades
� Ópticas:
�Transmitância
�Absorbância ...
Custo
� Viabiliza ou não a aplicação de 
um material
� Custo unitário não é suficiente
(verificação da influência no 
processo)
� Custo ambiental
Conceitos básicos 
de DURABILIDADE
Conceitos básicos 
de DURABILIDADE
Materiais de ConstruMateriais de Construçção ão 
Civil ICivil I
vmjohn
Objetivos
� Introduzir os conceitos de durabilidade e 
vida útil
� Mostrar a sua importância para a 
avaliação de desempenho e para a 
sustentabilidade da Construção Civil
Desempenho das Construções
� Construções devem 
atender as
� Conscientes
� Inconscientes 
� Análisar
desempenho:
adequação ao 
uso
� Independente
�Materiais
� Soluções construtivas
� .....
Durabilidade
Materiais interagem com o ambiente
usuários
produtos do uso
água
radiação solar
variação térmica
esforços cíclicosanimais e
micro-organismos
Durabilidade
� Conceito complexo, 
de difícil mensuração
Vida útil
� Período de tempo que o componente atende as 
necessidades dos usuários, em condições de 
uso específicas
� 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
Estimando a vida útil
Materiais
Meio ambiente
radiação, salinidade, 
materiais vizinhos...
Componente Degradado
Atende 
necessidades dos 
usuários?
Vida útil...
Não
Sim
Tempo
Estimativa da Vida Útil
� Modelos
� Ex: concreto armado (corrosão por cabonatação
ou cloretos)
� Correlacionam intensidade dos fatores de 
degradação com perda de desempenho
� Ensaios acelerados
� Radiação UB + condensação (cUV) p/polímeros
� Ciclos de molhagem e secagem
� Envelhecimento natural (durar.pcc.usp.br) 
� Áreas de envelhecimento
�Monitoramento de meio ambiente 
(temp, radiação, chuva...) 
Envelhecimento Natural
Materiais na
Estação de envelhecimento 
natural de 
Rio Grande
Materiais & Durabilidade
� Todos os materiais degradam se 
expostos a determinados fatores de 
degradação
� Projeto:
�medidas de proteção
�selecionar material mais resistente na 
aplicação
Fatores de Degradação
� Ambientais
� Radiação
� Temperatura
� Água
� Constituintes do Ar e 
poluentes
� Gelo-Degelo
� Vento
� Biológicos
� Roedores
� Fungos
� bactérias
�…
Fatores de Degradação
� Carregamento
� deformação lenta
� fadiga
� Água e seus derivados
� Cargas de uso
� Incompatibilidade
� química
� física
� Fatores de uso
� Desgaste
� Atividades de 
manutenção
� Projeto
Exemplos de degradação
Material Mecanismo de
Degradação
Medida de projeto/
proteção
Polímeros Foto
Térmico
do sol
 temperaturas elevadas
Aço Corrosão umidade
cloretos
Concreto Corrosão da armadura
por carbonatação
cobrimento
resistência mecânica
Madeira Apodrecimento por
ação de fungos
umidade
Tendências atuais
� Desenvolver ensaios acelerados eficientes 
e técnica-economicamente viáveis;
� Melhorar as comparações entre os 
ensaios acelerados e a exposição natural 
(acelerada ou não);
� Aprimorar os modelos de degradação;
� Incorporar esse requisito como um dos 
prioritários na normalização
Observação final
Condição imprescindível (não o único) para