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1 - Introdução Os materiais estão em nossa vida e cultura todo o tempo. Nos mais variados eventos da sociedade humana, em todos os seguimentos de nossa vida diária ocorrem influencias em maior e menor grau pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligados às habilidades de seus membros em produzir e manipular os materiais para satisfazer suas necessidades. Ex. Idade da Pedra, Idade do bronze, etc. Os primeiros materiais são advindos da natureza pura, sendo: pedra, madeira, argila e peles de animais. Com o passar do tempo, o homem passa a desenvolver técnicas para uso das cerâmicas e metais. Foram sendo descobertas alterações das propriedades naturais dos materiais a partir de tratamentos térmicos e químicos. Porque estudar Ciência e Engenharia de Materiais? Muitos cientistas e Engenheiros irão se deparar vez ou outra com um problema de projeto que envolve materiais: Ex. Pontes, Barragens, Petróleo, Navios, Aeroportos, Ferrovias, etc. Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção do material correto dentro de uma infinidade de materiais disponíveis. Existem vários critérios para a decisão final. Ciência dos Materiais: Envolve a investigação das relações entre as estruturas e as propriedades dos materiais. Engenharia dos Materiais: Consiste, com base nessas correlações estrutura- propriedade, no projeto ou na Engenharia da estrutura de um material para produzir um conjunto de propriedades pré-determinadas. Busca relacionar as propriedades dos materiais e os elementos estruturais. Informações fundamentais para a especificação dos materiais: i) Condições de serviço: Definem as propriedades que o material deve possuir. ii) Deterioração das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante a operação em serviço. iii) Fatores econômicos e ambientais. Qual o custo final do material e os riscos ambientais? Quanto mais familiarizado estiver um Engenheiro ou cientista com as várias características e relações estrutura- propriedade, assim como as técnicas de processamento de materiais, mais capacitado e confiante estará para fazer escolhas ponderadas de materiais com base nestes critérios. Estrutura dos materiais: se refere, em geral, ao arranjo dos componentes internos de um material. Pode ser estudada sob três aspectos: Atômica / Microscópica / Macroscópica. Por Callister, pág. 3, temos: [...] a estrutura de um material refere-se em geral, ao arranjo de seus componentes internos. [...] Em serviço, todos os materiais são expostos a estímulos externos que causam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra submetida a uma ação de forças deformará, ou uma superfície metálica polida refletirá a luz. Uma propriedade é uma característica de um dado material em termos do tipo e e da magnitude da sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. [...] são independentes da forma e do tamanho do material. Propriedades dos materiais: uma propriedade consiste de uma peculiaridade de um dado material em termos do tipo e da intensidade de sua resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. Geralmente, as definições de propriedade são feitas de uma maneira independente de forma e tamanho do material a) Mecânica: Relacionam a deformação à aplicação de uma carga ou força. b) Elétrica: Condutividade, constante dielétrica, campo elétrico. c) Térmica: capacidade calorífica, condutividade térmica, dilatação. d) Magnética: Resposta de um material à aplicação de um campo magnético. e) Óptica: Luminosidade, índice de refração, refletividade. f) Deteriorativa: Reatividade Química dos materiais. Além da Estrutura e Propriedades, existem outros 2 aspectos muito importantes envolvidos na Ciência e Engenharia dos Materiais: Processamento e Desempenho. Temos desta forma uma sequência de inter-relação linear: Em relação a estes 4 itens, a estrutura de um material vai depender da maneira como ele será processado e também, o desempenho de um material é função de suas propriedades. Processamento Estrutura Propriedades Desempenho Exemplo da fabricação do vidro O desempenho do material está ligado às propriedades da placa de vidro. Estas propriedades são apoiadas na estrutura do vidro e a estrutura será produto do processo de fabricação do vidro. É bem simples de entender. Exemplo do cimento Portland Em função do uso pode ser produzido para atender a muitas demandas diferentes, porque pode-se ter necessidades técnicas de projeto, pode-se requerer por exemplo Alta Resistência Inicial, maior resistência, etc. 2 - Propriedades dos materiais a) Mecânica: Relacionam a deformação à aplicação de uma carga ou força. As propriedades mecânicas são fundamentais para garantir o adequado desempenho do material. Por este motivo, é muito importante que os profissionais de Engenharia tenham conhecimento sobre este assunto, para escolher, especificar e aplicar os materiais adequados para solucionar as demandas de serviço. Ex. Características com relação a esforços solicitantes tais como tração, compressão, flexão e torção. b) Elétrica: Condutividade, constante dielétrica, campo elétrico. As propriedades elétricas dos materiais são importantes com relação ao projeto e dimensionamento das instalações elétricas e também os sistemas elétricos de potência, sistema de proteção contra descargas atmosféricas SPDA. Conhecer estas propriedades é função dos Engenheiros, pois no momento de elaboração de projetos e escolher materiais, estas peculiaridades são muito consideradas para atendimento das normas ABNT. c) Térmica: capacidade calorífica, condutividade térmica, dilatação. As características propriedades térmicas dos materiais são assuntos fundamentais no dimensionamento de equipamentos e estruturas. Em função destas propriedades, a estabilidade estrutural e o desempenho dos materiais poderá ser variável. A condução térmica deve ser considerada no projeto de edificações, para atender as normas ABNT. d) Magnética: Resposta de um material à aplicação de um campo magnético. Esta propriedade deve ser considerada principalmente nos projetos e montagem dos equipamentos eletroeletrônicos. Podemos também destacar esta propriedade nas turbinas dos sistemas de geração de energia elétrica. e) Óptica: Luminosidade, índice de refração, refletividade. Estas propriedades de materiais são importantes em diversos ramos da Engenharia, com destaque para as lentes de equipamentos de telescopia, projetos de equipamentos considerando as capacidades reflexivas e luminosas, como no caso de tintas para placas de trânsito por exemplo. f) Deteriorativa: Reatividade Química dos materiais. Esta propriedade está ligada diretamente ao desempenho dos materiais, pois em função de ambientes químicos agressivos, a vida útil dos materiais pode ser muito reduzida. Podemos citar exemplos tais como a maresia nas regiões litorâneas oceânicas. 3 – Materiais Usuais em Engenharia Os materiais sólidos foram agrupados de acordo com as seguintes classificações: a) Metais b) Cerâmicas c) Polímeros d) Compósitos e) Semicondutores f) Biomateriais Materiais AvançadosSão os materiais que passaram por processos de alta tecnologia, materiais tradicionais que foram aprimorados para obter um alto desempenho. Ex. CD, LCD, fibra óptica, etc. Materiais do Futuro São os chamados materiais inteligentes, dotados de censores atuantes em função de estímulos mecânicos, térmicos, ópticos e elétricos, componentes da robótica. Necessidades dos materiais modernos A sociedade moderna cada vez mais incentiva novos desafios tecnológicos, e desta, forma aumenta a necessidade do desenvolvimento de materiais cada vez mais sofisticados e especializados. Um desafio a ser vencido é a questão ambiental, visto que muitos materiais em suas pesquisas e desenvolvimento e processos de produção acabam criando situações de grandes riscos ao meio ambiente, e novas tecnologias para a redução dos impactos e também para remediar os danos já causados, também representam desafios para ciência e Engenharia dos materiais. O universo de materiais diferentes para as muitas demandas a serem solucionadas é bastante grande. Não seria possível em curto espaço de tempo citar e explicar uma quantidade tão grande de informações. Entretanto, para o presente curso, poderemos estudar alguns importantes materiais utilizados na Construção Civil, partindo de alguns projetos usuais como, por exemplo, a construção de uma edificação residencial. Para a construção de uma casa, existem muitos materiais a serem utilizados, principalmente a partir das peculiaridades próprias de cada projeto. O padrão construtivo do empreendimento vai definir o grau de sofisticação dos materiais. Isto está ligado a questão econômica e cultural do local e do proprietário do imóvel. Entre alguns dos principais materiais utilizados na Construção Civil, podemos citar e caracterizar detalhadamente: Metais Concreto: aglomerado formado por areia, cimento, rocha e água. Cerâmica Madeira Polímeros Neoprene para apoio de pontes Borracha É um material polimérico que possui vasto campo de aplicação, com destaque situações de vedação de juntas evitando a infiltração de água e encontro entre peças de materiais rígidos, tais como vidros e metais por exemplo. Asfalto É uma mistura entre derivados de petróleo e brita que é responsável por realizar a impermeabilização de aterros rodoviários visando garantir maior durabilidade das vias. Utilizado em situações de pavimentação flexível. Rochas São materiais compósitos naturais com uma enormidade de aplicações na Engenharia, desde matéria prima para processos industriais, até insumos para concreto e diversas demandas da construção civil. Solos para aterros Existe uma grande variedade de solos na superfície da terra. No caso de demandas para execução de aterros, é necessário que a partir das especificações geotécnicas para o material, seja encontrada uma jazida para empréstimo do solo, visando atender com boa qualidade de material o empreendimento de obra. Concreto Armado É um material que em sua essência busca aproveitar o que há de melhor nas características do aglomerado concreto e do aço. O concreto é um aglomerado formado por areia, brita e cimento. O aço de construção é uma liga metálica desenvolvida para atuar na armadura das estruturas de concreto armado. Catedral e Museu de Brasília Ponte Rio Niterói Materiais Impermeabilizantes São produtos utilizados para proteger estruturas visando evitar ação agressiva da umidade. Existem vários tipos, podemos citar mantas asfálticas, polímeros aditivos para argamassa e concreto e pinturas de proteção do tipo imprimação. O que é Físico-química? É um conceito ligado a propriedades físicas e químicas dos materiais. A Físico-Química é a ciência que nos proporciona instrumentos para interpretar e dominar os fenômenos naturais. Na base dessa ciência encontram-se os princípios fundamentais da termodinâmica, classicamente ensinados a partir do comportamento dos sistemas macroscópicos. É a disciplina que estuda as propriedades físicas e químicas da matéria, através da combinação de duas ciências: a física, onde se destacam áreas como a termodinâmica e a mecânica quântica, e a química. Suas funções variam desde interpretações das escalas moleculares até observações de fenômenos macroscópicos. A Físico-química moderna possui áreas de estudo importantes como a termoquímica, cinética química, química quântica, mecânica estatística e química elétrica. A Físico-química também é fundamental para a ciência dos materiais. O comportamento físico-químico dos materiais em serviço refere-se aos eventos que ocorrem com a estrutura dos materiais quando estes são aplicados. Cada vez mais são pesquisados e utilizados produtos com maior capacidade de resistir aos agentes físicos e químicos de serviço. O comportamento físico-químico dos materiais vai depender diretamente da constituição molecular atômica e arranjo químico. A partir destas características será possível identificar quais são as propriedades dos materiais. Com a informação das propriedades, será possível definir as aplicações dos materiais. A partir da especificação de materiais, poderemos realizar com segurança a escolha do produto que vai solucionar nossa demanda. Alguns fatores ambientais que influenciam no desempenho dos materiais podem ser citados, tais como: Intemperismos: ventos, chuvas e sol. Atmosfera química: presença de íons agressivos, maresia, chuva ácida. Estes fatores podem modificar as propriedades físico-químicas dos materiais. Por exemplo: Qual a demanda? A construção do palácio do Planalto em Brasília DF, para atender a demandas administrativas do Governo Federal, com escritórios e salões para reuniões, a partir do projeto realizado por Oscar Niemeyer. A partir da demanda de serviço, definida pela especificação do produto, a empresa que executou a obra buscou identificar no mercado os produtos que fornecessem a resistência de serviço para o edifício, garantindo durabilidade e segurança para a obra. Alguns exemplos de materiais e suas aplicações, observando o processo do comportamento físico-químico em serviço. Casarão no Centro de Salvador BA Ponte em arco feita com rochas na Estrada Real MG. Museu da Inconfidência Mineira em Ouro Preto MG Arcos da Lapa no Centro do Rio de Janeiro RJ Taj Mahal, em Agra, Índia Pirâmides de Gizé, Egito Igreja Nossa Senhora do Rosário dos Pretos – Diamantina MG Ponte Darcy Mendonça em Vitória ES As imagens a seguir pertencem ao arquivo do Prof. Hiram e foram retiradas em visitas aos locais. Não serão apresentados os endereços destas imagens nesta aula. Patologia em Pilar de Concreto Armado Manchas em revestimento cerâmico de edificação Descolamento de placas cerâmicas em revestimento de fachada. Problemas na madeira dos tapumes de obra Problemas na rampa para veículos em lava jato.Situação de contato madeira alvenaria em edificação Revestimento de rua – encontro paralelepípedos de rocha e blocos de concreto Patologias em revestimento causadas pela ação de chuva Isotropia Um material isotrópico é algo que mantém suas propriedades intrínsecas em todas as regiões de seu corpo sólido. Ex. Um produto que foi fundido em condições controladas, como um metal ou polímero. Anisotropia Remete ao conceito oposto ao de isotropia, ou seja, um material que não mantém fixas suas propriedades em diferentes regiões de seu corpo sólido. Ex. uma peça de madeira com alguns “nós” presentes. Elasticidade Remete ao comportamento das borrachas, o termo elasticidade está ligado a capacidade do corpo se deformar elasticamente após uma determinada aplicação de carga força. Resiliência É um conceito que explica o fato de alguns corpos sofrerem pressões de cargas e apresentarem uma deformação elástica e posteriormente, voltarem exatamente a suas características físicas anteriores a aplicação das cargas externas. Termo ligado ao poder de recuperação. Esforços Simples Os principais esforços simples a serem estudados em Resistência dos Materiais são: Esforço Normal Esforço Cortante Momento de Torção Momento Fletor Esforço Normal (N) Soma algébrica das componentes, na direção normal à seção, de cada uma das forças atuantes de um dos lados desta seção. É responsável pelos eventos de tração e compressão nas peças estruturais Içamento de carga – Tração Um pilar estrutural – Compressão Esforço Cortante (Q) É a soma vetorial das componentes, sobre o plano da seção, das forças situadas de um dos lados desta seção. Esforço de cisalhamento simples, tendência de corte sobre um parafuso. Momento de Torção (T) O momento torsor atuante numa seção S é a soma algébrica dos momentos das forças situadas de um dos lados desta seção em relação ao eixo normal à seção que contém o seu centro de gravidade. Momento Fletor É a soma vetorial das componentes, sobre o plano da seção, dos momentos de todas as forças situadas de um dos lados da seção em relação ao seu centro de gravidade. [...] A análise Estrutural é a parte da Mecânica que estuda as Estruturas, consistindo este estudo na determinação dos esforços e das deformações a que elas ficam submetidas quando solicitadas por agentes externos (cargas, variações térmicas, movimento de apoios, etc.). (Sussekind, 2001) [...] As estruturas se compõem de uma ou mais peças, ligadas entre si e ao meio exterior de modo a formar um conjunto estável, isto é, um conjunto capaz de receber solicitações externas, absorvê-las internamente e transmiti-las até seus apoios, onde estas solicitações externas encontrarão seu sistema estático equilibrante. 1. Conceitos básicos As peças que compõem as estruturas, possuem, evidentemente, três dimensões. Três casos podem ocorrer: i) Duas dimensões pequenas em relação à 3ª; ii) Uma dimensão pequena em relação a outras 2; iii) As 3 dimensões consideráveis 2. As grandezas fundamentais Força e Momento 2.1 – As forças são grandezas vetoriais, caracterizadas por direção, sentido e intensidade. Sua unidade kN. No espaço possuem componentes X, Y e Z. 2.2 – Chama-se momento M de uma força F em relação a um ponto O ao produto vetorial do vetor OM pela força F. 2.3 – Redução de um sistema de forças a um ponto. Conceito Físico: Para reduzir um sistema de forças a um determinado ponto do espaço, basta transferir todas as forças para este ponto, acrescentando para cada uma delas, seu momento em relação a este ponto. Um sistema de forças é então redutível a uma Resultante R e a um momento resultante M em relação a qualquer ponto O do Espaço. 2.4 – Conceito de tensão A Tensão é um conceito ligado a aplicação de uma determinada força em uma área limitada. É semelhante ao estudo das pressões, entretanto, para a Resistência dos Materiais sólidos, a potencial resistência à tensão é um importante fator para o dimensionamento das estruturas. É uma variável utilizada para a escolha dos materiais a serem adotados nas demandas de engenharia. Por exemplo, materiais com altas tensões de resistência aos esforços solicitantes são utilizados em estruturas, como é o caso de concreto armado, aço e madeiras. 2.4.1 Tensão de projeto ou trabalho É o valor da tensão de projeto, calculada pelo responsável técnico de projeto estrutural para a escolha do material a ser aplicado na estrutura. Esta tensão será o esforço que deverá ser resistido pelo material em sua situação de trabalho. Ex. Cargas em pontes, cargas de vento, cargas verticais em edifícios, etc. 2.4.2 Tensão Admissível Esta variável está vinculada ao material a ser aplicado, este valor é referente a Resistência do Material aos esforços estruturais. Valores de tensões e esforços superiores a esta tensão admissível nas estruturas podem inviabilizar a aplicação de determinados tipos de materiais. Ex. a tensão admissível do aço é normalmente superior à da madeira, por isso, é comum utilização de aço em situações de grandes esforços solicitantes como guindastes. 2.4.3 Fator de Segurança É uma relação entre a tensão admissível do material e a tensão de projeto. Utilizada para o dimensionamento das peças estruturais garantindo a segurança do material para atender as demandas de cargas e tensões das estruturas. Sempre deverá ser maior que 1,0, caso contrário, o material não deverá ser aplicado, porque não vai suportar a carga de trabalho. 3. Condições de equilíbrio Para um corpo, submetido a um sistema de força, estar em equilíbrio, é necessário que elas não provoquem nenhuma tendência de translação nem rotação a este corpo. Assim, em X, Y, Z, deveremos ter: Resultante de forças R = 0 Resultante de momentos M = 0 3.1 Casos particulares importantes 3.1.1 Sistema de forças concorrentes no espaço As forças são aplicadas em um determinado ponto do espaço, para equilíbrio a resultante deverá ser nula. Não haverá momento para esta situação. 3.1.2 Sistema de forças paralelas no espaço Forças que não são concorrentes, nesta situação a soma de momentos deverá ser nula juntamente com a soma de forças no eixo de paralelismo. 3.1.3 – Sistemas de forças coplanares São forças localizadas em um determinado plano, deverão se nulas as resultantes dos eixos do plano e o momento em determinado ponto O deste plano. 4. Graus de liberdade Uma estrutura possui 6 graus de liberdade, sendo 3 de movimentos de translação e 3 de movimentos de rotação. É evidente que estes 6 graus de liberdade precisam ser restringidos, de modo a evitar toda tendência de movimento da estrutura, garantindo seu equilíbrio. Esta restrição é dada por apoios, que devem impedir as tendências de movimento, através do aparecimento de reações sobre a estrutura, nas direções dos movimentos que eles impedem, isto é, dos graus de liberdade que eles restringem. Estas reações de apoio se oporão às cargas aplicadas à estrutura, formando este conjunto de cargas e reações um sistema de forças em equilíbrio,e regidas, pelos grupos de equações já citados. 4.1 Apoios de estruturas planas carregadas no próprio plano a) Apoio do 1º gênero ou charriot – 1 reação vertical. b) Apoio do 2º gênero, articulação ou rótula – 1 reação vertical e 1 horizontal. c) Apoio do 3º gênero ou engaste – 1 reação vertical, 1 horizontal e 1 momento 4.2 Estaticidade e Estabilidade Podem ocorrer 3 casos: a) Os apoios são em número estritamente necessários para impedir todos os movimentos possíveis da estrutura. Relação de equilíbrio estável – estrutura isostática. b) Os apoios são em número inferior ao necessário para impedir todos os movimentos possíveis da estrutura. Estrutura hipostática – equilíbrio instável. c) Os apoios são em número superior ao necessário para impedir todos os movimentos possíveis da estrutura. Equilíbrio é estável e a estrutura é hiperestática. 5. Esforços Simples Um sistema de forças atuando sobre um corpo, encontra seu equilíbrio através de reações de apoio que provocam. Vejamos os efeitos estáticos que estas carga e reações provocam em cada uma das seções do corpo. a) N – Esforço Normal Soma algébrica das componentes, na direção normal à seção, de cada uma das forças atuantes. Conceitos de TRAÇÃO e COMPRESSÃO. b) Q – Esforço Cortante Definimos, então, esforço cortante atuante numa seção com sendo igual à soma vetorial das componentes, sobre o plano da seção, das forças situadas de um dos lados desta seção. Conceito de CISALHAMENTO (tendência de corte). c) T – momento de Torção Definimos, então, momento torsor atuante numa seção S como sendo a soma algébrica dos momentos das forças situadas de um dos lados desta seção em relação ao eixo normal à seção que contém o centro de gravidade. Tendência de giro da estrutura – eixos de rotação d) M – Momento Fletor Definimos, então, como momento fletor atuante numa seção, à soma vetorial das componentes, sobre o plano da seção, dos momentos de todas as forças situadas de um dos lados da seção em relação ao seu centro de gravidade. CALLISTER JR. W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. CALLISTER, W. D. Fundamentos da Ciência de Engenharia de Materiais. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006. VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. São Paulo: Editora Campus, 1994. ALVES, Líria. Físico-química. 2014. Disponível em: <http://brasilesco.la/b2427>. Acesso em: 09 set. 2014. SUSSEKIND, J. 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