Aula 02- Análise das propriedades dos materiais

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Materiais de construção civil
Anastácia E. F. Santos, D. Sc.
Propriedades físicas e mecânicas dos materiais
Propriedades físicas e mecânicas dos materiais
Os materiais são substâncias com propriedades que os tornam úteis na Engenharia, tendo uma aplicação direta na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos.
 Para a sua aplicação um determinado material deve apresentar características adequadas a uma dada situação, além de serem estabelecidas as relações existentes entre as suas propriedades macro e microestruturais. 
A propriedade de um material diz respeito ao tipo e à intensidades de uma resposta a um estímulo específico imposto ao material.
Introdução
Um material apresenta diferentes propriedades, entre as quais estão as:
Físicas 
Mecânicas 
Ópticas 
Térmicas 
Elétricas 
Magnéticas
Introdução
 Como exemplo podem ser citadas as propriedades mecânicas: a resistência e o módulo de elasticidade, que caracterizam as deformações que um corpo sofre em função de uma determinada tensão aplicada sobre o mesmo. 
Outros exemplos representativos são a dilatação que um material sofre quando submetido a uma variação de temperatura e a capacidade que um corpo tem de conduzir eletricidade quando está sobre a influência de um campo elétrico. 
Introdução
Outras propriedades tem relevância e devem ser consideradas tais como: 
dureza, 
tenacidade, 
fluência 
fadiga. 
O conhecimento dessas características é fundamental, pois determinam o emprego de um material em uma estrutura ou produto, levando-se em consideração também o desempenho do material ao longo de sua vida útil.
Propriedades físicas
 As propriedades físicas dos materiais dependem basicamente da sua homogeneidade e das suas características isotrópicas. 
Um material isotrópico é aquele que apresenta para uma dada propriedade uma igualdade nas três direções (x,y,z), exemplo o aço. Quando apresenta um valor diferente em uma das direções para uma dada propriedade, o material é considerado anisotrópico. 
Propriedades físicas
A isotropia é sempre referida a uma propriedade específica, ou seja, um mesmo material pode ser isotrópico em relação à resistência mecânica, enquanto anisotrópico em relação a condutividade elétrica, por exemplo. 
A anisotropia é uma característica que aparece com frequência nos elementos da natureza. Como exemplo, a madeira, cuja resistência mecânica é dependente do sentido de orientação das fibras. Na direção paralela as fibras, a resistência tende a ser maior do que na direção transversal ao sentido das fibras.
Propriedades físicas:
Massa Específica: 
É característica de cada substância e pode ser definida como sendo a razão entre a massa e o volume de uma substância maciça (sem os vazios). É representada pela equação: 
Para uma determinada substância, a massa específica é sempre a mesma, então a massa dessa substância é diretamente proporcional ao volume ocupado por ela. 
No sistema internacional de unidades SI, a massa está em kg e o volume em m3, portanto a massa específica é dada em kg/m3.
Propriedades físicas:
Densidade: 
A densidade de um corpo é dada pela razão entre a massa e o volume (incluindo os vazios) correspondente, representada pela equação:
As unidades de densidade e massa específica são as mesmas. A massa específica de uma substância é constante, já a densidade varia conforme o corpo. Mesmo sendo a mesma equação utilizada, massa específica e densidade têm conceitos diferentes, pois um sólido oco apresenta densidade menor que a massa específica do material que o constitui.
Propriedades elétricas
Propriedades Elétricas: 
As propriedades mais relevantes dentre os materiais utilizados na construção civil são a resistividade e condutividade elétrica.
 • Resistividade: É a propriedade que indica a resistência à passagem da corrente elétrica através de um corpo, sendo representada pela equação:
Onde: 
ƿ = resistividade (Ω.m) (ohm.metro) 
R = resistência do material através do qual está passando a corrente (Ω) 
A =área da seção reta perpendicular a direção da corrente (m2) 
l = distância entre dois pontos onde é medida a voltagem (m) 
Propriedades elétricas
 No concreto, a resistividade normalmente depende, da umidade e da sua composição, considerando-se que, quanto mais seco o material, mais resistivo ele fica.
O conhecimento da resistividade do concreto está diretamente relacionado com o problema de corrosão das armaduras. Existem estudos para investigar a relação existente entre a resistividade e a probabilidade de corrosão.
Propriedades elétricas
 Condutividade Elétrica: É o inverso da resistividade, isto é, representa a facilidade que um determinado corpo tem em conduzir corrente.
Onde: 
δ= condutividade elétrica (S/m) Siemens por metro ou (Ω.𝑚)-1
Propriedades elétricas
 A condutividade elétrica é um parâmetro empregado para se classificar os materiais sólidos. 
Os materiais isolantes possuem condutividades baixas δ˂ 10-10 (Ω.m-1), os materiais condutores apresentam valores de condutividade maiores que 104 (Ω.m-1), sendo uma característica típica dos metais. 
Em uma posição intermediária, encontram-se os materiais semicondutores, que apresentam valores de δ entre 10-6 e 104 (Ω.m-1).
Propriedades elétricas
Dentre os materiais empregados na construção civil, tem-se que a madeira seca apresenta um comportamento de material isolante, mas quando úmida apresenta uma característica condutora. 
De acordo com Uriatt (1994), considerando um determinado teor de umidade, a condutividade depende do sentido das fibras, da massa específica e da espécie da madeira.
Propriedades elétricas
Os fios empregados para a condução de eletricidade também são exemplos de aplicação prática do conceito de resistividade. 
São compostos basicamente por materiais com características diametralmente opostas: o cobre apresenta uma elevada condutividade elétrica, sendo adequado para empregos em fios e cabos elétricos. Para isolá-los, empregam-se os materiais poliméricos (plásticos), que tem uma baixa condutividade elétrica, em torno de (10-15/ Ω.m). 
O conhecimento das propriedades elétricas tem uma grande importância na definição do tipo de material a ser empregado nas instalações das obras de construção civil.
Propriedades mecânicas
 Quando se pensa em uma propriedade mecânica de um material, particularmente quando este será aplicado em grandes estruturas como pontes ou edifícios, a primeira coisa que vem a mente é a resistência mecânica. 
A resistência é uma medida das forças externas aplicadas ao material, as quais são necessárias para vencer as forças internas de atração entre as partículas elementares do mesmo. 
Propriedades mecânicas
Uma propriedade mecânica de importância nos materiais é a chamada tensão de engenharia(δ), que é definida pela equação: 
Onde F é a carga instantânea aplicada em uma direção perpendicular a seção reta da amostra, e A0 representa a área da seção reta original antes da aplicação da carga.
Propriedades mecânicas
Muitos materiais, tais como cerâmicas, vidros, concreto e alguns metais têm comportamento frágil, significa que o ponto de ruptura está próximo do limite de elasticidade (a ruptura é drástica, e não dúctil!) 
As estruturas devem ser dimensionadas de forma que atue sobre os componentes uma tensão aceitável de trabalho. 
Propriedades mecânicas
A deformação específica (Ɛ) é definida como sendo a relação entre a variação de alongamento em um dado instante e o comprimento inicial do corpo-de-prova, conforme equação: 
Onde lf e li correspondem, respectivamente, ao comprimento final e ao comprimento inicial do corpo-de-prova. 
Para se verificarem as propriedades mecânicas dos materiais, existe um grande conjunto de ensaios que podem ser empregados, entre os quais os mais usuais são os ensaios de tração e compressão.
Propriedades mecânicas
 Alguns materiais, a partir de determinada carga, deformam-se excessivamente (sem romper) e não retornam para a sua forma e posição originais depois de retirada a carga. Comoexemplos pode-se citar os metais e alguns polímeros.
A tensão de trabalho para estes tipos de materiais é determinada a partir da tensão em que a deformação passa a ser excessiva (tensão de escoamento), e não a partir da tensão de ruptura. 
O escoamento plástico antes da ruptura é vantajoso pelo fato de que o escoamento do aço não causaria uma ruptura total de uma viga de concreto armado, somente flecha excessiva, alertando os usuários sobre uma possível carga além do limite. 
Propriedades mecânicas
Geralmente, a resistência dos metais aumenta pelo trabalho em conjunto com o concreto. 
Materiais que deformam plasticamente são classificados de DÚCTEIS. 
 
A ductilidade é normalmente medida por uma quantidade de alongamento antes da ruptura. 
Propriedades mecânicas
 Resistência: Pode ser definida como a capacidade de um material ou componente suportar cargas sem se romper ou apresentar excessiva deformação plástica.
 
Os materiais são normalmente testados de maneira a simular sua operação na construção, embora as tensões sejam frequentemente complexas. 
As principais formas de teste são: 
COMPRESSÃO 
TRAÇÃO 
FLEXÃO 
CISALHAMENTO 
Diagrama tensão x deformação
O diagrama tensão x deformação varia muito de material para material e, dependendo da temperatura do corpo de prova ou da velocidade de crescimento da carga podem ocorrer resultados diferentes para um mesmo material. 
Entre os diagramas tensão x deformação de vários grupos de materiais é possível, no entanto, distinguir algumas características comuns que nos levam a dividir os materiais em duas importantes categorias: materiais dúcteis e frágeis. 
Diagrama tensão x deformação
Materiais dúcteis e frágeis
Material dúctil é aquele que apresenta grandes deformações antes de se romper (aço e alumínio, por exemplo), enquanto que o frágil é aquele que se deforma relativamente pouco antes de se romper (ferro fundido e concreto, por exemplo). 
Lei do Hooke
Para os materiais dúcteis, observa-se que a função tensão x deformação, no trecho OP, é linear. Esta relação linear entre os deslocamentos e as cargas axiais foi apresentada por Robert Hooke em 1678 e é conhecida como Lei de Hooke. Logo, o trecho OP do diagrama é representado por:
 σ = E. ε
Onde,
σ é a tensão normal (N/m2);
E é o módulo de elasticidade do material (N/m2) e representa a tangente do ângulo que a reta OP forma com o eixo ε;
ε é a deformação linear (adimensional).
Módulo de elasticidade
A constante E representa o módulo de elasticidade do material sob tração e também pode ser chamada de Módulo de Young. Tabelas com os módulos de elasticidade de diferentes materiais podem ser obtidas em manuais ou livros de engenharia.
Exemplos: 
aço: E = 2210 GPa
Alumínio: E = 70 GPa;
Ferro: E = 200 GPa. 
Propriedades mecânicas
Limite de proporcionalidade: A tensão correspondente ao ponto P recebe o nome de limite de proporcionalidade e representa o valor máximo da tensão abaixo da qual o material obedece a Lei de Hooke. Para um material frágil, não existe limite de proporcionalidade (o diagrama não apresenta parte reta).
Limite de elasticidade: Muito próximo a P, existe um ponto na curva tensão x deformação ao qual corresponde o limite de elasticidade; representa a tensão máxima que pode ser aplicada à barra sem que apareçam deformações residuais ou permanentes após a retirada integral da carga externa. Para muitos materiais, os valores dos limites de elasticidade e proporcionalidade são praticamente iguais, sendo usados como sinônimos.
Propriedades mecânicas
Região elástica: O trecho da curva compreendido entre a origem e o limite de proporcionalidade recebe o nome de região elástica.
Região plástica: O trecho da curva entre o limite de proporcionalidade e o ponto de ruptura do material é chamado de região plástica.
Propriedades mecânicas
Limite de escoamento: A tensão correspondente ao ponto Y tem o nome de limite de escoamento. A partir deste ponto, aumentam as deformações sem que se altere praticamente o valor da tensão. Quando se atinge o limite de escoamento, diz–se que o material passa a escoar-se.
Limite de resistência: (ou resistência à tração): A tensão correspondente ao ponto U recebe o nome de limite de resistência. 
Limite de ruptura: A tensão correspondente ao ponto R recebe o nome de limite de ruptura (ocorre a ruptura do corpo de prova).
Propriedades mecânicas
Tensão admissível: Obtém-se a tensão admissível dividindo-se a tensão correspondente ao limite de resistência ou a tensão correspondente ao limite de escoamento por um número, maior do que a unidade (1), denominado coeficiente de segurança. A fixação do coeficiente de segurança é feita nas normas de cálculo ou, às vezes, pelo próprio calculista, baseado em experiência própria.
Propriedades mecânicas
Limite de escoamento de materiais frágeis: Denomina-se agora o limite de escoamento como a tensão que corresponde a uma deformação permanente, pré-fixada, depois do escorregamento do corpo de prova. Fixa-se εs, traça-se a reta tangente à curva partindo da origem, traça-se uma reta paralela à tangente passando por O’; sua interseção com a curva determina o ponto Y que corresponde ao limite de escoamento procurado.
Propriedades mecânicas
Coeficiente de Poisson: a relação entre a deformação transversal e a longitudinal verificada em barras tracionadas recebe o nome de coeficiente de Poisson (ν). Para diversos metais, o coeficiente de Poisson varia entre 0,25 e 0,35.
ν = |deformação específica transversal / deformação específica longitudinal|
Tração- diagrama tensão x deformação
Tração – Material dúctil
Tração – Material frágil
Propriedades mecânicas
Resistência à compressão: 
As forças de compressão em materiais agem da mesma maneira que a ligação atômica, forçando os átomos a se aproximarem, e esta ação, em geral, não causa a ruptura. Entretanto, a compressão induz a esforços de cisalhamento, e a deformações que conduzem a esforços de tração por efeito do coeficiente de Poisson. 
Propriedades mecânicas
Dependendo do tipo de material, da forma e tamanho do corpo de prova e da forma de carregamento, a compressão pode causar ruptura por cisalhamento ou por tração, ou mesmo pela combinação dos dois. 
O ensaio de compressão é muito realizado por ser de fácil execução e porque os componentes da construção estão frequentemente submetidos a esforços de compressão (concretos, blocos cerâmicos, etc). 
Propriedades mecânicas
IMPORTANTE: São necessários procedimentos padrões (Normas) para realização dos testes. Vários fatores (forma e dimensões do corpo-de-prova, velocidade de carregamento, etc.) podem influenciar nos resultados obtidos durante o ensaio de compressão. 
Propriedades mecânicas
 COEFICIENTE DE POISSON: 
Força uniaxial aplicada sobre uma peça de concreto:
Deformação longitudinal na direção da carga.
Deformação transversal com sinal contrário. 
 ν = Relação entre a deformação transversal e a longitudinal.
 
Concreto: 
ν = 0,2 
Para tensões de compressão 
menores do que 0,5 fc(resistência à compressão).
Resistência à tração direta
Testes de tração são utilizados em componentes metálicos ou fibrosos projetados para trabalhar sob tensões de tração. 
São também, ocasionalmente, utilizados em materiais que não trabalham principalmente comprimidos, como o concreto, quando alguma performance à tração é requerida. 
Resistência à tração direta
Resistência à tração simples 
Nas obras, geralmente não são realizados ensaios de resistência à tração do concreto. A sua determinação pode ser útil para procurar prevenir as fissuras no concreto, a partir do conhecimento das condições de carregamento e movimentações térmicas e higroscópicas (tendência de absorver a umidade do ar). 
No Brasil, sua determinação deve obedecer às prescrições da norma NBR 7222 -Resistência à tração simples de argamassa e concreto por compressão diametral dos corpos-de-prova cilíndricos. Uma outra forma de determinar a resistência à tração é atravésda realização do ensaio de flexão simples.
Resistência à tração - ABNT NBR 7222
Por compressão diametral 7 a 10% da resistência à compressão
O ensaio de flexão é normalmente utilizado para o controle de qualidade do concreto para pavimentos de rodovias e aeroportos e também em pisos industriais, onde o carregamento do concreto ocorre mais na flexão do que na tração axial. 
Resistência à tração 
Tração na flexão –ABNT NBR 12142 
10 a 15% da resistência à compressão
Rigidez
 A rigidez pode ser definida como a capacidade de um material ou componente resistir a deformação quando submetido a tensão. 
A rigidez é medida pelo módulo de elasticidade (E), que é a relação entre a tensão aplicada no componente e a deformação resultante desta tensão. 
Rigidez
O módulo de elasticidade fornece a medida da rigidez do material, então, quanto maior o valor do módulo, menos deformável é o material. 
Lei de Hooke –As deformações são proporcionais às tensões aplicadas; admite-se que um material comporta-se de maneira elástica quando ele volta a sua posição original, a partir do momento que é descarregado (materiais elásticos).