SISTEMAS ESTRUTURAIS II. Propriedades e Características dos Materiais. Concreto e Aço

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1 SISTEMAS ESTRUTURAIS II 01 Propriedades e Características dos Materiais Concreto e Aço Prof. Eduardo Giugliani 2014/01 Quais os critérios que devemos adotar para selecionar um material entre tantos outros? } Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. } Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades. 1

2 PROPRIEDADE DOS CORPOS SÓLIDOS DUCTIBILIDADE capacidade dos corpos de reduzirem-se a fios, sem romperem CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS } A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada na estrutura atômica e química destes. 2

3 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS } Metais } Cerâmicas } Polímeros } Compósitos Classificação tradicional CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS } Metais } Geralmente são uma combinação de elementos metálicos. } Excelentes condutores de eletricidade e calor } Têm aparência lustrosa quando polidos } Geralmente são resistentes e deformáveis } São muito utilizados para aplicações estruturais 3

4 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS } Cerâmicas ALUMINA } Geralmente são uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos. } Isolantes de calor e eletricidade } São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que do os metais e polímeros. } Com relação às propriedades mecânicas, as cerâmicas são duras, porém frágeis } Em geral são leves. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS } Vidros } Materiais antigos usados desde 4000 a.c vidros decorativos no Egito } A sílica é o elemento principal na composição do vidro } 100% reciclável } Retornável } Reutilizável 4

5 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS } Polímeros Podem ser: } Sintéticos plásticos e borrachas. } Naturais borracha, seda algodão e lã. } São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas) } Tipicamente, esses materiais são leves, isolantes elétricos e térmicos, flexíveis e apresentam baixa resistência ao calor. } Matérias-primas petróleo e gás natural. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS } Compósitos } Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. } Os compósitos são desenhados para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte. } Muitos dos recentes desenvolvimentos em materiais envolvem materiais compósitos. } Um exemplo clássico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associada à flexibilidade do polímero. } Outro exemplo é o concreto: Agregado graúdo+agregado miúdo +cimento+água 5

6 PESOS ESPECÍFICOS COMPARAÇÃO BÁSICA METAIS CERÂMICAS POLÍMEROS VIDROS COMPÓSITOS aço tijolo plástico vidros concreto KN/m3 1 KN/m3 = 100 Kg/m3 MATERIAIS AVANÇADOS } São materiais utilizados em aplicações de tecnologia de ponta, ou seja, são materiais utilizados para a fabricação de dispositivos ou componentes que funcionam ou operam usando princípios sofisticados. } Exemplos destas aplicações incluem: equipamentos eletrônicos (CD players, DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis militares, detectores, lasers, displays de cristal líquido, indústria aeroespacial, etc. } Estes materiais são geralmente materiais tradicionais cujas propriedades são otimizadas ou materiais novos de alto desempenho. 6

7 ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS } Materiais que apresentem: - Alto desempenho - Baixo peso e alta resistência - Resistência à altas temperaturas - Desenvolvimento de materiais que sejam menos danosos ao meio ambiente e mais fáceis de serem reciclados ou regenerados POR QUÊ ESTUDAR? PROPRIEDADES MECÂNICAS } A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. } As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de maneira incontrolável. 14 7

8 Principais Propriedades dos Corpos } Extensão: dimensões geométricas } Impenetrabilidade: } Inércia: 2 corpos não ocupam o mesmo lugar impedimento à deformação } Atração: atração das massas matéria atrai matéria Principais Propriedades dos Corpos } Porosidade: ocorrência de espaço entre as massas } Divisibilidade: característica de se fragmentar } Indestrutibilidade: ser indestrutível 8

9 Propriedades dos Corpos Sólidos } Dureza: resistência dos corpos a serem riscados } Tenacidade: 17 resistência ao choque ou percussão } Plasticidade (maleabilidade): capacidade dos corpos se adelgarem, sem romperem } Ductibilidade: capacidade dos corpos se reduzirem a fios, sem romperem Propriedades dos Corpos Sólidos } Durabilidade: capacidade de permanecerem inalterados com o tempo } Desgaste: perda de qualidade ou de dimensões com o uso contínuo } Elasticidade: tendência de retornar à forma primitiva após cessar o esforço aplicado 18 9

10 Tipos de Esforços Mecânicos que uma estrutura está sujeita Compressão Tração Flexão Torção Cisalhamento 19 Tipos de Esforços Mecânicos que uma estrutura esta sujeita Tração Compressão 20 10

11 Tipos de Esforços Mecânicos que uma estrutura esta sujeita Flexão 21 Tipos de Esforços Mecânicos que uma estrutura esta sujeita Torção 22 11

12 Tipos de Esforços Mecânicos que uma estrutura esta sujeita Cisalhamento 23 INTRODUÇÃO CONCEITO GERAL MÓDULO DE ELASTICIDADE... de cada material (MÓDULO DE YOUNG) E (KN/cm 2 ) 24 12

13 INTRODUÇÃO 25 INTRODUÇÃO 26 13

14 INTRODUÇÃO 27 INTRODUÇÃO 28 14

15 INTRODUÇÃO 29 INTRODUÇÃO 30 15

16 INTRODUÇÃO CONCRETO NBR 6118 COMPRESSÃO 31 TRAÇÃO INTRODUÇÃO AÇO NBR 6118 TRAÇÃO 32 16

17 INTRODUÇÃO 33 INTRODUÇÃO 34 17

18 PRINCIPAIS ENSAIOS } Ensaio de Tração } Ensaio de Compressão } Ensaio de Cisalhamento } Ensaio de Dureza } Ensaio de Flexão } Ensaio de Fluência } Ensaio de Impacto } Ensaio de Fadiga 35 PRINCIPAIS ENSAIOS } Ensaio de Tração } Ensaio de Compressão } Ensaio de Cisalhamento } Ensaio de Dureza } Ensaio de Flexão } Ensaio de Fluência } Ensaio de Impacto } Ensaio de Fadiga 36 18

19 ENSAIO DE TRAÇÃO } É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de TRAÇÃO, que promove um ALONGAMENTO no corpo de prova submetido a este teste. 37 Conceito de Tensão (σ) 19

20 Conceito de Deformação (ε) ENSAIO DE TRAÇÃO } O ensaio de TRAÇÃO, revela duas fases distintas: ELÁSTICA e PLÁSTICA Na fase ELÁSTICA um dos principais parâmetros que o ensaio de TRAÇÃO permite revelar é o MÓDULO DE ELASTICIDADE do material. 20

21 ENSAIO DE TRAÇÃO DEFORMAÇÃO ELÁSTICA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA CURVA TENSÃO (σ) X Deformação (ε) DEFORMAÇÃO ELÁSTICA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA } Prescede à deformação plástica } É reversível } Desaparece quando a tensão é removida } É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) } É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade } É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida 21

22 PRINCIPAIS ENSAIOS } Ensaio de Tração } Ensaio de Compressão } Ensaio de Cisalhamento } Ensaio de Dureza } Ensaio de Flexão } Ensaio de Fluência } Ensaio de Impacto } Ensaio de Fadiga 43 ENSAIO DE COMPRESSÃO } É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de COMPRESSÃO, que promove um ENCURTAMENTO no corpo de prova submetido a este teste

23 ENSAIO DE COMPRESSÃO Este ensaio é utilizado principalmente para avaliar as resistências de tijolos, blocos e concreto. PRINCIPAIS ENSAIOS } Ensaio de Tração } Ensaio de Compressão } Ensaio de Cisalhamento } Ensaio de Dureza } Ensaio de Flexão } Ensaio de Fluência } Ensaio de Impacto } Ensaio de Fadiga 46 23

24 ENSAIO DE CISALHAMENTO 47 CONCRETO TIPOS DE CONCRETO: Classes Tabela 1 - Classes de resistência do grupo I Grupo I de resistência Resistência característica à compressão (MPa) C C C C C C C C Mpa = 10 MN/m2 = 1 KN/cm

25 CONCRETO TIPOS DE CONCRETO: Classes Tabela 2 - Classes de resistência do grupo II Grupo II de resistência Resistência característica à compressão (MPa) C C C C Mpa = 10 MN/m2 = 1 KN/cm2 49 CONCRETO Resistência do Concreto Quando não for indicada a idade, as resistências referem-se à idade de 28 dias. Pode-se adotar, em caráter orientativo, os valores indicados na tabela 3 abaixo, onde fc é a resistência aos 28 dias e fcj a resistência para outras idades. Cimento Portland CP III CP IV CP I CP II Tabela 3 Evolução da resistência à compressão Idade (em dias) ,46 0,68 0,85 1 1,13 1,18 1,21 1,28 1,31 1,36 0,59 0,78 0,9 1 1,08 1,12 1,14 1,18 1,20 1,22 CP V 0,66 0,82 0,92 1 1,07 1,09 1,11 1,14 1,16 1,17 NOTA: CP I = cimento comum; CP II = cimento composto; CP III = cimento de alto forno; CP IV = cimento pozolânico; CP V = cimento de alta resistência inicial 50 25

26 Fatores que Influem na Resistência do Concreto CONCRETO Qualidade dos materiais: cimento, água de amassamento, agregados e aditivos. Influência da dosagem: fator água-cimento, proporção de agregados. Influência da confecção: mistura, transporte, lançamento, vibração e cura. Influência da idade já vista anteriormente. 51 AÇO Aço Classe A Dureza natural que não sofrem tratamento algum após a laminação Aço Classe B Encruado a frio obtidos por trefilação a partir do aço classe A com o aumento da resistência a tração à custa da grande perda de tenacidade 52 26

27 53 AÇO Bitolas Comerciais Armaduras são comercializadas em barras com comprimentos de 10 a 12 m e rolos dentro das seguintes bitolas: CA - 50 : CA50A à 50 = 50 KN/cm 2 = fyk φ 6,3 mm e φ 8,0 mm em rolo ou em barra. Somente em barra: φ 10,0 mm, 12,5 mm, 16,0 mm, 20,0 mm, 22 mm e 25 mm. (muito pouco utilizados φ 32,0 mm e 40,0 mm) CA - 60 : CA60B à 60 = 60 KN/cm 2 = fyk comercializado em rolo ou barra: φ 3,4 mm, 4,2 mm, 4,6 mm, 5,0 mm, 6,0 mm, 6,3 mm, 7,0 mm e 8,0 mm. (muito pouco utilizados φ 3,8 mm e 10,0 mm) VALORES DAS RESISTÊNCIAS DE CÁLCULO - ϒ m De acordo com a NBR a resistência de cálculo f d, obtida a partir da resistência característica f k é dada por: f d = f k /ϒ m CONCRETO: No caso específico da resistência de cálculo do concreto (f cd ) alguns detalhes adicionais são necessários conforme a seguir descrito: quando a verificação se faz em data j = ou superior a 28 dias adota-se a expressão: f cd = f ck /ϒ c Nesse caso o controle da resistência à compressão do concreto deve ser feita aos 28 dias, de forma a confirmar o valor de f ck adotado no projeto. AÇO: No caso específico da resistência de cálculo do aço (f yd ), tem-se a seguinte expressão: f yd = f yk /ϒ s 54 27

28 VALORES DAS RESISTÊNCIAS DE CÁLCULO - ϒ m Fatores de minoração da resistência do concreto (ϒ c ) e do aço (ϒ s ): Os coeficientes de ponderação das resistências do concreto estão indicados na tabela a seguir: Tabela 12.1 (NBR ) valores dos coeficientes ϒc e ϒs Combinações Concreto (ϒc) Aço (ϒs) Normais 1,4 1,15 Especiais ou de Construção 1,2 1,15 Excepcionais 1,2 1,0 Para execução de elementos estruturais nos quais estejam previstas condições desfavoráveis, o coeficiente ϒc deve ser multiplicado por 1,1. Para elementos estruturais pré-moldados e pré-fabricados, deve ser consultada a NBR Admite-se no caso de testemunhos extraídos da estrutura dividir o valor de ϒc por 1,