capítulo 4 comportamento e propriedades dos...

Prof. Msc. Mayara Queiroz Moraes

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 1 CAPITULO 4

Capítulo 4

COMPORTAMENTO E PROPRIEDADES

DOS MATERIAIS



PROPRIEDADES FÍSICAS



A DENSIDADE APARENTE é a relação entre a massa do material e o

volume total (incluindo o volume dos poros)

A DENSIDADE REAL é a relação entre a massa do material e o volume do

material (não inclui o volume de poros)

DENSIDADE APARENTE E DENSIDADE REAL



Pode ser definida como a relação entre o volume de poros no material

(vazios) e o volume total do material (incluindo o volume de poros).

A porosidade pode ser relacionada com as densidades aparente e

real pela seguinte expressão:

POROSIDADE



Poros podem ter diversas formas:

Podem ser fissuras, vazios

irregulares, ou esféricos... Mas são

sempre formados pela penetração de

gases durante o estado fresco de

formação do material.

A porosidade pode ser determinada

com intrusão de mercúrio (alta

precisão) ou com balança hidrostática

(pouca precisão) – pela determinação

do volume de água absorvido pelo

material (volume de vazios) e do

volume real de material determinado

através do empuxo.

POROSIDADE



A permeabilidade do material poroso a líquidos pode ser definida pela

expressão:

O termo gradiente hidráulico define a taxa de redução da pressão com

a espessura do material. O gradiente de pressão que direciona o fluido.

Se a pressão é medida como a altura de coluna d’água, e o gradiente

hidráulico não tem unidade, portanto a unidade da permeabilidade é :

m3/m2s=m/s.

PERMEABILIDADE



A permeabilidade está relacionada com a passagem de gases ou líquidos

através dos poros do material e resulta da interconexão entre os poros.

A permeabilidade depende do estado físico (gás ou líquido) do fluido e de

suas propriedades moleculares. Grandes moléculas, por exemplo, têm

acesso mais limitado aos vazios menores.

A permeabilidade do material tem influência na sua

durabilidade, porém outros fatores estão envolvidos.

PERMEABILIDADE



• Porosidade:

– Totalidade de vazios em um concreto endurecido.

• Permeabilidade:

– Interconexão dos vazios através de canais;

– Continuidade dos canais entre duas superfícies opostas;

– É importante para:

• Concretos em ambientes agressivos:

– Água, ar, solos;

• Concreto armado e aparente;

• Estruturas hidráulicas.

PERMEABILIDADE x POROSIDADE



• Relaciona-se com os vazios que têm comunicação com o exterior.

• É o processo físico pelo qual o concreto retém água nos poros e condutos capilares.

• Indica diferenças de pressão ou de concentração de substâncias em diferentes meios.

shAbsOH MMM .,2

100xM

MMA

s

sh

ABSORÇÃO



PROPRIEDADES MECÂNICAS



Propriedades de um material associadas com a

capacidade que ele tem de resistir a esforços mecânicos.

São exemplos de propriedades mecânicas:

RESISTÊNCIA,

ELASTICIDADE,

DUCTILIDADE,

FLUÊNCIA,

DUREZA,

TENACIDADE.

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Para melhor entender

estas propriedades, é

necessário conhecer a

definição de TENSÃO e

DEFORMAÇÃO.



Tensão é a relação entre a carga aplicada e a área resistente.

A tensão é expressa em kgf/cm² ou N/m² (Pascal).

Na indústria do concreto, as tensões geralmente são

expressas em Mpa = N/mm².

TENSÃO



Muitos materiais, tais como cerâmicas, vidros, concreto e alguns metais têm

comportamento frágil.

Isto geralmente 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.

A TENSÃO ACEITÁVEL, PARA CADA MATERIAL, É OBTIDA

PELA TENSÃO DE RUPTURA MINORADA POR UM

COEFICIENTE DE SEGURANÇA.

TENSÃO



Deformação é definida como a relação entre a variação de comprimento

(após a aplicação de determinada carga) e o comprimento inicial de um

material, conforme a seguinte equação:

Onde L0 é o comprimento inicial e

Lf é o comprimento final, após aplicada

determinada solicitação no material.

DEFORMAÇÃO



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. São exemplos disso os metais e alguns polímeros.

OBVIAMENTE, É INACEITÁVEL QUE OCORRAM DEFORMAÇÕES

EXCESSIVAS NAS CONSTRUÇÕES.

Por isso, 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.

DEFORMAÇÃO



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.

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.

DEFORMAÇÃO



Resistência pode ser definida como a capacidade de um material ou

componente suportar cargas sem se romper ou apresentar excessiva

deformação plástica.

Materiais são normalmente testados de maneira a simular sua operação

na construção, embora as tensões in-situ sejam freqüentemente

complexas.

As principais formas de teste são:

COMPRESSÃO,

TRAÇÃO,

FLEXÃO E

CISALHAMENTO.

RESISTÊNCIA



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.

RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO

Cisalhamento



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 teste de compressão é muito realizado por ser de fácil execução e

porque os componentes da construção estão freqüentemente

submetidos a esforços de compressão

(Concreto, blocos cerâmicos, etc.).

IMPORTANTE:

São necessários procedimentos padrões 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.




COEFICIENTE DE POISSON

Força uniaxial aplicada sobre uma peça de concreto: Deformação longitudinal na direção da carga.

Deformação transversal com sinal contrário.

n Relação entre a deformação

transversal e a longitudinal.

Concreto: n = 0,2

Para tensões de compressão

menores do que 0,5fc.



Influência do tamanho do corpo-de prova na resistência à

compressão de cilindros de concreto com a mesma relação a/c.





Cubo de gesso sendo

ensaiado à compressão.

O tamanho do corpo-de-

prova influencia no

resultado obtido, já que o

atrito entre o dispositivo

de aplicação da carga e o

material atuam como

“reforço”.



A resistência à compressão do material ensaiado é determinado

com a seguinte expressão:

Onde P é a carga de ruptura e A é a área da

seção transversal resistente.




Testes de tração são utilizados em componentes metálicos ou fibrosos

projetados para trabalhar sob tensões de tração.

São também, ocasionalmente, utilizados em materiais não trabalham

principalmente comprimidos, como o concreto, quando alguma

performance à tração é requerida.

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA

O principal problema é a obtenção de

um sistema de garras eficiente.

As garras não devem ser lisas e

devem segurar mais firmemente o CP

à medida que aumenta a carga.



Outro problema encontrado no ensaio de tração é que alguns tipos de

amostra tendem a romper nas proximidades das garras.

Isto pode ser resolvido utilizando-se corpos-de prova com seção reduzida

no centro ou com envelopamento das pontas dos corpos-de prova.

O cálculo da resistência à tração do material é calculado da mesma forma

que a resistência à compressão, ou seja, dividindo-se a carga de ruptura

pela área da seção resistente.




STRAIN GAGES – Extensômetros

elétricos muito sensíveis a

deformações – são colados no

material e sua resistência elétrica

varia com a deformação do material.


Durante o ensaio de tração, podem ser utilizados alguns dispositivos

para medir deformações.

CLIPAGE – Extensômetros

dinâmicos (menor precisão)



RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL

“Ensaio brasileiro de compressão diametral”

Desenvolvido pelo Professor Lobo Carneiro em 1943.

A aplicação de duas forças concentradas e diametralmente

opostas de compressão em um cilindro gera, ao longo do

diâmetro solicitado, tensões de tração uniformes perpendiculares

a este diâmetro.

A popularidade deste ensaio reside não somente na facilidade e

rapidez de execução, mas como também no fato de utilizar o

mesmo corpo-de-prova cilíndrico e equipamento usados para a

obtenção da resistência à compressão do concreto-cimento.



RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL



No ensaio de flexão, as cargas são aplicadas através de roletes

que se alinham com a superfície do CP. Geralmente, é utilizado um

rolete (flexão com três pontos) ou dois roletes (flexão com quatro

pontos) para a aplicação de carga.

Nos testes em concreto, dois roletes são empregados a 1/3 e 2/3

do vão e este método dá um momento constante no terço central.

Durante o ensaio de flexão, a viga

fica sujeita a compressão no topo e

tração na base. Existe um plano com

deformação zero (linha neutra) e,

em uma viga com seção retangular,

assume-se estar na espessura média.

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO



Teste de flexão com quatro pontos. Detalhe: LVDT

colocado no meio do vão para medição da flecha

(deformação na flexão).




RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO - Concretos

• Carregamentos em duas seções simétricas, até à ruptura.

• “Carregamento nos terços”.

Resultados, em geral,

maiores que os dos

demais ensaios de

resistência à tração.



Tensões são usualmente calculadas assumindo que a teoria da flexão

clássica é válida “A deformação do material aumenta linearmente com

a distância até a linha neutra”.

Entretanto, em alguns materiais, a teoria da flexão não é

completamente válida!

Exemplos:

No concreto, a linha neutra tende a deslocar-se durante o teste,

aumentando a área tracionada, o que gera um resultado de

resistência à tração na flexão superior ao real.

Em materiais fibrosos, a zona de compressão é mais crítica. O eixo

neutro tende a deslocar-se para baixo aumentando a área crítica de

compressão e gerando um resultado de resistência à compressão

superior ao real.




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, que é a relação entre a

tensão aplicada no componente e a deformação resultante desta tensão.

O módulo de elasticidade é obtido do gráfico tensão x deformação do

material, sendo E igual a inclinação da curva no trecho elástico.

Geralmente, trata-se de uma tensão baixa comparada a tensão de ruptura.

MATERIAIS ELÁSTICOS:

Lei de Hooke – Deformações proporcionais às tensões aplicadas.

MATERIAIS NÃO ELÁSTICOS:

Gráficos de Tensão x Deformação não lineares.

RIGIDEZ



Exemplos de materiais com respectivos módulos de elasticidade:

Elementos da construção podem estar sujeitos a variações dimensionais

que geram conflitos em termos de rigidez. Materiais cerâmicos, concretos

ou aço de construção se enquadram nesta categoria. Se não estiverem

livres para se movimentar, originam tensões.

RIGIDEZ

Devem-se projetar juntas de dilatação para

materiais de alta rigidez sujeitos a deformações.



Exemplos de materiais com respectivos módulos de elasticidade:

Elementos da construção podem estar sujeitos a variações dimensionais

que geram conflitos em termos de rigidez. Materiais cerâmicos, concretos

ou aço de construção se enquadram nesta categoria. Se não estiverem

livres para se movimentar, originam tensões.

RIGIDEZ

Para uma dada

deformação,

materiais com alta

rigidez estão

sujeitos a maiores

tensões.

Devem-se projetar juntas de dilatação para

materiais de alta rigidez sujeitos a deformações.



A tenacidade de um material reflete sua capacidade de absorver

energias na forma de impactos. (carregamentos de duração

instantânea).

A tenacidade pode ser facilmente medida por uma máquina tipo pêndulo,

como o pêndulo Charpy.

TENACIDADE

A amostra padrão contém um entalhe para

iniciar a ruptura, é cuidadosamente colocada

em uma máquina e submetida ao impacto por

um pêndulo pesado.

A energia absorvida é igual a perda de

energia do pêndulo, indicado pela diferença

na altura das posições do pêndulo antes e

depois do impacto.



A tenacidade de um material reflete sua capacidade de absorver

energias na forma de impactos. (carregamentos de duração

instantânea).

A tenacidade pode ser facilmente medida por uma máquina tipo pêndulo,

como o pêndulo Charpy.

TENACIDADE

A amostra padrão contém um entalhe para

iniciar a ruptura, é cuidadosamente colocada

em uma máquina e submetida ao impacto por

um pêndulo pesado.

A energia absorvida é igual a perda de

energia do pêndulo, indicado pela diferença

na altura das posições do pêndulo antes e

depois do impacto.

Vale ressaltar que

alta tenacidade

não implica

necessariamente

em alta

resistência!



A fluência é definida como a deformação com o tempo, resultado de

aplicações prolongadas de tensão. É considerada de produção muito

lenta. A fluência ocorre principalmente em três tipos de material:

· Metais submetidos a tensões sob temperaturas próximas ao ponto

de fusão. (Quando estão submetidos a tensões em temperaturas bem

abaixo do ponto de fusão, como o aço a temperatura ambiente,

geralmente, a fluência não é um grande problema).

· Materiais susceptíveis a umidade que, por exemplo, expandem com

a presença de água, são passíveis de exibir fluência relacionada com o

escoamento da umidade no material. (Materiais porosos, como o

concreto, estão sujeitos a fluência pela perda de umidade).

· Materiais fibrosos. A fluência nestes materiais podem resultar do

escorregamento da fibra na matriz. (O maior exemplo disso é a madeira).

FLUÊNCIA



Rupturas por fadiga resultam de aplicações repetidas de tensão. A ruptura

em muitos materiais ocorre com tensões bem abaixo da tensão de ruptura,

se o carregamento for aplicado repetidamente.

O número de ciclos até ruptura depende da tensão aplicada.

FADIGA



A resistência à fadiga pode ser medida.

Em materiais como madeira e concreto,

os testes são normalmente feitos com

carregamento repetido em vigas.

Rupturas por fadiga são raras em

elementos estruturais, mas em alguns

componentes, este tipo de ruptura é

comum – Por exemplo, em componentes

metálicos como dobradiças.

Desenvolvimento de estruturas sujeitas

ao tráfego veicular, como estradas e

pontes devem levar em conta o efeito da

fadiga.

FADIGA



Dureza pode ser definida como a resistência ao entalhe (risco).

Testes para determinar a dureza normalmente envolvem a medida do

diâmetro da depressão permanente causada pela penetração de uma

esfera dura na superfície do material com uma carga padrão, como

por exemplo, o teste de dureza Brinell, usada em testes de metais.

DUREZA

O teste de dureza está bem relacionado

com a resistência dos metais. Assim, este

teste é utilizado para avaliar o efeito dos

tratamentos térmicos em metais.



Alguns ensaios de avaliação da dureza são usados para estimar a resistência

à compressão de materiais, como o concreto.

DUREZA

Testes de dureza são muito relevantes na avaliação da performance de

materiais para paredes e pisos.

Martelo de Schmidt Esclerômetro



É definida como a capacidade de uma superfície resistir ao desgaste

devido ao atrito com objetos ou materiais em movimento.

Superfícies duras geralmente são resistentes à abrasão, mas a resistência

à abrasão de superfícies moles pode também ser aumentada com

tratamentos superficiais que dependem do tipo de tráfego.

Cavitação: Fenômeno relacionado com o desgaste causado pela formação

e colapso de vazios em materiais que têm contato com líquidos com

escoamento rápido. Tensões locais muito altas podem produzir

descascamento. A utilização de superfícies duras e resistentes a abrasão é

a melhor maneira de aumentar a vida útil de materiais em contato com

líquidos escoando em alta velocidade.

RESISTÊNCIA À ABRASÃO

capítulo 4 comportamento e propriedades dos...

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