materiais de construção - ibracon - c1

Livro: Materiais de Construo Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Geraldo Cechella IsaiaUFSM

A CINCIA E A ENGENHARIA DOS MATERIAIS DE CONSTRUO CIVIL

CAPTULO 1


Recurso natural qualquer insumo de que os organismos, as populaes e os ecossistemas necessitam para a sua manuteno.

a. recursos renovveis : aqueles que, aps utilizados, ficam disponveis novamente graas aos ciclos naturais, como a gua (ciclo hidrolgico), o ar, a biomassa e a energia elica;

b. recursos no-renovveis: aqueles que, uma vez utilizados, no se renovam por meios naturais. Podem ser subdivididos em duas classes:

i. minerais energticos: combustveis fsseis (carvo mineral, petrleo, urnio);

ii. minerais no-energticos: so minerais como ferro, calcrio, argilas em geral, etc...

.

INTRODUO


INTRODUO II

Os recursos naturais so compostos de matmatriaria, isto , qualquer substncia, slida, lquida ou gasosa, que ocupa lugar no espao.

Sob o ponto de vista utilitrio, materiaismateriais so substncias com propriedades teis na construo de mquinas, estruturas, dispositivos e produtos, ou seja, os materiais que o homem utiliza para fazer coisas (Cohen, 1987).

Historicamente, o desenvolvimento do homem esteve ligado sua habilidade em detectar, manipular e aperfeioar os materiais disponveis para atender suas necessidades de manuteno, proteo, abrigo ou religiosidade (Figuras 1 e 2).


Materiais naturais usados na Antiguidade

Figura 1 Stonehenge (2075 a.C.): monumento megaltico da Idade do Bronze, no condado de Wiltshire, na Inglaterra. (Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Stonehenge).


Materiais naturais usados na Antiguidade II

Figura 2 Figura 2 Muralha construda pelo Imperador romano Adriano (122 - 130 d.C.) no nordeste da Inglaterra, com 120 km de extenso.

(Fonte: www.bbc.co.uk/history/ancient/romans/hadrian_gallery.shtml)


Cincia e Engenharia de Materiais

Cincia e Engenharia dos Materiais (CEM) definida, segundo Cohen (1987), como a rea da atividade humana associada com a gerao e aplicao de conhecimento que relaciona composio, estrutura e processamento dos materiais s suas propriedades e usos.

Trata-se do acoplamento, por um lado, da Cincia dos Materiais que engloba disciplinas cientficas tradicionais (Fsica, Qumica, Matemtica) e, de outro lado, com a Engenharia dos Materiais que estuda e desenvolve processos e aplicaes dos materiais.


Figura 3 - Ciclo global dos materiais


Figura 4 Multidisciplinaridade da CEM


Figura 5 reas de conhecimento da CEM


Classe do estudo Cincia dos Materiais Cincia e Engenharia

dos Materiais Engenharia dos

Materiais Nvel microestrutural mesoestrutural macroestrutural

Escala 10-7- 10-3 mm 10-3- 1 mm >1 mm Estrutura molecular fases, gros todo material

Exemplos molculas de

celulose silicatos de clcio

hidratado

clulas da madeira pasta de cimento

madeira concreto

Tcnicas de ensaios porosimetria a Hg

microscopia eletrnica

estrutura das fases propriedades mecnicas

Interpretao dos resultados

modelos estruturais teoria das

deformaes

modelos multifsicos transferncia de massa

diagramas grficos

Uso da informao conhecimento novos materiais conhecimento

parmetros custos, ensaios

parmetros

Quadro 1 Nveis de estudo/informaes sobre os materiais

(Illston, Dinwoodie e Smith, 1979 adaptado).


Importncia do estuda da escolha dos materiais

A escolha de dado material para caso especfico depende no somente do conhecimento tcnico-cientfico do engenheiro, mas tambm de sua experincia acumulada, porque nem sempre o enfoque tcnico leva melhor soluo com base em evidncias aparentes. Alm dessas questes, devem ser levadas em conta as questes ambientais: consumo de energia, poluio, descarte, etc.

Essas decises devem ser tomadas na fase de projeto, em que, atravs de processos e mtodos de clculo baseados em modelos e conceitos estabelecidos, so escolhidos os materiais pelas suas propriedades conhecidas e testadas em laboratrio ou obras.


Exemplo de escolha de fck do concreto

Ano fck MPaPilar curto de concreto Armadura

cm cm ndice cm ndice1939196319731989

2945 65

105

40 x 4028 x 2823 x 2315 x 15

1600784 529 240

10049 33 15

14,37,9 6,8 5,9

10055 48 41

Quadro 2 Evoluo comparativa de pilar curto calculado pela Norma Norueguesa NS 3473, em igualdade de carregamento (1992) (Helland, 1988).


Figura 6 Diagrama de seleo de

materiais baseado na resistncia em funo da densidade. Foram

construdas linhas-guia para os ndices de

desempenho (P) de 3, 10, 30 e 100

MPa2/3,m/Mg, todas com inclinao de 3/2 (Callister Jr., 2002, p.

502).


Classificao dos Materiais a) Metais

Os metais so compostos de combinao de elementos metlicos que possuem grande eltrons livres, no ligados a qualquer tomo em particular, constituindo-se na denominada ligao metlica, que se configura numa nuvem eletrnica com o compartilhamento dos eltrons entre tomos vizinhos. As propriedades dos metais derivam dessa sua constituio: bons condutores de eletricidade e de calor, muito resistentes e deformveis.

Dos 92 elementos qumicos da Tabela Peridica, 70 tm carter metlico predominante. A maioria foi descoberta nos ltimos 250 anos ao passo que at um sculo atrs, com exceo de cerca de 20 elementos qumicos, os demais eram estudados apenas em laboratrio.


Figura 7 Elementos qumicos descobertos nos ltimos dois milnios (Padilha, 1997, p. 16).


Classificao dos Materiais b) Cermica

As cermicas so formadas por espcies qumicas metlicas e no metlicas, com ligaes inicas e covalentes com eltrons ligados em posies definidas e fixas, o que lhes confere propriedades caractersticas como resistncia mecnica, at maior que a dos metais, visto que os tomos no podem se deslocar de suas posies originais.

Por isso, apresenta baixa deformao na ruptura, o que lhes confere fragilidade, propriedade oposta tenacidade dos metais. Outras propriedades derivadas de suas ligaes qumicas fortes so estabilidade a altas temperaturas, resistncia ao ataque qumico e isolamento eltrico.


Classificao dos materiais c) Polmeros

Os polmeros se constituem em molculas de cadeia longa com grupos repetitivos que apresentam ligaes covalentes, geralmente muito fortes. Os principais elementos desta cadeia so C, H, O, N, F e outros elementos no metlicos. As cadeias se unem entre si por ligaes secundrias (foras de van der Waals) relativamente fracas, resultando em deslizamento entre si quando so aplicadas foras externas, conferindo-lhes resistncias mecnicas baixas.

Os polmeros apresentam como vantagens baixo custo, baixa densidade, facilidade de conformao em formas complexas. Em contrapartida, a sua resistncia mecnica relativamente baixa, so de difcil reparao e, em geral, possuem baixa resistncia aos raios UV.


Quadro 3 Consumo de polmeros por habitante em diversos pases e regies

(Padilha, 1997).

Pas ou regio Produo total 106 t Por habitante - kg Europa OcidentalEstados Unidos

Canad Japo ndia

Amrica do Sul frica

frica do Sul Ex- URSS

2221 2 7 1 3 1

0,7 7

6389 80 58 1,3 4,5 2

21 17,5


Classificao dos materiais d) Compsitos

Os materiais compsitos, tambm denominados de materiais conjugados ou compostos, so a unio de dois ou mais materiais com o objetivo de obterem-se propriedades especiais no apresentadas isoladamente pelos seus componentes por meio da utilizao de mtodos convencionais.

Existem compsitos naturais tradicionais, como a madeira em que a matriz e o reforo so polimricos, assim como a madeira compensada. No concreto estrutural, tanto a matriz base de pasta de cimento e os agregados so materiais cermicos, podendo ainda ser utilizadas barras ou fibras de ao para aumentar a resistncia trao.


Figura 8 Evoluo da produo de materiais nos Estados Unidos (Padilha, 1997, p. 22).

A expanso no desenvolvimento e uso dos compsitos iniciou- se a partir dos anos 70

do sculo passado. Hoje, abrange gama

muito grande de materiais utilizados principalmente nas

indstrias de produtos eletrnicos.


Classificao dos materiais e) Semicondutores

Os semicondutores so materiais de composio como o silcio e o germnio, alm do glio, arsnio, cdmio e telrio, que forma m ligaes covalentes semelhantes a dos materiais cermicos, podendo ser considerados como uma subclasse de cermica, porque suas propriedades mecnicas so muito prximas.

Possuem caractersticas diferentes das cermicas quanto tecnologia empregada e ao nvel de miniaturizao e de higiene e limpeza para a sua produo. Alm das caractersticas eltricas e isolantes, so muito sensveis impurezas, que so rigidamente controladas para que no seja ultrapassada a proporo de poucos tomos estranhos por um bilho de tomos do material (Schaffer et al., 2000).


Classificao dos materiais e) Biomateriais

Os biomateriais so empregados em implantes no corpo humano para substituio de partes danificadas, principalmente ossos. No podem produzir substncias txicas e devem ser compatveis com os tecidos do corpo, ou seja, no causar rejeio.

Os materiais empregados so metais, cermicas, polmeros, compsitos e semicondutores que servem para fabricar prteses, que so dispositivos implantados no corpo para suprir a falta de um rgo ausente ou para restaurar uma funo comprometida, como articulaes de bacias fraturadas (Callister Jr, 2002).


Classificao dos materiais segundo desenvolvimento cientfico

Materiais naturaisMateriais naturais: : aqueles in natura com pouco ou nenhum beneficiamento do estado em que foi coletado, como a madeira, couro, diamante, cobre, borracha natural.

Materiais desenvolvidos empiricamenteMateriais desenvolvidos empiricamente: materiais coletados e trabalhados ou transformados segundo a experimentao adquirida ao longo do tempo, atravs de ensaio-erro. Neste grupo, destacam-se o bronze, ao comum, ferro fundido, cermicas, vidro, cimento, concreto.

Materiais desenvolvidos com conhecimento cientMateriais desenvolvidos com conhecimento cientficofico: equivalem aplicao das descobertas realizadas pelas pesquisas entre 1850 e 1950. Exemplos:ligas de alumnio, de titnio, de magnsio, aos inoxidveis, aos microligados, termoplsticos, termorrgidos, elastmeros.


Classificao dos materiais segundo desenvolvimento cientfico

Materiais projetadosMateriais projetados: desenvolvidos a partir no mais do estudo de sua composio, propriedades e funo, e, sim, ao contrrio, partindo-se de uma necessidade especfica e das propriedades requeridas para uso com dada finalidade, tiveram sua microestrutura projetada e construda para atender a essas necessidades. Neste grupo, tm-se os semicondutores, materiais para reatores nucleares, aos de ultra-alta resistncia, compsitos reforados com fibras, ligas com memria de forma, vidros metlicos, etc.


Figura 9 Viso histria dos materiais de construo (Patton, 1978).


Materiais Avanados

Geralmente se utiliza o nome de materiais avanados queles que possuem aplicaes em alta tecnologia (high- tech), isto , dispositivos ou produtos que operam ou funcionam utilizando princpios relativamente sofisticados, como equipamentos eletrnicos, sistemas de fibra tica, espaonaves, aeronaves, foguetes, etc.

Esses materiais muitas vezes so tipicamente tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas ou, ainda, materiais novos de alto desempenho. Podem ser de vrias classes, como metais, cermicos ou polmeros ou composies de dois ou mais tipos e, geralmente, so de alto custo unitrio (Callister Jr., 2002).

Exemplo: revestimento nibus espacial.


Materiais no Convencionais

Por questes de sustentabilidade do planeta, alguns setores da construo tm desenvolvido projetos e utilizado materiais ecologicamente mais corretos, alm de utilizar maior quantidade de resduos e de materiais e produtos reciclados.

Alguns materiais ou tcnicas utilizadas pelo homem h milnios foram reintroduzidas na execuo de construes para economizar recursos e contribuir para a sustentabilidade dos ecossistemas. Tcnica milenar reintroduzida em algumas obras atuais a terra crua, seja sob a tcnica de taipa de pilo, taipa de mo ou pau-a- pique, ou ainda pela utilizao de tijolos de barro crus (adobe).


Figura 10 Micrografia de Microscpio de Intensidade Atmica (AFM Atomic Force Microscope) Nanoestrutura de C-S-H de fenogros parcialmente

hidratados. A amostra polida possui um ano de idade com relao a/c 0,4. As dimenses da rea retangular 25 x 25 nm (Bonen, 2006, p. 1520).


Figura 11 Residncia construda em taipa de pilo (ASSOCIAO BRASILEIRA DOS CONSTRUTORES COM

TERRA, www.abcterra.com.br/construes)


Figura 12 Residncia construda com bambu (BAMBOO TECHNOLOGIES,

www.bambootechnologies.com/bbhomes.htm)


A importncia da indstria da construo civil e dos materiais

Importncia da Engenharia Civil segundo Instituto Britnico de Engenheiros Civil (apud Mehta, 1994):

representa os msculos e os tendes que conectam a sociedade (pontes, tneis, estradas de rodagem e de ferro, aeroportos, portos);

responsvel pela proviso e manuteno de seus coraes e pulmes (gua potvel, estaes de tratamento de esgoto, instalaes de depurao de resduos);

fornecedora da energia necessria para todos os trabalhos (plataformas martimas de extrao de leo, barragens hidroeltricas, usinas nucleares e mar- motrizes , instalaes elicas).


Figura 13 Curva do crescimento exponencial da populao

(Braga et al. , 2006, p. 3).


Importncia no desenvolvimento social Unio Nacional da Construo, 2006)

O Programa das Naes Unidas para o Desenvolvimento Humano (PNUD), criou o ndice de Desenvolvimento Humano (IDH) para estabelecer-se comparao de qualidade de vida entre as naes, sendo composto por trs subndices:

o PIB per capita, que sinaliza as condies de renda; a expectativa de vida ao nascer, que d idia da

longevidade e disponibilidade de sade de um pas; a educao, avaliada pelo ndice de analfabetismo e taxa

de matrcula em todos nveis de ensino Em 2003, o pas que ficou em primeiro lugar foi a Noruega, com IDH 0,963, o Mxico em 53 lugar, com 0,814 (ltimo lugar no grupo IDH alto). O Brasil ficou em 63 lugar, com ndice 0,792 (6 lugar dentro do blocos dos pases com IDH mdio).


Importncia no desenvolvimento econmico

Construbusiness: cadeia de atividades ligadas a todos os negcios direta ou indiretamente conectados com a construo civil.

O setor da construo civil, em 2003, correspondeu a 46,1 % (R$ 83,7 bilhes de Valor Agregado) do construbusiness, e empregou 5,77 milhes de pessoas, seguido da indstria de materiais de construo e fornecedores, que representaram 44,0% (R$ 80,0 bilhes de VA) e utilizaram 2,01 milhes de empregados.

movimenta valores similares ao da indstria de materiais, aloca 2,87 vezes mais postos de trabalho, devido ao carter intensivo de utilizao de mo-de-obra que caracteriza suas atividades (Unio Nacional da Construo, 2006).


Figura 14 Nmeros gerais

da cadeia de produo da indstria da construo -

Construbusiness) (Unio Nacional da Construo,

2006, p. 27).


Importncia econmica da Construo Civil

De acordo com o Sindicato da Indstria da Construo Civil de So Paulo (SINDUSCON, 2005), o valor adicionado pela construo civil, no ano de 2004, somou R$ 115 bilhes, o que correspondeu a 6,5% do PIB do Brasil e, por sua vez, correspondeu ao valor de R$ 346 bilhes na formao bruta do capital fixo das empresas, representando 62,3% do total do investimento fixo. Para 2006, a projeo do PIB da Construo Civil est previsto em 6,2%, enquanto que o do Construbusiness como um todo de 15,6%


Importncia na manuteno da sustentabilidade

Figura 15 O desafio do desenvolvimento sustentvel.


Premissas para estudo da sustentabilidade na Construo Civil

O construbusiness uma atividade que est relacionada com qualquer a atividade humana, sendo imprescindvel para a satisfao das necessidades da sociedade. Com base nisso, podem-se enunciar as seguintes premissas:

a construo civil est presente em todas as regies do planeta, de diferentes formas e graus tecnolgicos:

a cadeia produtiva atividade econmica responsvel por parcela considervel do PIB das naes;

o impacto ambiental da construo civil proporcional ao avano social de uma sociedade;

a construo civil um dos macrosetores da economia que produz bens de maiores dimenses fsicas do planeta, sendo o maior consumidor de recursos naturais em qualquer pas do mundo.

Livro: Materiais de Construo Civil Organizador/Editor: Geraldo C. IsaiaLivro: Materiais de Construo Civil

Figura 16 Projeo de consumo de materiais para produo de concreto at o ano 2050.


Premissas para adoo de produo sustentvel em ciclo fechado

aperfeioamento dos projetos para que o consumo de materiais seja minimizado e otimizado;

substituio de materiais tradicionais com elevado contedo energtico ou descarte por outros com melhor eficincia de relao energia/massa;

aumento da durabilidade dos materiais pela escolha daqueles com melhor desempenho e,maior vida til dos sistemas ou da construo como um todo;

reduo da gerao de resduos e sua reutilizao atravs de reciclagem.


Figura 17 Ecoeficincia na construo: princpio dos 4R.


Desafios para a construo CIB (2000)

Projeto: escolha de materiais reciclveis/reutilizveis, de desmonte fcil, com medidas padronizadas, no txicos e cuja fabricao exija pouca energia;

Construo: uso de materiais locais e reutilizao de peas aproveitveis, construo com enfoque modular, rotulagem dos componentes para facilitar a remoo seletiva e reciclagem, introduo de padres de qualidade para materiais reciclados e uso de manuais de operao e manuteno;

Desconstruo: novas tcnicas para desconstruo e demolio para facilitar a reciclagem e reutilizao dos materiais de construo;

Fabricantes: maior responsabilidade para com seus produtos, do incio ao fim da linha de produo.


Figura 18 Aspectos e desafios da construo sustentvel

(CIB, 2000, p. 72).


Importncia da formao profissional e do ensino

Figura 19 Evoluo dos conceitos de segurana e qualidade na Engenharia

Estrutural (Meseguer, 1985, p.73).


Reciclagem profissional e avano do conhecimento I

nos ltimos 300 anos, os conhecimentos cientficos e tecnolgicos cresceram exponencialmente, duplicando-se a cada 15 anos;

esto vivos 80% dos criadores dos conhecimentos atuais da humanidade;

hoje, um estudante, ao terminar seu curso de graduao, aps 35 anos de servio constatar que 80% do progresso cientfico se processou diante de seus olhos e apenas 20% o antecederam;

engenheiros e arquitetos, no exerccio de sua profisso, devem dispor de mecanismos permanentes de atualizao para evitar obsolescncia de seus conhecimentos, que ocorre com velocidade muito grande;


Reciclagem profissional e avano do conhecimento II

se um Engenheiro ou Arquiteto, ao se graduar em um curso superior, dominar 100% do conhecimento de sua especialidade, ao no se atualizar durante o exerccio profissional, ter reduzido o seu cabedal de conhecimentos ao longo do tempo, os quais, segundo a expanso atual da cincia e tecnologia, em 15 anos se expandiro em 200%;

o maior problema que os estudantes no se graduam com 100% dos conhecimentos disponveis em suas reas de atuao, enquanto que os novos desenvolvimentos cientficos e tecnolgicos se processam por substituio de conhecimentos anteriores, que se tornam obsoletos, e no por expanso daqueles preexistentes.


Importncia da qualificao profissional

a sociedade acredita que os Engenheiros Civis esto aptos a tomar decises tcnicas corretas, pois as conseqncias das decises equivocadas so conhecidas posteriormente e, algumas vezes, podem ser devastadoras; a profisso de Engenheiro Civil de confiana pblica, porque a sociedade espera e acredita, a priori, que estes so providos de competncias adequadas para assumirem as responsabilidades inerentes s suas atividades;

necessrio garantir a formao adequada aos Engenheiros Civis para o exerccio profissional, controlado correta e constantemente pelos Conselhos Regionais quanto qualificao e habilitao profissional;

a evoluo do conhecimento terico e prtico, do refinamento dos modelos de clculo e projetos, dos mtodos e tcnicas construtivas uma realidade que exige atualizao e qualificao permanentes.

A CINCIA E A ENGENHARIA DOS MATERIAIS DE CONSTRUO CIVILINTRODUOINTRODUO IIMateriais naturais usados na AntiguidadeMateriais naturais usados na Antiguidade IICincia e Engenharia de MateriaisQuadro 1 Nveis de estudo/informaes sobre os materiais Importncia do estuda da escolha dos materiaisExemplo de escolha de fck do concretoSlide Number 13Classificao dos Materiaisa) MetaisFigura 7 Elementos qumicos descobertos nos ltimos dois milnios (Padilha, 1997, p. 16).Classificao dos Materiaisb) CermicaClassificao dos materiaisc) PolmerosQuadro 3 Consumo de polmeros por habitante em diversos pases e regies (Padilha, 1997).Classificao dos materiaisd) CompsitosFigura 8 Evoluo da produo de materiais nos Estados Unidos (Padilha, 1997, p. 22).Classificao dos materiaise) SemicondutoresClassificao dos materiaise) BiomateriaisClassificao dos materiais segundo desenvolvimento cientfico Classificao dos materiais segundo desenvolvimento cientfico Figura 9 Viso histria dos materiais de construo (Patton, 1978).Materiais AvanadosMateriais no ConvencionaisFigura 10 Micrografia de Microscpio de Intensidade Atmica (AFM Atomic Force Microscope) Nanoestrutura de C-S-H de fenogros parcialmente hidratados. A amostra polida possui um ano de idade com relao a/c 0,4. As dimenses da rea retangular 25 x 25 nm (Bonen, 2006, p. 1520).Figura 11 Residncia construda em taipa de pilo (ASSOCIAO BRASILEIRA DOS CONSTRUTORES COM TERRA, www.abcterra.com.br/construes)Figura 12 Residncia construda com bambu (BAMBOO TECHNOLOGIES, www.bambootechnologies.com/bbhomes.htm)A importncia da indstria da construo civil e dos materiaisFigura 13 Curva do crescimento exponencial da populao (Braga et al., 2006, p. 3).Importncia no desenvolvimento socialUnio Nacional da Construo, 2006)Importncia no desenvolvimento econmicoSlide Number 35Importncia econmica da Construo CivilPremissas para estudo da sustentabilidade na Construo CivilPremissas para adoo de produo sustentvel em ciclo fechado Desafios para a construoCIB (2000)Slide Number 43Importncia da formao profissional e do ensinoReciclagem profissional e avano do conhecimento IReciclagem profissional e avano do conhecimento IIImportncia da qualificao profissional

materiais de construção - ibracon - c1

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