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Universidade Federal do Ceará

Campus do CaririCurso de Engenharia CivilDisciplina: Química Geral para EngenhariaProf. Marcelo Santiago

Aluno: Franz Augenthaler Avelino Coelho

MATERIAIS MODERNOS

MAIO DE 2008



METAIS NA ENGENHARIA CIVIL



1. ESTRUTURA

INTRODUÇÃO

Os metais, quando no estado sólido, são classificados como cristalinos. A

estrutura de um cristal é determinada por forças eletromagnéticas cuja intensidadeobedece a uma condição de mínima energia por unidade de volume. Abaixo está adefinição desse tipo de formação.

Sólido cristalino: é aquele formado por átomos (ou moléculas) que estão organizadoscomo uma rede tridimensional bem definida e que se repete por milhões de vezes(ordem de longo alcance).

A regularidade com que a estrutura cristalina se repete é devida a uma unidadefundamental em forma de paralelepípedo chamada célula unitária. A principalcaracterística da célula unitária é que esta conserva as características gerais de toda aestrutura, de forma que, multiplicando-se a mesma em todo o espaço, seja formado o

sólido cristalino completo.

SISTEMAS CRISTALINOS

Os sistemas cristalinos podem ser definidos em relação ao comprimento doslados e dos ângulos do paralelepípedo elementar da célula unitária. Podem ser de setetipos: cúbico, tetragonal, ortorrômbico, romboédrico, hexagonal, monoclínico etriclínico. Abaixo, na figura 1.1, estão listados os tipos de células.

Cúbico ou isométrico Tetragonal

Romboédrico

OrtorrômbicoTriclínico

HexagonalMonoclínico

Figura 1.1 – Tipos de sistemas cristalinos ou células unitárias



Para o estudo dos metais, os sistemas cristalinos mais freqüentes são o cúbico e

o hexagonal, sendo menos encontrados os tetragonais (ex: estanho).

REDES DE BRAVAIS

Quando há a representação das entidades (átomos, moléculas ou íons), ou seja, opreenchimento dos sete tipos de células unitárias com todas as possibilidades tem-se osreticulados cristalinos ou redes de Bravais. Eles foram estudados e demonstrados, em1848, por Auguste Bravais, cristalógrafo francês.

RETICULADOS MAIS IMPORTANTES DOS METAIS

Os tipos de reticulados mais freqüentes nos metais são o cúbico de corpo centrado,o cúbico de faces centradas (ambos derivados do sistema cúbico), e o hexagonal

compacto (derivado do sistema hexagonal).

CCC - CÚBICO DE CORPO CENTRADO

O arranjo dos átomos na estrutura CCC pode ser visualizado tomando-se por baseum cubo que contém um átomo central em contato com outros oito átomos posicionadosnos seus vértices, como na figura 1.2.

Figura 1.2 – Estrutura CCC em modelo de célula unitária isolada (A) e emrepetição num modelo de cristal metálico (B).

Alguns exemplos de metais com arranjo CCC são: ferro α (Fe), cromo (Cr),molibdênio (Mo), tântalo (Ta) e tungstênio (W).



CFC – CÚBICO DE FACES CENTRADAS

Numa estrutura CFC existem, além dos átomos nos vértices do cubo, mais seisátomos distribuídos nas suas faces, como na figura 1.3.

Figura 1.3 – Estrutura CFC em modelo de célula unitária isolada (A) e emrepetição num modelo de cristal metálico (B).

Alguns exemplos de metais com arranjo CFC são: alumínio (Al), cobre (Cu), ouro(Au), chumbo (Pb), níquel (Ni), platina (Pt), prata (Ag).

HC – HEXAGONAL COMPACTO

Este tipo de arranjo é muito complexo. Nele, os átomos estão dispostos de formaque configuram duas bases hexagonais com uma camada central de três átomos. Veja nafigura 1.4.

Figura 1.4 – Estrutura HC em modelo de célula unitária isolada (A) e em repetiçãonum modelo de cristal metálico (B).



Alguns exemplos de metais com arranjo HC são: cádmio (Cd), cobalto (Co), titânio α (Ti),zinco (Zn), magnésio (Mg).

2. FORÇAS INTERMOLECULARESAs substâncias metálicas não são formadas por moléculas ou íons. Esse tipo de

interação é chamado de ligação metálica.Para entendê-la é preciso saber que os átomos de metais não exercem uma atração

muito alta sobre os elétrons da última camada e por isso possuem tendência a perdê-los.Assim, um metal sólido é constituído por átomos metálicos em posições ordenadas efixas com seus elétrons de valência livres (nuvens de elétrons) para se movimentar.Temos então, um amontoado organizado de íons metálicos positivos mergulhados num"mar de elétrons" livres. Este é o chamado de modelo de mar de elétrons. Veja nafigura 2.1.

Figura 2.1 – Modelo do mar de elétrons

Por meio do modelo de ligação metálica é possível explicar muitas propriedadesdos metais. Por exemplo, os metais são bons condutores de elétrons, pois estes têmmuito mais liberdade para se mover do que em um material isolante. Tambémconduzem calor com muita eficiência, pois os elétrons livres chocam-se entre sipropagando a energia térmica. Ainda apresentam alto brilho, o que se explica pelaabsorção e conseqüente liberação de energia na forma de luz.

Os metais também são: maleáveis, isto é, se deixam reduzir a chapas e lâminas

bastante finas; dúcteis, pois se deixam reduzir a fios; resistentes à tração, apresentandotambém alta dureza; e possuem elevados pontos de fusão e de ebulição.



3. APLICAÇÃO NA ENGENHARIA CIVIL

INTRODUÇÃO

A IDADE DOS METAIS

Pela divisão da história em períodos, por volta de 6000a.C o homem aprendeu afazer objetos de metal. O primeiro metal usado foi o cobre e se prestou principalmenteà fabricação de ferramentas, utensílios e armas. Em torno de 1500a.C o homem passou ausar também o ferro.

O uso dos metais, nesse período, foi o principal fator para o aperfeiçoamento dosinstrumentos e das técnicas usadas na guerra, na caça e na agricultura. Essa evoluçãopermitiu ao ser humano formar estruturas sociais mais complexas, com maior divisão dotrabalho e concentração de renda.

A REVOLUÇÃO INDUSTRIAL

A partir do século XVIII, o fenômeno da Revolução Industrial provocou umagrande mudança nas técnicas e nos instrumentos de trabalho, que por sua vez ampliaramos empreendimentos comerciais e aumentaram a produção.

A posse de jazidas de metais como ferro, ouro e prata possibilitou a alguns países,em especial a Inglaterra, um pleno desenvolvimento nessa época, pois os metais seconstituíam na mais importante forma de acumulação de capital e de matéria-prima.

A obtenção de novas técnicas em relação aos metais possibilitou maiorrendimento e qualidade na sua utilização:

Utilização do carvão para baratear a produção do ferro; Melhoramentos na fundição de metais e na obtenção do bronze; Emprego dos metais leves, como o alumínio e o magnésio; Descoberta da técnica do uso de cadinho para fabricação de aço; Entre outros.



OS METAIS NA ENGENHARIA CIVIL

A utilização de metais na engenharia civil é muito vasta. Ela está presente naconstrução de estruturas metálicas puras ou para suporte de estruturas de concreto, nasfundações, nos revestimentos de fachadas e nas coberturas. Ultimamente as construçõesque utilizam metal têm sido preferidas às que utilizam matérias convencionais pela

facilidade de gerenciamento da obra, praticidade e prazos finais reduzidos.

ESTRUTURAS METÁLICAS

As estruturas metálicas apresentam características naturais que se combinam comos requisitos da construção sustentável e que tornam este tipo de construção imbatívelna realização dos mesmos.

De forma geral, as estruturas metálicas são estruturas que implicam a pré-fabricação conduzindo desta forma a umprocesso de construção mais eficiente, auma maior rapidez de construção e à

minimização dos riscos e prejuízos daobra. Simultaneamente, sendo estruturasrelativamente leves, permitem a construçãode fundações mais reduzidas, permitindo apreservação do solo de fundação e aredução da movimentação de terras.

Dadas as características do aço(melhor por respeitar mais o meio

ambiente), em termos de resistência e ductilidade, as estruturas metálicas permitem aconstrução de superfícies com grandes vãos livres, pilares mais esbeltos e fachadas maisleves. Assim, as estruturas metálicas permitem uma maior liberdade da imaginação naconcepção da obra. Ao mesmo tempo, a existência de espaços amplos, livres deobstáculos interiores, facilita a alteração ou extensão da estrutura de forma a adaptar-sea novos requisitos funcionais ou estilosde vida.

Na fase final da vida útil dasestruturas metálicas, e graças àscaracterísticas já enumeradas, épossível proceder-se aodesmantelamento de estruturas que jánão são utilizadas e fazer a suareconstrução em locais onde sãonecessárias. Além disso, se o destino

final for mesmo a demolição, no casodo aço, poderá ser reciclado.



FUNDAÇÕES

As fundações construídas usando metais apresentam uma leveza maior deestrutura. Comparando uma fundação de metal com uma de concreto, a primeiraapresenta-se de 77% a 84% mais leve.

Outra grande vantagem é a precisar

suportar menos carga na base, conseqüênciada leveza e resistência de fundações de metal,especialmente as de aço.

São bastante econômicas em fundaçõesque apresentam solos resistentes a grandesprofundidades e com solicitações elevadas decargas. As estacas metálicas mais utilizadassão

Esse tipo de fundação requer a adoçãode soluções protetoras contra corrosão como pintura, aplicação de resina epóxi eencapsulamento com concreto.

Como desvantagens, podem ser de difícil cravação em locais com interferências

no subsolo, difícil transporte e içamento em áreas urbanas congestionadas e necessidadede proteção contra desgaste.

REVESTIMENTOS DE FACHADAS

As fachadas, em geral, podem ser revestidas com dois tipos de componentesmetálicos: chapas únicas, constituídas de apenas um material e painéis compostos (maisusados), formados por uma camada de polietileno revestida em ambas as faces porlâminas metálicas. O mercado disponibiliza painéis compostos feitos de cobre,

alumínio, titânio, aço inox e a liga titânio-zinco.Optar pelo metal na hora de revestir as fachadas significa aliar as vantagens daconstrução a seco à maleabilidade e plasticidade, características inerentes às chapas epainéis metálicos. Apesar de todas as vantagens - que incluem baixo peso, execuçãorápida e ausência de umidade - o projetista, para evitar futuras patologias, deveconhecer bem as propriedades, condições de uso e as interações desse tipo derevestimento com os demais subsistemas envolvidos no edifício.

O aço, em fachadas, apresenta resistência à corrosão e durabilidade menores doque o alumínio. Em compensação é um material mais ecologicamente correto. A TorreEudora Villela em São Paulo (abaixo, à esquerda) utiliza alumínio e a nova sede doBank Boston em São Paulo utiliza aço com espelhos (abaixo, à direita).



O emprego do titânio como material deconstrução civil ganhou destaque com a construção domuseu Guggenheim, em Bilbao, Espanha (figura ao

lado). Uma das características mais apreciadas pelosarquitetos é o "princípio arco-íris", ou seja, acapacidade do titânio de refletir o espectro de cores.

O cobre é dúctil e maleável e muito resistenteà corrosão. Um exemplo do uso do cobre é o Hotel

Unique, em São Paulo (ao lado).

COBERTURAS

Nos últimos anos, os telhadosmetálicos têm ocupado cada vez maisespaço na construção de coberturas leves,principalmente quando a obra envolvegrandes distâncias e aliviar cargas sobre aestrutura. No entanto, a diversidade desoluções disponíveis no mercado é grande.Cabe ao projetista, então, diferenciaraspectos técnicos como estanqueidade,nível de ruído, resistência mecânica eisolamento térmico, entre outros, para fazer

uma boa especificação.Uma das principais tendências observadas nos últimos anos é o emprego desistemas de cobertura contínuos como os zipados ou os que usam bobinas metálicasdesenroladas sobre a estrutura.

As coberturas térmicas também têm ganhado força no mercado. O mesmo começaa ocorrer, em escala menor, com aspectos de isolamento acústico, incrementando o usode sistemas de cobertura com capacidades isolantes ou fonoabsorventes.

Vale lembrar que as telhas metálicas apresentam maior transmissão de calor emrelação às telhas à base de cimento. Dessa forma, as coberturas que empregam telhas



metálicas normalmente exigem soluções de isolamento térmico para reduzir acondutividade térmica a níveis competitivos com as demais soluções.

Os principais metais usados em coberturas são o aço e o ferro galvanizado. Aolongo da vida útil, a periodicidade na limpeza, o uso de materiais e procedimentosadequados para limpeza e conservação, conforme preconizado pelos fabricantes econstrutores, e a adoção de manutenção preventiva são fundamentais para garantir o

perfeito desempenho da cobertura.



BIBLIOGRAFIA

Arquivos

Estrutura cristalina dos metais - Marcelo F. Moreira

Siteshttp://www.mundoeducacao.com.br/quimica/ligacao-metalica.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/Estrutura_cristalina http://pt.wikipedia.org/wiki/Redes_de_Bravais http://www.lmc.ep.usp.br/people/gguello/siae/aulas/AULA1B.HTM http://br.geocities.com/felipemourac/ligameta.htm http://www.colegiosaofrancisco.com.br/alfa/ligacoes-quimicas/ligacao-metalica.php http://www.historiadomundo.com.br/pre-historia/idade-metais http://pt.wikipedia.org/wiki/Revolu%C3%A7%C3%A3o_Industrial

http://www.revistatechne.com.br/ http://www.piniweb.com.br/construcao/ http://images.google.com.br/imghp?hl=pt-BR&tab=wi

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