03. Propriedades dos materiais - SOL

Prof. Msc. Mayara Queiroz Moraes
Capítulo 4
COMPORTAMENTO E PROPRIEDADES
DOS MATERIAIS
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 1
CAPITULO 4
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PROPRIEDADES FÍSICAS
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DENSIDADE APARENTE E DENSIDADE REAL
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)
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POROSIDADE
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:
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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.
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PERMEABILIDADE
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.
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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.
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PERMEABILIDADE x POROSIDADE
• 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.
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ABSORÇÃO
• 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.
M H 2O, Abs.  M h  M s
Mh  Ms
A
x100
Ms
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
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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.
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Para melhor entender
estas propriedades, é
necessário conhecer a
definição de TENSÃO e
DEFORMAÇÃO.
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TENSÃO
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.
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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.
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DEFORMAÇÃO
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.
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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.
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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.
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RESISTÊNCIA
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.
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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.
Cisalhamento
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RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
Dependendo do tipo de material, da forma e tamanho do corpo-deprova 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.
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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.
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RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
Influência do tamanho do corpo-de prova na resistência à
compressão de cilindros de concreto com a mesma relação a/c.
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RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
Cubo de gesso sendo
ensaiado à compressão.
O tamanho do corpo-deprova influencia no
resultado obtido, já que o
atrito entre o dispositivo
de aplicação da carga e o
material atuam como
“reforço”.
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RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
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.
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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 não trabalham
principalmente comprimidos, como o concreto, quando alguma
performance à tração é requerida.
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.
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA
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.
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA
Durante o ensaio de tração, podem ser utilizados alguns dispositivos
para medir deformações.
STRAIN GAGES – Extensômetros
elétricos muito sensíveis a
deformações – são colados no
material e sua resistência elétrica
varia com a deformação do material.
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CLIPAGE – Extensômetros
dinâmicos (menor precisão)
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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.
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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.
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO
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.
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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).
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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.
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO
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.
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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, 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.
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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.
Devem-se projetar juntas de dilatação para
materiais de alta rigidez sujeitos a deformações.
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RIGIDEZ
Exemplos de materiais com respectivos módulos de elasticidade:
Para uma dada
deformação,
materiais com alta
rigidez estão
sujeitos a maiores
tensões.
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.
Devem-se projetar juntas de dilatação para
materiais de alta rigidez sujeitos a deformações.
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TENACIDADE
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.
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.
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TENACIDADE
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.
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.
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Vale ressaltar que
alta tenacidade
não implica
necessariamente
em alta
resistência!
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FLUÊNCIA
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).
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FADIGA
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.
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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.
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DUREZA
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.
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.
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DUREZA
Alguns ensaios de avaliação da dureza são usados para estimar a resistência
à compressão de materiais, como o concreto.
Esclerômetro
Martelo de Schmidt
Testes de dureza são muito relevantes na avaliação da performance de
materiais para paredes e pisos.
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RESISTÊNCIA À ABRASÃO
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.
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