Universidade de Taubaté Curso de Arquitetura e Urbanismo

Universidade de Taubaté
Curso de Arquitetura e Urbanismo

Estruturas Arquitetônicas
Prof. Carlos Antonio Vieira
2014
1

Índice
1.

2.

3.

Materiais Estruturais, uma Introdução.

05

1.1

Modelo Atômico Segundo o Modelo Padrão ______________________

06

1.2

Modelo Atômico de BOHR ____________________________________

07

1.3

Modelo de DE BROGLIE - Onda ou uma Partícula _________________

09

1.4

A Configuração Eletrônica dos Átomos ___________________________

09

1.5

A Tabela Periódica ____________________________________________

10

1.6

As Ligações Químicas dos Materiais ______________________________

11

1.7

Materiais Sólidos Quanto sua Estrutura ____________________________

15

1.8

Materiais Metálicos ____________________________________________

18

1. 9

Materiais Cerâmicos ___________________________________________

20

1.10

Materiais poliméricos __________________________________________

30

1.11

Materiais Compósitos __________________________________________

32

1.12

Outros grupos ou tipos de materiais _______________________________

33

1.13

A Madeira ___________________________________________________

33

A conceituação dos fenômenos físicos que ocorrem nos Sistemas Estruturais

36

2.1

Estrutura como caminho das forças ________________________________

36

2.2

Quem concebe a estrutura ________________________________________

38

2.3

O papel do cálculo estrutural _____________________________________

38

2.4

Geometria dos elementos estruturais________________________________

38

2.5

Forças que atuam nas estruturas ___________________________________

42

2.6

Distribuição das cargas_________________________________________

43

2.7

A Tensão ____________________________________________________

44

2.8

Equilíbrio estrutural____________________________________________

45

2.9

Comportamentos dos elementos estruturais sob a ação das cargas _______

53

Associação de Sistemas Estruturais Básicos _____________________________

59

3.1

Vigas de cabos ________________________________________________

59

3.2

Malhas de cabos _______________________________________________

60

3.3

Cabos e arcos _________________________________________________

61

3.4

Barras rígidas e cabos ___________________________________________

62

3.5

Vigas vagões __________________________________________________

63

3.6

Cabos e treliças ________________________________________________

65

3.7

Cabos e vigas Vierendeel ________________________________________

65

2

3.8

Cabos e pilares _______________________________________________

65

3.9

Arcos e arcos ________________________________________________

66

4.

Analogias entre sistemas estruturais da natureza e das edificações

68

5.

Cargas e esforços nas Estruturas

76

5.1

Coberturas ____________________________________________________

76

5.2

Cálculo das cargas nas estruturas __________________________________

84

5.3

Cálculo do peso próprio das lajes maciças ___________________________

87

5.4

Cálculo das cargas que atuam nas Vigas _____________________________

87

5.5

Posicionamentos dos elementos estruturais ___________________________

89

5.6

Cálculo dos esforços em vigas isostáticas _____________________________

91

5.7

Cálculo dos esforços em vigas hiperestáticas __________________________

95

5.8

Cálculos dos esforços nas treliças planas _____________________________

102

5.9

Pórticos Simples ________________________________________________

104

5.10

Centroides, Momentos de Inércia e Momentos polares de Inércia _________

106

6.

7.

Cálculo de lajes maciças – Momento fletor máximo

110

6.1

Tipos de Lajes _________________________________________________

110

6.2

Definição de Bordo _____________________________________________

111

6.3

Disposições Normativas __________________________________________

113

6.4

Lajes armadas em uma única direção _______________________________

116

6.5

Cálculo dos Momentos Fletores em lajes armadas em Cruz
pelo Método de Marcus __________________________________________

118

6.6

Posicionamento das Armaduras de flexão ____________________________

125

6.7

Armadura de Punção e colapso progressivo __________________________

128

6.8

Punção em Lajes ________________________________________________

129

Dimensionamento de Pilares

135

7.1

Introdução ___________________________________________________

135

7.2

Características geométricas _____________________________________

137

7.3

Classificação dos pilares ________________________________________

139

7.4

Excentricidades de 1ª ordem _____________________________________

140

7.5

Excentricidades de 2ª ordem _____________________________________

147

7.6

Disposições construtivas ________________________________________

152

3

8.

9.

10.

11

Ancoragem e emenda de armação

157

8.1

Tipos de aderência ______________________________________________

157

8.2

Disposições construtivas de elementos de ancoragem ___________________

164

8.3

Emenda de Barras _______________________________________________

167

8.4

Ancoragem da Armadura longitudinal de flexão em vigas ________________

159

Sistemas Estruturais para Suporte de Vedação

171

9.1

Requisito dos SVVIE - Sistemas de Vedação Vertical Interno e Externo ____

173

9.2

Ação do Vento nas edificações _____________________________________

180

Fundações

194

10.1

Definições necessárias para o projeto e execução das fundações __________

194

10.2

Investigações geotécnicas, geológicas e observações locais ______________

203

10.3

Capacidade do Solo ______________________________________________

205

Roteiro Geral para Concepção Estrutural

207

11.1

Elementos Estruturais _________________________________________

207

11.2

Arranjo Estrutural ____________________________________________

207

11.3

Etapas para o Lançamento de uma estrutura ________________________

207

11.4

Pricipais aspectos a serem considerados no projeto estrutural _________ __

208

11.5

Pré-dimensionamento dos elementos Estruturais _____________________

209

11.6

Escadas _____________________________________________________

212

Bibliografia _________________________________________________________

214

4

Capítulo I - Materiais Estruturais, uma Introdução.
1.

O entendimento da estrutura dos diversos tipos de materiais aplicados em Estruturas
Arquitetônicas, suas propriedades e comportamento devem ser entendidos para uma melhor
compreensão de suas aplicações.
A introdução do estudo da estrutura dos diversos tipos de materiais aplicados em Estruturas

Arquitetônicas tem como objetivos


Realçar a parcela da ciência dos materiais, no sentido de entender a natureza dos materiais,
estabelecendo teorias ou descrições que relacione a estrutura com a composição, propriedades
e comportamento;



Compreender e prever propriedades e características dos principais materiais usados em
Arquitetura e Engenharia;



Esclarecer que as propriedades de um material dependem de sua estrutura;
Arquitetos, Engenheiros e Cientistas devem ter como princípio:
“As propriedades dos materiais originam-se na sua estrutura interna”
As propriedades dos materiais dependem:



do tipo de ligação química;



da energia de ligação;



da sua composição química;



da sua microestrutura (quais as fases presentes, arranjo geométrico entre as fases presentes e
o seu tamanho de grão; os defeitos cristalinos presentes no material)



da estrutura cristalina que se forma no sólido;
Conclui-se que alterações desejadas ou não, sempre ocorrerão quando a estrutura interna do

material processado sofrer alterações.
Os tipos básicos de materiais disponíveis aos arquitetos e engenheiros têm seu sistema de
classificação segundo a natureza de suas ligações atômicas.
Propriedades também dependem do tipo de estrutura atômica dos materiais, sejam elas
amorfas ou cristalinas; nas estruturas cristalinas encontram-se as imperfeições típicas: pontuais, em
linha, superficiais e volumétricas, todas elas a nível atômico.
Os processos de fabricação levam a modificação da estrutura atômica dos materiais e geram
defeitos microscópicos e macroscópicos os quais influem nas propriedades dos materiais aplicados
tecnologicamente.
5

Para exemplificar pode-se citar:


Propriedades que dependem da estrutura nos metais: condutividade elétrica, propriedades
semicondutoras e propriedades mecânicas.



Propriedades que independem da estrutura nos metais: constantes elásticas, ponto de fusão,
massa específica, calor específico, coeficiente de expansão térmica.
Os metais são cristalinos quando estão na forma sólida e, embora monocristais muito grandes

possam ser preparados, os componentes metálicos normalmente consistem em um agregado de
numerosos pequenos cristais. Os metais são então policristalinos e cada um dos cristais é
normalmente denominado como os seus grãos. Devido ao pequeno tamanho dos cristais, usualmente
utiliza-se um microscópio óptico com aumento de 100 a 1000 vezes para o exame dos aspectos
estruturais associados aos grãos de um metal, nesta faixa classifica-se a análise como
microestrutural. As análises distinguíveis a olho nu, ou facilmente observáveis sob uma lupa, são
chamadas macroestruturais. A estrutura fundamental dentro dos próprios grãos, o arranjo atômico
dos cristais é designado como estrutura cristalina. [REED-HILL]

1.1

Modelo Atômico Segundo o Modelo Padrão.
O atual modelo da matéria, O Modelo Padrão, estabelece as partículas fundamentais que

existem na Natureza, bem como as forças que as regem. A figura 1.1, ilustra esquematicamente a
visão atual da matéria.

Figura 1.1 - Ilustração esquemática da visão atual da matéria.

A Figura 1.2 mostra a lista das partículas do modelo padrão necessária para explicar a
estrutura da matéria.

6

Figura 1.2 - Lista das partículas do modelo padrão
O Modelo Padrão também tenta explicar a ação das forças de campos que regem toda a física
conhecida atualmente, exceto as gravitacionais. A figura 1.3 identifica cada uma das partículas
mensageiras, ou partículas mediadoras dos respectivos campos de forças.
Os campos eletromagnéticos tem sua origem na troca de fótons, entre partículas que
apresentam uma propriedade chamada carga elétrica.
Os campos de forças fracas são entendidos como uma derivação das forças eletromagnéticas
que ocorrem durante o decaimento das partículas radioativas.
Os campos de forças fortes são aqueles que agem nas reações nucleares e se origina da troca
dos glúons entre partículas que apresenta uma propriedade chamada cor ou sabor.
Os campos gravitacionais não são ainda bem entendidos, mas acredita-se que originam da
interação dos grávitons com todo corpo com massa.

Fonte: http://www.sprace.org.br/aventuradasparticulas/frames.html

Figura 1.3 - Lista das partículas do modelo padrão e as transportadoras de campos
7

1.2

Modelo Atômico de BOHR
Este modelo é importante para que se tenha uma noção sobre as propriedades quantizadas da

matéria.
1.2.1 A energia dos elétrons é “QUANTIZADA”


Cada elétron tem valor definido de energia.



Um elétron pode mudar sua energia através de saltos quânticos:
Nível energético maior: ABSORÇÃO DE ENERGIA;
Nível energético menor: EMISSÃO DE ENERGIA.



Estados energéticos não variam continuamente:

Estados ou níveis adjacentes são separados por valores finitos de energia;
Níveis estão associados às órbitas eletrônicas;
Quando o elétron passa de uma órbita de nível maior absorve energia;
Quando o elétron passa de uma órbita de nível menor emite energia;
Energia envolvida na emissão ou absorção é medida pelo quantum, ela é observada pela
emissão ou absorção de um fóton.
1.2.2. Hipóteses de BOHR:


Elétrons nas órbitas não emitem energia



Mudança de órbita implica em emissão ou absorção de energia, sofrendo uma variação
dada por:

∆E = variação de energia = h.f.

Onde:

h = constante de Planck = 6,63.10-34 J.s = 4,14.10-15 eV.s
f = frequência



No caso de radiação eletromagnética tem-se:

c = .f onde:
c = Velocidade da luz = 3,0x108m/s
 = Comprimento de onda



Orbitas estáveis são determinadas por condições quânticas



Orbitas existem quando o momento angular de um elétron, com órbita circular de raio r, é
igual ao múltiplo inteiro, n(h/2p), onde n é um inteiro (1, 2, 3....)



O momento do fóton  p = h / , a energia do fóton está relacionada à frequência.



Modelo de BOHR descreve a estrutura do átomo de hidrogênio satisfatoriamente



Descrição da estrutura de outros átomos não é satisfatória



Mecânica quântica possibilita descrever a estrutura desses átomos com eficiência



Princípio fundamental da mecânica quântica, um elétron pode ter dois comportamentos:
8

1.3 -

Modelo de DE BROGLIE - Onda ou uma Partícula.
DE BROGLIE (1924) associou a matéria a uma onda.


Energia da partícula: E = m c2



Energia de um fóton: E = h.f



Momento da partícula: p = m c = E / c = (h.f) / c
mas  = c / f,

p = h /   a energia está relacionada à frequência

DE BROGLIE propôs então que a matéria teria um comprimento de onda associado a ela:
Massa

m;

Velocidade

v;

Momento Linear

p = m.v;

Comprimento de onda

matéria = h / mv;

“Conclui-se por estes modelos que cada elemento químico tem um comprimento de onda típico e
único, análogo a uma impressão digital, tornando possível sua identificação por alguns processos
de espectrometria”.
1.4

A Configuração Eletrônica dos Átomos

O Movimento do Elétron em torno do Núcleo e sua Energia é descritos por quatro números
quânticos


n = Número quântico principal (interpretado como camadas no espaço)



l = Número quântico secundário (subcamadas: s, p, d, f..)



ml = Número quântico magnético (associado ao comportamento sob ação de um campo
magnético externo)



ms = Número quântico spin (associado à rotação do elétron em torno de seu próprio eixo)

Segundo o princípio de exclusão de Linus Pauling os elétrons preenchem os orbitais em ordem
crescente de energia.
Segundo este princípio os elementos químicos em seu estado fundamental terão em sua última
camada de valência de 1 a 8 elétrons, determinando a reatividade entre elementos e os possíveis
tipos de ligações atômicas e os diversos tipos de materiais.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
9

1.4.1 - REATIVIDADE QUÍMICA


Reatividade química depende dos elétrons mais externos



Elementos mais estáveis e menos reativos são os gases nobres: He; Ar; Kr; Xe; Rn



Com exceção do He, com configuração 1s2, os outros têm camada mais externa com
configuração s2p6



Elementos eletropositivos têm natureza metálica e perdem elétrons em reações químicas,
produzindo íons positivos: CÁTIONS



Maioria dos elementos eletropositivos situa-se no lado esquerdo da tabela periódica



Elementos eletronegativos têm natureza não metálica e recebem elétrons em reações
químicas, produzindo íons negativos: ÂNIONS.

1.5



Elementos eletronegativos situam-se no lado direito da tabela periódica



Alguns elementos podem ter comportamento eletropositivo e eletronegativo.

A Tabela Periódica
Segundo a configuração eletrônica de cada elemento químico foi proposto a atual Tabela

Periódica, a qual ilustra as características fundamentais dos elementos químicos como:
Metais, Não Metais, Semi-metais, Gases nobres e o Hidrogênio, apresentada na figura 1.4.

Figura 1.4 – Tabela Periódica
10

Por que os átomos formam ligações?


átomos ligados são termodinamicamente mais estáveis;



átomos ligados exibem diminuição da energia potencial;



formação de ligações depende da reatividade química, dos átomos envolvidos, constituição
da última camada;



elétrons mais externos são os que participam das ligações;
Átomos se ligam:



por perda de elétrons: eletropositivos



por ganho de elétrons: eletronegativos



por compartilhamento de elétrons
O entendimento do por que os átomos se ligam, leva ao entendimento da degradação e

deterioração dos materiais. Na natureza os materiais encontram-se na forma de um minério, estado
em que os elementos químicos têm sua maior estabilidade, logo pode-se concluir que todo material
processado e industrializado passa para uma situação de menor estabilidade química o que o torna
mais suscetível à degradação e deterioração.
Processos que determinam a degradação dos materiais


Corrosão e degradação:
Corrosão de metais
Corrosão de materiais cerâmicos
Degradação de polímeros



Desgaste mecânico (estudado pela Tribologia):
Desgaste abrasivo
Erosão
Cavitação

1.6

As Ligações Químicas dos Materiais

As ligações químicas podem ser:
LIGAÇÕES PRIMÁRIAS  IÔNICA; METÁLICA E COVALENTE.
LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS  ocorrem a partir de forças eletrostáticas ou de Van der
Walls por: efeito de dispersão, dipolo-dipolo e pontes de hidrogênio.
11

1.6.1 Ligação iônica
ELEMENTO ELETROPOSITIVO (METAL)
+
ELEMENTO ELETRONEGATIVO (NÃO-METAL)
(Formação dos Materiais Cerâmicos)

Figura 1.5 - Representação esquemática da ligação Iônica
Propriedades dos compostos iônicos;
São sólidos nas condições ambientes;


Apresentam altos pontos de fusão e ebulição;



São condutores de eletricidade quando no estado líquido (fundidos) ou quando dissolvidos
em água;



A maioria dos compostos é solúvel em água.

1.6.2 Ligação metálica
ELEMENTO ELETROPOSITIVO (METAL)
+
ELEMENTO ELETROPOSITIVO (METAL)
(Formação dos Metálicos)

Elétrons Livres

Íons Positivos

Figura 1.6 - Representação esquemática das ligações metálicas entre os cátions
positivos e a nuvem de elétrons livres.
12

Propriedades


Alta condutividade elétrica e térmica: os elétrons podem se mover em presença de uma f.e.m.
ou de um gradiente de temperatura;



Permitem grande deformação plástica, pois as ligações são móveis, ou seja, não são rígidas
como nas ligações iônicas e nas covalentes;



Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético
com facilidade emitindo fótons;



São sempre opacos: pela mesma razão acima, mas nesse caso absorvendo a luz incidente.

1.6.3 Ligação covalente
ELEMENTO ELETRONEGATIVO (NÃO-METAL)
+
ELEMENTO ELETRONEGATIVO (NÃO-METAL)
(Formação dos materiais Moleculares, poliméricos)

Figura 1.7 - Representação esquemática da ligação Covalente

Propriedades dos compostos moleculares:


São sólidos, líquidos ou gasosos nas condições ambientes;



Apresentam baixos pontos de fusão e ebulição (comparados aos iônicos);



São maus condutores de eletricidade, alguns podem conduzir quando em meio aquoso
(ionização);



A maioria dos compostos é solúvel em solventes orgânicos.
13

1.6.4 Ligações secundárias de Van der Waals
1.6.4.1 Força entre dipolos permanentes.

Figura 1.8 - Representação esquemática da força por dipolos permanentes

1.6.4.2 Forças de London ou forças de dispersão

Figura 1.9 - Representação esquemática da força por dipolos induzidos

1.6.3 Pontes de Hidrogênio

Figura 1.10 - Representação esquemática da força por pontes de hidrogênios
14

1.7

Materiais Sólidos Quanto sua Estrutura

Em função da natureza das ligações atômicas, os materiais sólidos exibem três tipos de
arranjos atômicos:
a) Estrutura Cristalina
Sólidos Metálicos - Ex.: Au, Pb, Cu.
Sólidos Iônicos - Ex.: NaCl, MgO.
Sólidos Covalentes - Ex.: Diamante, Si.
Definição de Cristal
Sólidos cristalinos: Uma substância pode ser considerada cristalina quando os átomos (ou
moléculas) que a constitui estão dispostos segundo uma rede tridimensional bem definida e que é
repetida por milhões de vezes. (Ordem de longo alcance). Exemplos: Todos os metais e a maior parte
das cerâmicas
b) Estrutura Amorfa
Materiais Cerâmicos - Ex.: vidro.
Materiais Poliméricos - Ex.: cadeias complexas.
Materiais Metálicos Solidificados Rapidamente - Ex.: ligas complexas.
Sólidos amorfos ou não-cristalinos: em geral, não apresentam regularidade na distribuição
dos átomos e podem ser considerados como líquidos extremamente viscosos. Exemplos:
Vidro, piche e vários polímeros, a figura 1.11 ilustra a estrutura cristalina e amorfa para o
SiO2.

Figura 1.11 - Representação esquemática de um Quartzo cristalino e um Vidro amorfo
15

c)

Estrutura Molecular
Os Materiais Poliméricos, como por exemplo, o polietileno, a borracha natural, o PVT entre

tantos outros apresentam estrutura molecular, a figura 1.12 ilustra algumas estruturas moleculares.

Figura 1.12 - Representação esquemática das ligações covalentes
1.7.1 Estruturas cristalinas - Imperfeições em Linha – Discordâncias
Os materiais metálicos são tipicamente constituídos por uma estrutura cristalina, porém
existem imperfeições as quais são próprias de sua natureza, as quais explicam alguns de seus
comportamentos e propriedades, exemplo são as linhas de discordâncias, responsáveis pelo principal
mecanismo da deformação plástica desta família de materiais, a figura 1.13 mostra
esquematicamente os tipos de linhas de discordâncias. Na figura 1.14 pode-se observar o campo de
tensões gerado pelas linhas de Discordâncias.

Figura 1.13 - Representação esquemática de Discordâncias

Figura 1.14 - Representação esquemática do campo de tensões em uma Linha de Discordância em
Aresta
16

A figura 1.15 representa a movimentação das Linhas de discordâncias cujo resultado é à
deformação plástica do metal, deformação esta permanente.

Figura 1.15 - Representação esquemática da movimentação de uma linha de discordância
Deformação plástica – deformação permanente.
O mecanismo de deformação plástica é diferente para materiais cristalinos e materiais
amorfos.


Nos materiais amorfos o mecanismo da deformação plástica consiste no escoamento viscoso.



Nos materiais cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica geralmente consiste
no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de discordâncias. A figura
1.16 ilustra com as forças atuam no sentido de causar a deformação plástica em um metal,
conhecido como Lei de Schmid.

Equação de Schmid

 = (P/A).cos .cos
 = . cos .cos
Máx. = 0,5 


= ângulo entre o vetor normal ao

plano de deslizamento e a direção de
tração


= ângulo entre a direção de

deslizamento e a direção de tração.

Figura 1.16 - Representação esquemática
da Lei de Schmid
17

Importante:
Conforme já citado, o principal mecanismo de deformação plástica nos metais é explicado
pela movimentação das linhas de discordâncias.
As discordâncias movem-se nos planos de deslizamentos na direção do seu vetor de Burgers.
Observa-se que as discordâncias movem preferencialmente nos planos e direções densas, o
que explica a anisotropia do cristal.
A movimentação das linhas de discordâncias produz a deformação plástica, que quando
executada a frio, produz o endurecimento do metal, endurecimento e aumento de sua resistência, em
contra partida perde tenacidade e ductilidade, pois a movimentação das discordâncias gera
impedimento à continuidade de sua movimentação.
A deformação plástica feita acima da temperatura de recristalização do material metálico,
sobre recuperação e recristalização, anulando o efeito do encruamento. A temperatura de
recristalização pode ser estimada como a metade da temperatura de fusão da liga em temperatura
absoluta, (Kelvin).
1.8 -

Materiais Metálicos
Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos, formados por

ligações metálicas. Eles apresentam um grande número de elétrons livres, isto é, elétrons que não
estão presos a um único átomo. Muitas das propriedades dos metais são atribuídas a estes elétrons.
Por exemplo, os metais são excelentes condutores de eletricidade e calor e não são transparentes à
luz.
A superfície dos metais, quando polida, reflete eficientemente a luz. Eles são resistentes, mas
deformáveis. Por isto são muito utilizados em aplicações estruturais. Entre os quatros grupos de
materiais, os materiais metálicos, e em particular os aços, ocupam um lugar de destaque devido à sua
extensiva utilização. Cerca de 70 dos 92 elementos da tabela periódica encontrados na natureza têm
caráter metálico preponderante.
Os metais mais tradicionais, tais como cobre, ouro e ferro são conhecidos e utilizados há
alguns milênios. No período entre 5000 e 3000 A.C, ou seja, dois milênios após a introdução da
agricultura surgiu uma série de invenções importantes. O homem desenvolveu o forno de “alta
temperatura”, onde ele aprendeu a fundir os metais e a empregá-los para dominar os animais. Ele
inventou o arado, a carroça, as embarcações, a vela e a escrita. No início da era cristã o homem
conhecia sete metais; cobre, ouro, prata, chumbo, estanho, ferro e mercúrio. Embora a civilização
clássica da Grécia tenha explorado quase completamente as possibilidades oferecidas pelos metais e
outros materiais disponíveis desde eras precedentes, na produção de cerâmicas, joalheria, esculturas
e arquitetura, eles pouco fizeram para inovar o campo dos materiais. O mesmo pode-se dizer dos
romanos, que adquiriram uma grande reputação como engenheiros. Por outro lado, foram os romanos
18

que disseminaram no seu vasto império o ferro como material propulsor da economia. Um fato
importante ocorreu em Mainz (Alemanha), onde Johannes Gutenberg (c.1397-1468) iniciou
experiências com a fundição de tipos ou caracteres metálicos (chumbo) durante a década de 1440.
Por volta de 1445, ele e seus colaboradores foram capazes de imprimir a “Bíblia de Gutenberg”.
Sabemos muito mais sobre os processos de produção de materiais no século XVI do que em épocas
anteriores, devido à imprensa. Em 1540, o italiano Vannocio Biringuccio publicou sua obra clássica
De La Pirotechnia. No seu livro ele trata da fundição e conformação de metais, além da fabricação
de vidro e de pólvora. Em 1556, foi publicada a obra também clássica de George Bauer (em latim,
Georgius Agricola), denominada De Re Metallica. Ele viveu nas regiões da Boemia e Silésia e
descreve detalhadamente no seu livro operações de mineração e de fundição. Outro avanço
significativo na produção e utilização de materiais metálicos ocorreu com a fabricação dos aços com
teor de carbono mais baixo e no estado líquido. Antes da década de 1860, o ferro maleável tinha sido
sempre consolidado em temperaturas abaixo de seu ponto de fusão. Isto levava inevitavelmente à
heterogeneidade na distribuição do carbono e ao aprisionamento de escória e outras inclusões. Esta
descoberta, feita por Henry Bessemer em 1856, permitiu a produção de aço em grande escala e
inaugurou uma nova fase na história da humanidade; a idade do aço. Quase todos os
desenvolvimentos do século XIX se dirigiram para a produção mais eficiente dos materiais
conhecidos há séculos. Até o século XIX praticamente nenhum uso dos materiais havia explorado
algo além de suas qualidades mecânicas e ópticas ou sua resistência à corrosão. As únicas
propriedades físicas amplamente medidas e relatadas quantitativamente na literatura científica eram
ponto de fusão, densidade, dilatação térmica e calor específico. Propriedades mecânicas (exceto as
constantes elásticas) pareciam ser muito variáveis para terem algum significado fundamental.
A microestrutura das ligas era praticamente desconhecida. A metodologia de estudo das ligas
consistia basicamente em atacar quimicamente com ácidos as diversas composições de um
determinado sistema binário. Desta maneira, Karl Karsten noticiou em 1839 a descontinuidade na
reatividade química de ligas com composição aproximadamente equiatômicas do sistema binário
cobre-zinco. Mais tarde, descobriu-se que se tratava do composto intermetálico CuZn, conhecido
como latão beta. Mas a grande revolução estava a caminho: a observação microscópica da
microestrutura dos materiais e correlação com suas propriedades. Isto começou no grande centro
produtor de aço, em Sheffield, na Inglaterra. Henry Clifton Sorby, em 1863/64, observou a estrutura
de rochas e de aços ao microscópio óptico. A superfície destes materiais tinha sido polida e atacada
levemente com reagentes químicos. Em 1895, eram descobertos os raios x. A difração de raios x, que
possibilitou a determinação da estrutura cristalina dos materiais, foi descoberta em 1911/12. De
posse da metalografia óptica, da difração de raios x e de algumas técnicas indiretas como
dilatometria e análise térmica, os metalurgistas puderam caracterizar as transformações de fase e as
microestruturas delas decorrentes. A correlação das microestruturas com as propriedades foi uma
conseqüência natural. O advento da microscopia eletrônica possibilitou melhores resoluções e a
19

observação de detalhes e espécies não observáveis com o microscópio óptico. A maioria dos
elementos químicos foi descoberta nos últimos 250 anos. Empregamos atualmente nos processos
industriais a grande maioria dos elementos químicos, ao passo que, até um século atrás, com exceção
de uns 20 deles, os mesmos eram curiosidades nos laboratórios de química.

1. 9 - Materiais Cerâmicos
Os materiais cerâmicos são normalmente combinações de metais com elementos não
metálicos, formados por ligações iônicas e covalentes. Os principais tipos são: óxidos, nitretos e
carbonetos. A esse grupo de materiais também pertencem os argilo-minerais, o cimento e os vidros.
Do ponto de vista de ligações químicas, eles podem ser desde predominantemente iônicos até
predominantemente covalentes. Eles são tipicamente isolantes térmicos e elétricos. São também mais
resistentes à altas temperaturas e a ambientes corrosivos que os metais e polímeros. Eles são muito
duros, porém frágeis. A argila foi o primeiro material estrutural inorgânico a adquirir propriedades
completamente novas como resultado de uma operação intencional realizada por seres humanos. Esta
operação foi a “queima” (sinterização) que tornou possível a obtenção de pote com enorme impacto
na vida e nos hábitos do homem. Segundo Kranzberg e Smith, este foi talvez o começo da
engenharia de materiais. Estima-se que isto tenha ocorrido no oitavo milênio a.C. A cerâmica
vermelha (telhas, tijolos e manilhas) e a cerâmica branca (azulejos, sanitários e porcelanas) são
constituídas principalmente de silicatos hidratados de alumínio, tais como caulinita, haloisita,
pirofilita e montmorilonita. O óxido de ferro é que confere a cor avermelhada de muitos produtos
cerâmicos.
A argila é usualmente plástica após ser suficientemente pulverizada e umedecida e é nesta
condição conformada. Após a secagem, ela se torna rígida e adquire alta dureza após a queima em
temperaturas elevadas. As cerâmicas tradicionais à base de sílica, alumina ou magnésia são também
muito utilizadas como refratários em fornos e dispositivos utilizados na fusão e tratamentos térmicos
dos metais e ligas. Enquanto as cerâmicas tradicionais são obtidas a partir de matérias primas
naturais tais como argilo-minerais e areia; as cerâmicas avançadas são feitas a partir de óxidos,
nitretos, carbonetos e boretos de alta pureza, têm composição definida e o tamanho, a forma e a
distribuição das partículas são controlados. Por outro lado, o mercado mundial de cerâmicas
tradicionais é pelo menos uma ordem de grandeza maior que o de cerâmicas avançadas. Os vidros
tradicionais são misturas de óxidos e devem ser classificados como materiais cerâmicos. Eles
também são materiais bastante antigos. Por volta do ano 4000 antes de Cristo já existiam vidros
decorativos no Egito. Em 1500 a.C., a produção de vidros já estava relativamente estabelecida. Em
1200 d.C., Veneza era a “capital do vidro”. Para proteger sua tecnologia contra ingleses e franceses,
os venezianos transferiram em 1292 a produção de Veneza para a ilha de Murano.Os vidros desta
20

época eram basicamente misturas de sílica, cal e soda. Pequenas adições de íons de cobalto, cromo,
cobre, manganês e ferro causam grandes mudanças de cor. Por exemplo, a adição de apenas 0,15%
de CoO confere ao vidro de carbonato de sódio a cor azul escura. O próximo grande
desenvolvimento ocorreu com os chamados vidros ópticos. Em 1846, o mecânico Carl Zeiss e o
professor de física Ernst Abbe montaram uma oficina de óptica em Jena, na Alemanha. Os estudos
de Abbe mostraram que havia uma limitação básica para a resolução em um sistema óptico,
relacionada ao diâmetro da lente e ao comprimento de onda da luz. Em 1882, o químico recémdoutorado Friedrich Otto Schott juntou-se a eles. Schott havia concluído seu trabalho de doutorado
com vidros de alta pureza e procurava para eles uma aplicação. Vidros de melhor qualidade e a es,
panelas e outros utensílioassessoria de um especialista em materiais era exatamente o que estava
faltando aos produtos da oficina de Zeiss e Abbe. Os três dominaram o desenvolvimento das lentes
modernas e dos instrumentos óticos. Nas últimas décadas do atual século ocorreram dois outros
desenvolvimentos importantes na indústria do vidro, relacionados com a utilização de materiais
reforçados com fibras de vidro e com as fibras ópticas usadas na transmissão de informações.
A grande maioria (99%) da produção atual, em peso, de vidros pertence aos três tipos:
SiO2(sílica) - Na2O(soda) - CaO(cal); PbO - SiO2 e B2O3 - SiO2 - Na2O - CaO.
Dentre os tipos mencionados acima, o único desenvolvido no século XX foi o vidro à base de boro.
Os vidros inorgânicos apresentam ausência de ordem de longo alcance (são amorfos), têm
propriedades isotrópicas, são transparentes à luz visível, podem ser formulados para absorver ou
transmitir determinados comprimentos de onda, são isolantes térmicos e elétricos e amolecem antes
de fundir, permitindo a conformação por sopro de formas intrincadas. Em 1960, foram produzidas
pela primeira vez por Pol Duwez ligas metálicas amorfas; os chamados vidros metálicos. Estes
materiais são estruturalmente similares aos vidros inorgânicos, mas apresentam as propriedades
impostas pela ligação metálica. A Tabela 1 Apresenta a composição, propriedades e os usos de
alguns vidros.
Tabela 01 – Composição, propriedades e os usos de alguns vidros.

21

1.9.1 - O concreto.
O Concreto é um material de construção proveniente da mistura, em proporção adequada, de:
aglomerantes, agregados e água.
a)

Aglomerantes
Unem os fragmentos de outros materiais. No concreto, em geral se emprega cimento

portland, que reage com a água e endurece com o tempo.
A análise química do cimento revelará a presença dos seguintes componentes:

b)

Agregados
São partículas minerais que aumentam o volume da mistura, reduzindo seu custo.

Dependendo das dimensões características φ, dividem-se em dois grupos:


Agregados miúdos: 0,075mm < φ < 4,8mm. Exemplo: areias.



Agregados graúdos: φ ≥ 4,8mm. Exemplo: pedras.

c)

Pasta
Resulta das reações químicas do cimento com a água. Quando há água em excesso,

denomina-se nata.
O pó angular de cimento é misturado com água, conforme ilustra a figura 1.17. Dentro de 15
minutos a reação de pega reveste os grãos com um envelope gelatinoso de hidrato. Os grãos são
ligados por esses revestimentos por meio de uma ponte em seu ponto de contato, resultando em
uma rede de ligações fracas que provocam a perda de plasticidade. As ligações são quebradas com
facilidade por agitação, mas se formam de novo rapidamente.
O endurecimento começa após aproximadamente três horas. O revestimento de gel
desenvolve protuberâncias que crescem e se transformam em bastões finos, densamente apinhados,
que se irradiam como os espinhos de um ouriço-do-mar a partir dos grãos individuais do cimento.
Enquanto a hidratação continua, os espinhos crescem e penetram gradativamente na região entre os
grãos de cimento. Por fim, a rede intertravada de agulhas se consolida como uma massa rígida que
tem a propriedades adicional de penetrar e se ligar à superfície porosa do tijolo, da pedra e do
concreto pré-moldado.
22

[ Fonte: ASHBY, 2007]

Figura 1.17 - Ilustração da pega e endurecimento do cimento Portland. (a) grãos de cimento são
misturados com água. Após 15 minutos. (b) a reação de pega dá ligação fraca. A real
resistência vem com a reação de endurecimento (c), que leva alguns dias.
d)

Argamassa
Provém da pela mistura de cimento, água e agregado miúdo, ou seja, pasta com agregado

miúdo.
e)

Concreto simples
É formado por cimento, água, agregado miúdo e agregado graúdo, ou seja, argamassa e

agregado graúdo.
Sua resistência deve-se em grande parte da idade e densidade da matriz de pasta de cimento
Portland endurecida, conforme descrito anteriormente. A Figura 1.18 ilustra a constituição do
concreto.

[ Fonte: ASHBY, 2007]

Figura 1.18 - Ilustração esquemática da constituição do concreto.
23

Depois de endurecer, o concreto apresenta:


boa resistência à compressão;



baixa resistência à tração;



comportamento frágil, isto é, rompe com pequenas deformações.
Na maior parte das aplicações estruturais, para melhorar as características do concreto, ele é

usado junto com outros materiais.
Elementos de concreto simples estrutural: “elementos estruturais elaborados com concreto
que não possui qualquer tipo de armadura ou que a possui em quantidade inferior ao mínimo
exigido para o concreto armado”.

Figura 1.19 – Cimento.

Figura 121 – Agregado graúdo.

Figura 1.23 – Argamassa.

Figura 1.20 – Agregado miúdo (areia).

Figura 1.22 – Pasta de cimento e água.

Figura 1.24 – Concreto simples.
24

a) areia natural
b) seixo rolado.
Figura 1.25 – Agregados naturais miúdo (areia) e graúdo (seixo rolado).

a) brita 0 (pedrisco);

b) brita 0 (pedrisco);

c) brita 1;

d) brita 2;

(Fonte: www.mbv-mineracao.com.br/ Brita%203.htm ).

e) brita 3
Figura 1.26 – Agregados graúdos artificiais
25

e1)

A Estrutura interna do concreto
Na preparação do concreto, com as mistura dos agregados graúdos e miúdos com cimento e

água, tem início a reação química do cimento com a água, resultando gel de cimento, que constitui
a massa coesiva de cimento hidratado.
A reação química de hidratação do cimento ocorre com redução de volume, dando origem a
poros, cujo volume é da ordem de 28% do volume total do gel.
Durante o amassamento do concreto, o gel envolve os agregados e endurece com o tempo,
formando cristais. Ao endurecer, o gel liga os agregados, resultando um material resistente e
monolítico – o concreto.
A estrutura interna do concreto resulta bastante heterogênea: adquire forma de retículos
espaciais de gel endurecido, de grãos de agregados graúdo e miúdo de várias formas e dimensões,
envoltos por grande quantidade de poros e capilares, portadores de água que não entrou na reação
química e, ainda, vapor d’água e ar.
Fisicamente, o concreto representa um material capilar pouco poroso, sem continuidade da
massa, no qual se acham presentes os três estados da agregação: sólido, líquido e gasoso.
As deformações do concreto dependem essencialmente de sua estrutura interna.

Retração: Denomina-se retração à redução de volume que ocorre no concreto, mesmo na
ausência de tensões mecânicas e de variações de temperatura.
As causas da retração são:


Retração química: contração da água não evaporável, durante o endurecimento do concreto.



Retração capilar: ocorre por evaporação parcial da água capilar e perda da água adsorvida.
A tensão superficial e o fluxo de água nos capilares provocam retração.



Retração por carbonatação: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (ocorre com diminuição de
volume).
Expansão: Expansão é o aumento de volume do concreto, que ocorre em peças submersas.

Nessas peças, no início tem-se retração química. Porém, o fluxo de água é de fora para dentro. As
decorrentes tensões capilares anulam a retração química e, em seguida, provocam a expansão da
peça.
Deformação imediata: A deformação imediata se observa por ocasião do carregamento.
Corresponde ao comportamento do concreto como sólido verdadeiro, e é causada por uma
acomodação dos cristais que formam o material.
26

Fluência: Fluência é uma deformação diferida, causada por uma força aplicada. Corresponde
a um acréscimo de deformação com o tempo, se a carga permanecer. Ao ser aplicada uma força no
concreto, ocorre deformação imediata, com uma acomodação dos cristais. Essa acomodação diminui
o diâmetro dos capilares e aumenta a pressão na água capilar, favorecendo o fluxo em direção à
superfície. Tanto a diminuição do diâmetro dos capilares quanto o acréscimo do fluxo aumentam a
tensão superficial nos capilares, provocando a fluência.
No caso de muitas estruturas reais, a fluência e a retração ocorrem ao mesmo tempo e, do
ponto de vista prático, é conveniente o tratamento conjunto das duas deformações.
Deformações térmicas: Define-se coeficiente de variação térmica αte como sendo a
deformação correspondente a uma variação de temperatura de 1°C. Para o concreto armado, para
variações normais de temperatura, a NBR 6118 permite adotar αte = 10-5 /°C.
Fatores que Influem
Os principais fatores que influem nas propriedades do concreto são:


Tipo e quantidade de cimento;



Qualidade da água e relação água-cimento;



Tipos de agregados, granulometria e relação agregado-cimento;



Presença de aditivos e adições;



Procedimento e duração da mistura;



Condições e duração de transporte e de lançamento;



Condições de adensamento e de cura;



Forma e dimensões dos corpos-de-prova;



Tipo e duração do carregamento;



Idade do concreto; umidade; temperatura etc.

f)

Concreto armado
É a associação do concreto simples com uma armadura, usualmente constituída por barras de

aço. Os dois materiais devem resistir solidariamente aos esforços solicitantes. Essa solidariedade é
garantida pela aderência.
CONCRETO ARMADO ↔ CONCRETO SIMPLES + ARMADURA + ADERÊNCIA
g)

Concreto protendido
No concreto armado, a armadura não tem tensões iniciais. Por isso, é denominada armadura

frouxa ou armadura passiva. No concreto protendido, pelo menos uma parte da armadura tem tensões
previamente aplicadas, denominada armadura de protensão ou armadura ativa. CONCRETO
PROTENDIDO ↔ CONCRETO + ARMADURA ATIVA
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h)

Argamassa armada
É constituída por agregado miúdo e pasta de cimento, com armadura de fios de aço de

pequeno diâmetro, formando uma tela. No concreto, a armadura é localizada em regiões específicas,
Na argamassa, ela é distribuída por toda a peça.
i)

Concreto de alto desempenho – CAD
Pode ser obtido, por exemplo, pela mistura de cimento e agregados convencionais com sílica

ativa e aditivos plastificantes. Apresenta características melhores do que o concreto tradicional. Em
vez de sílica ativa, pode-se também utilizar cinzas volante ou resíduos de alto fornos.
Vantagens do Concreto, Restrições e Providências.
Como material estrutural, o concreto apresenta várias vantagens em relação a outros
materiais. Serão relacionadas também algumas de suas restrições e as providências que podem ser
adotadas para contorná-las.
Vantagens do concreto armado
Suas grandes vantagens são:


É moldável, permitindo grande variabilidade de formas e de concepções arquitetônicas.



Apresenta boa resistência à maioria dos tipos de solicitação, desde que seja feito um correto
dimensionamento e um adequado detalhamento das armaduras.



A estrutura é monolítica, fazendo com que todo o conjunto trabalhe quando a peça é
solicitada.



Baixo custo dos materiais - água e agregados graúdos e miúdos.



Baixo custo de mão-de-obra, pois em geral não exige profissionais com elevado nível de
qualificação.



Processos construtivos conhecidos e bem difundidos em quase todo o país.



Facilidade e rapidez de execução, principalmente se forem utilizadas peças pré-moldadas.



O concreto é durável e protege a armação contra a corrosão.



Os gastos de manutenção são reduzidos, desde que a estrutura seja bem projetada e
adequadamente construída.



O concreto é pouco permeável à água, quando executado em boas condições de plasticidade,
adensamento e cura.



É um material seguro contra fogo, desde que a armadura seja convenientemente protegida
pelo cobrimento.



É resistente a choques e vibrações, efeitos térmicos, atmosféricos e a desgastes mecânicos.
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Restrições do concreto
O concreto apresenta algumas restrições, que precisam ser analisadas Devem ser tomadas as
providências adequadas para atenuar suas conseqüências. As principais são:


Baixa resistência à tração,



Fragilidade,



Fissuração,



Peso próprio elevado,



Custo de formas para moldagem,



Corrosão das armaduras.

Providências
Para suprir as deficiências do concreto, há várias alternativas. A baixa resistência à tração
pode ser contornada com o uso de adequada armadura, em geral constituída de barras de aço,
obtendo-se o concreto armado.
Além de resistência à tração, o aço garante ductilidade e aumenta a resistência à compressão,
em relação ao concreto simples.
A fissuração pode ser contornada ainda na fase de projeto, com armação adequada e limitação
do diâmetro das barras e da tensão na armadura. Também é usual a associação do concreto simples
com armadura ativa, formando o concreto protendido. A utilização de armadura ativa tem como
principal finalidade aumentar a resistência da peça, o que possibilita a execução de grandes vãos ou o
uso de seções menores, sendo que também se obtém uma melhora do concreto com relação à
fissuração.
O concreto de alto desempenho – CAD – apresenta características melhores do que o
concreto tradicional – como resistência mecânica inicial e final elevada, baixa permeabilidade, alta
durabilidade, baixa segregação, boa trabalhabilidade, alta aderência, reduzida exsudação, menor
deformabilidade por retração e fluência, entre outras.
O CAD é especialmente apropriado para projetos em que a durabilidade é condição
indispensável para sua execução. A alta resistência é uma das maneiras de se conseguir peças de
menores dimensões, aliviando o peso próprio das estruturas. Ao concreto também podem ser
adicionadas fibras, principalmente de aço, que aumentam a ductilidade, a absorção de energia, a
durabilidade, etc.
A corrosão da armadura é prevenida com controle da fissuração e com o uso de adequado de
cobrimento, cujo valor depende do grau de agressividade do ambiente em que a estrutura for
construída.
A padronização de dimensões, a pré-moldagem e o uso de sistemas construtivos adequados
permite a racionalização do uso de formas, permitindo economia neste quesito.
A argamassa armada é adequada para pré-moldados leves, de pequena espessura.
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APLICAÇÕES DO CONCRETO
É o material estrutural mais utilizado no mundo. Seu consumo anual é da ordem de uma
tonelada por habitante. Entre os materiais utilizados pelo homem, o concreto perde apenas para a
água. Outros materiais como madeira, alvenaria e aço também são de uso comum e há situações em
que eles são imbatíveis. Porém, suas aplicações são bem mais restritas.
Algumas aplicações do concreto são relacionadas a seguir.


Edifícios: mesmo que a estrutura principal não seja de concreto, alguns elementos, pelo
menos, o serão;



Galpões e pisos industriais ou para fins diversos;



Obras hidráulicas e de saneamento: barragens, tubos, canais, reservatórios, estações de
tratamento etc.;



Rodovias: pavimentação de concreto, pontes, viadutos, passarelas, túneis, galerias, obras de
contenção etc.;



Estruturas diversas: elementos de cobertura, chaminés, torres, postes, mourões, dormentes,
muros de arrimo, piscinas, silos, cais, fundações de máquinas etc. [Pinheiro, 2004]

1.10 - Materiais poliméricos
Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais, materiais
formados por ligações covalentes intramolecularmes e força secundarias intermoleculares, Os
plásticos e borrachas são exemplos de polímeros sintéticos, enquanto o couro, a seda, o chifre, o
algodão, a lã, a madeira e a borracha natural são constituídos de macromoléculas orgânicas naturais.
Os polímeros são baseados nos átomos de carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e em
outros elementos não metálicos. A ligação química entre átomos da cadeia é covalente, enquanto a
ligação inter cadeias é fraca, secundária, geralmente dipolar. Os materiais poliméricos são
geralmente leves, isolantes elétric

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