Materiais Estruturais
Materiais Estruturais
PROF: ANDRE JAQUESFinalidade das EstruturasA finalidade da
estrutura transmitir para o solo as cargas que atuam no edifcio.
Essa ao pode ser simplificada atravs de duas aes elementares: puxar
e empurrar, ou seja, tracionar e comprimir.Por mais que as cargas
sejam numerosas e variadas e a estrutura seja geometricamente
complicada, seus elementos so puxados pelas cargas e se esticam, ou
so empurrados e se encurtam. Em linguagem estrutural, as cargas
tensionam a estrutura, que sofre desgaste sob tenso.Os materiais
estruturais sofrem alongamento sob trao e encurtamento sob
compresso. Essas deformaes so variveis em funo das propriedades
desses materiais e do carregamentoaplicado.
Elasticidade e Plasticidade
A resistncia no a nica propriedade necessria a todos os
materiais estruturais. As cargas podem agir sobre uma estrutura de
forma permanente, intermitente ou apenas por um breve perodo, mas
os elementos estruturais no devem alongar-se e encurtar-se
indefinidamente, e as deformaes devem desaparecer quando a ao da
carga termina. A primeira condio garante que o material no se
estique ou se retraia a ponto de se romper sob a ao das cargas. A
segunda assegura que o material e, portanto, a estrutura, retorne
forma original quando livre da carga.Sempre que caminhamos sobre
uma ponte de madeira notamos que as tbuas cedem, ainda que
minimamente, sob nosso peso. Assim que o peso do nosso corpo
retirado da tbua, essa volta ao seu estado original.A propriedade
elstica de um material relaciona-se com o fato desse material
retornar ao estado original aps a retirada de um carregamento.
Elasticidade
a capacidade de voltar forma original aps sucessivos ciclosde
carga e descarga. A deformao elstica reversvel, ou seja,desaparece
quando a tenso removida. Todos os materiais estruturais
comportam-se com elasticidade se as cargas forem mantidas dentro de
valores limitados especficos. Quando as cargas ultrapassarem tais
valores, os materiais apresentam deformaes maiores, que esto fora
de proporo com as cargas. Tais deformaes, que no desaparecem quando
as cargas cessam, so chamadas de deformaes permanentes ou
residuais. Quando isso acontece, diz-se que o material comporta-se
plasticamente. Se as cargas continuam a aumentar depois do
aparecimento de comportamento plstico, os materiais logo entram em
colapso.
Plasticidade
a propriedade do material de no voltar forma original aps a ao
dedeterminada carga e descarga. A deformao plstica no reversvel, ou
seja, no desaparece quando a tenso removida. A propriedade plstica
til para fins de anlise estrutural. Por exemplo, se carregarmos uma
estrutura progressivamente e medirmos as deformaes crescentes,
teremos o aviso de que aestrutura corre risco de colapso logo que
constatarmos que as deformaes aumentam mais que as cargas. Os
materiais que se comportam elasticamente sob cargas relativamente
pequenas e plasticamente sob cargas mais altas no atingem o ponto
de ruptura de repente. Quando tais materiais param de se comportar
elasticamente, prosseguem se deformando sob cargas crescentes at
que passam a faz-lo mesmo sem um aumento de carga, ou seja, quando
atingem o patamar de escoamento.Os materiais que no sofrem
escoamento so chamados de frgeis e no podem ser utilizados em
estruturas porque se comportam elasticamente at o ponto de ruptura
e rompem-se subitamente, sem nenhum aviso. Essa a razo pelas quais
o vidro no pode ser usado em estruturas, embora alguns tipos de
vidro apresentem maior resistncia a trao e a compresso que o ao.
Portanto resistncia, elasticidade e plasticidade so propriedades
necessrias para umcomportamento estrutural adequado.
AO
O ao uma liga metlica, com propriedades especficas, sobretudo de
resistncia e de ductilidade, constituda basicamente de ferro e
carbono (de 0,002% at 2,00%), obtida pelo refino do ferro gusa,
sendo que o refino o processo onde se obtm a reduo dos teores de
carbono, silcio e enxofre contidos no ferro gusa.So produzidos aos
para a indstria em forma de perfis, chapas, vergalhes e fios.O
processo siderrgico o processo para a obteno do ao. Este processo
se inicia com a chegada do minrio de ferro na siderrgica at a
obteno do produto final (ao).
Material Estrutural
As propriedades mecnicas definem o comportamento dos aos quando
sujeitos a esforos mecnicos e correspondem s propriedades que
determinam a sua capacidade de resistir e transmitir esforos que
lhe so aplicados, sem que rompam ou tenham deformaes excessivas.Os
tratamentos trmicos dos aos so feitos por alteraes da velocidade de
esfriamento e da temperatura de aquecimento, ou da queda de
temperatura na qual so esfriados os materiais.O ao utilizado em
estruturas principalmente para suprir a baixa resistncia trao
apresentada pelo concreto. No entanto, como o ao resiste bem tanto
a trao quanto compresso, poder absorver esforos tambm em regies
comprimidas do concreto. Os aos para concreto armado so fornecidos
sob a forma de barras e fios de seo circular, com propriedades e
dimenses padronizadas por norma.O ao sofre um processo de fadiga
quando submetido sucessivamente trao e compresso e esse ciclo
repetido vrias vezes. Fazemos uso de tal fenmeno para quebrar um
fio de arame, aodobr-lo para frente e para trs vrias vezes.
CONCRETO ARMADO
Combinando a resistncia compresso do concreto e a resistncia
trao do ao, obtemos o material estrutural chamado de concreto
armado. Entre suas caractersticas, podemos destacar o fato de o
concreto armado poder ser moldado facilmente atravs de formas
adequadas, disponvel a relativo baixo custo e a prova de
fogo.Esquematicamente pode-se indicar que a pasta o cimento
misturado com a gua, a argamassa a pasta misturada com a areia, e o
concreto a argamassa misturada com a pedra ou brita, tambm chamado
concreto simples (concreto sem armaduras).
Material Estrutural
Concreto armado = concreto simples (pasta + agregados) +
armadura + aderncia.
O trabalho conjunto do concreto e do ao possvel porque os
coeficientes de dilatao trmica dos dois materiais so praticamente
iguais. Outro aspecto positivo que o concreto protege o ao da
oxidao (corroso), garantindo a durabilidade do conjunto. Porm, a
proteo da armadura contra acorroso s garantida com a existncia de
uma espessura de concreto entre a barra de ao e a superfcie externa
da pea (denominado cobrimento), entre outros fatores tambm
importantesrelativos durabilidade, como a qualidade do concreto,
por exemplo.
MADEIRA
A madeira tem resistncias diferentes trao e compresso e, alm
disso, se comporta de diferentes maneiras conforme submetida a
foras na direo do veio ou em ngulo reto em relao a ele. Para
superar essa peculiaridade, lminas de madeira com fibras orientadas
em direes diferentes podem ser aderidas com colas plsticas,
formando o compensado laminado, que temaproximadamente as mesmas
propriedades de resistncia me todas as direes. A madeira um dos
poucos materiais naturais com alta resistncia trao e foi usada no
decorrer da histria em vigas e outros elementos submetidos a foras
de trao. Entretanto, a madeira queima a temperaturas baixas e deve
receber tratamento contra o fogo, embora tal tratamento diminua a
sua resistncia.
Material Estrutural
Cimento PortlandANDRE JAQUESOrigem histricaO surgimento do
cimento se evidencia no tempo das pirmides do Antigo Egito, onde a
preocupao em construir as magnficas obras fez os egpcios
desenvolverem um tipo de cimento fabricado pela mistura de um gesso
calcinado.
Nas construes romanas, como no Panteo de Agripa e o Coliseu, foi
criado um tipo de cimento mais sofisticado. Foi desenvolvido uma
argamassa que continha areia, pedaos de telhas, calcrio calcinado e
cinzas vulcnicas.13Origem histricaPor meados do sculo XVIII, o
engenheiro britnico John Smeaton, foi designado a produzir um
cimento capaz de resistir a ao da eroso da gua do mar. Assim com o
emprego de cinza vulcnica originaria da Itlia, John conseguiu
fabricar um cimento de excelente qualidade, que foi empregado na
construo do Farol de Eddystone, edificao essa que resistiu a mais
de um sculo em perfeito estado.James Parker, tambm britnico, criou
um novo tipo de cimento por volta do ano de 1796, atravs da
calcinao de ndulos de calcrio impuro contendo argila (cimento
romano).
14Origem histricaO chamado Cimento Portland foi criado no ano de
1824, quando Joseph Aspdin queimou em um forno de alvenaria em
forma de garrafa pedras calcrias e argila. Ao observar seu
experimento, Joseph percebeu que aps sua secagem, a mistura
tornava-se to dura quanto as pedras que deram origem ao p fino.
Assim Joseph no mesmo ano patenteia sua criao com o nome de cimento
Portland. Esse nome se deve a semelhana da cor, durabilidade e
solidez das rochas da ilha britnica de Portland.15definioO cimento
Portland o produto obtido pela pulverizao do clnquer, constitudo
essencialmente de silicatos hidrulicos de clcio, com uma certa
proporo de sulfato de clcio natural.O cimento Portland um p fino
com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que
endurece sob ao da gua. Depois de endurecido, mesmo que seja
novamente submetido ao da gua, o cimento Portland no se decompe
mais.16CONSTITUINTESO cimento Portland composto de clnquer e de
adies. O clnquer o principal componente e est presente em todos os
tipos de cimento Portland. As adies podem variar de um tipo de
cimento para outro e so principalmente elas que definem os
diferentes tipos de cimento.Os constituintes fundamentais do
cimento Portland so a cal (CaO), a slica (SiO2), a alumina (Al2O3),
o xido de ferro (Fe2O3), magnsia (MgO) e pequena porcentagem de
anidrito sulfrico (SO3).17CONSTITUINTESCal, slica, alumina e xido
de ferro so os componentes essenciais do cimento Portland e
constituem cerca de 95 a 96% do total na anlise de xidos.
A mistura das matrias-primas que contenha, em propores
convenientes, estes constituintes finamente pulverizada e
homogeneizada submetida a ao do calor at a temperatura de fuso
incipiente, que resulta na obteno do clnquer. Nesse processo
ocorrem combinaes qumicas que conduzem formao dos seguintes
compostos:18CONSTITUINTESSilicato Triclcico (3CaO SiO2 = C3S);
Silicato Biclcico (2CaO SiO2 = C2S);
Aluminato Triclcico (3CaO Al2O3 = C3A);
Ferro Aluminato Tetraclcico ( 4CaO Al2O3 FeO3 =
C4AFe)19CONSTITUINTESO silicato triclcico o maior responsvel pela
resistncia em todas as idades, especialmente at o fim do primeiro
ms de cura;O silicato biclcico adquire maior importncia no processo
de endurecimento em idades mais avanadas;O aluminato triclcico
tambm contribui para a resistncia, principalmente no primeiro dia.O
ferro aluminato tetraclcio em nada contribui para a
resistncia20Propriedades fsicasAs propriedades fsicas do cimento
Portland so consideradas sob 3 aspectos distintos:
do produto em sua condio natural em p;
da mistura de cimento e gua e propores convenientes de
pasta;
da mistura da pasta com agregado padronizado.
21Propriedades fsicasDensidade: a densidade absoluta do cimento
usualmente considerada 3,15. A densidade aparente de 1,50.
Na pasta de cimento a densidade um valor varivel com o tempo,
aumentando medida que progride o processo de hidratao. Este fenmeno
chamado de retrao e ocorre nas pastas, argamassas e
concretos.22Propriedades fsicasFinura: uma noo relacionada com o
tamanho dos gros. definida de duas maneiras: pelo tamanho mximo do
gro e pelo valor da superfcie especfica.
A superfcie especfica do produto o fator que governa a
velocidade da reao de hidratao e tem tambm influncia nas qualidades
de pasta, das argamassas e dos concretos23Propriedades fsicasTempo
de pega: o fenmeno da pega do cimento compreende a evoluo das
propriedades mecnicas da pasta no incio do processo de
endurecimento. um fenmeno artificialmente definido como o momento
em que a pasta adquire certa consistncia que a torna imprpria para
o uso.No processo de hidratao, os gros de cimento que inicialmente
estavam em suspenso se aglutinam paulatinamente uns aos outros
atravs do efeito de floculao, construindo um esqueleto slido
responsvel pela estabilidade da estrutura geral24Propriedades
fsicasA caracterizao da pega do cimento feita pela determinao de
dois tempos distintos: o tempo de incio e o tempo de fim de pega.O
ensaio para determinao do tempo de pega do cimento feito com pasta
de cimento, de consistncia normal, e geralmente com o aparelho de
Vicat. Nesse aparelho mede-se a resistncia penetrao de uma agulha
na pasta de cimento.Em canteiro pode-se fazer o ensaio para
determinar o tempo de pega de forma grosseira. Devem ser elaboradas
uma srie de pequenas bolas de pasta e, posteriormente, esmag-las
com os dedos. Quando o esmagamento deixa de ser plstico, tm-se o
incio da pega. Quando as bolas se esfarinham, tm-se o fim da
pega.25Propriedades fsicasResistncia: A resistncia mecnica dos
cimentos determinada pela ruptura compresso de corpos de prova
realizados com argamassa. No Brasil, o corpo de prova um cilindro
de 10 cm de altura e 5 cm de dimetro. Os corpos de prova aps
executados so conservados em cmara mida por 24 horas, e a seguir
imersos em gua at a data do rompimento, geralmente executado no 1,
3, 7 e 28 dias.A NBR 5732 exige aos 3 dias de idade, resistncia
mnima de 8 Mpa, aos 7 dias 15 Mpa e aos 28 dias 25
MPa26Propriedades fsicasExsudao: A exsudao um fenmeno de segregao
que ocorre nas pastas de cimento. Os gros de cimento, sendo mais
pesados que a gua que os envolve, so forados, por gravidade a
sedimentao. Resulta dessa tendncia um afloramento do excesso de
gua, expulso das pores inferiores. Este fenmeno ocorre antes do
incio da pega.27Propriedades QUMICASEstabilidade: uma caracterstica
ligada ocorrncia eventual de expanses volumtricas aps o
endurecimento do concreto. Resulta da hidratao da cal livre, que ao
se hidratar aps o endurecimento aumenta de volume provocando a
microfissurao interna, podendo causar a desagregao do material.Para
determinao da estabilidade do cimento faz-se ensaios de expanso em
autoclave, onde a pasta de cimento submetida a um processo de
endurecimento acelerado em elevada temperatura, forando o
aparecimento da expanso resultante pela hidratao da cal livre.
(NBR-7215)28Propriedades qumicasCalor de hidratao: durante o
processo de endurecimento do cimento, considervel quantidade de
calor se desenvolve nas reaes de hidratao. O desenvolvimento de
calor varia com a composio do cimento, especialmente com as
propores de silicato e aluminato triclcicos.
O calor de hidratao do cimento Portland varia entre 85 e 100
cal/g, reduzindo-se a ordem de 60 a 80 cal/g nos cimentos de baixo
calor de hidratao.29classificaoEm cada pas, a indstria produz os
cimentos padronizados pelo organismo normalizador nacional. No
Brasil so produzidos vrios tipos de cimento oficialmente
normalizados. So conhecidos como cimento Portland comum,
modificado, de alta resistncia inicial, de baixo calor de hidratao
e resistente a sulfatos.
Fabrica-se tambm no Brasil o cimento Portland branco, no
estrutural.30classificao
31classificaoO cimento tipo 1 o cimento Portland comum utilizado
nos trabalhos gerais de construo;O cimento tipo 2 conhecido como
modificado ou composto um cimento de moderado calor de hidratao;O
cimento tipo 3 o cimento de alta resistncia inicial, por possuir
maior quantidade de silicato triclcico e maior finura;O cimento
tipo 4 um cimento de calor de hidratao muito baixo, destinado ao
emprego em construes volumosas;O cimento tipo 5 o cimento destinado
ao emprego em obras onde a resistncia a guas sulfatadas
importante.32FABRICAOO cimento Portland atualmente produzido em
instalaes industriais de grande porte, localizadas prximas as
jazidas e aos centros consumidores.A fabricao do cimento Portland
comporta seis operaes principais:Extrao da matria
prima;Britagem;Moedura e mistura;Queima;Moedura do
clnquer;Expedio.33FABRICAOAps extrada a matria prima, quando
rochosa, submetida britagem para reduo do tamanho dos gros. Aps o
processo de britagem, os materiais so encaminhados para depsitos
apropriados, onde so encaminhados para a linha de produo que pode
ser por via seca ou via mida.No processo por via seca a matria
conduzida a uma estufa, onde convenientemente secada. Aps este
processo os materiais argilosos e calcrios so conduzidos aos
moinhos e silos, onde so reduzidos a gros de pequenos tamanhos em
mistura homognea, ficando armazenadas nos silos aguardando a
queima.34FABRICAONo processo por via mida, a argila misturada com
gua, formando uma lama espessa. Em seguida o calcrio britado
adicionado a mistura, que conduzida ao moinho. A lama resultante,
aps a moedura do calcrio, conduzida aos silos de homogeneizao, onde
so feitas eventuais correes qumicas. Posteriormente a mistura
levada ao silos de armazenamento de cru.Nesse estgio, os dois
processos novamente se encontram, procedendo para alimentao do
forno.35FABRICAOA mistura encaminhada ao forno, onde fica por cerca
de 3 a 4 horas em processo de queima. O material resultante chamado
de clnquer, e sai do forno em elevada temperatura, sofrendo
processo de resfriamento mediante corrente de ar ou por ao de gua;O
clnquer resfriado encaminhado para depsitos apropriados e
posteriormente para moagem;O clnquer entra no moinho com a parcela
de gipsita natural dosada;36FABRICAOO clnquer pulverizado conduzido
para os separadores de ar, um ciclone que reconduz ao moinho os
gros de tamanho grande e dirige os de menor tamanho, o cimento
propriamente dito, para os silos de estocagem;O produto acabado
ento ensacado automaticamente em sacos de papel ou encaminhado a
granel para os veculos de transporte.A produo anual de cimento no
mundo alcana 300.000.000 de toneladas, e no Brasil da ordem de
5.000.000 de toneladas.37
