1 - Introduo

Os materiais esto em nossa vida e cultura todo o tempo. Nos mais variados eventos da

sociedade humana, em todos os seguimentos de nossa vida diria ocorrem influencias em

maior e menor grau pelos materiais.

Historicamente, o desenvolvimento e o avano das sociedades tm estado intimamente

ligados s habilidades de seus membros em produzir e manipular os materiais para

satisfazer suas necessidades. Ex. Idade da Pedra, Idade do bronze, etc.

Os primeiros materiais so advindos da natureza pura, sendo: pedra, madeira, argila e

peles de animais. Com o passar do tempo, o homem passa a desenvolver tcnicas para

uso das cermicas e metais. Foram sendo descobertas alteraes das propriedades naturais

dos materiais a partir de tratamentos trmicos e qumicos.

Porque estudar Cincia e Engenharia de Materiais?

Muitos cientistas e Engenheiros iro se deparar vez ou outra com um problema de projeto

que envolve materiais: Ex. Pontes, Barragens, Petrleo, Navios, Aeroportos, Ferrovias,

etc.

Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleo do material correto dentro

de uma infinidade de materiais disponveis. Existem vrios critrios para a deciso final.

Cincia dos Materiais: Envolve a investigao das relaes entre as estruturas e

as propriedades dos materiais.

Engenharia dos Materiais: Consiste, com base nessas correlaes estrutura-

propriedade, no projeto ou na Engenharia da estrutura de um material para

produzir um conjunto de propriedades pr-determinadas. Busca relacionar as

propriedades dos materiais e os elementos estruturais.

Informaes fundamentais para a especificao dos materiais:

i) Condies de servio: Definem as propriedades que o material deve possuir.

ii) Deteriorao das propriedades dos materiais que possa ocorrer durante a operao

em servio.

iii) Fatores econmicos e ambientais. Qual o custo final do material e os riscos

ambientais?

Quanto mais familiarizado estiver um Engenheiro ou cientista com as vrias caractersticas e relaes estrutura- propriedade, assim como as tcnicas de

processamento de materiais, mais capacitado e confiante estar para fazer

escolhas ponderadas de materiais com base nestes critrios.

Estrutura dos materiais: se refere, em geral, ao arranjo dos componentes internos de

um material. Pode ser estudada sob trs aspectos: Atmica / Microscpica /

Macroscpica.

Por Callister, pg. 3, temos:

[...] a estrutura de um material refere-se em geral, ao arranjo de seus componentes

internos.

[...] Em servio, todos os materiais so expostos a estmulos externos que causam algum

tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra submetida a uma ao de foras deformar,

ou uma superfcie metlica polida refletir a luz. Uma propriedade uma caracterstica

de um dado material em termos do tipo e e da magnitude da sua resposta a um estmulo

especfico que lhe imposto.

[...] so independentes da forma e do tamanho do material.

Propriedades dos materiais: uma propriedade consiste de uma peculiaridade de um

dado material em termos do tipo e da intensidade de sua resposta a um estmulo especfico

que lhe imposto. Geralmente, as definies de propriedade so feitas de uma maneira

independente de forma e tamanho do material

a) Mecnica: Relacionam a deformao aplicao de uma carga ou fora.

b) Eltrica: Condutividade, constante dieltrica, campo eltrico.

c) Trmica: capacidade calorfica, condutividade trmica, dilatao.

d) Magntica: Resposta de um material aplicao de um campo magntico.

e) ptica: Luminosidade, ndice de refrao, refletividade.

f) Deteriorativa: Reatividade Qumica dos materiais.

Alm da Estrutura e Propriedades, existem outros 2 aspectos muito importantes

envolvidos na Cincia e Engenharia dos Materiais: Processamento e Desempenho.

Temos desta forma uma sequncia de inter-relao linear:

Em relao a estes 4 itens, a estrutura de um material vai depender da maneira como ele

ser processado e tambm, o desempenho de um material funo de suas propriedades.

Processamento Estrutura Propriedades Desempenho

Exemplo da fabricao do vidro

O desempenho do material est ligado s propriedades da placa de vidro. Estas

propriedades so apoiadas na estrutura do vidro e a estrutura ser produto do processo de

fabricao do vidro. bem simples de entender.

Exemplo do cimento Portland

Em funo do uso pode ser produzido para atender a muitas demandas diferentes, porque

pode-se ter necessidades tcnicas de projeto, pode-se requerer por exemplo Alta

Resistncia Inicial, maior resistncia, etc.

2 - Propriedades dos materiais

a) Mecnica: Relacionam a deformao aplicao de uma carga ou fora.

As propriedades mecnicas so fundamentais para garantir o adequado desempenho do

material. Por este motivo, muito importante que os profissionais de Engenharia tenham

conhecimento sobre este assunto, para escolher, especificar e aplicar os materiais

adequados para solucionar as demandas de servio.

Ex. Caractersticas com relao a esforos solicitantes tais como trao, compresso,

flexo e toro.

b) Eltrica: Condutividade, constante dieltrica, campo eltrico.

As propriedades eltricas dos materiais so importantes com relao ao projeto e

dimensionamento das instalaes eltricas e tambm os sistemas eltricos de potncia,

sistema de proteo contra descargas atmosfricas SPDA.

Conhecer estas propriedades funo dos Engenheiros, pois no momento de elaborao

de projetos e escolher materiais, estas peculiaridades so muito consideradas para

atendimento das normas ABNT.

c) Trmica: capacidade calorfica, condutividade trmica, dilatao.

As caractersticas propriedades trmicas dos materiais so assuntos fundamentais no

dimensionamento de equipamentos e estruturas. Em funo destas propriedades, a

estabilidade estrutural e o desempenho dos materiais poder ser varivel. A conduo

trmica deve ser considerada no projeto de edificaes, para atender as normas ABNT.

d) Magntica: Resposta de um material aplicao de um campo magntico.

Esta propriedade deve ser considerada principalmente nos projetos e montagem dos

equipamentos eletroeletrnicos. Podemos tambm destacar esta propriedade nas

turbinas dos sistemas de gerao de energia eltrica.

e) ptica: Luminosidade, ndice de refrao, refletividade.

Estas propriedades de materiais so importantes em diversos ramos da Engenharia, com

destaque para as lentes de equipamentos de telescopia, projetos de equipamentos

considerando as capacidades reflexivas e luminosas, como no caso de tintas para placas

de trnsito por exemplo.

f) Deteriorativa: Reatividade Qumica dos materiais.

Esta propriedade est ligada diretamente ao desempenho dos materiais, pois em funo

de ambientes qumicos agressivos, a vida til dos materiais pode ser muito reduzida.

Podemos citar exemplos tais como a maresia nas regies litorneas ocenicas.

3 Materiais Usuais em Engenharia

Os materiais slidos foram agrupados de acordo com as seguintes classificaes:

a) Metais

b) Cermicas

c) Polmeros

d) Compsitos

e) Semicondutores

f) Biomateriais

Materiais Avanados

So os materiais que passaram por processos de alta tecnologia, materiais tradicionais

que foram aprimorados para obter um alto desempenho. Ex. CD, LCD, fibra ptica, etc.

Materiais do Futuro

So os chamados materiais inteligentes, dotados de censores atuantes em funo de

estmulos mecnicos, trmicos, pticos e eltricos, componentes da robtica.

Necessidades dos materiais modernos

A sociedade moderna cada vez mais incentiva novos desafios tecnolgicos, e desta, forma

aumenta a necessidade do desenvolvimento de materiais cada vez mais sofisticados e

especializados.

Um desafio a ser vencido a questo ambiental, visto que muitos materiais em suas

pesquisas e desenvolvimento e processos de produo acabam criando situaes de

grandes riscos ao meio ambiente, e novas tecnologias para a reduo dos impactos e

tambm para remediar os danos j causados, tambm representam desafios para cincia

e Engenharia dos materiais.

O universo de materiais diferentes para as muitas demandas a serem solucionadas

bastante grande. No seria possvel em curto espao de tempo citar e explicar uma

quantidade to grande de informaes.

Entretanto, para o presente curso, poderemos estudar alguns importantes materiais

utilizados na Construo Civil, partindo de alguns projetos usuais como, por exemplo, a

construo de uma edificao residencial.

Para a construo de uma casa, existem muitos materiais a serem utilizados,

principalmente a partir das peculiaridades prprias de cada projeto. O padro construtivo

do empreendimento vai definir o grau de sofisticao dos materiais. Isto est ligado a

questo econmica e cultural do local e do proprietrio do imvel.

Entre alguns dos principais materiais utilizados na Construo Civil, podemos citar e

caracterizar detalhadamente:

Metais

Concreto: aglomerado formado por areia, cimento, rocha e gua.

Cermica

Madeira

Polmeros

Neoprene para apoio de pontes

Borracha

um material polimrico que possui vasto campo de aplicao, com destaque situaes

de vedao de juntas evitando a infiltrao de gua e encontro entre peas de materiais

rgidos, tais como vidros e metais por exemplo.

Asfalto

uma mistura entre derivados de petrleo e brita que responsvel por realizar a

impermeabilizao de aterros rodovirios visando garantir maior durabilidade das vias.

Utilizado em situaes de pavimentao flexvel.

Rochas

So materiais compsitos naturais com uma enormidade de aplicaes na Engenharia,

desde matria prima para processos industriais, at insumos para concreto e diversas

demandas da construo civil.

Solos para aterros

Existe uma grande variedade de solos na superfcie da terra. No caso de demandas para

execuo de aterros, necessrio que a partir das especificaes geotcnicas para o

material, seja encontrada uma jazida para emprstimo do solo, visando atender com boa

qualidade de material o empreendimento de obra.

Concreto Armado

um material que em sua essncia busca aproveitar o que h de melhor nas caractersticas

do aglomerado concreto e do ao.

O concreto um aglomerado formado por areia, brita e cimento.

O ao de construo uma liga metlica desenvolvida para atuar na armadura das

estruturas de concreto armado.

Catedral e Museu de Braslia

Ponte Rio Niteri

Materiais Impermeabilizantes

So produtos utilizados para proteger estruturas visando evitar ao agressiva da

umidade.

Existem vrios tipos, podemos citar mantas asflticas, polmeros aditivos para argamassa

e concreto e pinturas de proteo do tipo imprimao.

O que Fsico-qumica?

um conceito ligado a propriedades fsicas e qumicas dos materiais.

A Fsico-Qumica a cincia que nos proporciona instrumentos para interpretar e

dominar os fenmenos naturais. Na base dessa cincia encontram-se os princpios

fundamentais da termodinmica, classicamente ensinados a partir do comportamento

dos sistemas macroscpicos.

a disciplina que estuda as propriedades fsicas e qumicas da matria, atravs da

combinao de duas cincias: a fsica, onde se destacam reas como a termodinmica

e a mecnica quntica, e a qumica.

Suas funes variam desde interpretaes das escalas moleculares at observaes de

fenmenos macroscpicos.

A Fsico-qumica moderna possui reas de estudo importantes como a termoqumica,

cintica qumica, qumica quntica, mecnica estatstica e qumica eltrica.

A Fsico-qumica tambm fundamental para a cincia dos materiais.

O comportamento fsico-qumico dos materiais em servio refere-se aos eventos que

ocorrem com a estrutura dos materiais quando estes so aplicados. Cada vez mais so

pesquisados e utilizados produtos com maior capacidade de resistir aos agentes fsicos

e qumicos de servio.

O comportamento fsico-qumico dos materiais vai depender diretamente da

constituio molecular atmica e arranjo qumico. A partir destas caractersticas ser

possvel identificar quais so as propriedades dos materiais.

Com a informao das propriedades, ser possvel definir as aplicaes dos materiais.

A partir da especificao de materiais, poderemos realizar com segurana a escolha

do produto que vai solucionar nossa demanda.

Alguns fatores ambientais que influenciam no desempenho dos materiais podem ser

citados, tais como:

Intemperismos: ventos, chuvas e sol.

Atmosfera qumica: presena de ons agressivos, maresia, chuva cida.

Estes fatores podem modificar as propriedades fsico-qumicas dos materiais.

Por exemplo:

Qual a demanda?

A construo do palcio do Planalto em Braslia DF, para atender a demandas

administrativas do Governo Federal, com escritrios e sales para reunies, a partir

do projeto realizado por Oscar Niemeyer.

A partir da demanda de servio, definida pela especificao do produto, a empresa

que executou a obra buscou identificar no mercado os produtos que fornecessem a

resistncia de servio para o edifcio, garantindo durabilidade e segurana para a obra.

Alguns exemplos de materiais e suas aplicaes, observando o processo do

comportamento fsico-qumico em servio.

Casaro no Centro de Salvador BA

Ponte em arco feita com rochas na Estrada Real MG.

Museu da Inconfidncia Mineira em Ouro Preto MG

Arcos da Lapa no Centro do Rio de Janeiro RJ

Taj Mahal, em Agra, ndia

Pirmides de Giz, Egito

Igreja Nossa Senhora do Rosrio dos Pretos Diamantina MG

Ponte Darcy Mendona em Vitria ES

As imagens a seguir pertencem ao arquivo do Prof. Hiram e foram retiradas em visitas aos locais. No sero

apresentados os endereos destas imagens nesta aula.

Patologia em Pilar de Concreto

Armado

Manchas em

revestimento

cermico de

edificao

Descolamento de placas

cermicas em revestimento de

fachada.

Problemas na madeira

dos tapumes de obra

Problemas na

rampa para

veculos em lava

jato.

Situao de

contato

madeira

alvenaria em

edificao

Revestimento de rua

encontro

paraleleppedos de

rocha e blocos de

concreto

Patologias em

revestimento causadas

pela ao de chuva

Isotropia

Um material isotrpico algo que mantm suas propriedades intrnsecas em todas as

regies de seu corpo slido.

Ex. Um produto que foi fundido em condies controladas, como um metal ou polmero.

Anisotropia

Remete ao conceito oposto ao de isotropia, ou seja, um material que no mantm fixas

suas propriedades em diferentes regies de seu corpo slido.

Ex. uma pea de madeira com alguns ns presentes.

Elasticidade

Remete ao comportamento das borrachas, o termo elasticidade est ligado a capacidade

do corpo se deformar elasticamente aps uma determinada aplicao de carga fora.

Resilincia

um conceito que explica o fato de alguns corpos sofrerem presses de cargas e

apresentarem uma deformao elstica e posteriormente, voltarem exatamente a suas

caractersticas fsicas anteriores a aplicao das cargas externas.

Termo ligado ao poder de recuperao.

Esforos Simples

Os principais esforos simples a serem estudados em Resistncia dos Materiais so:

Esforo Normal

Esforo Cortante

Momento de Toro

Momento Fletor

Esforo Normal (N)

Soma algbrica das componentes, na direo normal seo, de cada uma das foras

atuantes de um dos lados desta seo.

responsvel pelos eventos de trao e compresso nas peas estruturais

Iamento de carga Trao Um pilar estrutural Compresso

Esforo Cortante (Q)

a soma vetorial das componentes, sobre o plano da seo, das foras situadas de um

dos lados desta seo.

Esforo de cisalhamento simples, tendncia de corte sobre um parafuso.

Momento de Toro (T)

O momento torsor atuante numa seo S a soma algbrica dos momentos das foras

situadas de um dos lados desta seo em relao ao eixo normal seo que contm

o seu centro de gravidade.

Momento Fletor a soma vetorial das componentes, sobre o plano da seo, dos momentos de todas

as foras situadas de um dos lados da seo em relao ao seu centro de gravidade.

[...] A anlise Estrutural a parte da Mecnica que estuda as Estruturas, consistindo

este estudo na determinao dos esforos e das deformaes a que elas ficam

submetidas quando solicitadas por agentes externos (cargas, variaes trmicas,

movimento de apoios, etc.). (Sussekind, 2001)

[...] As estruturas se compem de uma ou mais peas, ligadas entre si e ao meio

exterior de modo a formar um conjunto estvel, isto , um conjunto capaz de receber

solicitaes externas, absorv-las internamente e transmiti-las at seus apoios, onde

estas solicitaes externas encontraro seu sistema esttico equilibrante.

1. Conceitos bsicos

As peas que compem as estruturas, possuem, evidentemente, trs dimenses. Trs

casos podem ocorrer:

i) Duas dimenses pequenas em relao 3;

ii) Uma dimenso pequena em relao a outras 2;

iii) As 3 dimenses considerveis

2. As grandezas fundamentais Fora e Momento

2.1 As foras so grandezas vetoriais, caracterizadas por direo, sentido e

intensidade. Sua unidade kN.

No espao possuem componentes X, Y e Z.

2.2 Chama-se momento M de uma fora F em relao a um ponto O ao produto

vetorial do vetor OM pela fora F.

2.3 Reduo de um sistema de foras a um ponto.

Conceito Fsico:

Para reduzir um sistema de foras a um determinado ponto do espao, basta transferir

todas as foras para este ponto, acrescentando para cada uma delas, seu momento em

relao a este ponto.

Um sistema de foras ento redutvel a uma Resultante R e a um momento resultante M em relao a qualquer ponto O do Espao.

2.4 Conceito de tenso

A Tenso um conceito ligado a aplicao de uma determinada fora em uma rea

limitada. semelhante ao estudo das presses, entretanto, para a Resistncia dos

Materiais slidos, a potencial resistncia tenso um importante fator para o

dimensionamento das estruturas.

uma varivel utilizada para a escolha dos materiais a serem adotados nas demandas de

engenharia. Por exemplo, materiais com altas tenses de resistncia aos esforos

solicitantes so utilizados em estruturas, como o caso de concreto armado, ao e

madeiras.

2.4.1 Tenso de projeto ou trabalho

o valor da tenso de projeto, calculada pelo responsvel tcnico de projeto estrutural

para a escolha do material a ser aplicado na estrutura. Esta tenso ser o esforo que

dever ser resistido pelo material em sua situao de trabalho.

Ex. Cargas em pontes, cargas de vento, cargas verticais em edifcios, etc.

2.4.2 Tenso Admissvel

Esta varivel est vinculada ao material a ser aplicado, este valor referente a Resistncia

do Material aos esforos estruturais. Valores de tenses e esforos superiores a esta tenso

admissvel nas estruturas podem inviabilizar a aplicao de determinados tipos de

materiais.

Ex. a tenso admissvel do ao normalmente superior da madeira, por isso, comum

utilizao de ao em situaes de grandes esforos solicitantes como guindastes.

2.4.3 Fator de Segurana

uma relao entre a tenso admissvel do material e a tenso de projeto. Utilizada para

o dimensionamento das peas estruturais garantindo a segurana do material para atender

as demandas de cargas e tenses das estruturas. Sempre dever ser maior que 1,0, caso

contrrio, o material no dever ser aplicado, porque no vai suportar a carga de trabalho.

3. Condies de equilbrio

Para um corpo, submetido a um sistema de fora, estar em equilbrio, necessrio

que elas no provoquem nenhuma tendncia de translao nem rotao a este corpo.

Assim, em X, Y, Z, deveremos ter:

Resultante de foras R = 0

Resultante de momentos M = 0

3.1 Casos particulares importantes

3.1.1 Sistema de foras concorrentes no espao

As foras so aplicadas em um determinado ponto do espao, para equilbrio a resultante

dever ser nula. No haver momento para esta situao.

3.1.2 Sistema de foras paralelas no espao

Foras que no so concorrentes, nesta situao a soma de momentos dever ser nula

juntamente com a soma de foras no eixo de paralelismo.

3.1.3 Sistemas de foras coplanares

So foras localizadas em um determinado plano, devero se nulas as resultantes dos

eixos do plano e o momento em determinado ponto O deste plano.

4. Graus de liberdade

Uma estrutura possui 6 graus de liberdade, sendo 3 de movimentos de translao e 3

de movimentos de rotao.

evidente que estes 6 graus de liberdade precisam ser restringidos, de modo a evitar

toda tendncia de movimento da estrutura, garantindo seu equilbrio.

Esta restrio dada por apoios, que devem impedir as tendncias de movimento,

atravs do aparecimento de reaes sobre a estrutura, nas direes dos movimentos

que eles impedem, isto , dos graus de liberdade que eles restringem.

Estas reaes de apoio se oporo s cargas aplicadas estrutura, formando este

conjunto de cargas e reaes um sistema de foras em equilbrio, e regidas, pelos

grupos de equaes j citados.

4.1 Apoios de estruturas planas carregadas no prprio plano

a) Apoio do 1 gnero ou charriot 1 reao vertical.

b) Apoio do 2 gnero, articulao ou rtula 1 reao vertical e 1 horizontal.

c) Apoio do 3 gnero ou engaste 1 reao vertical, 1 horizontal e 1 momento

4.2 Estaticidade e Estabilidade

Podem ocorrer 3 casos:

a) Os apoios so em nmero estritamente necessrios para impedir todos os

movimentos possveis da estrutura. Relao de equilbrio estvel estrutura

isosttica.

b) Os apoios so em nmero inferior ao necessrio para impedir todos os

movimentos possveis da estrutura. Estrutura hiposttica equilbrio instvel.

c) Os apoios so em nmero superior ao necessrio para impedir todos os

movimentos possveis da estrutura. Equilbrio estvel e a estrutura

hiperesttica.

5. Esforos Simples

Um sistema de foras atuando sobre um corpo, encontra seu equilbrio atravs de

reaes de apoio que provocam. Vejamos os efeitos estticos que estas carga e reaes

provocam em cada uma das sees do corpo.

a) N Esforo Normal

Soma algbrica das componentes, na direo normal seo, de cada uma das foras

atuantes.

Conceitos de TRAO e COMPRESSO.

b) Q Esforo Cortante

Definimos, ento, esforo cortante atuante numa seo com sendo igual soma

vetorial das componentes, sobre o plano da seo, das foras situadas de um dos lados

desta seo.

Conceito de CISALHAMENTO (tendncia de corte).

c) T momento de Toro

Definimos, ento, momento torsor atuante numa seo S como sendo a soma algbrica

dos momentos das foras situadas de um dos lados desta seo em relao ao eixo

normal seo que contm o centro de gravidade.

Tendncia de giro da estrutura eixos de rotao

d) M Momento Fletor

Definimos, ento, como momento fletor atuante numa seo, soma vetorial das

componentes, sobre o plano da seo, dos momentos de todas as foras situadas de

um dos lados da seo em relao ao seu centro de gravidade.

CALLISTER JR. W. D. Cincia e Engenharia de Materiais: uma Introduo. 5

ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000.

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SUSSEKIND, J. C., Curso de Anlise Estrutural 1 Estruturas Isostticas. 11 ed.

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* Todas as imagens foram obtidas pelo Google imagens a partir de pesquisas dos

temas.

Bibliografia Complementar

BAUER, L. A. Falco. Materiais de Construo Volumes 1 e 2: Novos Materiais

para Construo Civil. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014.

BRANCO, C. A. G. M. Mecnica dos Materiais. Fundao Calouste Gulbenkian,

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ASKELAND, D. R E PHUL, P. P. Cincia e Engenharia dos Materiais. Editora

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JONES, D.; ASHBY, M. Engenharia de Materiais. Rio de Janeiro: Campus, 2007.

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GERE, J. M.; GOODNO, B. J. Mecnica dos Materiais. 7 ed. So Paulo: Cengage

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D. R. Askeland e P. P. Phul, The Science and Engineering of Materials, Cengage

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