Materiais de Construção - Ibracon - C1

CAPÍTULO 1  A CIÊNCIA E A ENGEN ENGENHA HARIA RIA DOS MATERI MA TERIA A IS DE CONSTR CONSTRUÇÃ UÇÃO O CIVIL Geraldo Cechella Isaia UFSM

INTRODUÇÃO • Recurso natural qualquer insumo de que os organismos, as populações e os ecossistemas necessitam para a sua manutenção. a. recursos renováveis : aqueles que, após utilizados, ficam disponíveis novamente graças aos ciclos naturais, como a água (ciclo hidrológico), o ar, a biomassa e a energia eólica; b . recursos não -renováveis: -renováveis : aqueles que, uma vez utilizados, não se renovam por meios naturais. Podem ser subdivididos em duas classes: i. minerais energéticos : combustíveis fósseis (carvão mineral, petróleo, urânio); ii. minerais não-energéticos: são minerais como ferro, calcário, argilas em geral, etc..

INTRODUÇÃO II • Os recursos naturais são compostos de m at ér i a, isto é, qualquer substância, sólida, líquida ou gasosa, que ocupa lugar no espaço. • Sob o ponto de vista utilitário, materiais são substâncias com propriedades úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos, ou seja, os materiais que o homem utiliza para “fazer coisas” (Cohen, 1987). • Historicamente, o desenvolvimento do homem esteve ligado à sua habilidade em detectar, manipular e aperfeiçoar os materiais disponíveis para atender suas necessidades de manutenção, proteção, abrigo ou religiosidade (Figuras 1 e 2).

Materi teria ais na n atu turais rais usa us ado doss na Ant Antigu iguida idade de

•Figura Figu ra 1 – Stonehenge (2075 a.C.): monumento megalítico da Idade do Bronze, Bronze, no condado de Wiltshire Inglaterra (Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Stonehe http://pt.wikipedia.org/wiki/Stonehenge). nge).

Materi teria ais na n atu turais rais usa us ado doss na Antig Ant igui uida dade de IIII

•Figura Figur a 2 – 2 – Muralha construída construída pelo Imperador Imperador romano Adriano Adriano (122 - 130 d.C.) no nordeste da Inglaterra, com 120 km de extensão.

Ciênc iêncii a e Eng nge enh nha ar ia de d e Ma Mat eri ria ai s • Ciência e Engenharia dos Materiais (CEM) definida, segundo Cohen (1987), como “a área da atividade humana associada com a geração e aplicação de conhecimento que relaciona composição, estrutura e processamento dos materiais às suas propriedades e usos”. • Trata-se do acoplamento, por um lado, da Ciência dos Materiais que engloba disciplinas científicas tradicionais (Física, Química, Matemática) e, de outro lado, com a Engenharia dos Materiais que estuda e desenvolve processos e aplicações dos materiais.

Figura 3 - Ciclo global dos materiais

Figura 4 Multidisciplinaridade da CEM

Figura 5 Áreas de conhecimento da CEM

Quadro 1 – Níveis de est estud udo/inf o/infor ormações mações sobr so bre e os ma m ate teri ria ais Classe Cla sse do estudo estu do Nível Escala Estrutura Exemplos

Técni Técnicas cas de d e ens ensaios aios Interpreta nterpr etação ção dos resultados Uso da informação inf ormação

Ciência dos Materiais

Ciênci a e Engenhari Ciência Engenharia a dos do s Materiais Materiais

Engenharia do dos s Materiais

microestrutural 10-7- 10-3 mm molecular moléculas de celulose silicatos de cálcio hidratado porosimetria a Hg microscopia eletrônica modelos estruturais teoria das deformações conhecimento novos materiais

mesoestrutural 10-3- 1 mm fases, grãos

macroestrutural >1 mm todo material

células da madeira pasta de cimento

madeira concreto

estrutura das fases

propriedades mecânicas

modelos multifásicos transferência de massa

diagramas gráficos

conhecimento parâmetros

custos, ensaios parâmetros

Imp mpor ortância tância do est estud uda a da esco escolh lha a do doss materiais •  A escolha de dado material para caso específico depende não somente do conhecimento técnico-científico do engenheiro, mas também de sua experiência acumulada, porque nem sempre o enfoque técnico leva à melhor solução com base em evidências aparentes. Além dessas questões, devem ser levadas em conta as questões ambientais: consumo de energia, poluição, descarte, etc. • Essas decisões devem ser tomadas na fase de projeto, em que, através de processos e métodos de cálculo baseados em modelos e conceitos estabelecidos, são escolhidos os materiais pelas suas propriedades conhecidas e testadas em laboratório ou obras.

Exe xemp mplo lo de esc scol olha ha de fc fckk do d o concr co ncre eto

Quadro 2 – Evolução comparativa de pilar curto calculado pela Norma Norueguesa NS 3473, em igualdade de carregamento (1992) (Helland, 1988).

 An  A no 1939 1963 1973 1989

Pila larr cu rt rto o de con oncr cre eto A rm ad ura f ck MP MPa a cm c m² Ín d ic e cm² Ín d ic e 29 40 x 40 1600 100 100 14,3 100 45 28 x 28 784 49 7,9 55 65 23 x 23 529 33 6,8 48 105 15 x 15 240 15 5,9 41

Figur a 6 – Figura 6 – Diagrama de seleção de materiais baseado na resistência em função da densidade. Foram construídas linhas-guia para os índices de desempenho (P) de 3, 10, 30 e 100 MPa2/3,m³/Mg, todas com inclinação de 3/2 (Callister Jr., 2002, p. 502).

Classi lassifificaçã cação o dos do s Ma Materi teria ais a) Metai Metaiss • Os metais são compostos de combinação de elementos metálicos que possuem grande elétrons livres, não ligados a qualquer átomo em particular, constituindo-se na denominada ligação metálica, que se configura numa “nuvem” eletrônica com o compartilhamento dos elétrons entre átomos vizinhos. As propriedades dos metais derivam dessa sua constituição: bons condutores de eletricidade e de calor, muito resistentes e deformáveis. • Dos 92 elementos químicos da Tabela Periódica, 70 têm caráter metálico predominante. A maioria foi descoberta nos últimos 250 anos ao passo que até um século atrás, com exceção de cerca de 20 elementos químicos, os demais

Fig igur ura a 7 – Eleme lement ntos os quími químico coss de desc scob obe ert rtos os nos últimos dois milênios milênios (Pa (Padi dill h a, 1997 1997,, p. 16).

Classi lassifificaçã cação o dos do s Ma Materi teria ais b) Ce Cerâmi râmica ca •  As cerâmicas são formadas por espécies químicas metálicas e não metálicas, com ligações iônicas e covalentes com elétrons ligados em posições definidas e fixas, o que lhes confere propriedades características como resistência mecânica, até maior que a dos metais, visto que os átomos não podem se deslocar de suas posições originais. • Por isso, apresenta baixa deformação na ruptura, o que lhes confere fragilidade, propriedade oposta à tenacidade dos metais. Outras propriedades derivadas de suas ligações químicas fortes são estabilidade a altas temperaturas, resistência ao ataque químico e isolamento

Cla lass ssifific ica açã ção o do doss ma mate teri ria ais c) Pol Políímero meross • Os polímeros se constituem em moléculas de cadeia longa com grupos repetitivos que apresentam ligações covalentes, geralmente muito fortes. Os principais elementos desta cadeia são C, H, O, N, F e outros elementos não metálicos.  As cadeias cadeias se se unem unem entre si por por ligações ligações secundárias (forças de van der Waals) relativamente fracas, resultando em deslizamento entre si quando são aplicadas forças externas, conferindo-lhes resistências mecânicas baixas. • Os polímeros apresentam como vantagens baixo custo, baixa densidade, facilidade de conformação em formas complexas. Em contrapartida, a sua resistência mecânica é relativamente baixa, são de difícil reparação e, em geral, possuem baixa

Qua uadr dro o 3 – Cons onsum umo o de d e pol polííme mero ross por p or habita habit ant nte e em div d ive ers rsos os paí países ses e regiõ regiõe es (Padilha, 1997).

País ou reg reg ião Prod ução ção to to tal tal – 10 t Po r h abita bitan n te - k g 22 63 Eur Europa Oc Ociidental dental Estados Unidos 21 89 2 80 Canadá 7 58 Japão 1,3 Índia 1  Amé  América rica do Su Sul 3 4,5 2  África  África 1 21  Áfric  África do do Su Sul 0,7 7 17,5 Ex- URSS

Cla lass ssifific ica açã ção o do doss ma mate teri ria ais d) Compó Compósit sitos os • Os materiais compósitos , também denominados de materiais conjugados ou compostos , são a união de dois ou mais materiais com o objetivo de obterem-se propriedades especiais não apresentadas isoladamente pelos seus componentes por meio da utilização de métodos convencionais. • Existem compósitos naturais tradicionais, como a madeira em que a matriz e o reforço são poliméricos, assim como a madeira compensada. No concreto estrutural, tanto a matriz à base de pasta de cimento e os agregados são materiais cerâmicos, podendo ainda ser utilizadas barras ou fibras de aço para aumentar a resistência à tração.

Fig igur ura a 8 – Evo volu lução ção da pr prod oduç uçã ão de d e mate materi ria ais nos Esta stados dos Unid nidos os (Pa (Pad d i l h a, 1997 1997,, p. 22).

 A expansão no desenvolvimento e uso dos compósitos iniciouse a partir dos anos 70 do século passado. Hoje, abrange gama muito grande de materiais utilizados principalmente nas indústrias de produtos eletrônicos.

Cla lass ssifific ica açã ção o do doss ma mate teri ria ais e) Semi mico cond ndut utor ore es • Os semicondutores são materiais de composição como o silício e o germânio, além do gálio, arsênio, cádmio e telúrio, que forma m ligações covalentes semelhantes a dos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse de cerâmica, porque suas propriedades mecânicas são muito próximas. • Possuem características diferentes das cerâmicas quanto à tecnologia empregada e ao nível de miniaturização e de higiene e limpeza para a sua produção. Além das características elétricas e isolantes, são muito sensíveis à impurezas, que são rigidamente controladas para que não seja ultrapassada a proporção de poucos átomos

Cla lass ssifific ica açã ção o do doss ma mate teri ria ais e) Biom Bi oma ateri teria ais • Os biomateriais são empregados em implantes no corpo humano para substituição de partes danificadas, principalmente ossos. Não podem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo, ou seja, não causar rejeição. • Os materiais empregados são metais, cerâmicas, polímeros, compósitos e semicondutores que servem para fabricar próteses, que são dispositivos implantados no corpo para suprir a falta de um órgão ausente ou para restaurar uma função comprometida, como articulações de bacias fraturadas (Callister Jr, 2002).

Cla lass ssifific ica açã ção o dos d os ma m ateria teriais is se segun gundo do dese de senvo nvolvi lvime mento nto cie científico ntífico • Materiais naturais : aqueles in natura com pouco ou nenhum beneficiamento do estado em que foi coletado, como a madeira, couro, diamante, cobre, borracha natural. • Materiais desenvolvidos empiricamente : materiais coletados e trabalhados ou transformados segundo a experimentação adquirida ao longo do tempo, através de ensaio-erro. Neste grupo, destacam-se o bronze, aço comum, ferro fundido, cerâmicas, vidro, cimento, concreto. • Materiais desenvolvidos com conhecimento cient ífico : equivalem à aplicação das descobertas realizadas pelas pesquisas entre 1850 e 1950. Exemplos:ligas de alumínio, de titânio, de magnésio, aços inoxidáveis, aços

Cla lass ssifific ica açã ção o dos d os ma m ateria teriais is se segun gundo do dese de senvo nvolvi lvime mento nto cie científico ntífico • Materiais projetados : desenvolvidos a partir não mais do estudo de sua composição, propriedades e função, e, sim, ao contrário, partindo-se de uma necessidade específica e das propriedades requeridas para uso com dada finalidade, tiveram sua microestrutura projetada e construída para atender a essas necessidades. Neste grupo, têm-se os semicondutores, materiais para reatores nucleares, aços de ultra-alta resistência, compósitos reforçados com fibras, ligas com memória de forma, vidros metálicos, etc.

Fig igur ura a 9 – Vis isã ão his h istó tóri ria a do doss ma m ateriais de de construção (Patton, 1978).

Materi teria ais Av Ava anç nça ado doss • Geralmente se utiliza o nome de materiais avançados àqueles que possuem aplicações em alta tecnologia ( hightech), isto é, dispositivos ou produtos que operam ou funcionam utilizando princípios relativamente sofisticados, como equipamentos eletrônicos, sistemas de fibra ótica, espaçonaves, espaçonaves, aeronaves, foguetes, etc. • Esses materiais muitas vezes são tipicamente tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas ou, ainda, materiais novos de alto desempenho. Podem ser de várias classes, como metais, cerâmicos ou polímeros ou composições de dois ou mais tipos e, geralmente, geralmente, são de alto custo unitário (Callister Jr., 2002).

Materi teria ais não Con Convenci vencion ona ais • Por questões de sustentabilidade do planeta, alguns setores da construção têm desenvolvido projetos e utilizado materiais ecologicamente mais corretos, além de utilizar maior quantidade de resíduos e de materiais e produtos reciclados. •  Alguns materiais ou técnicas utilizadas pelo homem há milênios foram reintroduzidas na execução de construções para economizar recursos e contribuir para a sustentabilidade dos ecossistemas. Técnica milenar reintroduzida em algumas obras atuais é a terra crua, seja sob a técnica de taipa de pilão, taipa de mão ou pau-apique, ou ainda pela utilização de tijolos de barro crus

 Att o m i c Figura Figur a 10 – Mic Microg rografia rafia de Mic Micro rosc scóp ópio io de d e Intensi Intensidade dade At Atôm ômic ica a (AF (AFM M – A Nanoestrut utura ura de C-SC-S-H H de fenog fenogrãos rãos parci parcialmente almente Force Microscope) Nanoestr hidrata hid ratados dos.. A amostra amostr a polida possui pos sui um ano de idade com re r elaçã lação o a/c a/c 0,4. 0,4. As dimens di mensões ões da área retangular retangu lar é 25 25 x 25 nm (Bon (Bonen, en, 2006 2006,, p. 1520 1520). ).

Fig igur ura a 11 – Resi sidênci dência a co cons nstr truída uída em taipa de pi pilão lão (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DOS CONSTRUTORES COM TERRA, www.abcterra.com.br/construções)

Fig igur ura a 12 – Resi sidênci dência a co cons nstr truída uída co com m ba b amb mbu u (BAMBOO TECHNOLOGIES, www.bambootechnologies.com/bbhomes.htm)

 A i m p o r t ân âncc i a da d a in i n d ú s t r i a da d a co c o n s t r u ç ão civi ci vill e do doss materi materia ais Importância da Engenharia Civil segundo Instituto Britânico de Engenheiros Civil (apud Mehta, 1994): • representa os músculos e os tendões que conectam a sociedade (pontes, túneis, estradas de rodagem e de ferro, aeroportos, portos); • é responsável pela provisão e manutenção de seus corações e pulmões (água potável, estações de tratamento de esgoto, instalações de depuração de resíduos); • é fornecedora da energia necessária para todos os trabalhos (plataformas marítimas de extração de óleo, barragens hidroelétricas, usinas nucleares e marémotrizes , instalações eólicas).

Fig igur ura a 13 – Cur urva va do cresci c rescimento mento exp xponenci onencia al da popul pop ula açã ção o (Braga (Br aga et al. al . , 2006 2006,, p. 3).

Impo mportância rtância no de d ese senvo nvolvi lvime mento nto soc socia iall União Naci Nacional onal da Constru Const rução, ção, 2006 2006))

O Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento Humano (PNUD), criou o Índice de Desenvolvimento Humano (IDH) para estabelecer-se comparação de qualidade de vida entre as nações, sendo composto por três subíndices: • o PIB per capita, que sinaliza as condições de renda; • a expectativa de vida ao nascer, que dá idéia da longevidade e disponibilidade de saúde de um país; • a educação, avaliada pelo índice de analfabetismo e taxa de matrícula em todos níveis de ensino Em 2003, o país que ficou em primeiro lugar foi a Noruega, com IDH 0,963, o México em 53º lugar, com 0,814 (último lugar no grupo IDH alto). O Brasil ficou em 63º lugar, com índice 0,792 (6º

Impo mportância rtância no dese desenvol nvolvim vime ento econ conômi ômico co Construbusiness: cadeia de atividades ligadas a todos os negócios direta ou indiretamente conectados com a construção civil. • O setor da construção civil, em 2003, correspondeu a 46,1 % (R$ 83,7 bilhões de Valor Agregado) do construbusiness, e empregou 5,77 milhões de pessoas, seguido da indústria de materiais de construção e fornecedores, que representaram 44,0% (R$ 80,0 bilhões de VA) e utilizaram 2,01 milhões de empregados. • movimenta valores similares ao da indústria de materiais, aloca 2,87 vezes mais postos de trabalho, devido ao caráter intensivo de utilização de mão-de-obra que caracteriza suas

•Figura 14 – Números gerais da cadeia de produção da indústria da construção Construbusiness)

(União Nacional da Construção, 2006, p. 27).

Imp mpor ortância tância eco conô nômi mica ca da Con onst stru ruçã ção o Civ Civilil • De acordo com o Sindicato da Indústria da Construção Civil de São Paulo (SINDUSCON, 2005), o valor adicionado pela construção civil, no ano de 2004, somou R$ 115 bilhões, o que correspondeu a 6,5% do PIB do Brasil e, por sua vez, correspondeu ao valor de R$ 346 bilhões na formação bruta do capital fixo das empresas, representando 62,3% do total do investimento fixo. Para 2006, a projeção do PIB da Construção Civil está previsto em 6,2%, enquanto que o do Construbusiness como um todo é de 15,6%

Importância na manutenção da sustentabilidade

Figura 15 – O desafio do desenvolvimento sustentável.

•

Pre remi miss ssa as para para est estudo udo da sustenta sus tentabi bililida dade de na Cons onstr truç uçã ão Civ Civilil O construbusiness é uma atividade que está relacionada com qualquer a atividade humana, sendo imprescindível para a satisfação das necessidades da sociedade. Com base nisso, podem-se enunciar as seguintes premissas: • a construção civil está presente em todas as regiões do planeta, de diferentes formas e graus tecnológicos: • a cadeia produtiva é atividade econômica responsável por parcela considerável do PIB das nações; • o impacto ambiental da construção civil é proporcional ao avanço social de uma sociedade; • a construção civil é um dos macrosetores macrosetores da economia que produz bens de maiores dimensões físicas do planeta, sendo o maior consumidor de recursos naturais em

Figura 16 – Projeção de consumo de materiais para

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•

produção de concreto até o ano 2050.

Premis remissas sas para para ado doção ção de pr prod oduç uçã ão sustentá sus tentáve vell em em cicl ci clo o fechado fechado • aperfeiçoamento dos projetos para que o consumo de materiais seja minimizado e otimizado; • substituição de materiais tradicionais com elevado conteúdo energético ou descarte por outros com melhor eficiência de relação energia/massa; energia/massa; • aumento da durabilidade dos materiais pela escolha daqueles com melhor desempenho e,maior vida útil dos sistemas ou da construção como um todo; • redução da geração de resíduos e sua reutilização através de reciclagem.

Desafio safioss para a co cons nstr truç uçã ão CIB (2000 (2000))

• Projeto: escolha de materiais recicláveis/reutilizáveis, de desmonte fácil, com medidas padronizadas, não tóxicos e cuja fabricação exija pouca energia; • Construção: uso de materiais locais e reutilização de peças aproveitáveis, construção com enfoque modular, rotulagem dos componentes para facilitar a remoção seletiva e reciclagem, introdução de padrões de qualidade para materiais reciclados e uso de manuais de operação e manutenção; • Desconstrução: novas técnicas para desconstrução e demolição para facilitar a reciclagem e reutilização dos materiais de construção; • Fabricantes: maior responsabilidade para com seus

•Figura 18 – Aspectos – Aspectos e desafios da construção sustentável •(CIB, 2000, p. 72).

Impo mportância rtância da for forma maçã ção o pro profis fissio siona nall e do ens nsin ino o

•Figura 19 – Evolução dos conceitos de segurança e

Reci cicl cla age gem m pro p rofifiss ssio iona nall e ava avanç nço o do do conhe conh ecim cime ento I • nos últimos 300 anos, os conhecimentos científicos e tecnológicos cresceram exponencialmente, duplicando-se a cada 15 anos; • estão vivos 80% dos criadores dos conhecimentos atuais da humanidade; • hoje, um estudante, ao terminar seu curso de graduação, após 35 anos de serviço constatará que 80% do progresso científico se processou diante de seus olhos e apenas 20% o antecederam; • engenheiros e arquitetos, no exercício de sua profissão, devem dispor de mecanismos permanentes de atualização para evitar obsolescência de seus conhecimentos, que

Reci cicl cla age gem m pro p rofifiss ssio iona nall e ava avanç nço o do do conhe con heci cime ment nto o II II • se um Engenheiro ou Arquiteto, ao se graduar em um curso superior, dominar 100% do conhecimento de sua especialidade, ao não se atualizar durante o exercício profissional, terá reduzido o seu cabedal de conhecimentos ao longo do tempo, os quais, segundo a expansão atual da ciência e tecnologia, em 15 anos se expandirão em 200%; • o maior problema é que os estudantes não se graduam com 100% dos conhecimentos disponíveis em suas áreas de atuação, enquanto que os novos desenvolvimentos científicos e tecnológicos se processam por substituição de conhecimentos anteriores, que se tornam obsoletos, e

Impo mportância rtância da qualif qualifica icaçã ção o pro profis fissio siona nall • a sociedade acredita que os Engenheiros Civis estão aptos a tomar decisões técnicas corretas, pois as conseqüências das decisões equivocadas são conhecidas posteriormente e, algumas vezes, podem ser devastadoras; a profissão de Engenheiro Civil é de “confiança pública”, porque a sociedade espera e acredita, a priori, que estes são providos de competências adequadas para assumirem as responsabilidades inerentes às suas atividades; • é necessário garantir a formação adequada aos Engenheiros Civis para o exercício profissional, controlado correta e constantemente pelos Conselhos Regionais quanto à qualificação e habilitação profissional; • a evolução do conhecimento teórico e prático, do refinamento dos modelos de cálculo e projetos, dos métodos e técnicas construtivas é