Materiais Estruturais

Materiais Estruturais

Mecânica de Estruturas

Índice 1. 

MATERIAIS ESTRUTURAIS .................................................................................. 3  1.1. 

Betão ................................................................................................................ 3 

1.2. 

Aço ................................................................................................................... 6 

1.3. 

Alvenaria ........................................................................................................ 10 

1.4. 

Madeira .......................................................................................................... 11 

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1. MATERIAIS ESTRUTURAIS 1.1. Betão 1.1.1. Tipos e classes de betão Os betões devem ser do tipo B (Betão corrente). Quando condições especiais de agressividade do ambiente o imponham devem ser do tipo BD. Classe do betão B Valor característico mínimo da tensão rotura compressão fck (MPa)

Designação

Proveta cúbicos

Proveta cilíndricos

B15

14

12

B20

20

16

B25

25

20

B30

30

25

B35

35

30

B40

40

35

B45

45

35

B50

50

45

B55

55

50

1.1.2. Natureza e dosagem mínima do ligante O ligante a utilizar deve ser o cimento Portland Normal, no entanto pode-se utilizar outros cimentos desde que seja tido em conta a eventual alteração das propriedades do betão. A dosagem mínima do ligante deve respeitar o disposto no RBLH. Quando não há ensaio a dosagem mínima é 300kg/m3 e o betão da classe B15. 1.1.3. Tensão Rotura à Compressão Deve ser determinado por ensaio de cubos de 20cm ou 15cm e 30cm de altura. Os ensaios devem ser realizados aos 28 dias de idades. O valor da tensão de rotura pode ser determinado de acordo com a idade através do coeficiente de endurecimento.

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3

7

14

28

90

360



0.4

0.65

0.85

1

1.20

1.35

1.45

Idade betão Coeficiente de Endurecimento

Fck,j = CE*fck,28

CE – Coeficiente de endurecimento

1.1.4. Tensão Rotura à Tracção A tensão de rotura aos 28 dias é: Classe betão

B15

B20

B25

B30

B35

B40

B45

B50

B55

fctm (MPa)

1,6

1.9

2.2

2.5

2.8

3.1

3.4

3.7

4.0

fctk (MPa)

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.4

2.7

2.6

2.8

f ctm  0.30 f ck2 / 3 Os valores de resistência à tracção por flexão podem ser obtidos através do valor de tracção simples multiplicados pelo coeficiente(não inferior a unidade).

 0.4  tração flexão f ctm   06  4  f ctm h 

h-altura do elemento expresso em metros.

1.1.5. Modelo de elasticidade e Coeficiente de Poisson Valores médios aos 28 dias idade Classe betão

B15

B20

B25

B30

B35

B40

B45

B50

B55

Ec,28 (GPa)

26

27,5

29

30,5

32,0

33,5

35

36

37

O valor médio do betão aos j dias de idade Ec,j pode em geral ser estimado a partir do valor médio de tensão de rotura à mesma idade, fcm,j pela expressão:

E c , j  9.53 f cm, j Ec,j expresso em GPa e fcm,j expresso em MPa e referido a provetes cilíndricos. O valor de coeficiente de poison, , varia entre 0.2 e 0, o primeiro refere-se a deformações em fase não fendilhada e o segundo quando o betão não esta fendilhado. Em geral pode tomar-se =0.20.

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1.1.6. Retracçao e Fluência Retracção – deformação do betão ao longo do tempo, em geral cs = -5x10-4 Fluência – Aumento de deformação ao longo do tempo, em geral  = 2.5 1.1.7. Relações tensões-extensões de cálculo

f cd 

0.85 f ck

c

c = 1.5

0.85 – Ter em conta possível diminuição da tensão de rotura do betão quando sujeito a tensões elevadas de longa duração. 1.1.8. Vantagens e desvantagens Vantagens 

Liberdade de escolha de formas;



Boa durabilidade



Boa resistência a fogo



Economia devido matérias-primas pouco despendiosas



Boa resistência a compressão



Boa resistência a vibração

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Desvantagens: 

Isolamento térmico fraco



Necessidade de controlar fendilhacão



Peso próprio elevado em estrutura de grande porte



Custos elevados associados a demolição e reparação



Baixa resistência a tracção

 Dificuldade em betonar peças de reduzidas dimensões 1.2. Aço Podem ser armaduras ordinárias e armaduras de Pré-Esforço. 1.2.1. Armaduras Ordinárias São caracterizados pelo seu processo de fabrico e pelas suas características geométricas, mecânicas e aderência. Processo fabrico Natural – laminado a quente Endurecido a frio – por torção, tracção, trefilhagem ou laminagem a frio Características geométricas A forma e dimensões da secção transversal e a configuração da superfície podendo ser lisa ou rugosa. Diâmetros usuais – 6, 8, 10, 12, 16, 20 e 25mm Propriedades mecânicas  Modulo de elasticidade E = 200 GPa  Tensão de cadência ou tensão limite convencional de proporcionalidade a 0.20%

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 Tensão rotura  Comportamento em ensaios dobragens  Resistência a fadiga Aderência Quanto as caracterisitcas de aderência distinguen-se dois tipos de armaduras  Aderência normal  Alta aderência Relação tensões – extensões de calculo

f syd 

f syk

a

Aço

fsyk (MPa)

fsyd (MPa)

A 235

235

204

A 400

400

348

A 500

500

435

a = 1.15

fsyk – Valor característico da tensão de cadência. fsyd – Valor de calculo da tensão de cadência ou da tensão limite convencional de proporcionalidade a 0.2% em tração. Designação do aço 7

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N – aço natural E – aço enduricido a frio R – superfície rugosa L – superfície lisa Exemplo: A400 N R 1.2.2. Armaduras de Pré-esforço As armaduras de pré-esforço devem ser caracterizadas pelo seu processo de fabrico, pela sua constituição e pelas suas propriedades mecânicas e de aderência. Processo de Fabrico Endurecimento a frio (nomeadamente por estiragem ou trefilagem) acompanhado habitualmente de tratamentos térmicos e mecânicos destinados a melhorar as suas propriedades. Constituição Podem ser constituídas por fios, varões ou cordões, ou por associação de fios ou cordões paralelos (cabos em feixe), ou ainda por associação de cordões dispostos em hélice em torno de um eixo longitudinal comum.

Fios - Diâmetros usuais 3, 4, 5, 6mm Cordões (7 fios)

Barras

Diâmetros usuais – 25 a 36mm (podem sre lisas ou roscadas)

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Modulo de elasticidade O valor do modulo de eleasticidade a adoptar deve ser baseado em determinações experimentais. Nos casos, porém, em que não seja necessário grande rigor no conhecimento desta grandeza, poder-se-á tomar o valor de 200GPa para fios e cordões e 170GPa para barras. Relaxação A relaxação depende fundamentalmente da tensão inicial aplicada e da temperatura. Deve ser determinada por ensaios. Em geral os ensaios devem ser efectuados para tensões iniciais de 0.6, 0.7 e 0.8 da tensão de rotura e para temperatura de 20ºC. Características de aço de Pré-esforço fp0,1k (MPa)

fpk (MPa)

Ep (GPa)

Fios e cordões

1670

1860

200

Barras

835

1030

170

Quando não se dispõe de resultados experimentais e não seja necessário grande rigor, poder-se-ão admitir, no caso de a tensão inicial ser igual a 0.7 da tensão de rotura pode se admitir: Aço de relaxação normal

– 15%

Aço de baixa relaxação

– 6%

1.2.3. Vantagens de desvantagens Vantagens  Boa resistência a tração  Boa ductilidade Desvantagens  Problemas de corrosão

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 Baixa resistência ao fogo  Problemas de encurvadura 1.3. Alvenaria 1.3.1. Resistência de Alvenaria O valor da resistência pode ser obtido através de ensaios. Temos os seguintes tipos de resistência:  Compressão  Corte – Forças de corte  Flexão – flexão simples  Tensão rotura de aderência – força rotura de aderência 1.3.2. Tipos de paredes Parede resistentes – Parede com área superior a 0.02m2 dimensionada para suportar uma determinada carga. Paredes simples – Parede de pano único. Parede duplo – Parede constituído por dois panos ligados entre si. Parede não resistente – Parede não considerada para resistir as acções. 1.3.3. Materiais  Cerâmico (Tijolo)  Betão corrente ou leve (Blocos)  Pedra 1.3.4. Argamassa A resistência a compressão deve ser determinada de acordo com ensaios. A argamassa pode ser convencional, argamassa cola ou leve.

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A argamassa deve possuir durabilidade suficiente de forma a resistir as condições de exposição locais para o período de vida da construção. 1.3.5. Vantagens e desvantagens Vantagens  Baixo custo  Boa resistência ao fogo  Bom isolamento térmico  Fácil execução Desvantagens  Limitação de arquitectura  Condiciona mudanças 1.4. Madeira 1.4.1. Tipos de madeira Maciça Madeira lamelada colada Derivados de madeira  Contraplacado  Aglomerado de particulares de madeira Aglomerado de fibra de madeira - MDF 1.4.2. Resistência O valor da resistência deve ser obtido de acordo com ensaios. 1.4.3. Anisotropia A anisotropia manifesta-se segundo 3 direcções, radial, tangencial e radial.

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Axial

Tangencial

l ia ad R

1.4.4. Heterogeneidade Anéis de crescimento – diferenciação observada traduzida por anéis concêntricos. A cada ano de vida da arvore corresponde a formação de dois anéis, aproximadamente concêntricos:  Anel de primavera: mais claro  Anel de outono: mais escuro e 10 vezes mais resistentes 1.4.5. Humidade A humidade influencia de forma significativa na variabilidade de resistência mecânica da madeira. A madeira verde tem uma resistência mínima relativamente a todos os tipos de solicitação com excepção do choque. Humidades em diferentes tipos de madeira  Verde - > 30%  Saturada - 24%  Seca – 12-10%

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1.4.6. Factores que afectam a resistência da madeira  Densidade  Humidade  Defeitos  Tempo actuação de carga  Angulo formado pela direção do esforço com a direção do fio da madeira 1.4.7. Vantagens e desvantagens Vantagens  Bom isolamento térmico  Boa durabilidade  Boa trabalhabilidade  Produto natural Desvantagens  Combustível  Dimensão limitada  Variabilidade  Susceptível a ataques químicos e biológicos (fungos)

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