tendências e transformação em...

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Tendências e transformação em materiais

Vanderley M John

EnRedes 2018

Departamento de Engenharia de Construção Civil

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Renda Relativa USA=1 (GDP per capita PPP )

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5.23.5

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1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Rela

tive

GDP

per c

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PPP

(USA

=1)

LOW INCOME

MIDDLE INCOMEUPPER MIDDLE

China

Brazil

World Bank, 2016

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China

World Bank, 2016

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Rela

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GDP

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LOW INCOME

MIDDLE INCOME

China

World Bank, 2016

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Europe's key advantage lay in invention and know-how …DAVID S. LANDES, Harvard UniversityThe wealth and poverty of nations: why some are so rich and some so poor, 1997

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crescimento econômico foi devido a

Robert Solow (Prêmio Nobel 1987)novas tecnologias

PS.: O desenvolvimento tecnológico é o principal responsável pelo desenvolvimento econômico. Esta teoria aceita desde a primeira metade do século passado foi demonstrda por Solow na década de 50, feito pelo qual recebeu o Premio Nobel em 1987.

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A inovação e a Expectativa de Vida

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Expe

ctat

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e Vi

da (a

nos)

Ano

PS.: Em 250 anos a expectativa de vida média da população mundial passou de 36 anos para 67 anos, um crescimento de 85%.

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PIB

per c

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(USD

, 199

0)Indústria e Crescimento Econômico

(De Long, 1998; Maddison, 2005)

PS.: Progresso também esta associado a desenvolvimento econômico. Com altos e baixos típicos da economia, o GDP médio mundial cresceu entre 10 e 30 vezes nos ultimos 250 anos (De Long, 1998; Maddison, 2005), apesar da população ter cresdido cerca de 8 vezes. Um cidadão de classe média dos dias de hoje vive com mais conforto que um rei da idade média.

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Materiais e inovaçãoMacrotendencias

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Meio ambienteA industria transforma o ambiente e ameaça o future da humanidade no planeta.

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A serious problem!

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Uso dos edifícios: Global

CO2

29/09/2013 V.M.John

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Fração do CO2 da produção de Cimento

From data Boden, T. et all. CDIAC ORNL, April 2016 assuming fuel is 0.4 of process

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Anth

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(%)

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CO2 da madeira nativa

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Materiais & Mudanças Climáticas

• Reduzir a pegada de CO2 dos materiais• Produção• Transporte

• Reduzir a energia e CO2 no uso de edifícios• Capturar CO2 durante o ciclo de vida dos edifícios

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Consumo de materiais & Construção

Krausman et al. 2009

Construção>6t/hab.ano

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Fração dos Minerais da Construção no Total

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1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Cons

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Acúmulo de materiais artificiais

Waters et al Science. Jan 08 2016 doi:10.1126/science.aad2622

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PS.: São 73 t de materiais cimentícios por pessoa.

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http://img505.imageshack.us/img505/635/araucarias3nf.jpg

A floresta que acabou

http://img505.imageshack.us/img505/635/araucarias3nf.jpg

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Massa de resíduos >> massa de produtos

Picture: Marco Antonio Fialho

80m

Picture: Marco Antonio Fialho

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Barragem da Samarco: 05 Nov 2015

62 milhões de m³ de lama.90 m de altura, sistema “a

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Desacoplar desenvolvimento de recursos e impactos

Fisher-Kowalski et al. Decoupling natural resource use and environmental impacts from economic growth. UN Environment 2011

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Construção precisa aumentar a eficiência do uso de recursos• Desmaterializar• Reduzir a geração de resíduos• Extração• Fabricação• Construção

• Uso de resíduos como matérias primas

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Potencial da Reciclagem Pos-usoé limitado!

Haas; Krausmann, Widenhofer, Heinz. (2015)- http://dx.doi.org/10.1111/jiec.12244

44% das materiais primas são usadas para fornecimento de energia ou catabolismo de humanos (comida –energia).A maior parte e convertida em emissões de gases e residuos organicos.

22/62 – 30% são destinados a construcao (Areia, brita, argila)Residuos solidos urbanos (RCD, residuos da fabricacao dos materiais) –13 Gt/ano em 62 Gt/ano – 20% da massa

Reciclagem de residuos solidos urbanos – 4 em 13 – 30% da massa

Mundialmente so se recicla 6% das materiais primas que utilizamos.

http://dx.doi.org/10.1111/jiec.12244

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Mineração de hidden flows é uma solução: Vale investirá USD $5 bilhões

26 Million t/year. Increase quarries exploration by 20 years.

http://economia.estadao.com.br/noticias/geral,nova-noticia,1732403 – 27 Julho 2015

http://economia.estadao.com.br/noticias/geral,nova-noticia,1732403

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Economia circular

K. Breene, Can the circular economy transform the world’s number one consumer of raw materials?, World Economic Forum Global Agenda. (2016). https://www.weforum.org/agenda/2016/05/can-the-circular-economy-transform-the-world-s-number-one-consumer-of-raw-materials.

https://www.weforum.org/agenda/2016/05/can-the-circular-economy-transform-the-world-s-number-one-consumer-of-raw-materials

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Mudança na demografia

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2015 2050

7,5 bi 9,7 bi

Crescimento e envelhecimento

OECD Science, Technology and Innovation Outlook (2016)

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Brasil – evolução da força de trabalho

1500000.0

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2000000.0

2500000.0

3000000.0

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56

Baseado em IBGE Projeção da População, 2013 (link)

http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/populacao/projecao_da_populacao/2013/default_tab.shtm

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Impacto da demografia

• Redução da oferta de mão-de-obra• Construção• Operação• Manutenção

• Crescimento econômico passará a depender somente de ganhos de produtividade

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Produtividade: o desafio do Brasil

Productivity isn’t everything , but in the long run it is almost everything. Paul Krugmann (1994)

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Brazil

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Revolução digital

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A aceleração exponencial da inovação

Homo Sapiens Cognitiva Agricola CientíficaIndustrial

Eletrônica

Digital

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Tempo (anos)População

-200.000 -70.000 -10.000

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Uma nova revolução chega na industrial: a digitalização

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Revolução digital

Sensores em redecoletam de dados

Digitalizção

Open-data

Internet aberta rápida

Internet das Coisas

Crescimento

exponencial de dados

Algoritmos

Computação de nuvem

Técnicas de analise

Uso de análise de dados

“Data analytics”& software

Ferramentas digitais de Decisão e produção

Machine learning

Decisão automática

Cultura de experimentação

Produção Aditiva

Novo paradigma:

decisão baseado em dados

OECD Science, Technology and Innovation Outlook 2016

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1

01

1

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General purpouse technologies: the ones that really matter.(Brynjolfsson & McAffee (2014)

Em síntese, ela passa pela

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Componentes

PwC 2016, BCG 2015 e EPRS 2016

BIM

https://www.pwc.com/gx/en/industries/industries-4.0/landing-page/industry-4.0-building-your-digital-enterprise-april-2016.pdf

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Mudanças na indústria

• Flexibilidade da produção• Customização em Massa• Velocidade de produção• Qualidade do produto (sensores, big-data analytics...)• Produtividade• Modelos de negócio

Ron Davies, Industry 4.0 Digitalisation for productivity and growth, European Parliamentary Research Service, Brussels, 2015.

http://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2015/568337/EPRS_BRI(2015)568337_EN.pdf.

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Robotização e a construção (UK)

Will a robot take your job? (2015)http://www.bbc.com/news/technology-34066941

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Produção digital & materiais e componentes da construção• Aumento de produtividade• Melhor uso de recursos naturais• Monitoramento de processos da produção e do uso• Otimização permanente• Formas de produção sofisticadas

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Novos mateiais

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O potencial de novos materiais!

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2,300

2,154

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Cementitious

Cement

Wood

Ceramic

Iron

Lim e

Asphalt

Glass

Aluminium

Copper

Materials production (Mt/year)

(2000-2005)

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Novos materiais? Limitados à composição da Terra.

O 46.6

Si 27.7

Al 8.1

Fe 5.0

Ca 3.6

Na 2.8

K 2.6Mg 2.1

Others 1.4

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Novos materiais terãoparticipação minoritáriaMas importante

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Materiais (e componentes) do futuro

• Baixa pegada de CO2 & captura de CO2

• Uso eficiente de recursos• Construção leve

• Grande durabilidade, baixa manutenção• Montagem & reutilização (circular)

• Múltiplas funções

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Advanced materials

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Probabilidade e impacto futuro de novas tecnologias na construção

World Economic Forum, Shaping the Future of Construction A Breakthrough in Mindset and Technology, World Economic Forum, Geneva, 2016.

http://www3.weforum.org/docs/WEF_Shaping_the_Future_of_Construction_full_report__.pdf.

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Cimento

http://wedocs.unep.org/handle/20.500.11822/25281

http://wedocs.unep.org/handle/20.500.11822/25281

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-200

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CO2

miti

gatio

n Po

tent

ial (

Mt)

Market Share 2050 (%)

AA Calcined ClayBFYCCSCAA fly ash

CCS mitigation target

Total mitigation target

Novos cimentos

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Melhoria do cimento portland

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CO2

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Mt)

Market Share 2050 (%)

Total mitigation target

CCS mitigation target

filller

LC3

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LEAP concretes & benchmark2016 data

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Bind

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LEAP concretesCO2 Intensity

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CO2

Inte

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(kg/

m³.M

Pa)

Compressive Strength (MPa)

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Filler x concrete strength

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Com

pres

sive

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h (M

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Filler content (%)

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Microestrutura (~60MPa)

Convencional LEAP 50% de filler

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LEAP pode ser otimizado para Capturam CO2

5% filler

50% filler

70% filler

Quattrone & John, ongoing research.

Xi, Nat. Geosci. advance online publication (2016). doi:10.1038/ngeo2840

Carbonatação

26% do CO2emitido de 1930-2013

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https://www.constructioncayola.com/batiment/article/2014/04/18/92259/pont-republique-montpellier-une-lame-beton-posee-sur-des-aiguilles.php

UHPC

Pont de la République à Montpellier (vão 74m)

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Reciclagem tradicional de concreto

Profa. Carina Ulsen

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TRANSFORMANDO EM AREIA

Profa. Carina Ulsen

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Classificação dos grãos

Alta densidade Porosa

Profa. Carina Ulsen

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Impressão 3D em cimento

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3D de materiais cimentícios

Xtree - France

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Após acabamento superficial subtrativoApisCor, San Francisco

ApisCor, San Francisco. Construido na Rússiahttps://www.engadget.com/2017/03/07/apis-cor-3d-printed-house/

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Ponte 3D – Alcobendas (Espanha)12m. 8 partes (identificáveis). Forma de arco, não depende de armadura.Acciona, Institute of Advanced Architecture of Cataloniahttp://www.journaldugeek.com/wp-content/blogs.dir/1/files/2017/02/Alcobendas_3D_pont2.jpg

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Viga de concreto com Gradação Funcional

Wörner et al Beton- und Stahlbetonbau. (2016) doi:10.1002/best.201600056.

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Concreto impresso com gradaçãofuncional

http://www.shapeways.com/blog/archives/997-variable-density-3d-printing-and-the-potential-for-architecture.html

http://www.rapidreadytech.com/2012/01/mits-natural-approach-to-3d-printing/

http://www.rapidreadytech.com/2012/01/mits-natural-approach-to-3d-printing/

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http://3dprintingindustry.com/news/house-3d-printing-fortified-with-wasps-reinforced-concrete-beams-55345

Otimização topológica

• WASP - Itália

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Nacar de cimentícia

IC Julia Raucci

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Analise digital de forma de agregados

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Torq

ue (N

.m)

Rotation (rpm)

T = 4.88 + 0.11NR2 = 0.98

T = 3.94 + 0.09NR2 = 0.99

T = 3.52 + 0.06NR2 = 0.97

T = 1.37 + 0.05NR2 = 1.00

Dados Prof. Rafael Pileggi

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Aço para construção civil

Nishioka & Ichikawa Progress in thermomechanical control of steelplates and their commercialization Sci. Technol. Adv. Mater. 13 (2012) 039501 doi:10.1088/1468-6996/13/3/03950

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http://www.hy-ten.co.uk/downloads/Bamtec-2012.pdf

Tela de Aço “Impressa”

http://www.hy-ten.co.uk/pages/bamtec_stepbystep.htm

http://www.hy-ten.co.uk/downloads/Bamtec-2012.pdf

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Produção digital de estruturas de aço otimizadas topologicamente

Prof. Glaucio Paulino, GeorgiaTech Beghini, Skidmore, Owens Merril 2014

http://www.ce.gatech.edu/sites/default/files/files/Paulino-Zendai%20Bldg_Skidmore%20Owings%20&%20Merrill_h.jpg

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29/09/2013 V.M.John

http://detail-online.com/inspiration/sites/inspiration_detail_de/uploads/imagesResized/proje

cts/780_eb0943030b12cce15a7a091d04d9ee658ead203e.jpg

In the centre of Zurich, not far from the main railway station, a

spectacular office building has recently begun to demonstrate the potential of wood as construction material. Shigeru Ban

designed this new seven-story building with its visible wood

construction as an addition to the headquarters of the Tamedia

publishing company. The structure was to permit an assembly

process similar to building blocks and feature a comprehensible load-bearing system. Wood elements were to remain exposed.

To realize these architectural preconditions by using glue-laminated wood in premium quality for visible application and

locking pin connections milled with extraordinary precision

comprised a great challenge for all partners involved.One of Shigeru Ban’s aims was to build the structure in its entirety of

wood, similar to traditional Japanese timber buildings. Not only columns and beams, but also joint connections consist

predominantly of wood: instead of screws, nails or steel connectors, special dowels made of beech plywood serve for

load transmission and reinforcement of construction

components. The load-bearing structure with its full-height columns, beam pairs and girders with oval cross-section was

created as a precise, CNC milled construction kit and assembled on-site similar to a three-dimensional puzzle.

Planning and realization of this ambitious project were a great

challenge for the timber engineers and builders.

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http://www.citypictures.net/r-europe-148-greece-226-mykonos-cyclades-greece-2802.htm

Cal: a primeira pintura fria

Mykonos, Grecia

http://www.citypictures.net/r-europe-148-greece-226-mykonos-cyclades-greece-2802.htm

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Autolimpante

Efeito Lotus• Superficie hidrófuga

• Nano-rugosidades

Fotocatálise• Ativação de Anatasio (TiO2) por

UV• Superficie fica super-hidrofilica

(Angulo de contato <<10º)

• Materia organica oxidada

• Degrada substratos organicos.

Efeito lotus: ancoragem de fungos na superficie ou degradação superficial pode acabar com o efeito

Fluorescentes podem ativar UV

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Electrocromic glass

block heat, independent of visible light.1 watt of current and a few minutes to switch between modes

Nature doi:10.1038/nature.201.13558

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Concreto FotocatalíticoAuto-limpante

Degrada sujeira e a poluição do ar.Arq. Richard Meier. Igreja do Jubileu, Roma, 2003Radiação UV

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Telhas com revestimento fotovoltaico

98

Saint-Gobain

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MMF encapsulados

• Costumizados• Controle da inércia térmica• Controle do calor de hidratação

de cimento

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Quais os mateiais do futuro

• Composição quimica média não vai alterar• Variedade e especialização aumentam• Melhoria rápida e continuada• Novas Funções /Desempenho• Processos de produção• Vida útil• Impacto ambiental

tendências e transformação em...

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