Ingeniería estructural

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La ingeniería estructural es una subdisciplina de la ingeniería civil en la que los ingenieros estructurales están capacitados para diseñar los "huesos y las uniones" que crean la forma y el contorno de las estructuras hechas por el hombre . Los ingenieros estructurales también deben comprender y calcular la estabilidad , la resistencia, la rigidez y la susceptibilidad a los terremotos de las estructuras construidas para edificios ^[1] y estructuras no edificadas . Los diseños estructurales se integran con los de otros diseñadores, como arquitectos e ingenieros de servicios de construcción , y a menudo supervisan la construcción de proyectos por parte de contratistas en el lugar. ^[2] También pueden participar en el diseño de maquinaria, equipo médico y vehículos donde la integridad estructural afecta el funcionamiento y la seguridad. Consulte el glosario de ingeniería estructural .

La teoría de la ingeniería estructural se basa en leyes físicas aplicadas y en el conocimiento empírico del desempeño estructural de diferentes materiales y geometrías. El diseño de ingeniería estructural utiliza una serie de conceptos estructurales relativamente simples para construir sistemas estructurales complejos . Los ingenieros estructurales son responsables de hacer un uso creativo y eficiente de los fondos, los elementos estructurales y los materiales para lograr estos objetivos. ^[2]

La ingeniería estructural se remonta al año 2700 a. C., cuando Imhotep , el primer ingeniero de la historia conocido por su nombre, construyó la pirámide escalonada para el faraón Djoser . Las pirámides eran las estructuras más importantes construidas por las civilizaciones antiguas porque su forma estructural es inherentemente estable y puede escalarse casi infinitamente (a diferencia de la mayoría de las demás formas estructurales, cuyo tamaño no se puede aumentar linealmente en proporción al aumento de las cargas). ^[3]

La estabilidad estructural de la pirámide, aunque se obtiene principalmente de su forma, depende también de la resistencia de la piedra con la que está construida y de su capacidad para soportar el peso de la piedra que está encima. ^[4] Los bloques de piedra caliza a menudo se extraían de una cantera cercana al sitio de construcción y tienen una resistencia a la compresión de 30 a 250 MPa (MPa = Pa × 10 ⁶ ). ^[5] Por lo tanto, la resistencia estructural de la pirámide se deriva de las propiedades materiales de las piedras con las que se construyó más que de la geometría de la pirámide.

A lo largo de la historia antigua y medieval, la mayor parte del diseño y la construcción arquitectónica fueron realizados por artesanos, como albañiles y carpinteros, que llegaron a ser maestros constructores. No existía ninguna teoría de las estructuras, y la comprensión de cómo se sostenían las estructuras era extremadamente limitada y se basaba casi por completo en evidencia empírica de "lo que había funcionado antes" y en la intuición . El conocimiento era retenido por los gremios y rara vez era reemplazado por avances. Las estructuras eran repetitivas y los aumentos de escala eran incrementales. ^[3]

No existen registros de los primeros cálculos de la resistencia de los elementos estructurales o del comportamiento de los materiales estructurales, pero la profesión de ingeniero estructural sólo tomó forma con la Revolución Industrial y la reinvención del hormigón (véase Historia del hormigón ). Las ciencias físicas que sustentan la ingeniería estructural comenzaron a comprenderse en el Renacimiento y desde entonces se han desarrollado en aplicaciones informáticas que se iniciaron en la década de 1970. ^[6]

• 1452-1519 Leonardo da Vinci hizo muchas contribuciones.
• 1638: Galileo Galilei publicó el libro Dos nuevas ciencias en el que examinó el fallo de estructuras simples.
• 1660: Ley de Hooke por Robert Hooke .
• 1687: Isaac Newton publicó Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , que contiene sus leyes del movimiento .
• 1750: Ecuación de la viga de Euler-Bernoulli .
• 1700–1782: Daniel Bernoulli introdujo el principio del trabajo virtual .
• 1707–1783: Leonhard Euler desarrolló la teoría del pandeo de columnas.
• 1826: Claude-Louis Navier publicó un tratado sobre el comportamiento elástico de las estructuras.
• 1873: Carlo Alberto Castigliano presentó su tesis "Intorno ai sistemi elastici", que contiene su teorema para calcular el desplazamiento como derivada parcial de la energía de deformación. Este teorema incluye el método del "trabajo mínimo" como caso especial.
• 1874: Otto Mohr formalizó la idea de una estructura estáticamente indeterminada.
• 1922: Timoshenko corrige la ecuación de la viga de Euler-Bernoulli .
• 1936: Publicación de Hardy Cross del método de distribución de momentos, una innovación importante en el diseño de marcos continuos.
• 1941: Alexander Hrennikoff resolvió la discretización de problemas de elasticidad plana utilizando un marco reticular.
• 1942: Richard Courant dividió un dominio en subregiones finitas.
• 1956: El artículo de J. Turner, RW Clough, HC Martin y LJ Topp sobre "Rigidez y deflexión de estructuras complejas" introduce el nombre de " método de elementos finitos " y es ampliamente reconocido como el primer tratamiento integral del método tal como se lo conoce hoy.

La historia de la ingeniería estructural contiene muchos derrumbes y fracasos. A veces, esto se debe a negligencias obvias, como en el caso del derrumbe de la escuela de Pétion-Ville , en el que el reverendo Fortin Augustin "construyó el edificio él solo, diciendo que no necesitaba un ingeniero porque tenía buenos conocimientos de construcción" después de un derrumbe parcial de la escuela de tres pisos que provocó la huida de los vecinos. El derrumbe final mató a 94 personas, en su mayoría niños.

En otros casos, las fallas estructurales requieren un estudio minucioso, y los resultados de estas investigaciones han dado como resultado prácticas mejoradas y una mayor comprensión de la ciencia de la ingeniería estructural. Algunos de estos estudios son el resultado de investigaciones de ingeniería forense en las que el ingeniero original parece haber hecho todo de acuerdo con el estado de la profesión y la práctica aceptable, pero aun así se produjo una falla. Un caso famoso de conocimientos y prácticas estructurales que se han avanzado de esta manera se puede encontrar en una serie de fallas que involucraron vigas cajón que colapsaron en Australia durante la década de 1970.

La ingeniería estructural depende de un conocimiento detallado de la mecánica aplicada , la ciencia de los materiales y las matemáticas aplicadas para comprender y predecir cómo las estructuras soportan y resisten el peso propio y las cargas impuestas. Para aplicar el conocimiento con éxito, un ingeniero estructural generalmente requiere un conocimiento detallado de los códigos de diseño empíricos y teóricos relevantes , las técnicas de análisis estructural , así como algún conocimiento de la resistencia a la corrosión de los materiales y las estructuras, especialmente cuando esas estructuras están expuestas al entorno externo. Desde la década de 1990, se ha puesto a disposición un software especializado para ayudar en el diseño de estructuras, con la funcionalidad de ayudar en el dibujo, análisis y diseño de estructuras con máxima precisión; los ejemplos incluyen AutoCAD , StaadPro, ETABS , Prokon, Revit Structure, Inducta RCB, etc. Dicho software también puede tener en cuenta las cargas ambientales, como los terremotos y los vientos. ^{[ cita requerida ]}

Los ingenieros estructurales son responsables del diseño de ingeniería y el análisis estructural. Los ingenieros estructurales principiantes pueden diseñar los elementos estructurales individuales de una estructura, como las vigas y columnas de un edificio. Los ingenieros con más experiencia pueden ser responsables del diseño estructural y la integridad de un sistema completo, como un edificio. ^{[ cita requerida ]}

Los ingenieros estructurales suelen especializarse en tipos específicos de estructuras, como edificios, puentes, tuberías, estructuras industriales, túneles, vehículos, barcos, aeronaves y naves espaciales. Los ingenieros estructurales que se especializan en edificios suelen especializarse en materiales de construcción específicos, como hormigón, acero, madera, mampostería, aleaciones y compuestos, y pueden centrarse en tipos específicos de edificios, como oficinas, escuelas, hospitales, viviendas, etc. ^{[ cita requerida ]}

La ingeniería estructural existe desde que los seres humanos comenzaron a construir sus estructuras. Se convirtió en una profesión más definida y formalizada con el surgimiento de la arquitectura como una profesión distinta de la ingeniería durante la revolución industrial a fines del siglo XIX. Hasta entonces, el arquitecto y el ingeniero estructural solían ser una misma cosa: el maestro de obras. Solo con el desarrollo del conocimiento especializado de las teorías estructurales que surgieron durante los siglos XIX y principios del XX, surgieron los ingenieros estructurales profesionales. ^{[ cita requerida ]}

El papel de un ingeniero estructural hoy en día implica un conocimiento significativo de las cargas estáticas y dinámicas y de las estructuras disponibles para resistirlas. La complejidad de las estructuras modernas a menudo requiere una gran dosis de creatividad por parte del ingeniero para garantizar que las estructuras soporten y resistan las cargas a las que están sometidas. Un ingeniero estructural normalmente tendrá una licenciatura de cuatro o cinco años, seguida de un mínimo de tres años de práctica profesional antes de ser considerado plenamente calificado. Los ingenieros estructurales están autorizados o acreditados por diferentes sociedades científicas y organismos reguladores de todo el mundo (por ejemplo, la Institución de Ingenieros Estructurales en el Reino Unido). Dependiendo del curso de grado que hayan estudiado y/o la jurisdicción en la que estén buscando la licencia, pueden estar acreditados (o autorizados) como solo ingenieros estructurales, o como ingenieros civiles, o como ingenieros civiles y estructurales. Otra organización internacional es IABSE (Asociación Internacional de Ingeniería de Puentes y Estructuras). ^[7] El objetivo de esa asociación es intercambiar conocimientos y promover la práctica de la ingeniería estructural en todo el mundo al servicio de la profesión y la sociedad.

La ingeniería estructural de la construcción se basa principalmente en la manipulación creativa de materiales y formas, y en las ideas matemáticas y científicas subyacentes, para lograr un fin que cumpla con sus requisitos funcionales y sea estructuralmente seguro cuando se lo someta a todas las cargas que se podría esperar razonablemente que experimentara. Esto es sutilmente diferente del diseño arquitectónico, que se basa en la manipulación creativa de materiales y formas, masa, espacio, volumen, textura y luz para lograr un fin que sea estético, funcional y, a menudo, artístico.

El diseño estructural de un edificio debe garantizar que éste pueda mantenerse en pie de forma segura y funcionar sin deflexiones o movimientos excesivos que puedan provocar fatiga de los elementos estructurales, grietas o fallos en los accesorios o particiones, o incomodidad para los ocupantes. Debe tener en cuenta los movimientos y las fuerzas debidas a la temperatura, la fluencia , las grietas y las cargas impuestas. También debe garantizar que el diseño sea prácticamente construible dentro de las tolerancias de fabricación aceptables de los materiales. Debe permitir que la arquitectura funcione y que los servicios del edificio se adapten al edificio y funcionen (aire acondicionado, ventilación, extracción de humos, electricidad, iluminación, etc.). El diseño estructural de un edificio moderno puede ser extremadamente complejo y, a menudo, requiere un gran equipo para completarlo.

Las especialidades de ingeniería estructural para edificios incluyen:

• Ingeniería sísmica
• Ingeniería de fachadas
• Ingeniería contra incendios
• Ingeniería de cubiertas
• Ingeniería de torres
• Ingeniería eólica

Las estructuras de ingeniería sísmica son aquellas diseñadas para soportar terremotos .

Los principales objetivos de la ingeniería sísmica son comprender la interacción de las estructuras con el terreno tembloroso, prever las consecuencias de posibles terremotos y diseñar y construir las estructuras para que funcionen durante un terremoto.

Las estructuras a prueba de terremotos no son necesariamente extremadamente fuertes como la pirámide de El Castillo en Chichén Itzá que se muestra arriba.

Una herramienta importante de la ingeniería sísmica es el aislamiento de la base , que permite que la base de una estructura se mueva libremente con el suelo.

La ingeniería estructural civil incluye toda la ingeniería estructural relacionada con el entorno construido. Incluye:

El ingeniero estructural es el diseñador principal de estas estructuras y, a menudo, el único diseñador. En el diseño de estructuras como estas, la seguridad estructural es de suma importancia (en el Reino Unido, los diseños de presas, centrales nucleares y puentes deben estar aprobados por un ingeniero colegiado ).

Las estructuras de ingeniería civil suelen estar sometidas a fuerzas muy extremas, como grandes variaciones de temperatura, cargas dinámicas como las olas o el tráfico, o altas presiones de agua o gases comprimidos. También suelen construirse en entornos corrosivos, como en el mar, en instalaciones industriales o bajo tierra.

resistidas y deflexiones significativas de las estructuras.

Las fuerzas a las que se ven sometidas las piezas de una máquina pueden variar considerablemente y a un ritmo muy rápido. Las fuerzas a las que se ven sometidas una embarcación o una aeronave varían enormemente y lo harán miles de veces a lo largo de la vida útil de la estructura. El diseño estructural debe garantizar que dichas estructuras puedan soportar tales cargas durante toda su vida útil sin fallar.

Estas obras pueden requerir ingeniería estructural mecánica:

• Calderas y recipientes a presión
• Carrocerías y carruajes
• Grúas
• Ascensores
• Escaleras mecánicas
• Buques y cascos marinos

Los tipos de estructuras aeroespaciales incluyen vehículos de lanzamiento ( Atlas , Delta , Titan), misiles (ALCM, Harpoon), vehículos hipersónicos (transbordador espacial), aeronaves militares (F-16, F-18) y aeronaves comerciales ( Boeing 777, MD-11). Las estructuras aeroespaciales generalmente consisten en placas delgadas con refuerzos para las superficies externas, mamparos y marcos para sostener la forma y sujetadores como soldaduras, remaches, tornillos y pernos para mantener unidos los componentes.

Una nanoestructura es un objeto de tamaño intermedio entre las estructuras moleculares y microscópicas (de tamaño micrométrico). Al describir las nanoestructuras es necesario diferenciar entre el número de dimensiones en la nanoescala. Las superficies nanotexturizadas tienen una dimensión en la nanoescala, es decir, solo el espesor de la superficie de un objeto está entre 0,1 y 100 nm. Los nanotubos tienen dos dimensiones en la nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0,1 y 100 nm; su longitud podría ser mucho mayor. Finalmente, las nanopartículas esféricas tienen tres dimensiones en la nanoescala, es decir, la partícula tiene entre 0,1 y 100 nm en cada dimensión espacial. Los términos nanopartículas y partículas ultrafinas (UFP) a menudo se utilizan como sinónimos, aunque las UFP pueden llegar hasta el rango micrométrico. El término 'nanoestructura' se utiliza a menudo cuando se hace referencia a la tecnología magnética.

El equipo médico (también conocido como armamentarium) está diseñado para ayudar en el diagnóstico, control o tratamiento de condiciones médicas. Hay varios tipos básicos: el equipo de diagnóstico incluye máquinas de imágenes médicas, utilizadas para ayudar en el diagnóstico; el equipo incluye bombas de infusión, láseres médicos y máquinas quirúrgicas LASIK; los monitores médicos permiten al personal médico medir el estado médico de un paciente. Los monitores pueden medir los signos vitales del paciente y otros parámetros, incluidos ECG , EEG , presión arterial y gases disueltos en la sangre; el equipo médico de diagnóstico también puede usarse en el hogar para ciertos fines, por ejemplo, para el control de la diabetes mellitus. Un técnico en equipo biomédico (BMET) es un componente vital del sistema de prestación de atención médica. Empleados principalmente por hospitales, los BMET son las personas responsables del mantenimiento del equipo médico de una instalación.

Cualquier estructura se compone esencialmente de sólo un pequeño número de diferentes tipos de elementos:

• Columnas
• Vigas
• Platos
• Arcos
• Conchas
• Catenarias

Muchos de estos elementos se pueden clasificar según su forma (recta, plana/curva) y dimensionalidad (unidimensional/bidimensional):

Las columnas son elementos que soportan únicamente fuerzas axiales (compresión) o tanto axiales como de flexión (lo que técnicamente se denomina viga-columna, pero en la práctica es solo una columna). El diseño de una columna debe verificar la capacidad axial del elemento y la capacidad de pandeo.

La capacidad de pandeo es la capacidad del elemento para soportar la propensión a pandearse. Su capacidad depende de su geometría, material y la longitud efectiva de la columna, que depende de las condiciones de restricción en la parte superior e inferior de la columna. La longitud efectiva es donde es la longitud real de la columna y K es el factor que depende de las condiciones de restricción.${\estilo de visualización K*l}$${\estilo de visualización l}$

La capacidad de una columna para soportar carga axial depende del grado de flexión al que está sometida y viceversa. Esto se representa en un diagrama de interacción y es una relación no lineal compleja.

Una viga puede definirse como un elemento en el que una dimensión es mucho mayor que las otras dos y las cargas aplicadas suelen ser normales al eje principal del elemento. Las vigas y las columnas se denominan elementos lineales y suelen representarse mediante líneas simples en el modelado estructural.

• en voladizo (sostenido solo en un extremo con una conexión fija)
• simplemente apoyado (fijo contra la traslación vertical en cada extremo y la traslación horizontal en un solo extremo, y capaz de girar en los soportes)
• fijo (compatible con todas las direcciones para traslación y rotación en cada extremo)
• continuo (sostenido por tres o más apoyos)
• una combinación de lo anterior (por ejemplo, apoyado en un extremo y en el medio)

Las vigas son elementos que soportan únicamente flexión pura. La flexión hace que una parte de la sección de una viga (dividida a lo largo de su longitud) entre en compresión y la otra parte en tensión. La parte en compresión debe estar diseñada para resistir el pandeo y el aplastamiento, mientras que la parte en tensión debe poder resistir adecuadamente la tensión.

Una armadura es una estructura que comprende miembros y puntos de conexión o nodos. Cuando los miembros están conectados en nodos y se aplican fuerzas en los nodos, los miembros pueden actuar en tensión o compresión. Los miembros que actúan en compresión se denominan miembros de compresión o puntales, mientras que los miembros que actúan en tensión se denominan miembros de tensión o tirantes . La mayoría de las armaduras utilizan placas de refuerzo para conectar los elementos que se cruzan. Las placas de refuerzo son relativamente flexibles y no pueden transferir momentos de flexión . La conexión generalmente se organiza de modo que las líneas de fuerza en los miembros coincidan en la unión, lo que permite que los miembros de la armadura actúen en tensión o compresión pura.

Las cerchas se utilizan generalmente en estructuras de grandes luces, donde no resultaría económico utilizar vigas macizas.

Las placas soportan flexión en dos direcciones. Una losa plana de hormigón es un ejemplo de placa. Las placas se entienden mediante el uso de la mecánica de medios continuos , pero debido a la complejidad que implica, la mayoría de las veces se diseñan mediante un enfoque empírico codificado o análisis informático.

También se pueden diseñar con la teoría de la línea de fluencia, donde se analiza un mecanismo de colapso supuesto para dar un límite superior a la carga de colapso. Esta técnica se utiliza en la práctica ^[8] pero debido a que el método proporciona un límite superior (es decir, una predicción insegura de la carga de colapso) para mecanismos de colapso mal concebidos, se necesita mucho cuidado para asegurar que el mecanismo de colapso supuesto sea realista. ^[9]

Las carcasas obtienen su resistencia de su forma y soportan fuerzas de compresión en dos direcciones. Una cúpula es un ejemplo de carcasa. Se pueden diseñar haciendo un modelo de cadena colgante, que actuará como catenaria en tensión pura e invirtiendo la forma para lograr una compresión pura.

Los arcos soportan fuerzas de compresión en una sola dirección, por lo que es adecuado construirlos con mampostería. Se diseñan de manera que la línea de empuje de la fuerza permanezca dentro de la profundidad del arco. Se utiliza principalmente para aumentar la amplitud de cualquier estructura.

Las catenarias obtienen su resistencia de su forma y transmiten fuerzas transversales en tensión pura mediante deflexión (de la misma manera que una cuerda floja se comba cuando alguien camina sobre ella). Casi siempre son estructuras de cable o de tela. Una estructura de tela actúa como catenaria en dos direcciones.

La ingeniería estructural depende del conocimiento de los materiales y sus propiedades, para entender cómo los diferentes materiales soportan y resisten las cargas. También implica un conocimiento de la ingeniería de la corrosión para evitar, por ejemplo, el acoplamiento galvánico de materiales diferentes.

Los materiales estructurales comunes son:

• Hierro : hierro forjado , hierro fundido.
• Hormigón : hormigón armado , hormigón pretensado
• Aleación : acero , acero inoxidable.
• Albañilería
• Madera : madera dura , madera blanda
• Aluminio
• Materiales compuestos : madera contrachapada
• Otros materiales estructurales: adobe , bambú , fibra de carbono , plástico reforzado con fibra , adobe , materiales para techos.

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• Asociación Internacional de Ingeniería Estructural
• Consejo Nacional de Asociaciones de Ingenieros Estructurales
• Instituto de Ingeniería Estructural, un instituto de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles
• Base de datos de estructuras Structurae
• Asociación Internacional de Ingeniería Estructural
• Los Eurocódigos EN son una serie de 10 normas europeas, EN 1990 – EN 1999, que proporcionan un enfoque común para el diseño de edificios y otras obras de ingeniería civil y productos de construcción.