Ingeniería civil

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La ingeniería civil es una disciplina profesional de ingeniería que se ocupa del diseño , la construcción y el mantenimiento del entorno físico y natural , incluidas obras públicas como carreteras, puentes, canales, presas, aeropuertos, sistemas de alcantarillado , tuberías, componentes estructurales de edificios y ferrocarriles. ^{[1] [2]}

La ingeniería civil se divide tradicionalmente en varias subdisciplinas. Se considera la segunda disciplina de ingeniería más antigua después de la ingeniería militar ^[3] y se define para distinguir la ingeniería no militar de la ingeniería militar ^[4] . La ingeniería civil puede tener lugar en el sector público, desde los departamentos de obras públicas municipales hasta las agencias del gobierno federal, y en el sector privado, desde empresas locales hasta compañías de Fortune Global 500 ^[5] .

La ingeniería civil es la aplicación de principios físicos y científicos para resolver los problemas de la sociedad, y su historia está estrechamente vinculada a los avances en la comprensión de la física y las matemáticas a lo largo de la historia. Debido a que la ingeniería civil es una profesión amplia, que incluye varias subdisciplinas especializadas, su historia está vinculada al conocimiento de las estructuras, la ciencia de los materiales, la geografía, la geología , los suelos , la hidrología , la ciencia ambiental , la mecánica , la gestión de proyectos y otros campos. ^[6]

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 ascendieron al papel de maestros constructores . El conocimiento se conservaba en los gremios y rara vez era reemplazado por los avances. Las estructuras, los caminos y la infraestructura que existían eran repetitivos y los aumentos de escala eran incrementales. ^[7]

Uno de los primeros ejemplos de un enfoque científico a los problemas físicos y matemáticos aplicables a la ingeniería civil es el trabajo de Arquímedes en el siglo III a. C., incluido el principio de Arquímedes , que sustenta nuestra comprensión de la flotabilidad , y soluciones prácticas como el tornillo de Arquímedes . Brahmagupta , un matemático indio, utilizó la aritmética en el siglo VII d. C., basada en números hindúes y árabes, para los cálculos de excavación (volumen). ^[8]

La ingeniería ha sido un aspecto de la vida desde los inicios de la existencia humana. Las primeras prácticas de ingeniería civil pueden haber comenzado entre 4000 y 2000 a. C. en el antiguo Egipto , la civilización del valle del Indo y Mesopotamia (antiguo Irak), cuando los humanos comenzaron a abandonar la vida nómada , lo que creó la necesidad de construir refugios. Durante esta época, el transporte se volvió cada vez más importante, lo que llevó al desarrollo de la rueda y la navegación .

Hasta los tiempos modernos no había una distinción clara entre ingeniería civil y arquitectura, y los términos ingeniero y arquitecto eran principalmente variaciones geográficas que se referían a la misma ocupación, y a menudo se usaban indistintamente. ^[9] Las construcciones de pirámides en Egipto ( c.  2700-2500 a. C.) constituyen algunos de los primeros ejemplos de construcciones de grandes estructuras en la historia. Otras construcciones de ingeniería civil históricas antiguas incluyen el sistema de gestión del agua Qanat en el Irán actual (el más antiguo tiene más de 3000 años y más de 71 kilómetros (44 mi) ^[10] ), el Partenón de Iktinos en la antigua Grecia (447-438 a. C.), la Vía Apia por ingenieros romanos ( c.  312 a. C. ), la Gran Muralla China del general Meng T'ien bajo las órdenes del emperador Ch'in Shih Huang Ti ( c.  220 a. C. ) ^[11] y las estupas construidas en la antigua Sri Lanka como la Jetavanaramaya y las extensas obras de irrigación en Anuradhapura . Los romanos desarrollaron estructuras civiles en todo su imperio, incluyendo especialmente acueductos , insulae , puertos, puentes, presas y caminos.

En el siglo XVIII, se acuñó el término ingeniería civil para incorporar todo lo civil en oposición a la ingeniería militar. ^[4] En 1747, se estableció en Francia la primera institución para la enseñanza de la ingeniería civil, la École Nationale des Ponts et Chaussées ; y siguieron más ejemplos en otros países europeos, como España. ^[12] El primer ingeniero civil autoproclamado fue John Smeaton , quien construyó el faro de Eddystone . ^{[3] [11]} En 1771, Smeaton y algunos de sus colegas formaron la Sociedad Smeatoniana de Ingenieros Civiles, un grupo de líderes de la profesión que se reunían informalmente durante la cena. Aunque había evidencia de algunas reuniones técnicas, era poco más que una sociedad social.

En 1818 se fundó en Londres la Institution of Civil Engineers ^[13] , y en 1820 el eminente ingeniero Thomas Telford se convirtió en su primer presidente. La institución recibió una carta real en 1828, reconociendo formalmente la ingeniería civil como profesión. Su carta definía la ingeniería civil como:

el arte de dirigir las grandes fuentes de energía de la naturaleza para el uso y conveniencia del hombre, como medios de producción y de tráfico en los estados, tanto para el comercio externo como para el interno, tal como se aplica en la construcción de caminos, puentes, acueductos, canales, navegación fluvial y muelles para el intercambio y las relaciones internas, y en la construcción de puertos, dársenas, muelles, rompeolas y faros, y en el arte de la navegación por energía artificial para fines de comercio, y en la construcción y aplicación de maquinaria, y en el drenaje de ciudades y pueblos. ^[14]

La primera universidad privada que enseñó ingeniería civil en los Estados Unidos fue la Universidad de Norwich , fundada en 1819 por el capitán Alden Partridge. ^[15] El primer título en ingeniería civil en los Estados Unidos fue otorgado por el Instituto Politécnico Rensselaer en 1835. ^{[16] [17]} El primer título de este tipo otorgado a una mujer fue otorgado por la Universidad de Cornell a Nora Stanton Blatch en 1905. ^[18]

En el Reino Unido, durante el siglo XIX, la división entre ingeniería civil e ingeniería militar (atendida por la Real Academia Militar de Woolwich ), junto con las demandas de la Revolución Industrial, generó nuevas iniciativas de educación en ingeniería: la Clase de Ingeniería Civil y Minería se fundó en el King's College de Londres en 1838, principalmente como respuesta al crecimiento del sistema ferroviario y la necesidad de ingenieros más calificados, el Colegio privado de Ingenieros Civiles en Putney se estableció en 1839, y la primera Cátedra de Ingeniería del Reino Unido se estableció en la Universidad de Glasgow en 1840.

Los ingenieros civiles suelen poseer un título académico en ingeniería civil. La duración del estudio es de tres a cinco años, y el título completado se denomina licenciatura en tecnología o licenciatura en ingeniería . El plan de estudios generalmente incluye clases de física, matemáticas, gestión de proyectos , diseño y temas específicos de ingeniería civil. Después de tomar cursos básicos en la mayoría de las subdisciplinas de la ingeniería civil, pasan a especializarse en una o más subdisciplinas en niveles avanzados. Si bien un título universitario (BEng/BSc) normalmente proporciona a los estudiantes exitosos calificaciones acreditadas por la industria, algunas instituciones académicas ofrecen títulos de posgrado (MEng/MSc), que permiten a los estudiantes especializarse aún más en su área particular de interés. ^[19]

En la mayoría de los países, una licenciatura en ingeniería representa el primer paso hacia la certificación profesional , y un organismo profesional certifica el programa de grado. Después de completar un programa de grado certificado, el ingeniero debe satisfacer una serie de requisitos que incluyen experiencia laboral y requisitos de examen antes de ser certificado. Una vez certificado, el ingeniero es designado como ingeniero profesional (en los Estados Unidos, Canadá y Sudáfrica), ingeniero colegiado (en la mayoría de los países de la Commonwealth ), ingeniero profesional colegiado (en Australia y Nueva Zelanda ) o ingeniero europeo (en la mayoría de los países de la Unión Europea ). Existen acuerdos internacionales entre los organismos profesionales pertinentes para permitir que los ingenieros ejerzan a través de las fronteras nacionales.

Los beneficios de la certificación varían según la ubicación. Por ejemplo, en los Estados Unidos y Canadá, "sólo un ingeniero profesional autorizado puede preparar, firmar y sellar, y presentar planos y dibujos de ingeniería a una autoridad pública para su aprobación, o sellar trabajos de ingeniería para clientes públicos y privados". ^[20] Este requisito se aplica en virtud de la legislación provincial, como la Ley de Ingenieros de Quebec . ^[21] No se ha promulgado una legislación similar en otros países, incluido el Reino Unido. En Australia, la concesión de licencias estatales a los ingenieros se limita al estado de Queensland . Casi todos los organismos de certificación mantienen un código de ética que todos los miembros deben respetar. ^[22]

Los ingenieros deben respetar la legislación contractual en sus relaciones contractuales con otras partes. En los casos en que el trabajo de un ingeniero fracasa, puede estar sujeto a la ley de responsabilidad civil por negligencia y, en casos extremos, a cargos penales. ^[23] El trabajo de un ingeniero también debe cumplir con numerosas otras normas y reglamentos, como los códigos de construcción y la legislación medioambiental .

Hay varias subdisciplinas dentro del amplio campo de la ingeniería civil. Los ingenieros civiles generales trabajan en estrecha colaboración con topógrafos e ingenieros civiles especializados para diseñar nivelación, drenaje, pavimento , suministro de agua, servicio de alcantarillado, represas, suministro eléctrico y de comunicaciones. La ingeniería civil general también se conoce como ingeniería de sitio, una rama de la ingeniería civil que se centra principalmente en la conversión de una extensión de tierra de un uso a otro. Los ingenieros de sitio pasan tiempo visitando los sitios del proyecto, reuniéndose con las partes interesadas y preparando planes de construcción. Los ingenieros civiles aplican los principios de la ingeniería geotécnica, la ingeniería estructural, la ingeniería ambiental, la ingeniería de transporte y la ingeniería de la construcción a proyectos de obras residenciales, comerciales, industriales y públicas de todos los tamaños y niveles de construcción.

La ingeniería costera se ocupa de la gestión de las zonas costeras. En algunas jurisdicciones, los términos defensa marítima y protección costera significan defensa contra inundaciones y erosión, respectivamente. La defensa costera es el término más tradicional, pero la gestión costera también se ha vuelto popular.

La ingeniería de la construcción implica la planificación y ejecución, el transporte de materiales y el desarrollo del sitio en función de la ingeniería hidráulica, ambiental, estructural y geotécnica. Como las empresas de construcción tienden a tener un mayor riesgo comercial que otros tipos de empresas de ingeniería civil, los ingenieros de construcción a menudo participan en transacciones más comerciales, por ejemplo, redactar y revisar contratos, evaluar operaciones logísticas y monitorear los precios de los suministros.

La ingeniería sísmica implica el diseño de estructuras para soportar exposiciones sísmicas peligrosas. La ingeniería sísmica es una subdisciplina de la ingeniería estructural. Los principales objetivos de la ingeniería sísmica son ^[24] comprender la interacción de las estructuras en el suelo inestable; prever las consecuencias de posibles terremotos; y diseñar, construir y mantener estructuras para que funcionen en caso de terremoto de conformidad con los códigos de construcción .

La ingeniería ambiental es el término contemporáneo para la ingeniería sanitaria , aunque tradicionalmente esta última no había incluido gran parte de la gestión de residuos peligrosos y el trabajo de remediación ambiental que abarca la ingeniería ambiental. La ingeniería de salud pública y la ingeniería de salud ambiental son otros términos que se utilizan.

La ingeniería ambiental se ocupa del tratamiento de desechos químicos, biológicos o térmicos, la purificación del agua y el aire, y la remediación de sitios contaminados después de la eliminación de desechos o la contaminación accidental. Entre los temas que cubre la ingeniería ambiental se encuentran el transporte de contaminantes, la purificación del agua , el tratamiento de aguas residuales , la contaminación del aire, el tratamiento de residuos sólidos , el reciclaje y la gestión de residuos peligrosos . Los ingenieros ambientales administran la reducción de la contaminación, la ingeniería verde y la ecología industrial . Los ingenieros ambientales también recopilan información sobre las consecuencias ambientales de las acciones propuestas.

La ingeniería forense es la investigación de materiales, productos , estructuras o componentes que fallan o no funcionan como se esperaba, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Las consecuencias de la falla se tratan en la ley de responsabilidad del producto. El campo también se ocupa de rastrear procesos y procedimientos que conducen a accidentes en el funcionamiento de vehículos o maquinaria. El tema se aplica más comúnmente en casos de derecho civil, aunque puede ser de utilidad en casos de derecho penal. Generalmente, el propósito de una investigación de ingeniería forense es localizar la causa o causas de falla con vistas a mejorar el rendimiento o la vida útil de un componente, o para ayudar a un tribunal a determinar los hechos de un accidente. También puede involucrar la investigación de reclamos de propiedad intelectual, especialmente patentes .

La ingeniería geotécnica estudia las rocas y el suelo que sustentan los sistemas de ingeniería civil. El conocimiento del campo de la ciencia del suelo , la ciencia de los materiales, la mecánica y la hidráulica se aplica para diseñar de manera segura y económica cimientos , muros de contención y otras estructuras. Los esfuerzos ambientales para proteger las aguas subterráneas y mantener de manera segura los vertederos han generado una nueva área de investigación llamada ingeniería geoambiental. ^{[25] [26]}

La identificación de las propiedades del suelo presenta desafíos para los ingenieros geotécnicos. Las condiciones de contorno suelen estar bien definidas en otras ramas de la ingeniería civil, pero a diferencia del acero o el hormigón, las propiedades materiales y el comportamiento del suelo son difíciles de predecir debido a su variabilidad y la limitación de la investigación . Además, el suelo exhibe resistencia , rigidez y dilatación (cambio de volumen asociado con la aplicación de esfuerzo cortante ) no lineales ( dependientes del esfuerzo ), lo que dificulta aún más el estudio de la mecánica del suelo . ^[25] Los ingenieros geotécnicos trabajan con frecuencia con geólogos profesionales , profesionales de la ingeniería geológica y científicos del suelo. ^[27]

La ciencia de los materiales está estrechamente relacionada con la ingeniería civil. Estudia las características fundamentales de los materiales y se ocupa de cerámicas como el hormigón y el hormigón asfáltico, metales resistentes como el aluminio y el acero, y polímeros termoendurecibles como el polimetilmetacrilato (PMMA) y las fibras de carbono.

La ingeniería de materiales implica la protección y la prevención (pinturas y acabados). La aleación combina dos tipos de metales para producir otro metal con las propiedades deseadas. Incorpora elementos de la física y la química aplicadas . Con la reciente atención de los medios de comunicación a la nanociencia y la nanotecnología , la ingeniería de materiales ha estado a la vanguardia de la investigación académica. También es una parte importante de la ingeniería forense y el análisis de fallos .

El desarrollo del sitio , también conocido como planificación del sitio , se centra en el potencial de planificación y desarrollo de un sitio, así como en abordar los posibles impactos de los problemas de permisos y los desafíos ambientales . ^[28]

La ingeniería estructural se ocupa del diseño estructural y el análisis estructural de edificios, puentes, torres , pasos elevados , túneles, estructuras marinas como yacimientos de petróleo y gas en el mar, aeroestructuras y otras estructuras. Esto implica identificar las cargas que actúan sobre una estructura y las fuerzas y tensiones que surgen dentro de esa estructura debido a esas cargas, y luego diseñar la estructura para soportar y resistir con éxito esas cargas. Las cargas pueden ser el peso propio de las estructuras, otras cargas muertas, cargas vivas, cargas móviles (ruedas), cargas de viento, cargas sísmicas, cargas por cambios de temperatura, etc. El ingeniero estructural debe diseñar estructuras que sean seguras para sus usuarios y que cumplan con éxito la función para la que están diseñadas (ser útiles ). Debido a la naturaleza de algunas condiciones de carga, han surgido subdisciplinas dentro de la ingeniería estructural, incluidas la ingeniería eólica y la ingeniería sísmica. ^[29]

Las consideraciones de diseño incluirán la resistencia, la rigidez y la estabilidad de la estructura cuando se la someta a cargas que pueden ser estáticas, como el peso propio o de los muebles, o dinámicas, como el viento, los sismo, las cargas de multitudes o de vehículos, o transitorias, como las cargas temporales de construcción o los impactos. Otras consideraciones incluyen el costo, la constructibilidad, la seguridad, la estética y la sostenibilidad .

La topografía es el proceso mediante el cual un topógrafo mide ciertas dimensiones que se dan en la superficie de la Tierra o cerca de ella. Los equipos de topografía, como los niveles y los teodolitos, se utilizan para medir con precisión la desviación angular, las distancias horizontales, verticales y de pendiente. Con la informatización, la medición electrónica de distancias (EDM), las estaciones totales, la topografía GPS y el escaneo láser han reemplazado en gran medida a los instrumentos tradicionales. Los datos recopilados mediante la medición topográfica se convierten en una representación gráfica de la superficie de la Tierra en forma de mapa. Esta información luego es utilizada por ingenieros civiles, contratistas y agentes inmobiliarios para diseñar, construir y comercializar, respectivamente. Los elementos de una estructura deben dimensionarse y ubicarse en relación entre sí y con los límites del sitio y las estructuras adyacentes.

Aunque la topografía es una profesión distinta con calificaciones y licencias independientes, los ingenieros civiles están capacitados en los conceptos básicos de topografía y cartografía, así como en sistemas de información geográfica . Los topógrafos también trazan las rutas de ferrocarriles, vías de tranvía , carreteras, caminos, tuberías y calles, así como posicionan otras infraestructuras, como puertos , antes de la construcción.

Agrimensura

En los Estados Unidos, Canadá, el Reino Unido y la mayoría de los países de la Commonwealth, la agrimensura se considera una profesión separada y distinta. Los agrimensores no se consideran ingenieros y tienen sus propias asociaciones profesionales y requisitos de licencia. Los servicios de un agrimensor con licencia generalmente se requieren para los estudios de límites (para establecer los límites de una parcela utilizando su descripción legal) y los planes de subdivisión (una parcela o mapa basado en un estudio de una parcela de tierra, con líneas de límites dibujadas dentro de la parcela más grande para indicar la creación de nuevas líneas de límites y caminos), ambos generalmente conocidos como agrimensura catastral .

Topografía de construcción

La topografía de la construcción generalmente la realizan técnicos especializados. A diferencia de los agrimensores, el plano resultante no tiene carácter legal. Los agrimensores de la construcción realizan las siguientes tareas:

• Inspeccionar las condiciones existentes del futuro lugar de trabajo, incluida la topografía, los edificios y la infraestructura existentes y la infraestructura subterránea cuando sea posible;
• "trazado" o "replanteo": colocar puntos de referencia y marcadores que guiarán la construcción de nuevas estructuras, como carreteras o edificios;
• Verificar la ubicación de las estructuras durante la construcción;
• Inspección según obra: inspección realizada al final del proyecto de construcción para verificar que el trabajo autorizado se completó según las especificaciones establecidas en los planos.

La ingeniería de transporte se ocupa de trasladar personas y bienes de forma eficiente, segura y propicia para una comunidad vibrante. Esto implica especificar, diseñar, construir y mantener la infraestructura de transporte, que incluye calles, canales, carreteras, sistemas ferroviarios , aeropuertos, puertos y transporte público . Incluye áreas como el diseño de transporte, la planificación del transporte , la ingeniería de tráfico , algunos aspectos de la ingeniería urbana , la teoría de colas , la ingeniería de pavimentos , el sistema de transporte inteligente (ITS) y la gestión de infraestructura.

La ingeniería municipal se ocupa de la infraestructura municipal. Esto implica especificar, diseñar, construir y mantener calles, aceras , redes de suministro de agua , alcantarillas, alumbrado público , gestión y eliminación de residuos sólidos municipales , depósitos de almacenamiento para diversos materiales a granel utilizados para mantenimiento y obras públicas (sal, arena, etc.), parques públicos e infraestructura para bicicletas . En el caso de las redes de servicios públicos subterráneas , también puede incluir la parte civil (conductos y cámaras de acceso) de las redes de distribución local de servicios eléctricos y de telecomunicaciones. También puede incluir la optimización de las redes de recolección de residuos y servicio de autobuses . Algunas de estas disciplinas se superponen con otras especialidades de ingeniería civil, sin embargo, la ingeniería municipal se centra en la coordinación de estas redes y servicios de infraestructura, ya que a menudo se construyen simultáneamente y son administrados por la misma autoridad municipal. Los ingenieros municipales también pueden diseñar las obras civiles del sitio para grandes edificios, plantas industriales o campus (es decir, caminos de acceso, estacionamientos, suministro de agua potable, tratamiento o pretratamiento de aguas residuales, drenaje del sitio, etc.)

La ingeniería de recursos hídricos se ocupa de la recolección y gestión del agua (como recurso natural ). Por lo tanto, como disciplina, combina elementos de hidrología, ciencia ambiental, meteorología , conservación y gestión de recursos . Esta área de la ingeniería civil se relaciona con la predicción y gestión tanto de la calidad como de la cantidad de agua en recursos subterráneos ( acuíferos ) y superficiales (lagos, ríos y arroyos). Los ingenieros de recursos hídricos analizan y modelan áreas muy pequeñas a muy grandes de la tierra para predecir la cantidad y el contenido de agua a medida que fluye hacia, a través o hacia afuera de una instalación. Aunque el diseño real de la instalación puede dejarse en manos de otros ingenieros.

La ingeniería hidráulica se ocupa del flujo y transporte de fluidos, principalmente agua. Esta área de la ingeniería civil está íntimamente relacionada con el diseño de tuberías , redes de suministro de agua , instalaciones de drenaje (incluidos puentes, presas, canales , alcantarillas , diques , alcantarillas pluviales ) y canales. Los ingenieros hidráulicos diseñan estas instalaciones utilizando los conceptos de presión de fluidos , estática de fluidos , dinámica de fluidos e hidráulica, entre otros.

Los sistemas de ingeniería civil son una disciplina que promueve el uso del pensamiento sistémico para gestionar la complejidad y el cambio en la ingeniería civil dentro de su contexto público más amplio. Postula que el desarrollo adecuado de la infraestructura de ingeniería civil requiere una comprensión holística y coherente de las relaciones entre todos los factores cruciales que contribuyen al éxito de los proyectos, al tiempo que enfatiza la importancia de la atención a los detalles técnicos. Su propósito es ayudar a integrar todo el ciclo de vida del proyecto de ingeniería civil desde la concepción, pasando por la planificación, el diseño, la fabricación, la operación y el desmantelamiento. ^{[30] [31]}

• Blockley, David (2014). Ingeniería estructural: una introducción muy breve . Nueva York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-967193-9.
• Chen, WF; Liew, JY Richard, eds. (2002). Manual de ingeniería civil . CRC Press. ISBN 978-0-8493-0958-8.
• Muir Wood, David (2012). Ingeniería civil: una introducción muy breve . Nueva York: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-957863-4.
• Ricketts, Jonathan T.; Loftin, M. Kent; Merritt, Frederick S., eds. (2004). Manual estándar para ingenieros civiles (5.ª ed.). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-136473-7.

Wikiquote tiene citas relacionadas con Ingeniería civil .

• La Institución de Ingenieros Civiles
• Base de datos de software de ingeniería civil
• La Institución de Agrimensores de Ingeniería Civil
• Clases de ingeniería civil, de MIT OpenCourseWare