La ingeniería estructural es una subdisciplina de la ingeniería civil en la que los ingenieros estructurales están capacitados para diseñar los "huesos y juntas" que crean la forma de las estructuras hechas por el hombre . Los ingenieros estructurales también deben comprender y calcular la estabilidad , resistencia, rigidez y susceptibilidad a terremotos de estructuras construidas para edificios [1] y estructuras no edificables . 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 los proyectos por parte de los contratistas en el sitio. [2] También pueden participar en el diseño de maquinaria, equipos médicos y vehículos donde la integridad estructural afecta el funcionamiento y la seguridad. Ver glosario de ingeniería estructural .
La teoría de la ingeniería estructural se basa en leyes físicas aplicadas y 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, elementos estructurales y 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 Zoser . Las pirámides fueron las estructuras principales más comunes construidas por las civilizaciones antiguas porque la forma estructural de una pirámide es inherentemente estable y se puede escalar casi infinitamente (a diferencia de la mayoría de las otras formas estructurales, cuyo tamaño no se puede aumentar linealmente en proporción al aumento de cargas). [3]
La estabilidad estructural de la pirámide, si bien 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 se extrajeron a menudo 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 fuerza estructural de la pirámide proviene de las propiedades materiales de las piedras con las que fue construida 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 arquitectónicos fueron realizados por artesanos, como canteros y carpinteros, que asumieron el papel de maestros de obras. No existía ninguna teoría de las estructuras, y la comprensión de cómo se erguían las estructuras era extremadamente limitada y se basaba casi por completo en evidencia empírica de "lo que había funcionado antes" y en la intuición . Los gremios retuvieron el conocimiento y rara vez lo suplantaron con avances. Las estructuras eran repetitivas y los aumentos de escala eran incrementales. [3]
No existe ningún registro de los primeros cálculos de la resistencia de los miembros estructurales o del comportamiento del material estructural, pero la profesión de ingeniero estructural sólo tomó forma realmente con la Revolución Industrial y la reinvención del hormigón (ver Historia del hormigón ). Las ciencias físicas que subyacen a la ingeniería estructural comenzaron a entenderse en el Renacimiento y desde entonces se han convertido en aplicaciones basadas en computadora que fueron pioneras en la década de 1970. [6]
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La historia de la ingeniería estructural contiene muchos colapsos y fracasos. A veces esto se debe a una negligencia evidente, 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". tras un derrumbe parcial de la escuela de tres pisos que hizo huir a los vecinos. El colapso final mató a 94 personas, en su mayoría niños.
En otros casos , las fallas estructurales requieren un estudio cuidadoso y los resultados de estas investigaciones han resultado en mejores prácticas 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 aún así se produjo una falla. Un caso famoso de avance de esta manera en el conocimiento y la práctica estructural 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 teóricos y empíricos relevantes , las técnicas de análisis estructural , así como cierto conocimiento de la resistencia a la corrosión de los materiales y estructuras, especialmente cuando esas estructuras están expuestas al exterior. ambiente. Desde la década de 1990, se dispone de software especializado para ayudar en el diseño de estructuras, con la funcionalidad de ayudar en el dibujo, análisis y diseño de estructuras con la máxima precisión; los ejemplos incluyen AutoCAD , StaadPro, ETABS , Prokon, Revit Structure, Inducta RCB, etc. Dicho software también puede tener en cuenta cargas ambientales, como terremotos y vientos. [ cita necesaria ]
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 más experimentados pueden ser responsables del diseño estructural y la integridad de un sistema completo, como un edificio. [ cita necesaria ]
Los ingenieros estructurales a menudo se especializan en tipos particulares de estructuras, como edificios, puentes, tuberías, industriales, túneles, vehículos, barcos, aviones y naves espaciales. Los ingenieros estructurales que se especializan en edificios a menudo se especializan en materiales de construcción particulares como concreto, acero, madera, mampostería, aleaciones y compuestos, y pueden enfocarse en tipos particulares de edificios como oficinas, escuelas, hospitales, residenciales, etc. [ cita necesaria ]
La ingeniería estructural ha existido desde que los 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 finales del siglo XIX. Hasta entonces, el arquitecto y el ingeniero estructural eran normalmente la misma cosa: el maestro de obras. Sólo con el desarrollo del conocimiento especializado de las teorías estructurales que surgieron durante el siglo XIX y principios del XX surgieron los ingenieros estructurales profesionales. [ cita necesaria ]
El papel de un ingeniero estructural hoy en día implica una comprensión significativa de las cargas estáticas y dinámicas y de las estructuras disponibles para resistirlas. La complejidad de las estructuras modernas a menudo requiere una gran creatividad por parte del ingeniero para garantizar que las estructuras soporten y resistan las cargas a las que están sometidas. Un ingeniero estructural generalmente tendrá una licenciatura de cuatro o cinco años, seguida de un mínimo de tres años de práctica profesional antes de ser considerado completamente 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 del Reino Unido). Dependiendo de la carrera que hayan estudiado y/o de la jurisdicción en la que busquen la licencia, pueden estar acreditados (o autorizados) simplemente como ingenieros estructurales, o como ingenieros civiles, o como ingenieros civiles y estructurales. Otra organización internacional es IABSE (Asociación Internacional de Ingeniería Estructural y de Puentes). [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.
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La ingeniería estructural de edificación incluye toda la ingeniería estructural relacionada con el diseño de edificios. Es una rama de la ingeniería estructural estrechamente afiliada a la arquitectura . [ cita necesaria ]
La ingeniería de construcción estructural está impulsada principalmente por la manipulación creativa de materiales y formas y las ideas matemáticas y científicas subyacentes para lograr un fin que cumpla con sus requisitos funcionales y sea estructuralmente seguro cuando se somete a todas las cargas que razonablemente podría esperarse que experimente. 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 estético, funcional y, a menudo, artístico.
El diseño estructural de un edificio debe garantizar que el edificio pueda mantenerse en pie de manera segura, capaz de funcionar sin deflexiones o movimientos excesivos que puedan causar fatiga de los elementos estructurales, grietas o fallas de accesorios, accesorios o particiones, o incomodidad para los ocupantes. Debe tener en cuenta los movimientos y fuerzas debidos a la temperatura, la fluencia , el agrietamiento y las cargas impuestas. También debe garantizar que el diseño sea prácticamente edificable dentro de tolerancias de fabricación aceptables de los materiales. Debe permitir que la arquitectura funcione y que los servicios del edificio encajen dentro del 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 edificación incluyen:
Las estructuras de ingeniería sísmica son aquellas diseñadas para resistir terremotos .
Los principales objetivos de la ingeniería sísmica son comprender la interacción de las estructuras con el suelo tembloroso, prever las consecuencias de posibles terremotos y diseñar y construir las estructuras para funcionar 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 ser 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 olas o 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.
Los principios de la ingeniería estructural se aplican a una variedad de estructuras mecánicas (móviles). El diseño de estructuras estáticas supone que siempre tienen la misma geometría (de hecho, las llamadas estructuras estáticas pueden moverse significativamente, y el diseño de ingeniería estructural debe tener esto en cuenta cuando sea necesario), pero el diseño de estructuras móviles o móviles debe tener en cuenta la fatiga. , variación en el método en el que se resiste la carga y deflexiones significativas de las estructuras.
Las fuerzas a las que están sometidas las piezas de una máquina pueden variar significativamente y pueden hacerlo a gran velocidad. Las fuerzas a las que está sometido un barco o un avión varían enormemente y lo harán miles de veces durante la vida útil de la estructura. El diseño estructural debe garantizar que dichas estructuras puedan soportar dichas cargas durante toda su vida útil sin fallar.
Estas obras pueden requerir ingeniería estructural mecánica:
Los tipos de estructuras aeroespaciales incluyen vehículos de lanzamiento ( Atlas , Delta , Titan), misiles (ALCM, Harpoon), vehículos hipersónicos (Space Shuttle), aviones militares (F-16, F-18) y aviones comerciales ( Boeing 777, MD-11). ). Las estructuras aeroespaciales normalmente constan de placas delgadas con refuerzos para las superficies externas, mamparos y marcos para soportar 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 (del tamaño de un micrómetro). Al describir nanoestructuras es necesario diferenciar entre el número de dimensiones en la nanoescala. Las superficies nanotexturizadas tienen una dimensión en la nanoescala, es decir, sólo 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 al rango micrométrico. El término "nanoestructura" se utiliza a menudo para referirse a la tecnología magnética.
El equipo médico (también conocido como armamento) está diseñado para ayudar en el diagnóstico, seguimiento o tratamiento de afecciones médicas. Hay varios tipos básicos: los equipos de diagnóstico incluyen 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; Los equipos médicos de diagnóstico también pueden utilizarse en el hogar para determinados fines, por ejemplo, para el control de la diabetes mellitus. Un técnico en equipos biomédicos (BMET) es un componente vital del sistema de prestación de atención médica. Empleados principalmente en 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:
Muchos de estos elementos se pueden clasificar según su forma (recto, plano/curvo) y dimensionalidad (unidimensional/bidimensional):
Las columnas son elementos que soportan solo fuerza axial (compresión) o tanto fuerza axial como flexión (lo que técnicamente se llama viga-columna pero en la práctica, solo columna). El diseño de una columna debe comprobar 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 está la longitud real de la columna y K es el factor dependiente de las condiciones de restricción.
La capacidad de una columna para soportar cargas axiales depende del grado de flexión a la que está sometida y viceversa. Esto se representa en un gráfico de interacción y es una relación compleja no lineal.
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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 columnas se denominan elementos lineales y, a menudo, se representan mediante líneas simples en el modelado estructural.
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 de compresión debe estar diseñada para resistir el pandeo y el aplastamiento, mientras que la parte de tensión debe poder resistir adecuadamente la tensión.
Una armadura es una estructura que comprende miembros y puntos o nodos de conexión. 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 en compresión o puntales , mientras que los miembros que actúan en tensión se denominan miembros en tensión o tirantes . La mayoría de las armaduras utilizan placas de refuerzo para conectar elementos que se cruzan. Las placas de refuerzo son relativamente flexibles y no pueden transferir momentos de flexión . La conexión generalmente se dispone de manera que las líneas de fuerza en los miembros coincidan en la unión, lo que permite que los miembros de la armadura actúen en pura tensión o compresión.
Las granjas se utilizan generalmente en estructuras de gran luz, donde no sería económico utilizar vigas sólidas.
Las placas se doblan en dos direcciones. Una losa plana de hormigón es un ejemplo de placa. Las placas se entienden mediante el uso de la mecánica continua , pero debido a la complejidad involucrada, la mayoría de las veces se diseñan utilizando un enfoque empírico codificado o análisis por computadora.
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 garantizar que el mecanismo de colapso supuesto sea realista. [9]
Los proyectiles obtienen su fuerza de su forma y soportan fuerzas de compresión en dos direcciones. Una cúpula es un ejemplo de concha. Se pueden diseñar realizando un modelo de cadena colgante, que actuará como catenaria en pura tensión e invirtiendo la forma para conseguir pura compresión.
Los arcos soportan fuerzas de compresión en una sola dirección, por lo que es apropiado construir arcos de mampostería. Están diseñados asegurando que la línea de empuje de la fuerza permanezca dentro de la profundidad del arco. Se utiliza principalmente para aumentar la abundancia de cualquier estructura.
Las catenarias obtienen su fuerza de su forma y transportan fuerzas transversales en pura tensión al desviarse (al igual que una cuerda floja se hunde cuando alguien camina sobre ella). Casi siempre son estructuras de cables o de tela. Una estructura textil actúa como catenaria en dos direcciones.
La ingeniería estructural depende del conocimiento de los materiales y sus propiedades, para poder comprender cómo los diferentes materiales soportan y resisten cargas. También implica conocimientos de ingeniería de corrosión para evitar, por ejemplo, el acoplamiento galvánico de materiales diferentes.
Los materiales estructurales comunes son:
