Historia de la ingeniería estructural

La historia de la ingeniería estructural se remonta al menos al año 2700 a. C., cuando Imhotep, el primer arquitecto de la historia conocido por su nombre, construyó la pirámide escalonada para el faraón Djoser. Las pirámides fueron las estructuras principales más comunes construidas por las civilizaciones antiguas porque es una forma estructural que es intrínsecamente estable y se puede escalar casi infinitamente (a diferencia de la mayoría de las otras formas estructurales, que no se pueden aumentar linealmente en tamaño en proporción al aumento de cargas).

Otra hazaña de ingeniería notable de la antigüedad que todavía se usa hoy en día es el sistema de gestión de agua qanat. La tecnología de los Qanat se desarrolló en la época de los medos, antecesores del Imperio Persa (actual Irán que posee el Qanat más antiguo y largo (más de 3000 años y más de 71 km) que también se extendió a otras culturas al haber tenido contacto con los Persa.

A lo largo de la historia antigua y medieval, la mayor parte del diseño arquitectónico y la construcción fueron realizados por artesanos, como albañiles y carpinteros, que ascendieron al papel de maestro de obras. 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 la evidencia empírica de 'lo que había funcionado antes'. El conocimiento fue retenido por los gremios y rara vez suplantado por avances. Las estructuras eran repetitivas y los aumentos de escala eran incrementales.

No existe registro de los primeros cálculos de la resistencia de los miembros estructurales o del comportamiento del material estructural, pero la profesión de ingeniero estructural solo 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 se han desarrollado desde entonces.

Ingeniería estructural temprana

La historia registrada de la ingeniería estructural comienza con los antiguos egipcios. En el siglo 27 a. C., Imhotep fue el primer ingeniero estructural conocido por su nombre y construyó la primera pirámide escalonada conocida en Egipto. En el siglo 26 aC, se construyó la Gran Pirámide de Giza en Egipto. Siguió siendo la estructura más grande hecha por el hombre durante milenios y fue considerada una hazaña arquitectónica sin igual hasta el siglo XIX d.C.

La comprensión de las leyes físicas que sustentan la ingeniería estructural en el mundo occidental se remonta al siglo III a.C., cuando Arquímedes publica su obra Sobre el equilibrio de los planos en dos volúmenes, en los que expone la Ley de la Palanca, afirmando:

Pesos iguales a distancias iguales están en equilibrio, y pesos iguales a distancias desiguales no están en equilibrio sino que se inclinan hacia el peso que está a mayor distancia.

Arquímedes usó los principios derivados para calcular las áreas y los centros de gravedad de varias figuras geométricas, incluidos triángulos, paraboloides y hemisferios. El trabajo de Arquímedes sobre esto y su trabajo sobre cálculo y geometría, junto con la geometría euclidiana, sustentan gran parte de las matemáticas y la comprensión de las estructuras en la ingeniería estructural moderna.

Los antiguos romanos dieron grandes saltos en la ingeniería estructural, siendo pioneros en grandes estructuras de mampostería y hormigón, muchas de las cuales siguen en pie en la actualidad. Incluyen acueductos, termas, columnas, faros, murallas defensivas y puertos. Vitruvio registra sus métodos en su De Architectura escrito en el 25 a. C., un manual de ingeniería civil y estructural con amplias secciones sobre materiales y máquinas utilizadas en la construcción. Una de las razones de su éxito son sus técnicas topográficas precisas basadas en dioptrías, groma y corobates.

Durante la Alta Edad Media (siglos XI al XIV), los constructores pudieron equilibrar el empuje lateral de las bóvedas con el de los arbotantes y las bóvedas laterales, para construir estructuras altas y espaciosas, algunas de las cuales fueron construidas completamente de piedra (con pasadores de hierro que solo aseguraban los extremos de las piedras) y han perdurado durante siglos.

En los siglos XV y XVI, y a pesar de carecer de cálculo y teoría de vigas, Leonardo da Vinci produjo muchos diseños de ingeniería basados ​​en observaciones científicas y rigor, incluido un diseño para un puente sobre el Cuerno de Oro. Aunque descartado en ese momento, desde entonces se ha considerado que el diseño es factible y estructuralmente válido.

Galileo Galilei, Robert Hooke e Isaac Newton sentaron las bases de la ingeniería estructural moderna en el siglo XVII con la publicación de tres grandes obras científicas. En 1638, Galileo publicó Dialogues Relating to Two New Sciences, describiendo las ciencias de la resistencia de los materiales y el movimiento de los objetos (esencialmente definiendo la gravedad como una fuerza que genera una aceleración constante). Fue el primer establecimiento de un enfoque científico de la ingeniería estructural, incluidos los primeros intentos de desarrollar una teoría para vigas. Esto también se considera como el comienzo del análisis estructural, la representación matemática y el diseño de estructuras de edificios.

Esto fue seguido en 1676 por la primera declaración de la Ley de Hooke de Robert Hooke, proporcionando una comprensión científica de la elasticidad de los materiales y su comportamiento bajo carga.

Once años más tarde, en 1687, Sir Isaac Newton publicó Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, estableciendo sus Leyes del movimiento, proporcionando por primera vez una comprensión de las leyes fundamentales que gobiernan las estructuras.

También en el siglo XVII, Sir Isaac Newton y Gottfried Leibniz desarrollaron de forma independiente el teorema fundamental del cálculo, proporcionando una de las herramientas matemáticas más importantes en ingeniería.

Los avances adicionales en las matemáticas necesarios para permitir a los ingenieros estructurales aplicar la comprensión de las estructuras obtenida a través del trabajo de Galileo, Hooke y Newton durante el siglo XVII llegaron en el siglo XVIII cuando Leonhard Euler fue pionero en gran parte de las matemáticas y muchos de los métodos que permiten ingenieros estructurales para modelar y analizar estructuras. Específicamente, desarrolló la ecuación de la viga de Euler-Bernoulli con Daniel Bernoulli (1700-1782) alrededor de 1750, la teoría fundamental que subyace en la mayoría de los diseños de ingeniería estructural.

A Daniel Bernoulli, con Johann (Jean) Bernoulli (1667–1748), también se le atribuye la formulación de la teoría del trabajo virtual, proporcionando una herramienta que utiliza el equilibrio de fuerzas y la compatibilidad de la geometría para resolver problemas estructurales. En 1717, Jean Bernoulli escribió a Pierre Varignon explicando el principio del trabajo virtual, mientras que en 1726 Daniel Bernoulli escribió sobre la "composición de fuerzas".

En 1757, Leonhard Euler derivó la fórmula de pandeo de Euler, lo que mejoró enormemente la capacidad de los ingenieros para diseñar elementos de compresión.

Desarrollos modernos en ingeniería estructural.

A lo largo de finales del siglo XIX y principios del XX, la ciencia de los materiales y el análisis estructural se desarrollaron a un ritmo vertiginoso.

Aunque la elasticidad se entendió en teoría mucho antes del siglo XIX, no fue hasta 1821 que Claude-Louis Navier formuló la teoría general de la elasticidad en una forma matemáticamente utilizable. En sus lecciones de 1826 exploró una gran variedad de diferentes teorías estructurales, y fue el primero en resaltar que el papel de un ingeniero estructural no es comprender el estado final de falla de una estructura, sino prevenir esa falla en primer lugar.. En 1826 también estableció el módulo elástico como una propiedad de los materiales independiente del segundo momento de área, lo que permitió a los ingenieros por primera vez comprender tanto el comportamiento estructural como los materiales estructurales.

Hacia fines del siglo XIX, en 1873, Carlo Alberto Castigliano presentó su disertación "Intorno ai sistemi elastici", que contiene su teorema para calcular el desplazamiento como derivada parcial de la energía de deformación.

En 1824, el cemento Portland fue patentado por el ingeniero Joseph Aspdin como "un cemento superior parecido a la piedra Portland", Patente británica no. 5022. Aunque ya existían diferentes formas de cemento (el cemento puzolánico fue utilizado por los romanos ya en el año 100 a. C. e incluso antes por las antiguas civilizaciones griega y china) y eran de uso común en Europa desde la década de 1750, el descubrimiento realizado por Aspdin utilizó materiales comúnmente disponibles y baratos, lo que hace que la construcción con concreto sea una posibilidad económica.

El desarrollo del hormigón continuó con la construcción en 1848 de un bote de remos construido con ferrocemento, el precursor del hormigón armado moderno, por Joseph-Louis Lambot. Patentó su sistema de refuerzo de malla y hormigón en 1855, un año después de que WB Wilkinson también patentara un sistema similar. Esto fue seguido en 1867 cuando Joseph Monier patentó en París una tina de plantación de hormigón armado, utilizando un refuerzo de malla de acero similar al utilizado por Lambot y Wilkinson. Monier llevó adelante la idea, presentó varias patentes para tinas, losas y vigas, lo que finalmente condujo al sistema Monier de estructuras reforzadas, el primer uso de barras de refuerzo de acero ubicadas en áreas de tensión en la estructura.

La construcción de acero fue posible por primera vez en la década de 1850 cuando Henry Bessemer desarrolló el proceso Bessemer para producir acero. Obtuvo patentes para el proceso en 1855 y 1856 y completó con éxito la conversión de hierro fundido en acero fundido en 1858. Eventualmente, el acero dulce reemplazaría tanto al hierro forjado como al hierro fundido como el metal preferido para la construcción.

A fines del siglo XIX, se lograron grandes avances en el uso del hierro fundido, reemplazando gradualmente al hierro forjado como material de elección. Ditherington Flax Mill en Shrewsbury, diseñado por Charles Bage, fue el primer edificio del mundo con una estructura interior de hierro. Fue construido en 1797. En 1792, William Strutt había intentado construir un molino a prueba de fuego en Belper en Derby (Belper West Mill), utilizando columnas de hierro fundido y vigas de madera dentro de las profundidades de los arcos de ladrillo que formaban los pisos. Los plafones de vigas vistas se protegieron contra el fuego mediante yeso. Este molino en Belper fue el primer intento del mundo de construir edificios a prueba de fuego y es el primer ejemplo de ingeniería contra incendios. Esto se mejoró más tarde con la construcción de Belper North Mill, una colaboración entre Strutt y Bage,

El puente Forth fue construido por Benjamin Baker, Sir John Fowler y William Arrol en 1889, utilizando acero, después de que el diseño original del puente de Thomas Bouch fuera rechazado tras el colapso de su puente ferroviario Tay. El Forth Bridge fue uno de los primeros usos importantes del acero y un hito en el diseño de puentes. También en 1889, la Torre Eiffel de hierro forjado fue construida por Gustave Eiffel y Maurice Koechlin, demostrando el potencial de la construcción con hierro, a pesar de que la construcción con acero ya se estaba utilizando en otros lugares.

A fines del siglo XIX, el ingeniero estructural ruso Vladimir Shukhov desarrolló métodos de análisis para estructuras de tracción, estructuras de capa delgada, estructuras de capa de celosía y nuevas geometrías estructurales, como las estructuras hiperboloides. El transporte por tuberías fue iniciado por Vladimir Shukhov y la compañía Branobel a fines del siglo XIX.

Una vez más, avanzando en el diseño del hormigón armado, a partir de 1892, la firma de François Hennebique utilizó su sistema patentado de hormigón armado para construir miles de estructuras en toda Europa. Thaddeus Hyatt en EE. UU. y Wayss & Freitag en Alemania también patentaron sistemas. La empresa AG für Monierbauten construyó 200 puentes de hormigón armado en Alemania entre 1890 y 1897Los grandes usos pioneros del hormigón armado se produjeron sin embargo durante el primer tercio del siglo XX, con Robert Maillart y otros profundizando en la comprensión de su comportamiento. Maillart notó que muchas estructuras de puentes de concreto estaban significativamente agrietadas y, como resultado, dejó las áreas agrietadas fuera de su próximo diseño de puente, creyendo correctamente que si el concreto estaba agrietado, no estaba contribuyendo a la resistencia. Esto resultó en el revolucionario diseño del Puente Salginatobel. Wilhelm Ritter formuló la teoría de la armadura para el diseño a cortante de vigas de hormigón armado en 1899, y Emil Mörsch la mejoró en 1902. Luego demostró que tratar el hormigón en compresión como un material elástico lineal era una aproximación conservadora de su comportamiento.El diseño y el análisis del hormigón han progresado desde entonces, con el desarrollo de métodos de análisis como la teoría de la línea de fluencia, basada en el análisis plástico del hormigón (en contraposición al lineal-elástico), y muchas variaciones diferentes del modelo de distribución de tensiones en el hormigón en compresión

El hormigón pretensado, iniciado por Eugène Freyssinet con una patente en 1928, proporcionó un enfoque novedoso para superar la debilidad de las estructuras de hormigón en tracción. Freyssinet construyó un arco pretensado experimental en 1908 y luego utilizó la tecnología de forma limitada en el puente Plougastel en Francia en 1930. Luego construyó seis puentes de hormigón pretensado sobre el río Marne, estableciendo firmemente la tecnología.

La teoría de la ingeniería estructural avanzó nuevamente en 1930 cuando el profesor Hardy Cross desarrolló su método de distribución de momentos, lo que permitió aproximar las tensiones reales de muchas estructuras complejas de manera rápida y precisa.

A mediados del siglo XX, John Fleetwood Baker pasó a desarrollar la teoría de la plasticidad de las estructuras, proporcionando una poderosa herramienta para el diseño seguro de estructuras de acero. La posibilidad de crear estructuras con geometrías complejas, más allá del análisis mediante métodos de cálculo manual, surgió por primera vez en 1941 cuando Alexander Hrennikoff presentó su tesis de doctorado en ciencias en el MIT sobre el tema de la discretización de problemas de elasticidad plana utilizando un marco de celosía. Este fue el precursor del desarrollo del análisis de elementos finitos. En 1942, Richard Courant desarrolló una base matemática para el análisis de elementos finitos. Esto condujo en 1956 a la publicación por parte de J. Turner, RW Clough, HC Martin y LJ Topp de un artículo sobre "Rigidez y deflexión de estructuras complejas". Este documento introdujo el nombre de "método de elementos finitos".

La construcción de gran altura, aunque posible desde finales del siglo XIX en adelante, avanzó mucho durante la segunda mitad del siglo XX. Fazlur Khan diseñó sistemas estructurales que siguen siendo fundamentales para muchas construcciones modernas de gran altura y que empleó en sus diseños estructurales para el Centro John Hancock en 1969 y la Torre Sears en 1973. La innovación central de Khan en el diseño y la construcción de rascacielos fue la idea del "tubo " y sistemas estructurales de "tubos agrupados" para edificios altos.Él definió la estructura de tubo enmarcado como "una estructura espacial tridimensional compuesta de tres, cuatro o posiblemente más marcos, marcos arriostrados o paredes de corte, unidos en o cerca de sus bordes para formar un sistema estructural similar a un tubo vertical capaz de resistir fuerzas en cualquier dirección en voladizo desde la cimentación”.Columnas exteriores interconectadas estrechamente espaciadas forman el tubo. Las cargas horizontales, por ejemplo, el viento, son soportadas por la estructura en su conjunto. Aproximadamente la mitad de la superficie exterior está disponible para ventanas. Los tubos enmarcados permiten menos columnas interiores y, por lo tanto, crean más espacio útil en el piso. Cuando se requieran aberturas más grandes, como puertas de garaje, se debe interrumpir el marco del tubo y se deben usar vigas de transferencia para mantener la integridad estructural. El primer edificio en aplicar la construcción de estructura de tubo fue el edificio de apartamentos DeWitt-Chestnut que Khan diseñó en Chicago. Esto sentó las bases para las estructuras tubulares utilizadas en la mayoría de las construcciones posteriores de rascacielos, incluida la construcción del World Trade Center.

Otra innovación que desarrolló Fazlur Khan fue el concepto de arriostramiento en X, que redujo la carga lateral en el edificio al transferir la carga a las columnas exteriores. Esto permitió reducir la necesidad de columnas interiores creando así más espacio en el piso, y se puede ver en el Centro John Hancock. El primer vestíbulo del cielo también fue diseñado por Khan para el Centro John Hancock en 1969. Los edificios posteriores con vestíbulos del cielo incluyen el World Trade Center, las Torres Gemelas Petronas y Taipei 101.

En 1987, Jörg Schlaich y Kurt Schafer publicaron la culminación de casi diez años de trabajo sobre el método de bielas y tirantes para el análisis del hormigón: una herramienta para diseñar estructuras con discontinuidades como esquinas y juntas, que proporciona otra poderosa herramienta para el análisis de geometrías complejas del hormigón..

A finales del siglo XX y principios del XXI, el desarrollo de poderosas computadoras permitió que el análisis de elementos finitos se convirtiera en una herramienta importante para el análisis y diseño estructural. El desarrollo de programas de elementos finitos ha llevado a la capacidad de predecir con precisión las tensiones en estructuras complejas y ha permitido grandes avances en el diseño y la arquitectura de ingeniería estructural. En las décadas de 1960 y 1970, el análisis computacional se utilizó de manera significativa por primera vez en el diseño del techo de la Ópera de Sydney. Muchas estructuras modernas no podrían entenderse ni diseñarse sin el uso de análisis computacional.

Los avances en la comprensión de los materiales y el comportamiento estructural en la última parte del siglo XX han sido significativos, y se está desarrollando una comprensión detallada de temas como la mecánica de fracturas, la ingeniería sísmica, los materiales compuestos, los efectos de la temperatura en los materiales, la dinámica y el control de vibraciones, la fatiga, fluencia y otros. La profundidad y amplitud del conocimiento ahora disponible en ingeniería estructural, y la creciente gama de diferentes estructuras y la creciente complejidad de esas estructuras ha llevado a una mayor especialización de los ingenieros estructurales.