Ingeniería estructural
Ingeniería estructural es una subdisciplina de la ingeniería civil en la que los ingenieros estructurales están capacitados para diseñar los 'huesos y músculos' que crean la forma y la forma de las estructuras hechas por el hombre. Los ingenieros estructurales también deben comprender y calcular la estabilidad, la fuerza, la rigidez y la susceptibilidad a terremotos de las estructuras construidas para edificios 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 proyectos por parte de contratistas en el sitio. También pueden participar en el diseño de maquinaria, equipo médico 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 las leyes físicas aplicadas y el conocimiento empírico del rendimiento 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.
Historia
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 fueron las estructuras principales más comunes construidas por las civilizaciones antiguas porque la forma estructural de una pirámide 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).
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 se encuentra sobre ella. 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 × 106). Por lo tanto, la fuerza estructural de la pirámide se deriva de las propiedades materiales de las piedras con las que se construyó en lugar de la geometría de la pirámide.
A lo largo de la historia antigua y medieval, la mayoría de los diseños arquitectónicos y la construcción fueron realizados por artesanos, como albañiles y carpinteros, que llegaron 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'. e intuición 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 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 realmente tomó forma 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 informáticas que fueron pioneras en la década de 1970.
Cronología
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- 1452–1519 Leonardo da Vinci hizo muchas contribuciones.
- 1638: Galileo Galilei publicó el libro Dos nuevas ciencias en el que examinó el fracaso de estructuras simples.
- 1660: La ley de Hooke de Robert Hooke.
- 1687: Isaac Newton publicado Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, que contiene sus leyes de movimiento.
- 1750: Ecuación del haz Euler–Bernoulli.
- 1700–1782: Daniel Bernoulli introdujo el principio del trabajo virtual.
- 1707–1783: Leonhard Euler desarrolló la teoría del balanceo de columnas.
- 1826: Claude-Louis Navier publicó un tratado sobre los comportamientos elásticos de las estructuras.
- 1873: Carlo Alberto Castigliano presentó su tesis "Intorno ai sistemi elastici", que contiene su teorema para el desplazamiento de la computación como derivado parcial de la energía de la cepa. Este teorema incluye el método de "menos trabajo" como caso especial.
- 1874: Otto Mohr formalizó la idea de una estructura estadísticamente indeterminada.
- 1922: Timoshenko corrige la ecuación del haz Euler–Bernoulli.
- 1936: Hardy Cross' publicación del método de distribución de momento, una importante innovación en el diseño de marcos continuos.
- 1941: Alexander Hrennikoff resolvió la discretización de problemas de elasticidad plana utilizando un marco de celosía.
- 1942: Richard Courant dividió un dominio en subregiones finitas.
- 1956: J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin y el documento de L. J. Topp sobre el "Stiffness and Deflection of Complex Structures" introduce el nombre "método de acabado" y es ampliamente reconocido como el primer tratamiento integral del método como se conoce hoy.
Fallo estructural
La historia de la ingeniería estructural contiene muchos colapsos y fallas. A veces esto se debe a una negligencia evidente, como en el caso del colapso de la escuela de Pétion-Ville, en el que el reverendo Fortin Augustin " construyó el edificio él solo, diciendo que no necesitaba un ingeniero ya que tenía buenos conocimientos de construcción después de un colapso parcial de la escuela de tres pisos que provocó la huida de 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 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 conocimiento y práctica estructural que avanza de esta manera se puede encontrar en una serie de fallas que involucran vigas cajón que se derrumbaron en Australia durante la década de 1970.
Teoría
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 algún conocimiento de la resistencia a la corrosión de los materiales y estructuras, especialmente cuando esas estructuras están expuestas al exterior. medioambiente. Desde la década de 1990, el software especializado está disponible 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 las cargas ambientales, como terremotos y vientos.
Profesión
Los ingenieros estructurales son responsables del diseño de ingeniería y el análisis estructural. Los ingenieros estructurales de nivel de entrada pueden diseñar los elementos estructurales individuales de una estructura, como las vigas y las columnas de un edificio. Los ingenieros más experimentados pueden ser responsables del diseño estructural y la integridad de un sistema completo, como un edificio.
Los ingenieros estructurales a menudo se especializan en tipos particulares de estructuras, como edificios, puentes, tuberías, industriales, túneles, vehículos, barcos, aeronaves y naves espaciales. Los ingenieros estructurales que se especializan en edificios a menudo se especializan en materiales de construcción particulares como hormigón, acero, madera, mampostería, aleaciones y compuestos, y pueden centrarse en tipos particulares de edificios como oficinas, escuelas, hospitales, residenciales, etc.
La ingeniería estructural ha existido desde que los humanos empezaron 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 la misma cosa: el maestro de obras. Solo 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.
El papel de un ingeniero estructural hoy en día implica una comprensión significativa de las cargas tanto estáticas como dinámicas y las estructuras que están 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 sujetas. Un ingeniero estructural generalmente tendrá un título universitario de cuatro o cinco años, seguido 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). Según el curso de grado que hayan estudiado y/o la jurisdicción en la que estén solicitando la licencia, pueden ser acreditados (o licenciados) solo como ingenieros estructurales, o como ingenieros civiles, o como ingenieros civiles y estructurales. Otra organización internacional es IABSE (Asociación Internacional de Puentes e Ingeniería Estructural). 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.
Especializaciones
Estructuras de edificios
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La ingeniería estructural de edificios incluye toda la ingeniería estructural relacionada con el diseño de edificios. Es una rama de la ingeniería estructural estrechamente relacionada con la arquitectura.
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 se espera 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 desviaciones o movimientos excesivos que puedan causar fatiga en los elementos estructurales, grietas o fallas en los accesorios, accesorios o particiones, o incomodidad para los ocupantes. Debe tener en cuenta los movimientos y las fuerzas debido a la temperatura, la fluencia, el agrietamiento y las cargas impuestas. También debe garantizar que el diseño sea prácticamente edificable dentro de las tolerancias de fabricación aceptables de los materiales. Debe permitir que la arquitectura funcione y los servicios del edificio encajen en el edificio y funcionen (climatización, 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:
- Earthquake engineering
- Façade engineering
- Ingeniería de incendios
- Ingeniería de techo
- Ingeniería de torres
- Ingeniería eólica
Estructuras de ingeniería sísmica
Estructuras de ingeniería sísmica son aquellas diseñadas para resistir terremotos.
Los objetivos principales de la ingeniería sísmica son comprender la interacción de las estructuras con el suelo en movimiento, prever las consecuencias de posibles terremotos y diseñar y construir las estructuras para que actúen 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.
Estructuras de ingeniería civil
La ingeniería estructural civil incluye toda la ingeniería estructural relacionada con el entorno construido. Incluye:
- Bridges
- Daños
- Earthworks
- Fundaciones
- Estructuras terrestres
- Pipelines
- Estaciones de energía
- Ferrocarriles
- Retención de estructuras y paredes
- Roads
- Tunels
- Waterways
- Reservoirs
- Infraestructura de agua y aguas residuales
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 sujetas a fuerzas muy extremas, como grandes variaciones de temperatura, cargas dinámicas como las olas o el tráfico, o altas presiones del agua o los gases comprimidos. También se construyen a menudo en entornos corrosivos, como en el mar, en instalaciones industriales o bajo tierra.
Estructuras mecánicas
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 denominadas 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 en movimiento 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 sujetas las partes de una máquina pueden variar significativamente y pueden hacerlo a gran velocidad. Las fuerzas a las que se somete 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 tales estructuras puedan soportar tal carga durante toda su vida útil de diseño sin fallar.
Estas obras pueden requerir ingeniería estructural mecánica:
- Boilers y buques de presión
- Entrenamientos y carruajes
- Cranes
- Ascensores
- Escaladores
- Barcos y cascos marinos
Estructuras aeroespaciales
Los tipos de estructuras aeroespaciales incluyen vehículos de lanzamiento (Atlas, Delta, Titan), misiles (ALCM, Harpoon), vehículos hipersónicos (Transbordador espacial), aviones militares (F-16, F-18) y aviones comerciales (Boeing 777, MD-11). Las estructuras aeroespaciales generalmente consisten en placas delgadas con refuerzos para las superficies externas, mamparos y marcos para soportar la forma y sujetadores como soldaduras, remaches, tornillos y pernos para unir los componentes.
Estructuras a nanoescala
Una nanoestructura es un objeto de tamaño intermedio entre estructuras moleculares y microscópicas (del tamaño de un micrómetro). 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 grosor 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 usan como sinónimos, aunque las UFP pueden alcanzar el rango de los micrómetros. El término 'nanoestructura' se usa a menudo cuando se hace referencia a la tecnología magnética.
Ingeniería estructural para la ciencia médica
El equipo médico (también conocido como armamentario) está diseñado para ayudar en el diagnóstico, seguimiento o tratamiento de condiciones médicas. Hay varios tipos básicos: el equipo de diagnóstico incluye máquinas de imágenes médicas, que se utilizan 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 se puede usar en el hogar para ciertos fines, p. 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 por hospitales, los BMET son las personas responsables de mantener el equipo médico de una instalación.
Elementos estructurales
Cualquier estructura se compone esencialmente de solo una pequeña cantidad de diferentes tipos de elementos:
- Columnas
- Beams
- Placas
- Arches
- Shells
- Catenarios
Muchos de estos elementos se pueden clasificar según su forma (recto, plano/curvo) y dimensionalidad (unidimensional/bidimensional):
| Una dimensión | Dos dimensiones | |||
|---|---|---|---|---|
| derecho | curva | avión | curva | |
| (predominantemente) curvado | vigas de vigas | arco continuo | placa de hormigón | lamina, dome |
| (predominante) tensión insecticida | cuerda, corbata | Catenario | shell | |
| (predominio) compresión | pier, columna | Muro de carga | ||
Columnas
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 una columna). El diseño de una columna debe comprobar la capacidad axial del elemento y la capacidad de pandeo.
La capacidad de balanceo es la capacidad del elemento para soportar la propensión a la hebilla. 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 KAlternativa Alternativa l{displaystyle K*l} Donde l{displaystyle l} es la longitud real de la columna y K es el factor dependiente de las condiciones de restricción.
La capacidad de una columna para soportar carga axial depende del grado de flexión a la que está sujeta y viceversa. Esto se representa en un gráfico de interacción y es una relación no lineal compleja.
Vigas
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Una viga se puede definir 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 de línea y, a menudo, se representan mediante líneas simples en el modelado estructural.
- cantilevered (soportado en un extremo solamente con una conexión fija)
- simplemente soportado (fijo contra la traducción vertical en cada extremo y la traducción horizontal en un extremo solamente, y capaz de girar en los soportes)
- fija (con apoyo en todas las direcciones para la traducción y rotación a cada extremo)
- continuo (con apoyo de tres o más soportes)
- a combination of the above (ex. supported at one end and in the middle)
Las vigas son elementos que solo soportan 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 tracción. 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.
Armaduras
Una armadura es una estructura que consta de miembros y puntos de conexión o nodos. Cuando los miembros están conectados en los 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 tracción se denominan miembros en tracción o tirantes. La mayoría de las armaduras utilizan placas de refuerzo para conectar los elementos que se cruzan. Las cartelas son relativamente flexibles e incapaces de transferir momentos de flexión. La conexión generalmente se dispone 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.
Los trusses generalmente se usan en estructuras de gran luz, donde no sería económico usar vigas sólidas.
Platos
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, a menudo 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 usa en la práctica, 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 asumido sea realista.
Conchas
Los caparazones derivan su fuerza de su forma y transportan fuerzas de compresión en dos direcciones. Una cúpula es un ejemplo de una 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.
Arcos
Los arcos transmiten 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 generosidad de cualquier estructura.
Catenarias
Las catenarias derivan su fuerza de su forma y transportan fuerzas transversales en pura tensión al desviarse (al igual que una cuerda floja se combará cuando alguien camine sobre ella). Casi siempre son estructuras de cable o tela. Una estructura de tela actúa como catenaria en dos direcciones.
Materiales
La ingeniería estructural depende del conocimiento de los materiales y sus propiedades, para comprender cómo los diferentes materiales soportan y resisten las cargas. También implica un conocimiento de la ingeniería de corrosión para evitar, por ejemplo, el acoplamiento galvánico de materiales diferentes.
Los materiales estructurales comunes son:
- Hierro: hierro forjado, hierro fundido
- Concreto: hormigón armado, hormigón pretensado
- Aleación: acero, acero inoxidable
- Masonería
- Madera aserrada, madera blanda
- Aluminio
- Materiales compuestos: madera contrachapada
- Otros materiales estructurales: adobe, bambú, fibra de carbono, fibra de plástico reforzado, lodo, materiales de techo
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