Ingeniería civil

La ingeniería civil es la aplicación de principios físicos y científicos para resolver los problemas de la sociedad, y su historia está intrínsecamente ligada a los avances en la comprensión de la física y las matemáticas a lo largo de la historia. Dado que la ingeniería civil es una profesión amplia, que incluye varias subdisciplinas especializadas, su historia está vinculada al conocimiento de estructuras, ciencia de los materiales, geografía, geología , suelos , hidrología , ciencias ambientales , mecánica , 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 fue realizada por artesanos , como canteros y carpinteros , que llegaron a ocupar el cargo de maestro constructor . El conocimiento se conservaba en los gremios artesanales y rara vez era reemplazado por avances. Las estructuras, caminos e infraestructuras existentes eran repetitivas, y los aumentos de escala eran graduales. ^{[ 7 ]}

Uno de los primeros ejemplos de un enfoque científico a problemas físicos y matemáticos aplicables a la ingeniería civil es la obra de Arquímedes en el siglo III a. C., que incluye 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 numerales indoarábigos, para cálculos de excavación (volumen). ^{[ 8 ]}

La ingeniería ha sido un aspecto fundamental de la vida desde los albores de la humanidad. Las primeras prácticas de ingeniería civil podrían remontarse a entre el 4000 y el 2000 a. C. en el antiguo Egipto , la civilización del valle del Indo y Mesopotamia (antiguo Irak), cuando los humanos comenzaron a abandonar el estilo de vida nómada , lo que generó la necesidad de construir refugios. Durante este período, el transporte adquirió una importancia creciente, lo que propició el desarrollo de la rueda y la navegación a vela .

Hasta la época moderna no existía 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 grandes construcciones de estructuras en la historia. Otras construcciones históricas antiguas de ingeniería civil incluyen el sistema de gestión de 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 de ingenieros romanos ( c. 312 a. C. ), la Gran Muralla China del general Meng T'ien bajo órdenes del emperador Ch'in Shih Huang Ti ( c. 220 a. C. ) ^{[ 11 ]} y las estupas construidas en la antigua Sri Lanka como el 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 abarcar todo lo civil en contraposición 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 otros ejemplos en otros países europeos, como España (Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos). ^{[ 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 Smeatonian Society of Civil Engineers, un grupo de líderes de la profesión que se reunían informalmente para cenar. Aunque había evidencia de algunas reuniones técnicas, era poco más que una sociedad social.

En 1818 se fundó en Londres la Institución de Ingenieros Civiles, ^{[ 13 ]} y en 1820 el eminente ingeniero Thomas Telford se convirtió en su primer presidente. La institución recibió una Carta Real en 1828, que reconocía formalmente la ingeniería civil como profesión. Su carta definía la ingeniería civil como:

el arte de dirigir las grandes fuentes de poder de la naturaleza para el uso y conveniencia del hombre, como medios de producción y de tráfico en los estados, tanto para el comercio exterior como interior, aplicado en la construcción de caminos, puentes, acueductos, canales, navegación fluvial y muelles para el intercambio y la comunicación interna, y en la construcción de puertos, dársenas, espigones, rompeolas y faros, y en el arte de la navegación por fuerza artificial con fines comerciales, y en la construcción y aplicación de maquinaria, y en el drenaje de ciudades y pueblos. ^{[ 14 ]}

La primera universidad privada en impartir 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 concedido por la Universidad de Cornell a Nora Stanton Blatch en 1905. ^{[ 18 ]}

En el Reino Unido, a principios del siglo XIX, la división entre la ingeniería civil y la ingeniería militar (impartida por la Real Academia Militar de Woolwich ), junto con las exigencias de la Revolución Industrial, dio lugar a nuevas iniciativas de formación en ingeniería: la cátedra 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 a la necesidad de ingenieros más cualificados; el colegio privado de ingenieros civiles de Putney se estableció en 1839, y la primera cátedra de ingeniería del Reino Unido se creó en la Universidad de Glasgow en 1840.

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

La ingeniería de la construcción abarca la planificación y ejecución, el transporte de materiales y el desarrollo del sitio, basándose en la ingeniería hidráulica, ambiental, estructural y geotécnica. Dado que las empresas constructoras suelen tener un mayor riesgo empresarial que otros tipos de empresas de ingeniería civil, los ingenieros de construcción a menudo participan en transacciones más propias del ámbito empresarial, como la redacción y revisión de contratos, el análisis y la evaluación de operaciones logísticas y el seguimiento de los precios de los suministros.

La ingeniería sísmica implica el diseño de estructuras para resistir la exposición a sismos peligrosos. 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 terrenos inestables; prever las consecuencias de posibles terremotos; y diseñar, construir y mantener estructuras para que se comporten ante un terremoto de conformidad con los códigos de construcción .

La ingeniería ambiental es el término contemporáneo para la ingeniería sanitaria , aunque tradicionalmente esta última no abarcaba gran parte de la gestión de residuos peligrosos ni las labores de remediación ambiental propias de la ingeniería ambiental. También se utilizan los términos ingeniería de salud pública e ingeniería de salud ambiental.

La ingeniería ambiental se ocupa del tratamiento de residuos químicos, biológicos o térmicos, la purificación del agua y el aire, y la remediación de sitios contaminados tras la eliminación de residuos o la contaminación accidental. Entre los temas que abarca la ingeniería ambiental se encuentran el transporte de contaminantes, la purificación del agua , el tratamiento de aguas residuales , la contaminación atmosférica, el tratamiento de residuos sólidos , el reciclaje y la gestión de residuos peligrosos . Los ingenieros ambientales gestionan la reducción de la contaminación, la ingeniería verde y la ecología industrial . Asimismo, 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 según lo previsto, causando lesiones personales o daños a la propiedad. Las consecuencias de la falla se rigen por la ley de responsabilidad por productos defectuosos. Este campo también se ocupa de reconstruir los procesos y procedimientos que conducen a accidentes en la operación de vehículos o maquinaria. La materia se aplica con mayor frecuencia en casos de derecho civil, aunque también puede ser útil en casos de derecho penal. Generalmente, el propósito de una investigación de ingeniería forense es localizar la causa o causas de la falla con el fin de 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 incluir la investigación de reclamaciones de propiedad intelectual, especialmente patentes .

La ingeniería geotécnica estudia las rocas y los suelos que sustentan los sistemas de ingeniería civil. Se aplican conocimientos de la ciencia del suelo , la ciencia de los materiales, la mecánica y la hidráulica para diseñar de forma segura y económica cimentaciones , muros de contención y otras estructuras. Los esfuerzos ambientales para proteger las aguas subterráneas y mantener de forma segura los vertederos han dado lugar a una nueva área de investigación denominada 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 y el comportamiento del suelo son difíciles de predecir debido a su variabilidad y a las limitaciones en la investigación . Además, el suelo presenta resistencia , rigidez y dilatancia no lineales ( dependientes de la tensión ), lo que dificulta aún más el estudio de la mecánica de suelos . ^{[ 25 ]} Los ingenieros geotécnicos trabajan frecuentemente con geólogos , ingenieros geólogos y edafólogos. ^{[ 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 mixto, metales resistentes como el aluminio y el acero, y polímeros termoendurecibles como el polimetilmetacrilato (PMMA) y las fibras de carbono.

La ingeniería de materiales abarca la protección y la prevención (pinturas y acabados). La aleación combina dos tipos de metales para producir otro con las propiedades deseadas. Incorpora elementos de física y química aplicadas . Gracias a la reciente atención mediática sobre la nanociencia y la nanotecnología , la ingeniería de materiales se ha situado a la vanguardia de la investigación académica. También constituye 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 la planificación y el potencial de 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 y análisis estructural de edificios, puentes, torres , pasos elevados , túneles, estructuras marinas como yacimientos de petróleo y gas, aeroestructuras y otras estructuras. Esto implica identificar las cargas que actúan sobre una estructura y las fuerzas y tensiones que surgen dentro de ella debido a dichas cargas, y luego diseñar la estructura para que soporte y resista eficazmente esas cargas. Las cargas pueden ser el peso propio de las estructuras, otras cargas muertas, cargas vivas, cargas móviles (de ruedas), cargas de viento, cargas sísmicas, cargas debidas a 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 fueron diseñadas (que sean funcionales ). Debido a la naturaleza de algunas condiciones de carga, han surgido subdisciplinas dentro de la ingeniería estructural, como la ingeniería eólica y la ingeniería sísmica. ^{[ 29 ]}

Las consideraciones de diseño incluirán la resistencia, rigidez y estabilidad de la estructura ante cargas que pueden ser estáticas, como el peso del mobiliario o el propio peso, o dinámicas, como el viento, los sismos, la multitud o el tráfico, o transitorias, como las cargas de construcción temporales 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 encuentran en la superficie de la Tierra o cerca de ella. Se utilizan equipos topográficos como niveles y teodolitos para la medición precisa de 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 terrestre en forma de mapa. Esta información es utilizada posteriormente por ingenieros civiles, contratistas e inmobiliarias para diseñar, construir y realizar transacciones, respectivamente. Los elementos de una estructura deben dimensionarse y posicionarse en relación entre sí, con los límites del terreno y con las estructuras adyacentes.

Si bien la topografía es una profesión independiente con cualificaciones y licencias específicas, los ingenieros civiles reciben formación en los fundamentos de la topografía y la cartografía, así como en sistemas de información geográfica . Los topógrafos también trazan las rutas de ferrocarriles, tranvías , autopistas, carreteras, oleoductos y calles, y ubican otras infraestructuras, como puertos , antes de su construcción.

Topografía

En Estados Unidos, Canadá, el Reino Unido y la mayoría de los países de la Commonwealth, la topografía se considera una profesión independiente y distinta. Los topógrafos no se consideran ingenieros y cuentan con sus propias asociaciones profesionales y requisitos de licencia. Los servicios de un topógrafo titulado suelen ser necesarios para levantamientos de límites (para establecer los límites de una parcela a partir de su descripción legal) y planos de subdivisión (un plano o mapa basado en un levantamiento de una parcela de terreno, con líneas divisorias trazadas dentro de la parcela más grande para indicar la creación de nuevas líneas divisorias y caminos), ambos denominados generalmente levantamiento catastral . Los topógrafos recopilan datos sobre características geológicas importantes del subsuelo y la superficie del terreno.

Topografía de la construcción

El levantamiento topográfico en obras generalmente lo realizan técnicos especializados. A diferencia de los topógrafos de terrenos, el plano resultante no tiene validez legal. Los topógrafos de obras realizan las siguientes tareas:

• Realizar un estudio de las condiciones existentes del futuro lugar de trabajo, incluyendo la topografía, los edificios e infraestructuras existentes y, cuando sea posible, las infraestructuras subterráneas;
• "Trazado" o "replanteo": colocación de 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;
• Levantamiento topográfico de obra terminada: un levantamiento realizado al finalizar el proyecto de construcción para verificar que el trabajo autorizado se haya completado de acuerdo con las especificaciones establecidas en los planos.

La ingeniería de transporte se ocupa del desplazamiento eficiente y seguro de personas y mercancías, de manera que contribuya al desarrollo de una comunidad dinámica. Esto implica la especificación, el diseño, la construcción y el mantenimiento de la infraestructura de transporte, que incluye calles, canales, autopistas, sistemas ferroviarios , aeropuertos, puertos y transporte público . Abarca áreas como el diseño y la planificación del transporte, la ingeniería de tráfico , algunos aspectos de la ingeniería urbana , la teoría de colas , la ingeniería de pavimentos , los sistemas inteligentes de transporte (ITS) y la gestión de infraestructuras.

La ingeniería municipal se ocupa de la infraestructura municipal. Esto incluye la especificación, el diseño, la construcción y el mantenimiento de calles, aceras , redes de suministro de agua , alcantarillado, alumbrado público , gestión y eliminación de residuos sólidos urbanos , depósitos de diversos materiales a granel utilizados para el mantenimiento y las obras públicas (sal, arena, etc.), parques públicos e infraestructura para ciclistas . En el caso de las redes subterráneas de servicios públicos , también puede incluir la parte civil (conductos y cámaras de acceso) de las redes locales de distribución de servicios eléctricos y de telecomunicaciones. Asimismo, puede abarcar la optimización de las redes de recogida de residuos y de autobuses . Algunas de estas disciplinas se solapan con otras especialidades de la 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 gestionados por la misma autoridad municipal. Los ingenieros municipales también pueden diseñar las obras civiles de emplazamiento para grandes edificios, plantas industriales o complejos (por ejemplo, vías de acceso, aparcamientos, suministro de agua potable, tratamiento o pretratamiento de aguas residuales, drenaje del emplazamiento, etc.).

Water resources engineering is concerned with the collection and management of water (as a natural resource). As a discipline, it therefore combines elements of hydrology, environmental science, meteorology, conservation, and resource management. This area of civil engineering relates to the prediction and management of both the quality and the quantity of water in both underground (aquifers) and above ground (lakes, rivers, and streams) resources. Water resource engineers analyze and model very small to very large areas of the earth to predict the amount and content of water as it flows into, through, or out of a facility. However, the actual design of the facility may be left to other engineers.

Hydraulic engineering concerns the flow and conveyance of fluids, principally water. This area of civil engineering is intimately related to the design of pipelines, water supply network, drainage facilities (including bridges, dams, channels, culverts, levees, storm sewers), and canals. Hydraulic engineers design these facilities using the concepts of fluid pressure, fluid statics, fluid dynamics, and hydraulics, among others.

Civil engineering systems is a discipline that promotes using systems thinking to manage complexity and change in civil engineering within its broader public context. It posits that the proper development of civil engineering infrastructure requires a holistic, coherent understanding of the relationships between all of the crucial factors that contribute to successful projects while at the same time emphasizing the importance of attention to technical detail. Its purpose is to help integrate the entire civil engineering project life cycle from conception, through planning, designing, making, operating to decommissioning.^[30][31]