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 eran las estructuras más importantes construidas por las civilizaciones antiguas porque se trata de una forma estructural inherentemente estable y que puede escalarse casi infinitamente (a diferencia de la mayoría de las demás formas estructurales, cuyo tamaño no se puede aumentar linealmente en proporción al aumento de las cargas). ^[1]

Otra notable hazaña de ingeniería de la antigüedad que todavía se usa hoy en día es el sistema de gestión del agua del qanat . La tecnología del qanat se desarrolló en la época de los medos , los predecesores del Imperio persa (actual Irán ^{[2] [3] [4]} que tiene el qanat más antiguo y más largo (más de 3000 años y más de 71 km) ^[5] que también se extendió a otras culturas que habían tenido contacto con los persas.

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 llegaron a desempeñar el papel de maestros constructores . 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 evidencia empírica de "lo que había funcionado antes". Los gremios retenían el conocimiento y rara vez lo suplantaban los avances. Las estructuras eran repetitivas y los aumentos de escala eran incrementales. ^[1]

No existen registros de los primeros cálculos de la resistencia de los elementos estructurales ni del comportamiento de los materiales estructurales, pero la profesión de ingeniero estructural solo tomó forma con la Revolución Industrial y la reinvención del hormigón (véase Historia del hormigón ). Las ciencias físicas que sustentan la ingeniería estructural comenzaron a comprenderse en el Renacimiento y se han ido desarrollando desde entonces.

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 a. C., se construyó la Gran Pirámide de Giza en Egipto . Siguió siendo la estructura más grande construida por el hombre durante milenios y se consideró una hazaña insuperable en la arquitectura hasta el siglo XIX d. C. ^{[ cita requerida ]}

La comprensión de las leyes físicas que sustentan la ingeniería estructural en el mundo occidental se remonta al siglo III a.C., cuando Arquímedes publicó su obra Sobre el equilibrio de los planos en dos volúmenes, en la 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 utilizó los principios derivados para calcular las áreas y centros de gravedad de varias figuras geométricas, incluidos triángulos , paraboloides y hemisferios . ^[6] 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 pasos en la ingeniería estructural, siendo pioneros en la construcción de grandes estructuras de mampostería y hormigón , muchas de las cuales todavía se mantienen en pie hoy en día. Entre ellas se incluyen acueductos , termas , columnas , faros , murallas defensivas y puertos . Sus métodos están recogidos por Vitruvio en su De Architectura escrito en el año 25 a. C., un manual de ingeniería civil y estructural con amplias secciones sobre los materiales y las máquinas utilizadas en la construcción. Una de las razones de su éxito son sus precisas técnicas de medición basadas en la dioptra , la groma y las chorobates .

Durante la Alta Edad Media (siglos XI al XIV) los constructores fueron capaces de 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 enteramente de piedra (con pasadores de hierro que solo aseguraban los extremos de las piedras) y han durado siglos.

En los siglos XV y XVI, y a pesar de carecer de teoría de vigas y cálculo , Leonardo da Vinci produjo muchos diseños de ingeniería basados ​​en observaciones científicas y rigor, incluido un diseño para un puente que atravesara el Cuerno de Oro . Aunque fue descartado en su momento, desde entonces se ha considerado que el diseño era factible y estructuralmente válido ^[7].

Las bases de la ingeniería estructural moderna fueron establecidas en el siglo XVII por Galileo Galilei , Robert Hooke e Isaac Newton con la publicación de tres grandes obras científicas. En 1638 Galileo publicó Diálogos relativos a dos nuevas ciencias , ^[8] esbozando las ciencias de la resistencia de los materiales y el movimiento de los objetos (definiendo esencialmente la gravedad como una fuerza que da lugar a una aceleración constante ). Fue el primer establecimiento de un enfoque científico para 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. ^[9]

Once años después, en 1687, Sir Isaac Newton publicó Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , exponiendo sus Leyes del movimiento , proporcionando por primera vez una comprensión de las leyes fundamentales que gobiernan las estructuras. ^[10]

También en el siglo XVII, Sir Isaac Newton y Gottfried Leibniz desarrollaron independientemente el Teorema fundamental del cálculo , proporcionando una de las herramientas matemáticas más importantes en ingeniería. ^[11]

En el siglo XVIII se produjeron otros avances en las matemáticas que permitieron a los ingenieros estructurales aplicar el conocimiento de las estructuras adquirido a través del trabajo de Galileo, Hooke y Newton durante el siglo XVII, cuando Leonhard Euler fue pionero en gran parte de las matemáticas y en muchos de los métodos que permiten a los ingenieros estructurales modelar y analizar estructuras. En concreto, desarrolló la ecuación de vigas de Euler-Bernoulli con Daniel Bernoulli (1700-1782) alrededor de 1750, la teoría fundamental que subyace a la mayoría de los diseños de ingeniería estructural. ^{[12] [13]}

A Daniel Bernoulli , junto 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 explicándole el principio del trabajo virtual, mientras que en 1726 Daniel Bernoulli escribió sobre la "composición de fuerzas". ^[14]

En 1757, Leonhard Euler derivó la fórmula de pandeo de Euler , lo que avanzó enormemente en la capacidad de los ingenieros para diseñar elementos de compresión. ^[13]

A lo largo de finales del siglo XIX y principios del XX, la ciencia de los materiales y el análisis estructural experimentaron un desarrollo a un ritmo tremendo.

Aunque la elasticidad se entendía 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 teorías estructurales diferentes y fue el primero en destacar 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. ^[15] En 1826 también estableció el módulo elástico como una propiedad de los materiales independiente del segundo momento del área , lo que permitió a los ingenieros por primera vez comprender tanto el comportamiento estructural como los materiales estructurales. ^[16]

Hacia finales del siglo XIX, en 1873, Carlo Alberto Castigliano presentó su tesis "Intorno ai sistemi elastici", que contiene su teorema para calcular el desplazamiento como derivada parcial de la energía de deformación. ^[17]

En 1824, el ingeniero Joseph Aspdin patentó el cemento Portland como "un cemento superior parecido a la piedra Portland" , patente británica n.° 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 baratos y comúnmente disponibles, lo que hizo que la construcción con hormigón fuera una posibilidad económica. ^[18]

Los avances en el campo del hormigón continuaron con la construcción en 1848 de un bote de remos construido con ferrocemento (precursor del hormigón armado moderno ) por Joseph-Louis Lambot . En 1855 patentó su sistema de refuerzo de malla y hormigón, un año después de que WB Wilkinson también patentara un sistema similar. ^[19] A esto le siguió en 1867, cuando Joseph Monier patentó en París una tina de plantación de hormigón armado, que utilizaba un refuerzo de malla de acero similar al utilizado por Lambot y Wilkinson. Monier llevó adelante la idea y 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. ^[20]

La construcción con acero se hizo 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. ^[21] Con el tiempo, el acero dulce reemplazaría tanto al hierro forjado como al hierro fundido como el metal preferido para la construcción.

A finales del siglo XIX se produjeron grandes avances en el uso del hierro fundido, que fue sustituyendo gradualmente al hierro forjado como material de elección. El molino de lino Ditherington en Shrewsbury , diseñado por Charles Bage , fue el primer edificio del mundo con una estructura interior de hierro. Se construyó en 1797. En 1792, William Strutt había intentado construir un molino ignífugo en Belper, Derby (molino Belper West), 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 expuestas estaban protegidos contra el fuego con yeso. Este molino de Belper fue el primer intento del mundo de construir edificios ignífugos y es el primer ejemplo de ingeniería contra incendios . Esto se mejoró más tarde con la construcción del molino Belper North , una colaboración entre Strutt y Bage, que, al utilizar una estructura de hierro fundido completa, representó el primer edificio "ignífugo" del mundo. ^{[22] [23]}

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 de Tay . El puente Forth fue uno de los primeros usos importantes del acero y un hito en el diseño de puentes. También en 1889, Gustave Eiffel y Maurice Koechlin construyeron la Torre Eiffel de hierro forjado , lo que demostró el potencial de la construcción con hierro, a pesar de que la construcción con acero ya se estaba utilizando en otros lugares.

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

En 1892, la empresa de François Hennebique volvió a dar un paso adelante en el diseño de hormigón armado y utilizó su sistema patentado de hormigón armado para construir miles de estructuras en toda Europa. Thaddeus Hyatt en los 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 1897 ^[24]. Sin embargo, los grandes usos pioneros del hormigón armado llegaron durante el primer tercio del siglo XX, cuando Robert Maillart y otros profundizaron en la comprensión de su comportamiento. Maillart se dio cuenta de que muchas estructuras de puentes de hormigón estaban significativamente agrietadas y, como resultado, omitió las áreas agrietadas de su siguiente diseño de puente, creyendo correctamente que si el hormigón estaba agrietado, no contribuía a la resistencia. Esto dio como resultado el diseño revolucionario del puente Salginatobel . Wilhelm Ritter formuló la teoría de celosías para el diseño de vigas de hormigón armado en 1899, y Emil Mörsch la mejoró en 1902. Continuó demostrando que tratar el hormigón en compresión como un material elástico-lineal era una aproximación conservadora de su comportamiento. ^[25] El diseño y análisis del hormigón ha ido progresando 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 elástico-lineal), y muchas variaciones diferentes del modelo para las distribuciones de tensiones en el hormigón en compresión ^{[26] [27]}

El hormigón pretensado , patentado por Eugène Freyssinet en 1928, supuso un nuevo enfoque para superar la debilidad de las estructuras de hormigón en tensión. Freyssinet construyó un arco pretensado experimental en 1908 y más tarde utilizó la tecnología de forma limitada en el puente de Plougastel en Francia en 1930. Luego construyó seis puentes de hormigón pretensado sobre el río Marne , estableciendo firmemente la tecnología. ^[28]

La teoría de la ingeniería estructural avanzó nuevamente en 1930 cuando el profesor Hardy Cross desarrolló su método de distribución de momentos , que permitió aproximar con rapidez y precisión las tensiones reales de muchas estructuras complejas. ^[29]

A mediados del siglo XX, John Fleetwood Baker desarrolló la teoría de la plasticidad de las estructuras, proporcionando una herramienta poderosa 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 el MIT sobre el tema de la discretización de problemas de elasticidad plana utilizando un marco reticular. Esto 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 J. Turner, RW Clough, HC Martin y LJ Topp de un artículo sobre la "Rigidez y deflexión de estructuras complejas". Este artículo introdujo el nombre de "método de elementos finitos" y es ampliamente reconocido como el primer tratamiento integral del método tal como se lo conoce hoy. ^[30]

La construcción de rascacielos, 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. ^[31] La innovación central de Khan en el diseño y la construcción de rascacielos fue la idea de los sistemas estructurales de "tubo" y "tubo agrupado" para edificios altos. ^{[32] [33]} Definió la estructura de tubo enmarcado como "una estructura espacial tridimensional compuesta de tres, cuatro o posiblemente más marcos, marcos arriostrados o muros de corte, unidos en o cerca de sus bordes para formar un sistema estructural vertical tipo tubo capaz de resistir fuerzas laterales en cualquier dirección mediante un voladizo desde la base". ^[34] Las columnas exteriores interconectadas y espaciadas estrechamente 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 requieren aberturas más grandes, como puertas de garaje, se debe interrumpir el armazón de tubos y utilizar vigas de transferencia para mantener la integridad estructural. El primer edificio en el que se aplicó la construcción con armazón de tubos fue el edificio de apartamentos DeWitt-Chestnut , que Khan diseñó en Chicago . Esto sentó las bases para las estructuras de tubos que se utilizaron en la mayoría de las construcciones de rascacielos posteriores, 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 del edificio al transferirla 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 elevado también fue diseñado por Khan para el Centro John Hancock en 1969. Los edificios posteriores con vestíbulos elevados incluyen el World Trade Center , las Torres Gemelas Petronas y el Taipei 101 .

En 1987, Jörg Schlaich y Kurt Schafer publicaron la culminación de casi diez años de trabajo sobre el método de puntales y tirantes para el análisis del hormigón, una herramienta para diseñar estructuras con discontinuidades como esquinas y juntas, proporcionando otra herramienta poderosa para el análisis de geometrías complejas de hormigón. ^[35]

A finales del siglo XX y principios del XXI, el desarrollo de potentes ordenadores ha permitido que el análisis de elementos finitos se convirtiera en una herramienta importante para el análisis y el diseño estructural. El desarrollo de programas de elementos finitos ha permitido predecir con precisión las tensiones en estructuras complejas y ha permitido grandes avances en el diseño de ingeniería estructural y la arquitectura. En los años 1960 y 1970, el análisis computacional se utilizó de forma significativa por primera vez en el diseño del tejado de la Ópera de Sídney . Muchas estructuras modernas no podrían entenderse ni diseñarse sin el uso del análisis computacional. ^[36]

Los avances en la comprensión de los materiales y el comportamiento estructural en la última parte del siglo XX han sido significativos, con un conocimiento detallado 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 las vibraciones , la fatiga , la fluencia y otros. La profundidad y amplitud del conocimiento disponible en la actualidad en ingeniería estructural , y la creciente variedad de estructuras diferentes y la creciente complejidad de esas estructuras han llevado a una mayor especialización de los ingenieros estructurales.

• Aislamiento de base
• Historia de la construcción
• Historia de la arquitectura
• Historia del saneamiento y abastecimiento de agua
• Sistema de gestión del agua del qanat

• "Exposiciones Universales. Una historia de las estructuras". Isaac López César. Una historia de las estructuras arquitectónicas en los últimos 150 años. ^{[ enlace muerto permanente ‍ ]}