Ingeniería estructural

• 1452-1519 Leonardo da Vinci hizo muchas contribuciones.
• 1638: Galileo Galilei publicó el libro Dos nuevas ciencias, en el que examinó el fracaso de las estructuras simples.
• 1660: La ley de Hooke, por Robert Hooke .
• 1687: Isaac Newton publicó Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , que contiene sus leyes del movimiento .
• 1750: Ecuación de la viga de Euler-Bernoulli .
• 1700–1782: Daniel Bernoulli introdujo el principio del trabajo virtual .
• 1707–1783: Leonhard Euler desarrolló la teoría del pandeo de las columnas.
• 1826: Claude-Louis Navier publicó un tratado sobre el comportamiento elástico de las estructuras.
• 1873: Carlo Alberto Castigliano presentó su disertación "Intorno ai sistemi elastici", que contiene su teorema para calcular el desplazamiento como la derivada parcial de la energía de deformación. Este teorema incluye el método del "mínimo trabajo" como un caso particular.
• 1874: Otto Mohr formalizó la idea de una estructura estáticamente indeterminada.
• 1922: Timoshenko corrige la ecuación de vigas de Euler-Bernoulli .
• 1936: Publicación de Hardy Cross del método de distribución de momentos, una importante innovación en el diseño de estructuras continuas.
• 1941: Alexander Hrennikoff resolvió la discretización de problemas de elasticidad plana utilizando un marco reticular.
• 1942: Richard Courant dividió un dominio en subregiones finitas.
• 1956: El artículo de J. Turner, RW Clough, HC Martin y LJ Topp sobre la "Rigidez y deflexión de estructuras complejas" introduce el nombre de " método de elementos finitos " y es ampliamente reconocido como el primer tratamiento exhaustivo del método tal como se conoce hoy en día.

La historia de la ingeniería estructural está plagada de derrumbes y fallos. A veces, esto se debe a una negligencia evidente, como en el caso del derrumbe de la escuela de Pétion-Ville , donde el reverendo Fortin Augustin «construyó el edificio él solo, alegando que no necesitaba un ingeniero, ya que tenía amplios conocimientos de construcción», tras el derrumbe parcial de la escuela de tres plantas que provocó la huida de los vecinos. El derrumbe final causó la muerte de 94 personas, en su mayoría niños.

En otros casos, las fallas estructurales requieren un estudio minucioso, y los resultados de estas investigaciones han dado lugar a mejores prácticas y a 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 aparentemente actuó conforme a las normas y prácticas aceptadas de la profesión, pero aun así se produjo una falla. Un ejemplo notable del avance del conocimiento y la práctica estructural de esta manera se encuentra en una serie de fallas que involucraron vigas cajón que colapsaron en Australia durante la década de 1970.

La ingeniería estructural de edificios se basa principalmente en la manipulación creativa de materiales y formas, así como en los principios matemáticos y científicos subyacentes, para lograr un resultado que cumpla con sus requisitos funcionales y sea estructuralmente seguro ante todas las cargas que razonablemente se puedan esperar. Esto difiere sutilmente del diseño arquitectónico, que se basa en la manipulación creativa de materiales y formas, masa, espacio, volumen, textura y luz para lograr un resultado estético, funcional y, a menudo, artístico.

El diseño estructural de un edificio debe garantizar su estabilidad y funcionamiento sin deformaciones ni movimientos excesivos que puedan provocar fatiga en los elementos estructurales, agrietamiento o fallo de los elementos fijos, accesorios o tabiques, o incomodidad para los ocupantes. Debe tener en cuenta los movimientos y fuerzas debidas a la temperatura, la fluencia , el agrietamiento y las cargas aplicadas. Asimismo, debe asegurar que el diseño sea viable en la práctica, dentro de las tolerancias de fabricación aceptables de los materiales. Debe permitir que la arquitectura funcione y que las instalaciones del edificio se integren y funcionen correctamente (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 su realización.

Las especialidades de ingeniería estructural para edificios incluyen:

• Ingeniería sísmica
• Ingeniería de fachadas
• Ingeniería contra incendios
• Ingeniería de techos
• Ingeniería de torres
• Ingeniería eólica

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 terreno tembloroso, prever las consecuencias de posibles terremotos y diseñar y construir estructuras que funcionen correctamente durante un sismo.

Las estructuras resistentes a los 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 terreno.

La ingeniería estructural civil abarca 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. En el diseño de este tipo de estructuras, 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 extremas, como grandes variaciones de temperatura, cargas dinámicas como olas o tráfico, o altas presiones de agua o gases comprimidos. Además, a menudo se construyen en entornos corrosivos, como en el mar, en instalaciones industriales o bajo tierra.

Las fuerzas a las que están sometidas las partes de una máquina pueden variar significativamente y a gran velocidad. Las fuerzas a las que están sometidas una embarcación o una aeronave varían enormemente y lo harán miles de veces a lo largo de su vida útil. El diseño estructural debe garantizar que dichas estructuras puedan soportar tales cargas durante toda su vida útil sin fallar.

Estas obras pueden requerir ingeniería estructural mecánica:

• Calderas y recipientes a presión
• Carrocerías y vagones
• Grúas
• Ascensores
• Escaleras mecánicas
• Embarcaciones y cascos marinos

Entre los tipos de estructuras aeroespaciales se incluyen vehículos de lanzamiento ( Atlas , Delta , Titán), misiles (ALCM, Harpoon), vehículos hipersónicos (Transbordador Espacial), aeronaves militares (F-16, F-18) y aeronaves comerciales ( Boeing 777, MD-11). Las estructuras aeroespaciales suelen constar de placas delgadas con refuerzos en las superficies externas, mamparos y bastidores para mantener la forma, y ​​elementos de fijación como soldaduras, remaches, tornillos y pernos para unir los componentes.

Una nanoestructura es un objeto de tamaño intermedio entre las estructuras moleculares y microscópicas (de tamaño micrométrico). Al describir nanoestructuras, es necesario diferenciar entre el número de dimensiones a nanoescala. Las superficies nanotexturizadas tienen una dimensión a nanoescala, es decir, solo el espesor de la superficie del objeto está entre 0,1 y 100  nm. Los nanotubos tienen dos dimensiones a nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0,1 y 100  nm; su longitud puede ser mucho mayor. Finalmente, las nanopartículas esféricas tienen tres dimensiones a nanoescala, es decir, la partícula está entre 0,1 y 100  nm en cada dimensión espacial. Los términos nanopartículas y partículas ultrafinas (UFP) se utilizan a menudo como sinónimos, aunque las UFP pueden alcanzar el rango micrométrico. El término "nanoestructura" se utiliza frecuentemente al referirse a la tecnología magnética.

El equipo médico (también conocido como instrumental) está diseñado para ayudar en el diagnóstico, monitoreo o tratamiento de afecciones médicas. Existen varios tipos básicos: el equipo de diagnóstico incluye 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 de salud de un paciente. Los monitores pueden medir los signos vitales del paciente y otros parámetros, como ECG , EEG , presión arterial y gases disueltos en la sangre; el equipo médico de diagnóstico también puede usarse en el hogar para ciertos fines, por ejemplo, para el control de la diabetes mellitus. Un técnico en equipos biomédicos (BMET) es un componente vital del sistema de atención médica. Empleados principalmente por hospitales, los BMET son las personas responsables del mantenimiento del equipo médico de una instalación.

Las columnas son elementos que soportan únicamente fuerza axial (compresión) o bien fuerza axial y flexión (técnicamente se denomina viga-columna, pero en la práctica, simplemente columna). El diseño de una columna debe verificar la capacidad axial del elemento y su resistencia al pandeo.

La capacidad de pandeo es la capacidad del elemento para resistir la propensión al pandeo. 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${\displaystyle K*l}$dónde${\displaystyle l}$es la longitud real de la columna y K es el factor que depende de las condiciones de restricción.

La capacidad de una columna para soportar carga axial depende del grado de flexión al que está sometida, y viceversa. Esto se representa en un diagrama de interacción y es una relación no lineal compleja.

Una viga se define como un elemento en el que una dimensión es mucho mayor que las otras dos y las cargas aplicadas suelen ser perpendiculares al eje principal del elemento. Las vigas y columnas se denominan elementos lineales y, en el modelado estructural, a menudo se representan mediante líneas simples.

• en voladizo (apoyado en un solo extremo con una conexión fija)
• Simplemente apoyado (fijo contra la traslación vertical en cada extremo y contra la traslación horizontal en un solo extremo, y con capacidad de rotación en los apoyos).
• fijo (soportado en todas las direcciones para traslación y rotación en cada extremo)
• continuo (sostenido por tres o más soportes)
• una combinación de lo anterior (por ejemplo, apoyado en un extremo y en el medio)

Las vigas son elementos que soportan únicamente flexión pura. La flexión provoca que una parte de la sección transversal de una viga (dividida longitudinalmente) se someta a compresión y la otra a tracción. La parte comprimida debe diseñarse para resistir el pandeo y el aplastamiento, mientras que la parte sometida a tracción debe ser capaz de resistir adecuadamente la tensión.

Una cercha es una estructura compuesta por elementos y puntos de conexión o nodos. Cuando los elementos se conectan en los nodos y se aplican fuerzas en ellos, pueden trabajar a tracción o compresión. Los elementos que trabajan a compresión se denominan puntales o puntales de compresión , mientras que los que trabajan a tracción se denominan tirantes o estribos . La mayoría de las cerchas utilizan placas de unión para conectar los elementos que se intersecan. Las placas de unión son relativamente flexibles y no pueden transmitir momentos flectores . La conexión suele estar dispuesta de manera que las líneas de fuerza en los elementos coincidan en la unión, lo que permite que los elementos de la cercha trabajen a tracción o compresión pura.

Las cerchas se suelen utilizar en estructuras de grandes luces, donde el uso de vigas macizas resultaría antieconómico.

Las placas soportan flexión en dos direcciones. Una losa plana de hormigón es un ejemplo de placa. El comportamiento de las placas se basa en la mecánica de medios continuos . Debido a su complejidad, suelen analizarse mediante el método de elementos finitos.

También pueden diseñarse con la teoría de la línea de fluencia, donde se analiza un mecanismo de colapso supuesto para obtener un límite superior de 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 requiere mucho cuidado para asegurar que el mecanismo de colapso supuesto sea realista. ^{[ 9 ]}

Las estructuras con forma de concha obtienen su resistencia de su forma y soportan fuerzas de compresión en dos direcciones. Una cúpula es un ejemplo de este tipo de estructura. Se pueden diseñar mediante un modelo de cadena colgante, que actuará como una catenaria en tensión pura, y luego invirtiendo la forma para lograr compresión pura.

Los arcos soportan fuerzas de compresión en una sola dirección, por lo que es apropiado construirlos con mampostería. Su diseño garantiza que la línea de empuje de la fuerza permanezca dentro de la profundidad del arco. Se utilizan principalmente para aumentar la robustez de cualquier estructura.

Las catenarias obtienen su resistencia de su forma y transmiten fuerzas transversales en pura tensión mediante la flexión (al igual que una cuerda floja se comba cuando alguien camina sobre ella). Casi siempre son estructuras de cable o tela. Una estructura de tela actúa como una catenaria en dos direcciones.