La historia de la ingeniería civil

¿Qué es la ingeniería civil?

La ingeniería civil es una rama de la ingeniería que se encarga del diseño, construcción y mantenimiento de infraestructuras y obras civiles, como edificios, puentes, carreteras, puertos, aeropuertos, presas, canales, entre otros.

¿Cuál es el origen de la ingeniería civil?

La historia de la ingeniería civil se remonta a la antigua Roma y Grecia, donde se construyeron algunas de las obras más impresionantes de la época.

En la antigua Roma, los ingenieros civiles eran conocidos como "constructor" y eran responsables de la planificación y construcción de acueductos, puentes y carreteras. El más famoso de ellos fue Marco Vitruvio Polión, quien escribió el tratado "De Architectura", que se considera uno de los primeros libros sobre ingeniería civil.

Durante la Edad Media, la ingeniería civil se centró en la construcción de castillos, fortificaciones y catedrales. En el Renacimiento, se produjo un renacimiento en la ingeniería civil, y se construyeron algunas de las obras más impresionantes de la época, como el Duomo de Florencia y el Palacio de Versalles.

Durante la Revolución Industrial, la ingeniería civil experimentó un gran avance, ya que las nuevas tecnologías permitieron la construcción de edificios más altos, puentes más largos y carreteras más rápidas. La construcción de ferrocarriles y canales también fue un importante logro de la ingeniería civil en este periodo.

En el siglo XX, la ingeniería civil se ha convertido en una disciplina altamente especializada, con diferentes ramas que se centran en áreas específicas, como la ingeniería estructural, hidráulica, geotécnica, de transporte y de construcción. Las nuevas tecnologías, como la informática y la robótica, han permitido la construcción de obras más complejas y avanzadas.

La ingeniería civil ha evolucionado a lo largo del tiempo para satisfacer las necesidades de las sociedades y ha hecho posible la construcción de infraestructuras y edificios de gran escala que han mejorado la calidad de vida de las personas. A continuación, se detallan algunos de los hitos más importantes en la historia de la ingeniería civil:

Acueductos romanos

Los acueductos romanos son una de las obras más impresionantes de la ingeniería civil de la antigüedad. Fueron construidos para llevar agua a las ciudades y se caracterizan por su arco alto y su uso inteligente de la gravedad.

Puentes colgantes

El primer puente colgante moderno fue construido en Inglaterra en 1826. Este tipo de puente utiliza cables de acero para soportar la carga y se caracteriza por su elegante diseño y su capacidad para atravesar ríos y gargantas profundas.

Torre Eiffel

La Torre Eiffel en París, construida en 1889, es un icono de la ingeniería civil moderna. Se caracteriza por su estructura de hierro forjado y su altura de 324 metros. En su momento, fue la estructura más alta del mundo y sigue siendo una de las atracciones turísticas más populares de Francia.

Presas

Las presas son estructuras que se construyen para almacenar agua y generar energía hidroeléctrica. La presa Hoover, cuya construcción data de la década de 1930 en Estados Unidos, es una de las más famosas y se caracteriza por su impresionante tamaño y su capacidad para generar energía limpia y renovable.

Construcciones de rascacielos

La construcción de rascacielos se ha convertido en un desafío para los ingenieros civiles modernos.

Normalmente los casos de inestabilidad externa suelen ir acompañados de algún tipo de hiperestaticidad externa en alguna otra dirección, de tal manera que el cómputo global de incógnitas y ecuaciones no da una respuesta correcta.

La siguiente tabla resume las posibles situaciones.

Puede concluirse que la comparación del número de reacciones r con el número de ecuaciones de la estática q, brinda nada más que un balance global del estado de la estructura, pero no permite determinar con precisión su situación. Esto requiere en general una inspección de la misma y un análisis de si existen posibles situaciones de inestabilidad.

Ejemplos

Las estructuras de la figura siguiente tienen ambas r=q=3. Sin embargo la de la izquierda es estable e isostática, ya que las tres reacciones son independientes, mientras que la de la derecha es inestable, pues las tres reacciones se cortan en el apoyo de la izquierda.

Las estructuras siguientes tienen ambas r=q=3, pero su situación es muy diferente, pues la disposición de las reacciones produce inestabilidad de distinto tipo. Esta inestabilidad está unida a una hiperestaticidad en otra dirección, de tal manera que el cómputo total de reacciones hace parecer que la estructura es isostática.

Estabilidad y grado de determinación externo en las estructuras (Primera parte)

Para analizar una estructura se debe establecer en primer lugar el diagrama de sólido libre de toda ella. En este diagrama se considera a toda la estructura como un sólido rígido, y se sustituyen las ligaduras por sus reacciones correspondientes, con lo que se obtienen tantas incógnitas como reacciones haya, en número r. A este conjunto se le aplica un estudio de estabilidad.

La estática facilita q=3 ecuaciones de equilibrio en el caso plano, y q=6 ecuaciones en el espacial. En función de como sea el número de reacciones incógnita, en relación con este número de ecuaciones de equilibrio se presentan tres casos diferentes. Suponiendo que no hay condiciones de construcción en la estructura, es decir que las uniones en todos los nudos son rígidas, dichos casos son:

• El número de reacciones es menor que el de ecuaciones de equilibrio r
• es un conjunto inestable, y se dice que es externamente inestable. Sin embargo para ciertas combinaciones particulares de las fuerzas exteriores la estructura puede encontrarse en equilibrio, que se denomina equilibrio inestable.
• El número de reacciones es igual al número de ecuaciones de equilibrio r=q. En principio la estructura es externamente isostática ya que hay ecuaciones de la estática en número suficiente para calcular todas las reacciones. Sin embargo esta condición es necesaria pero no suficiente para garantizar que la estructura es externamente isostática. En efecto, puede ocurrir que el número de reacciones sea el correcto, pero que su disposición geométrica sea tal que la estructura sea inestable en una determinada dirección: se dice en este caso que tiene inestabilidad externa. Esto ocurre por ejemplo en una estructura plana cuando las tres reacciones se cortan en un punto, o son paralelas.
• El número de reacciones es mayor que el de ecuaciones de equilibrio r>q. La estructura está estáticamente indeterminada en principio, y se dice que es externamente hiperestática: es necesario introducir nuevas condiciones, además de las de la estática, para calcular las reacciones exteriores. Al igual que en el caso anterior esta condición es necesaria pero no suficiente: puede ocurrir que aunque haya reacciones en exceso, éstas tengan una disposición espacial tal que no impidan la existencia de algún tipo de inestabilidad en alguna otra dirección.

Puede ocurrir que en un mismo punto existan varias condiciones de construcción, que se deben ir identificando de manera independiente, y cuyos efectos se suman. Así por ejemplo, la rótula esférica está compuesta por dos articulaciones según dos ejes perpendiculares al elemento y una articulación a la torsión.

Ejemplo

En un nudo totalmente articulado de una estructura plana, al que llegan n barras, el número de condiciones de construcción es n-1. La ecuación n-sima es la ecuación estática de suma de momentos nulos en el nudo.

Los distintos elementos que componen una estructura reticular se pueden unir básicamente de dos formas:

• De forma totalmente rígida, transmitiéndose entre los elementos unidos todas las fuerzas y momentos posibles: tres fuerzas y tres momentos en el caso espacial, y dos fuerzas y un momento en el caso plano. En este caso todas las deformaciones de los elementos unidos son iguales.
• Mediante uniones imperfectas, que permiten un cierto movimiento relativo entre los elementos unidos. Estas uniones imperfectas se obtienen a base de anular la capacidad de transmisión de alguno de los esfuerzos transmitidos entre los elementos. Al eliminarse esta capacidad de transmitir algún esfuerzo, aparece un movimiento relativo entre los elementos, en la dirección del esfuerzo anulado.

Se denominan condiciones de construcción a estas condiciones de esfuerzo nulo impuestas a las uniones entre los elementos de la estructura. Su presencia juega un papel importante en la estabilidad de la estructura, o en su naturaleza isostática o hiperestática.

Los tipos más importantes de condiciones de construcción se indican en la siguiente tabla.

Apoyo deslizante sobre una recta

En este caso el punto de apoyo está obligado a moverse sobre una recta conocida, por lo que el único desplazamiento posible es en la dirección de dicha recta. La reacción son dos fuerzas perpendiculares a la recta (H, V). Al igual que en caso anterior, esta condición de ligadura no influye sobre los giros. Ver la siguiente figura.

Empotramiento deslizante prismático

En este caso el punto de apoyo se mueve sobre una recta, pero no tiene ninguna posibilidad de giro, como se muestra en la siguiente figura. Existe por lo tanto un sólo grado de libertad, que es el desplazamiento en la dirección de la recta. La reacción tiene cinco componentes: dos fuerzas perpendiculares a la recta (V y T) y tres momentos ( ML, MV y MT).

Empotramiento deslizante cilíndrico

En este caso el punto puede deslizar sobre una recta y además puede girar respecto a ella. Existen por lo tanto dos grados de libertad: el desplazamiento en la dirección de la recta y la rotación alrededor de ella. La reacción tiene cuatro componentes: dos fuerzas perpendiculares a la recta (V y T), y dos momentos también perpendiculares a ella (MV y MT). Ver la siguiente figura.

Rótula esférica

Es el equivalente tridimensional de la articulación plana. No permite ningún desplazamiento, y sí permite los tres giros. Su reacción son tres fuerzas ortogonales (o un vector fuerza de dirección arbitraria), como se indica en la siguiente figura.

Apoyo deslizante sobre un plano

Se trata de un punto que puede moverse apoyado sobre todo un plano, el cual puede ser uno de los planos coordenados, u otro cualquiera. Su reacción es una fuerza normal al plano de deslizamiento. Ver la siguiente figura

No influye en los giros que pueda tener la estructura, que podrán ser uno o varios, en función de la forma en que los distintos elementos estructurales se unan al nudo.

Empotramiento deslizante

Permite únicamente el desplazamiento en una dirección, pero impide el desplazamiento en la dirección perpendicular y también el giro. Se trata por lo tanto de un caso particular del empotramiento, pero que permite el deslizamiento en una dirección determinada. Su reacción es una fuerza perpendicular al eje de deslizamiento H, y un momento M perpendicular al plano de la estructura. Este tipo de apoyo no suele encontrarse habitualmente en la realidad, pero aparece cuando se emplean simplificaciones para considerar la simetría de una estructura. Ver la siguiente figura.

Apoyo flexible

El apoyo flexible está constituido por un punto de la estructura que está unido a la sustentación mediante uno o varios muelles, como se muestra en la siguiente figura. En general puede haber constantes de rigidez distintas en cada dirección, pudiendo ser cero en alguna de ellas (dirección libre). Asimismo el apoyo elástico puede coexistir con otras condiciones de ligadura.

Es habitual incluir el apoyo flexible en la descripción de los tipos de apoyos, pero en sentido estricto este apoyo no es una condición de ligadura para la estructura, pues no es un punto en el que se conoce el valor de la deformación. En efecto, no se conocen ni el desplazamiento del nudo ni la fuerza en el muelle, sino únicamente la relación entre ellos, que es la constante de rigidez del muelle: la fuerza en el muelle es proporcional a la deformación del apoyo y la reacción de la sustentación es igual a la fuerza en el muelle. Esta igualdad entre la fuerza en el muelle y la reacción de la sustentación es la que hace que este nudo se considere a veces como un apoyo, aunque como se ha dicho no lo es. Se trata por lo tanto de un nudo de la estructura como cualquier otro, al que llegan una serie de elementos estructurales y además el muelle, que debe considerarse como uno más. En este sentido, siempre se considerarán aquí los muelles como elementos estructurales, y se les dará el mismo tratamiento que a los demás.

Apoyo articulado

No permite ningún tipo de desplazamiento, y su reacción es una fuerza de dirección arbitraria, que equivale a dos fuerzas según dos ejes ortogonales.

Este apoyo no influye en el giro de la estructura, que puede tener uno o varios giros, en función de la forma en que los distintos elementos estructurales se unen al nudo. Ver la siguiente figura.

Empotramiento

No permite ningún desplazamiento ni el giro. Su reacción son dos fuerzas (H y V) contenidas en el plano de la estructura, y un momento M perpendicular a él. Ver la siguiente figura.

CONDICIONES DE SUSTENTACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS – Estructuras planas (Primera parte)

A continuación se describen los tipos de apoyos más habituales que pueden encontrarse en las estructuras, indicando las condiciones de ligadura que introducen.

ESTRUCTURAS PLANAS

Apoyo deslizante o de rodillos

Impide el desplazamiento perpendicular a la línea de apoyo, y su reacción es una fuerza perpendicular a dicha línea. Se supone sin rozamiento y bidireccional, es decir que es capaz de ejercer reacción en los dos sentidos (a pesar de la forma sencilla que se emplea para su representación).

Este apoyo no influye en el giro de la estructura, que puede tener uno o varios giros, en función de la forma en que los distintos elementos estructurales se unan al nudo, como se muestra en la siguiente Figura.

CONDICIONES DE SUSTENTACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS

Para que una estructura pueda considerarse como tal, debe estar en equilibrio bajo la acción de todas las fuerzas que actúan sobre ella, entre las que se incluyen tanto las acciones exteriores conocidas, como las reacciones desconocidas en los puntos de sustentación.

En el equilibrio de la estructura juega un papel fundamental la forma en que la estructura se halla unida a su sustentación, que se efectúa habitualmente a través de uno o varios puntos de apoyo, cada uno de los cuales introduce una o varias restricciones al movimiento de la estructura. Se denomina condición de ligadura (o simplemente ligadura, o también condición de apoyo) a una condición que define la deformación en un punto y una dirección dados de la estructura.

Como cada ligadura define la forma en que la estructura puede deformarse en el punto y la dirección donde está aplicada, aparece una fuerza o momento desconocido en la dirección de la ligadura, denominada fuerza o momento de reacción. Esta fuerza de reacción es la fuerza que la sustentación debe hacer para que se satisfaga la condición de ligadura.

Las ligaduras son direccionales, es decir que cada una de ellas actúa en una sola dirección del espacio. Sin embargo las condiciones de apoyo habituales de las estructuras hacen que varias ligaduras aparezcan agrupadas, introduciendo simultáneamente varias condiciones de deformación.

Siempre se cumple que en la dirección donde hay una ligadura aplicada se conoce el valor de la deformación (normalmente dicho valor es cero), y se desconoce el valor de la reacción que aparece. En el caso de desconocerse el valor de la deformación se dice que no hay ninguna ligadura aplicada, y en ese caso se conocerá el valor de la fuerza exterior aplicada en esa dirección, estando la deformación controlada por el comportamiento de la estructura.

CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL

A continuación se resumen los principales métodos de análisis estructural para estructuras discretas, no pretendiéndose hacer una clasificación exhaustiva, sino sólo indicar los más importantes. Se presentan englobados en cuatro grandes bloques, en base a su naturaleza.

Soluciones analíticas

Consisten en resolver directamente las ecuaciones que controlan el problema, por lo que normalmente sólo se pueden aplicar a casos sencillos.

• Integración de la ecuación de la elástica en vigas.
• Teoremas de Mohr para vigas.
• Método de la viga conjugada para vigas.

Empleo de las ecuaciones de la estática

Sólo se pueden aplicar a estructuras isostáticas.

• Método del equilibrio de los nudos para celosías.
• Método de las secciones para celosías.
• Método de la barra sustituida para celosías.

Métodos basados en la flexibilidad

• Principio del Trabajo Virtual Complementario y principio del potencial complementario estacionario.
• Segundo teorema de Castigliano y teorema de Crotti-Engesser.
• Método general de flexibilidad, basado en el segundo teorema de Engesser.
• Método de la compatibilidad de deformaciones en vigas.
• Fórmula de los tres momentos para vigas.
• Principio de Müller-Breslau para cargas móviles.

Métodos basados en la rigidez

• Principio del Trabajo Virtual y principio del potencial total estacionario.
• Primer teorema de Castigliano.
• Método de rigidez en formulación matricial, para estructuras de cualquier tipo.
• Método de la distribución de momentos, o de Cross, para pórticos planos.

CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS – ESTRUCTURAS CON ELEMENTOS CONTINUOS

En estas estructuras no se identifica a priori ninguna dirección preponderante y el material está distribuido de manera continua en toda la estructura. El concepto de nudo estructural tampoco puede introducirse de forma intuitiva y simple. Su análisis es más complejo que para las estructuras reticulares y no se aborda en este texto. Sin embargo, a continuación se resumen los casos más habituales de estructuras continuas.

Membranas planas

Consisten en un material continuo, de espesor pequeño frente a sus dimensiones transversales, situado en un plano y con cargas contenidas en él. Corresponde al problema de elasticidad bidimensional, y son el equivalente continuo de un pórtico.

Placas

Consisten en un medio continuo plano, de espesor pequeño frente a sus dimensiones transversales, con fuerzas actuantes perpendiculares a su plano. Son el equivalente continuo de un emparrillado plano.

Sólidos

Son medios continuos tridimensionales sometidos a un estado general de tensiones y deformaciones.

Cáscaras

Son medios continuos curvos, con pequeño espesor. Son el equivalente a la suma de una membrana y una placa, pero cuya superficie directriz es curva.

Emparrillados planos

Son estructuras formadas por elementos viga dispuestos formando una retícula plana, pero con fuerzas actuantes perpendiculares a su plano. Se deforman perpendicularmente a su plano, y sus elementos trabajan a torsión y flexión.

A continuación se muestran algunas de las estructuras mencionadas:

CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS – ESTRUCTURAS CON ELEMENTOS DISCRETOS (Segunda parte)

TIPOS DE ESTRUCTURAS RETICULARES

Los tipos más importantes de estructuras reticulares son:

Cerchas o celosías

Están formadas por elementos articulados entre sí, y con cargas actuantes únicamente en los nudos. Los elementos trabajan a esfuerzo axial, y no hay flexión ni cortadura. Por su disposición espacial pueden ser planas o tridimensionales.

Vigas

Están formadas por elementos lineales unidos rígidamente entre sí, y que pueden absorber esfuerzos de flexión y cortadura, sin torsión. También pueden absorber esfuerzo axial, pero éste está desacoplado de los esfuerzos de flexión y cortadura, en la hipótesis de pequeñas deformaciones.

Pórticos planos

Son estructuras compuestas por elementos prismáticos, unidos rígidamente entre sí, y dispuestos formando una retícula plana, con las fuerzas actuantes situadas en su plano. Estas estructuras se deforman dentro de su plano y sus elementos trabajan a flexión, cortadura y esfuerzo axial.

Pórticos espaciales

Son similares a los anteriores, pero situados formando una retícula espacial. Sus elementos pueden trabajar a esfuerzo axial, torsión y flexión en dos planos.

Arcos

Son estructuras compuestas por una única pieza, cuya directriz es habitualmente una curva plana. Absorben esfuerzos axiales, de flexión y de cortadura. Como caso general existen también los arcos espaciales, cuya directriz es una curva no plana. En muchas ocasiones los arcos se encuentran integrados en otras estructuras más complejas, del tipo pórtico plano o espacial.

CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS – ESTRUCTURAS CON ELEMENTOS DISCRETOS (Primera parte)

Efectuar una clasificación detallada de las estructuras no es tarea fácil, pues depende de la tecnología y materiales usados para su construcción y del uso que se da a la estructura. Por esta razón sólo se incluyen aquí los tipos más usuales de estructuras, atendiendo a sus diferencias desde el punto de vista de su análisis, pero no desde el punto de vista de su funcionalidad.

Ya las primeras definiciones del concepto de estructura orientan a considerar dos grandes tipos de ellas: con elementos discretos o con elementos continuos. Ambos tipos se detallan a continuación.

Estructuras con elementos discretos

En estas estructuras se identifican claramente los elementos que la forman. Estos elementos se caracterizan por tener:

• Una dimensión longitudinal mucho mayor que las otras dos.
• El material agrupado alrededor de la línea directriz del elemento, que normalmente es recta.

Estos elementos son por lo tanto piezas prismáticas y se denominan habitualmente vigas o barras. Los puntos de unión de unos elementos con otros se llaman nudos y cada elemento siempre tiene dos nudos extremos. Con esto la estructura se asemeja a una retícula formada por los distintos elementos unidos en los nudos. De hecho a estas estructuras se les denomina habitualmente reticulares.

La unión de unos elementos con otros en los nudos puede hacerse de distintas formas, siendo las más importantes:

• Unión rígida o empotramiento, que impone desplazamientos y giros comunes al elemento y al nudo, de tal manera que entre ellos se transmiten fuerzas y momentos,
• Articulación, que permite giros distintos del elemento y del nudo, y en la que no se transmite momento en la dirección de la articulación,
• Unión flexible, en la que los giros del elemento y el nudo son diferentes, pero se transmite un momento entre ambos elementos.

ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS - DEFINICIONES GENERALES

Para que el análisis de una estructura sea correcto es necesario que la idealización que de ella se haga se acerque lo más posible a su comportamiento real. Para efectuar esta idealización existen diversos aspectos a tener en cuenta, como son:

• Disposición espacial de la estructura: puede ser en una, dos o tres dimensiones.
• Tipo de cargas actuantes: estáticas o dinámicas, según que sean constantes en el tiempo o variables con él.
• Tipo de elementos que forman la estructura: elementos discretos (piezas prismáticas), elementos continuos, o incluso estructuras mixtas.
• Tipo de uniones estructurales entre los elementos: articuladas, rígidas (habitualmente llamadas empotradas), o flexibles.
• Comportamiento del material: puede ser elástico, cuando al desaparecer las cargas el material vuelve a su estado inicial o no (por ejemplo si hay plasticidad). Dentro de los materiales elásticos el caso más habitual es el lineal, cuando la tensión y la deformación unitaria son proporcionales.
• Pequeñas deformaciones: cuando la posición deformada de la estructura coincide sensiblemente con su posición sin deformar. Esto simplifica la relación entre las deformaciones unitarias y los desplazamientos de un punto, que es lineal. En caso contrario se trata de un problema de grandes deformaciones, y la relación entre deformaciones unitarias y desplazamiento no es lineal.

De entre todos estos aspectos, se estudiarán estructuras de las siguientes características:

• Estructuras formadas por elementos discretos,
• Sometidas a cargas no variables con el tiempo, es decir en régimen estático,
• Con uniones entre los elementos rígidas, articuladas o flexibles,
• Extendidas en una, dos o tres dimensiones,
• Formadas por un material con comportamiento elástico lineal, y
• Con pequeñas deformaciones.

CONCEPTO DE ESTRUCTURA EN INGENIERÍA (Cuarta parte)

FASE DE DISEÑO

En la fase de diseño, que es la que interesa para el análisis estructural, se pueden distinguir a su vez las siguientes etapas:

• Determinación de la forma y dimensiones generales: se eligen el tipo de estructura y la geometría de la misma, de acuerdo con su funcionalidad y la normativa aplicable. Se determinan asimismo los materiales principales a utilizar.
• Determinación de las cargas: se determinan las fuerzas exteriores que actúan sobre la estructura, así como todos aquellos efectos que puedan afectar a su comportamiento (errores de forma, movimientos de los apoyos, etc.).

FASE DE DISEÑO

Consiste en determinar los esfuerzos internos y las deformaciones que se originan en la estructura como consecuencia de las cargas actuantes. Para efectuar el análisis de una estructura es necesario proceder primero a su idealización, es decir a asimilarla a un modelo cuyo cálculo sea posible efectuar. Esta idealización se hace básicamente introduciendo algunas suposiciones sobre el comportamiento de los elementos que forman la estructura, sobre la forma en que éstos están unidos entre sí, y sobre la forma en que se sustenta. Una vez idealizada la estructura se procede a su análisis, calculando las deformaciones y esfuerzos que aparecen en ella, y utilizando para ello las técnicas propias del Análisis Estructural. Para este análisis siempre se dispone, como datos de partida, de los valores de las acciones exteriores y las dimensiones de la estructura, determinadas en las fases anteriores.

Salvo en casos muy simples, para el análisis de la estructura es necesario conocer las dimensiones transversales de los elementos que la componen, pero ocurre que estas dimensiones están básicamente determinadas por los esfuerzos internos que aparecen sobre ellos, y que en principio son desconocidos. Por esta razón el análisis de una estructura suele ser en general iterativo, hasta lograr unos esfuerzos internos y unas deformaciones que sean adecuados a las dimensiones transversales de los elementos.

Para comenzar este proceso iterativo de análisis se deben imponer unos valores para las dimensiones transversales de los elementos, basándose en la experiencia, o en un predimensionamiento, que normalmente se basa en hipótesis simplificativas.

FASE DE CONSTRUCCIÓN

Diseño de detalles

Son propios de la tecnología usada en la construcción de la estructura: nudos de unión, aparatos de apoyo, armaduras de hormigón, etc. El análisis de estructuras no interviene en esta fase.

CONCEPTO DE ESTRUCTURA EN INGENIERÍA (Tercera parte)

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

El problema que trata de resolver el Análisis Estructural es la determinación del estado de deformaciones y tensiones que se producen en el interior de la estructura, a consecuencia de todas las acciones actuantes sobre ella. Como consecuencia también se determinan las reacciones que aparecen en la sustentación de la estructura.

Una vez conocidas las tensiones y deformaciones, el decidir si éstas son admisibles y si la estructura está en buen estado de funcionamiento, es objeto de otras materias específicas como el diseño de estructuras metálicas o de hormigón armado, la construcción de máquinas, etc., y a veces la propia experiencia y sentido común del analista.

Como primeras reseñas históricas sobre Análisis Estructural se debe citar a Leonardo da Vinci y a Galileo, que fue el primero en estudiar el fallo de una viga en voladizo. Posteriormente han sido muy numerosos los autores que han colaborado al desarrollo del estudio de las estructuras. Una excelente revisión de la contribución de todos ellos ha sido publicada por Timoshenko en 1953. Asimismo una revisión bibliográfica muy detallada sobre los fundamentos teóricos del Análisis Estructural ha sido publicada por Oravas y McLean, en 1966.

La concepción de una estructura, por parte del ingeniero, se desglosa en tres fases:

• Fase de planteamiento
• Fase de diseño
• Fase de construcción.

CONCEPTO DE ESTRUCTURA EN INGENIERÍA (Segunda parte)

En las definiciones anteriores se dice que actúan sobre la estructura unas cargas, que normalmente son de tipo mecánico, es decir fuerzas o pares. También se considera la posibilidad de otros efectos, como: variaciones en la temperatura del material de la estructura, movimientos conocidos de los apoyos, errores en la longitud y forma de los elementos, esfuerzos de pretensión durante el montaje, etc. Todos estos efectos dan lugar a unas cargas mecánicas equivalentes, por lo que resulta fácil considerarlos.

Respecto a la forma en que la estructura debe soportar las cargas no es fácil poner un límite claro. Quizás lo más general sea decir que la estructura debe tener un estado de tensiones y deformaciones tal que no se produzca un fracaso estructural que lleve a la destrucción de la misma, en ninguno de los estados de carga posibles. Por debajo de este amplio límite se imponen limitaciones más estrictas en función del tipo de estructura y de su aplicación concreta. La limitación que siempre se impone es la del valor máximo de las tensiones que aparecen en el material, en cualquier punto de la estructura, a fin de evitar su rotura. Este es el caso de edificios, naves industriales, bastidores de vehículos y maquinaria, tuberías, etc.

Además de la limitación en las tensiones, es también muy habitual imponer un límite a las deformaciones de la estructura, bien por motivos funcionales (p.e. bastidores de máquinas), estéticos, o de resistencia de los elementos que apoyen sobre la estructura (tabiques de edificios de viviendas).

En estructuras sofisticadas las tensiones alcanzadas pueden ser muy grandes, llegando a sobrepasar el límite elástico, y permitiéndose incluso la existencia de alguna grieta, cuyo tamaño máximo es entonces el límite para el buen funcionamiento estructural, siempre bajo severas condiciones de control (esto ocurre por ejemplo en tecnología nuclear). En otros casos más complejos la idoneidad de la estructura viene controlada por la ausencia de inestabilidades en la misma (pandeo), o incluso porque su respuesta dinámica sea la adecuada (por ejemplo en brazos de manipuladores, antenas, etc).