Índice Introducción

Definición de la Ingeniería Industrial

Principios Estructurales

Elementos Estructurales

Conclusión

Infografía

INTRODUCCION

La ingeniería estructural es una rama clásica de la ingeniería civil que se ocupa del diseño y cálculo de la parte estructural en elementos y sistemas estructurales tales como edificios, puentes, muros (incluyendo muros de contención), presas, túneles y otras obras civiles. Su finalidad es la de conseguir estructuras seguras, resistentes y funcionales. En un sentido práctico, la ingeniería estructural es la aplicación de la mecánica de medios continuos para el diseño de estructuras que soporten su propio peso (cargas muertas), más las cargas ejercidas por el uso (cargas vivas), más las cargas producidas por eventos de la naturaleza, como vientos, sismos, nieve o agua.

Historia de la Ingeniería Estructural

Historia de la ingeniería estructural. Es una rama antigua, que se aplica en la ingeniería civil, podemos decir que es el responsable del diseño, planeamiento y cálculo de la parte estructural. (que forma un sistema integrado de vigas, columnas, losas, muros incluyendo muros de retención,� � presas, túneles, zapatas de cimentación y otros), que lo empleamos en los edificios urbanos, construcciones industriales, puentes, estructuras de desarrollo hidráulico y demás obras. Su propósito es la de obtener estructuras eficaces que resulten apropiadas a partir del punto de vista resistente. En un sentido práctico, la ingeniería estructural es la aplicación de la mecánica Newtoniana para el diseño de elementos y sistemas estructurales, que mayormente se necesita resolver problemas de alta complicación que se solucionan mediante técnicas de cálculo diferencial e integral de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos. Los ingenieros estructurales deben de estar verdaderamente de convencido de que sus proyectos cumplan un patrón, buscando así un aspecto arquitectónico para conseguir los objetivos determinados de seguridad y confrontando los materiales fundamentales de construcción, para estar seguro de cual le conviene utilizar, concreto reforzado o pre esforzado, acero, madera, mampostería confinada o reforzada, aluminio u otras posibilidades más recientes. Como por ejemplo, (que la edificación no colapse sin dar ningún tipo de aviso primero) o de serví civilidad (que la vibración en un edificio no hastíe a sus habitantes). Los ingenieros estructurales son los responsables de darle una buena utilización al dinero y a los materiales necesarios para alcanzar estos objetivos. Característicamente, los ingenieros estructurales con escasa experiencia diseñan vigas simples, columnas o pisos de edificios nuevos, conteniendo el cálculo de cargas (o fuerzas) en cada miembro y la capacidad de diversos materiales de construcción tales como acero, madera u hormigón. Un ingeniero habituado tiende a diseñar estructuras más complicadas, tales como puentes o edificios de varios pisos incluyendo rascacielos. Las cargas estructurales son habitualmente clasificadas como: cargas vivas, las cuales se corresponden al peso de los habitantes, muebles, presión hidráulica, fuerzas de viento o sismos; y cargas muertas, además, el peso de la estructura y los detalles arquitectónicos.

La ingeniería estructural se remonta a 2700 aC, cuando la pirámide escalonada de Zoser Faraón fue construida por Imhotep, el primer ingeniero de la historia conocida por su

nombre. Pirámides eran las estructuras principales más comunes construidos por civilizaciones antiguas, porque la forma estructural de una pirámide es inherentemente estable y se puede escalar casi hasta el infinito.

A lo largo de la historia antigua y medieval de diseño más arquitectónico y la construcción se llevó a cabo por artesanos, como albañiles y carpinteros, pasando a la función de maestro de obras. Ninguna teoría de las estructuras existen, y la comprensión de cómo las estructuras se levantaron era extremadamente limitado, y se basan casi exclusivamente en la evidencia empírica de "lo que había trabajado antes". El conocimiento fue conservado por los gremios y rara vez suplantada por los avances. Estructuras eran repetitivas, y el aumento de la escala fueron incrementales.

No existen registros de los primeros cálculos de la resistencia de los elementos estructurales o el comportamiento de los materiales estructurales, pero la profesión de ingeniero estructural único realmente tomó forma con la Revolución Industrial y la re-invención del hormigón. Las ciencias físicas subyacentes ingeniería estructural comenzaron a entenderse en el Renacimiento y se han desarrollado desde entonces en las aplicaciones basadas en ordenador pionero en la década de 1970.

Cronología

1452-1519 Leonardo da Vinci hizo muchas contribuciones

1638: Galileo Galilei publicó el libro "Dos nuevas ciencias", en el que analizó el fracaso de las estructuras simples

1660: La ley de Hooke por Robert Hooke

1687: Isaac Newton publica "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", que contiene las leyes del movimiento de Newton

1750: Ecuación de Euler-Bernoulli haz

1700-1782: Daniel Bernoulli introdujo el principio del trabajo virtual

1707-1783: Leonhard Euler desarrolló la teoría de pandeo de columnas

1826: Claude-Louis Navier publicó un tratado sobre el comportamiento elástico de estructuras

1873: Carlo Alberto Castigliano presentó su tesis "Intorno ai sistemi elasticidades", que contiene su teorema para el desplazamiento de computación como derivada parcial de la energía de deformación. Este teorema incluye el método de los mínimos trabajo como un caso especial

1936: publicación de Hardy Cross 'del método de distribución de momentos que más tarde fue reconocido como una forma del método de relajación aplicable al problema de flujo en la tubería de la red

1941: Alexander Hrennikoff presentó su tesis D.Sc en el MIT en la discretización de los problemas de elasticidad plana utilizando una estructura reticular

1942: R. Courant dividir un dominio en subregiones finitos

1956: J. Turner, RW Clough, HC Martin, y el papel de LJ Topp en la "rigidez y flexión de estructuras complejas" introduce el nombre de "método de elementos finitos" y es ampliamente reconocido como el primer tratamiento integral del método, ya que es conocido hoy

Inicios de la ingeniería Estructural

Ingeniería Estructural en la actualidad

Ingeniería estructural definición

El termino ingeniería estructural se aplica a la especialidad de la ingeniería civil que permite el planeamiento y el diseño de las partes que forman el esqueleto resistente de las edificaciones más tradicionales como edificios urbanos, construcciones industriales, puente, estructuras de desarrollo hidráulico y otras.

El esqueleto estructural forma un sistema integrado de partes, denominadas elementos estructurales: vigas, columnas, losas, zapatas de cimentación y otros.

A menudo se requiere resolver problemas de elevada complejidad que se resuelven mediante técnicas de elementos finitos que obligan a penetrar en los cálculos diferenciales e integrales de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos.

La actividad profesional del ingeniero estructural se inicia con un bosquejo arquitectónico de la futura edificación, en el cual se comienzan a definir las dimensiones generales tanto en planta como en alzado. Compara las alternativas referentes al material básico de construcción: la conveniencia de usar concreto reforzado o pre esforzado, acero, madera, mampostería confinada o reforzada, aluminio u otras posibilidades más recientes. Asimismo define previamente las dimensiones longitudinales y transversales de los elementos estructurales. En la ingeniería estructural de las obras urbanas, el trabajo entre arquitectos e ingenieros resulta a menudo inseparable.

Definidas las características geométricas preliminares se pasa al proceso de pre dimensionamiento de los elementos estructurales: dimensiones de las vigas y columnas, características de la cimentación, definición de escaleras, muros de contención, posición de ductos de aire acondicionado. Luego se evalúa las cargas que soportara la edificación: cargas muertas que son cargas que no varían dentro de la estructura ni a lo largo del tiempo; cargas vivas que varían en espacio o en el tiempo, por el ejemplo, el peso de los ocupantes y los muebles.

El ingeniero a cargo debe analizar las fuerzas de reacción y deformaciones que el esqueleto resista debido a las cargas. Para esto muchos ingenieros disponen de

programas computarizados en sus oficinas para la solución de los problemas corrientes. Algunos de los programas empleados tienen capacidades graficas que generan dibujos de las fuerzas internas y deformaciones para muchos estados de carga. Si las fuerzas internas (torsión, momento flexor y cortante) obtenidas del análisis resultan compatibles con las resistentes y las deformaciones se suponen terminada la primera fase del procedimiento. Se pueden cometer errores al confiar demasiado en los resultados automatizados. Si algo falla y no hay quien revise el producto automatizado puede haber consecuencias como pérdidas humanas y de capital.

Luego se procede al refinamiento del diseño: se trata de llegar a un modelo que resulte de modo razonable más económico y funcional; al decir razonable queremos decir que se tenga en cuenta la facilidad constructiva de lo que se analiza y se diseña.

La fase de elaboración de los planos debe ser ejecutada por ingenieros de alta experiencia buscando que en definitiva los planos contenga lo que se debe de construir. Los planos de construcción deben de ser claros, indicando los materiales a usar, detalles de refuerzo, con las indicaciones precisas de las dimensiones y de las etapas previstas. Además deben de ser elaborados previendo que el constructor no se vea obligado a tomar medidas a escalas ni hacer deducciones.

El ingeniero civil maneja diversos materiales en la especialidad estructural. Materiales homogéneos como el acero, la madera, el aluminio. El acero es el de mayor uso en perfiles de grandes dimensiones como los de sección I de alma llena, canal, angulares. Otro material muy utilizado es el resultado de la combinación del acero y el concreto, llamándose concreto reforzado o armado. El ingeniero estructural debe profundizar sus conocimientos sobre el comportamiento de los materiales con los cuales se construyen las edificaciones.

Principios estructurales

Debe entenderse como una carga estructural aquellas solicitaciones mecáncias (fuerzas, momentos, deformaciones, desplazamientos) que debe ser incluidas en el cálculo de los elementos mecánicos resistentes. La estructura está constituida por el conjunto de elementos mecánicos resistentes y sus uniones mecánicas considerados como un sistema. Las cargas estructurales son generalmente clasificadas como:

cargas muertas que actúan de forma continua y sin cambios significativos, pertenecen a este grupo el peso propio de la estructura, empujes de líquidos (como en un dique) o sólidos (como el suelo en un muro de contención), tensores (como en puentes), pre esfuerzo, asientos permanentes;

cargas vivas que son aquellas que varían su intensidad con el tiempo por uso o exposición de la estructura, tales como el tránsito en puentes, cambios de temperatura, maquinaria (como una prensa), acumulación de nieve o granizo, etcétera; cargas accidentales que tienen su origen en acciones externas al uso de la estructura y cuya manifestación es de corta duración como lo son los eventos sísmicos o ráfagas de viento.

Algunos principios básicos del cálculo estructural son:

Aleatoriedad e incertidumbre: sobre el valor de las cargas actuantes, por lo que éstas deben ser tratadas como variables aleatorias por lo que un cálculo estructural seguro incluye determinar valores estadísticos asociados a la densidad de probabilidad de cada carga. Así se define el valor característico de una carga F de efecto desfavorable como el valor tal que:

Para los cálculos se define el valor de dimensionado o valor de cálculo que es un valor mayor dado calculado a partir del valor característico y los correspondientes coeficientes de seguridad como:

Donde es el coeficiente de mayoración de fuerzas.

Método de los estados límite: Muchas instrucciones técnicas y métodos recomendados usan este método consistente en identificar un conjunto de situaciones potencialmente peligrosas para la estructura, cuando el valor de cierta magnitud supera un cierto umbral.

El cálculo estructural consiste en identificar un conjunto de magnitudes relevantes y comprobar que para todas ellas se cumple que:

Donde Md es valor de cálculo previsto o "valor demando" con una probabilidad alta a lo largo de la vida útil de la estructura; y Mu es el valor último (o capacidad máxima) que es capaz de proporcionar la estructura por sus características. Si el valor de cálculo previsto no supera en ningún caso la capacidad potencial de la estructura, se juzga que la estructura mantendrá la integridad estructural y será segura para su uso establecido. En la práctica Md y Mu son variables aleatorias, por lo que los códigos de cálculo estructural contienen prescripciones aproximadas.

Hipótesis de carga: Dadas las incertidumbres existentes sobre una estructura, y las diferentes condiciones en que puede trabajar, no resulta posible determinar mediante un único cálculo o combinación de cargas el efecto general de las cargas. Por esa razón la mayoría de instrucciones técnicas establecen diferentes combinaciones de carga, que en su conjunto reproducen situaciones cualitativamente diferentes que pueden ocurrir durante la vida útil de una estructura.

Modelos mecánicos: El cálculo propiamente dicho de una estructura involucra el hecho de usar algún tipo de modelo mecánico que relacione las cargas estructurales con los efectos sobre la estructura, entre los modelos mecánicos más frecuentemente usados están:

La teoría de la elasticidad lineal que para estructuras complejas da lugar a un esquema de elementos finitos.

La teoría de vigas y modelos de cálculo derivados como el método matricial de la rigidez

La teoría de placas y láminas.

Elementos Estructurales

Elemento estructural es cada una de las partes diferenciadas aunque vinculadas en que puede ser dividida una estructura a efectos de su diseño. El diseño y comprobación de estos elementos se hace de acuerdo con los principios de la ingeniería estructural y la resistencia de materiales.

Clasificación de los Elementos Dimensionalidad del elemento, según puedan ser modelizados como elementos

unidimensionales (vigas, arcos, pilares,...), bidimensionales (placas, láminas, membranas) o

tridimensionales.

Forma geométrica y/o posición, la forma geométrica concreta afecta a los detalles del

modelo estructural usado, así si la pieza es recta como una viga o curva como un arco, el

modelo debe incorporar estas diferencias, también la posición u orientación afecta al tipo de

estado tensional que tenga el elemento.

Estado tensional y/o solicitaciones predominantes, los tipos de esfuerzos predominantes

pueden ser tracción (membranas y cables), compresión (pilares), flexión (vigas, arcos, placas,

láminas) o torsión (ejes de transmisión, etc.).

Unidimensionales Bidimensionales

Solicitaciones predominantes

rectos curvos planos curvos

Flexiónviga

recta, dintel, arquitrabe

viga

balcón, arco

placa, losa, forjado, muro de

contención

lámina, cúpul

a

Tracción cable tensado catenaria membrana elástica

Compresión pilar muro de carga

Elementos lineales o Unidimensionales

Verticales, comprimidos y rectos: Columna (sección circular) o pilares (sección

poligonal), pilote (cimentación).

Horizontales, flexionados y rectos: viga o arquitrabe, dintel, zapata corrida para cimentación,

correa de sustentación de cubierta.

Diagonales y rectos: Barras de arrostramiento, barras diagonales de una celosía o entramado

triangulado, en este caso los esfuerzos pueden ser de flexión tracción dominante o compresión

dominante.

Flexionados y curvos, que corresponden a arcos continuos cuando los esfuerzos se dan

según el plano de curvatura o a vigas balcón cuando los esfuerzos son perpendiculares al

plano de curvatura.

Elementos bidimensionales

Horizontales, flexionados y planos, como los forjados, las losas de cimentación, y las plateas o marquesinas.

Verticales, flexionados y planos, como los muros de contención.

Verticales, comprimidos y planos, como los muros de carga, paredes o tabiques.

Flexionados y curvos, como lo son las láminas de revolución, como los depósitos cilíndricos para líquidos.

Traccionados y curvos son las membranas elásticas como las paredes de depósitos con fluidos a presión.

Elementos tridimensionales

Las ménsulas de sustentación

Las zapatas que presentan compresiones según direcciones cerca de la vertical al pilar que sustentan y tracciones en direcciones cerca de la horizontal.

Diseño de elementos estructurales Criterio de resistencia, consistente en comprobar que las tensiones máximas no superen ciertas tensiones admisibles para el material del que está hecho el elemento.

Criterio de rigidez, consistente en que bajo la acción de las fuerzas aplicadas las deformaciones o desplazamientos máximo obtenidos no superan ciertos límites admisibles.

Criterios de estabilidad, consistente en comprobar que desviaciones de las fuerzas reales sobre las cargas previstas no ocasionan efectos auto amplificados que puedan producir pérdida de equilibrio mecánico o inestabilidad elástica.

Criterios de funcionalidad, que consiste en un conjunto de condiciones auxiliares relacionadas con los requisitos y solicitaciones que pueden aparecer durante la vida útil o uso del elemento estructural.

Resistencia

Para comprobar la adecuada resistencia de un elemento estructural, es necesario calcular la

tensión (fuerza por unidad de área) que se da en un elemento estructural bajo la acción de las

fuerzas solicitantes. Dada una determinada combinación o distribución de fuerzas, el valor de las

tensiones es proporcional al valor de la fuerza actuante y del tipo de elemento estructural.

En los elementos lineales el vector tensión en cada punto se puede expresar en función de las

componentes intrínsecas de tensión y los vectores tangente, normal y binormal:

Y las dos tensiones principales que caracterizan el estado de tensión de una viga recta vienen

dados por:

Y a partir de ahí pueden calcularse los parámetros de la teorías de fallo adecuada según el

material que forma el elemento estructural. En elementos bidimensionales que se pueden

modelizar aproximadamente por la hipótesis cinemática de Love-Kirchhoff, que juega un papel

análogo a la teoría de Navier-Bernouilli para vigas, los vectores de tensiones según planos

perpendiculares a las líneas de curvatura vienen dado en términos de los vectores tangente a las

líneas de curvatura y el vector normal a al elemento bidimensional mediante:

Rigidez

La rigidez de un elemento estructural es un tensor que vincula el tensor de las fuerzas aplicadas

con las coordenadas de las deformaciones o desplazamientos unitarios. En un elemento estructural

existe un conjunto de parámetros de rigidez que relaciona las fuerzas que se producen al aplicar un

desplazamiento unitario en particular. Las coordenadas de desplazamiento necesarias y suficientes

para determinar toda la configuración deformada de un elemento se llaman grados de libertad.

En un material de comportamiento elástico las fuerzas se correlacionan con las deformaciones

mediante ecuaciones de líneas rectas que pasan por el origen cartesiano cuyas pendientes son los

llamados módulos de elasticidad. El concepto de rigidez más simple es el de rigidez axial que

quedó formulado en la ley de Hooke.

La pendiente que correlaciona el esfuerzo axial con la deformación unitaria axial se

denomina módulo de Young. En un material isotrópico la pendiente que correlaciona el esfuerzo

axial con la deformación unitaria lateral se denomina coeficiente de Poisson.

El número mínimo de coordenadas de desplazamiento que se necesita para describir la

configuración deformada de un cuerpo se denomina número de grados de libertad. La llamada ley

de Hooke puede hacerse extensiva para correlacionar de manera matricial la rigidez con los grados

de libertad y expresar así la configuración deformada del elemento o cuerpo bajo estudio.

El concepto de rigidez puede hacerse extensivo a los estudios de estabilidad en que se indaga la

rigidez "detrimental" que ofrece la geometría del elemento.

Inestabilidad elástica

La inestabilidad elástica es un fenómeno de no linealidad que afecta a elementos estructurales

razonablemente esbeltos, cuando se hallan sometidos a esfuerzos de compresión combinados

con flexión o torsión.

Estados Límite

El método de los estados límites es un método usado en diversas instrucciones y normas de

cálculo (Euro códigos, CTE, EHE, etc.) consistentes en considerar un conjunto de solicitaciones o

situaciones potencialmente riesgosas y comprobar que el efecto de las fuerzas y solicitaciones

actuantes sobre el elemento estructural no exceden de las respuestas máximas asumibles por

parte del elemento. Algunos de los Estados Límites típicos son:

Estados Límite Últimos (ELU)

ELU de agotamiento por solicitación normal (flexión, tracción, compresión)

ELU de agotamiento por solicitación tangente (cortadura, torsión).

ELU de inestabilidad elástica (Pandeo, etc.)

ELU de equilibrio.

Estados Límite de Servicio (ELS)

ELU de deformación excesiva.

ELU de vibración excesiva.

ELU de durabilidad (oxidación, fisuración, etc.) 

Conclusión

Un buen profesional de la ingeniería estructural debe tener firmes conocimientos sobre los materiales usados en las construcciones y la virtud de poder balancear adecuadamente las formas estructurales, la estética, las técnicas provechosas. El desafío futuro de la ingeniería estructural consiste en determinar de las propiedades básicas de los materiales de construcción tradicional y el desarrollo de nuevos materiales más económicos, más livianos y más duraderos. El campo donde se desarrolla la ingeniería estructural esta delgadamente atado a la comparación sistemática de los resultados de los modelos analíticos, con los experimentales sometidos a los efectos de los efectos naturales como eventos meteorológicos y sismológicos.

Infografía

http://www.monografias.com/trabajos10/ingen/ingen.shtml#ixzz3ZtGdRGQV

Definición de la ingeniería estructural

http://www.arqhys.com/arquitectura/ingenieria-historia.html

Elementos estructurales

http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_estructural

Principios Estructurales