Ingeniera Estructural

1. Introducción

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 calculo diferencial e integral de diversas variables, temas de álgebra lineal, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos.

El Ejercicio Profesional

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 preesforzado, acero, madera, mampostería confinada o reforzada, aluminio u otras posibilidades mas 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 predimensionamiento 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 del esqueleto resistentes debido a las cargas. Para esto muchos ingenieros. Muchos ingenieros disponen de programas computarizados en sus oficinas para la solución de los problemas corrientes. Algunos de los programas empleados tiene 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 supone 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 perdidas 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 acero se denomina por su resistencia a la fluencia, siendo comunes las resistencias de 2800 Kgf/Cm2 (grado 40) y 4200 Kgf/Cm2 (grado 60); los diámetros generalmente utilizados en Republica Dominicana son 3/8", ½", ¾" y 1", en longitudes que varían desde los 20 hasta los 60 pies. El concreto utilizado varia su resistencia dependiendo del elemento en que se vaya a utilizar por ejemplo: 180 Kgf/Cm2 usado en zapatas de muros y en construcciones de un nivel; 210 Kgf/Cm2 usados en lozas, vigas y obras asimilables; para columnas se puede usar desde 280 Kgf/Cm2 a 400 Kgf/Cm2.

El ingeniero estructural debe profundizar sus conocimientos sobre el comportamiento de los materiales con los cuales se construyen las edificaciones.

2. Puentes

Puente, estructura que proporciona una vía de paso sobre el agua, una carretera o un valle. Los puentes suelen sustentar un camino, una Carretera o una vía férrea, pero también pueden transportar tuberías y líneas de distribución de energía. Los que soportan un canal o conductos de agua se llaman Acueductos. Los puentes construidos sobre terreno seco o en un valle y formados por un conjunto de tramos cortos se suelen llamar viaductos; se llaman pasos elevados los puentes que cruzan las autopistas y las vías de tren. Un puente bajo, pavimentado, sobre aguas pantanosas o en una bahía y formado por muchos tramos cortos se suele llamar carretera elevada.

Los primeros puentes

Es probable que los primeros puentes se realizaran colocando uno o más troncos para cruzar un arroyo o atando cuerdas y cables en valles estrechos. Este tipo de puentes todavía se utiliza. Los puentes de un tramo (llamamos tramo a la distancia entre dos apoyos) son un desarrollo de estas formas elementales. El método de colocar piedras para cruzar un río, mejorado con troncos situados entre las piedras para comunicarlas, es el prototipo de puente de múltiples tramos. Los postes de madera clavados en el fondo del río para servir de apoyo de troncos o vigas permitieron atravesar corrientes más anchas y caudalosas. Estos puentes, llamados de caballete, se utilizan todavía para atravesar valles y ríos en los que no interfieren con la navegación. El uso de pilas de piedra como apoyo para los troncos o maderos fue otro avance importante en la construcción de puentes con vigas de Madera. La utilización de flotadores en lugar de apoyos fijos creó el puente de pontones. Los puentes de vigas de madera han sido los más utilizados desde la antigüedad, aunque según la tradición se construyó un puente de arco de ladrillos hacia el 1800 a.C. en Babilonia. Otros tipos de construcción, como los puentes colgantes y los cantilever, se han utilizado en la India, China y Tíbet. Los puentes de pontones los utilizaban los reyes persas Darío I y Jerjes I en sus expediciones militares.

Los romanos construyeron muchos puentes de caballete con madera, uno de los cuales se describe con detalle en la obra Comentarios sobre la guerra de las Galias de Julio César. Sin embargo, los puentes romanos que se mantienen en pie suelen sustentarse en uno o más arcos de piedra, como el puente de Martorell cerca de Barcelona, en España, construido hacia el 219 a.C., y el Ponte di Augusto en Rímini, Italia, del siglo I a.C. El Pont du Gard en Nimes, Francia, tiene tres niveles de arquerías que elevan el puente a 48 m sobre el río Gard, con una longitud de 261 m; es el ejemplo mejor conservado de gran puente romano y fue construido en el siglo I a.C. La utilización de arcos de medio punto derivó más tarde en la de arcos apuntados. Los arcos modernos suelen ser escárzanos o con forma semielíptica, ya que permiten tramos más largos sin interrumpir la navegabilidad y con altura moderada. El puente sobre el río Tweed (1803) en Kelso, Escocia, ejemplo de puente de arco semielíptico, fue diseñado por el ingeniero británico John Rennie.

Los puentes de vigas tienen limitada la longitud de los tramos por la resistencia de las vigas. Esta limitación se supera ensamblando las vigas en triángulos. Leonardo da Vinci esbozó puentes de este tipo, y el arquitecto italiano Andrea Palladio probablemente construyó varios. En Suiza se construyeron dos puentes de vigas trianguladas en 1760. Sin embargo, la construcción de este tipo de puentes no se desarrolló a gran escala hasta después de 1840

Los puentes modernos

Los puentes actuales se identifican por el fundamento arquitectónico utilizado, como cantilever o de tirantes, colgantes, de arco de acero, de arco de hormigón, de arco de piedra, de vigas trianguladas o de pontones. Cuando es necesario respetar el paso de barcos por debajo del puente y no es posible construirlo a la altura precisa se construyen puentes móviles. A continuación se indican algunos ejemplos importantes de los diferentes tipos de puentes.

A. Puentes de tirantes

Este tipo de puente se caracteriza porque los tramos no se sujetan por sus extremos, sino cerca del centro de sus vigas. El Puente de Normandía, de 2.200 m de longitud, inaugurado en 1995, atraviesa el estuario del Sena desde Le Havre a Honfleur, en Francia. Su tramo central tiene una longitud de 856 m. Está diseñado para soportar vientos de hasta 120 kilómetros por hora. El puente de Forth, sobre el estuario de Forth en Queensferry, Escocia, es un puente ferroviario de acero con dos tramos principales de 520 m cada uno, y una longitud total de 1,6 km; fue construido entre 1882 y 1890 por los ingenieros John Fowler y Benjamin Baker. El puente de Québec, sobre el río San Lorenzo (Québec, Canadá), terminado en 1917, tiene un tramo principal de 550 m; soporta una carretera y una vía de tren de dos carriles. El puente de Carquinez Strait, cerca de San Francisco, Estados

...