Ingenieria estructural

1. ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación”

INTRODUCCION A LA INGENIERIA CIVIL

• Tema de Investigación: Ingeniería Estructural
• Docente: Vladimir Fernandez Paredes
• Integrantes: Meza Mallqui Rusbel (Delegado)
Soto Piñas Diego Yampier
Morales Huayre Víctor
Ramírez Muñoz Jhonny Rollano
• Aula: 138
• Turno: Mañana
2015

2. Índice
 Introducción

 Definición de la Ingeniería Industrial

 Principios Estructurales

 Elementos Estructurales

 Conclusión

 Infografía

3. 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.

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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
Flexión
viga
recta, dintel, arquitrabe
viga
balcón, arco
placa, losa, forjado, muro de
contención
lámina, cúpula
Tracción cable tensado catenaria membrana elástica
Compresión pilar muro de carga

12. 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.

13. 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:

14. 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.

15. 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.)

16. 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.

17. 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