HISTORIA DE LAS ESTRUCTURAS
OSCAR RONALDO MOLINA HIGGINS
NATALIA PAOLA ROMERO SAMPER
Presentado en la asignatura de Estructuras 1
Al Prof. JOSE LUIS AHUMADA VILLAFAÑE
Grupo AD1
UNIVERSIDAD DE LA COSTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
BARRANQUILLA
2015
1. INTRODUCCIÓN
El Análisis Estructural, es una ciencia que se encarga de la elaboración de
métodos de cálculo, para determinar la resistencia, rigidez, estabilidad, durabilidad
y seguridad de las estructuras, obteniéndose los valores necesarios para un
diseño económico y seguro.
Como ciencia, el análisis estructural inició su desarrollo en la primera mitad del
siglo XIX, con la activa construcción de puentes, vías ferroviarias, presas y naves
industriales, por medio de este trabajo notaremos la evolución y avance del
análisis estructural y sus métodos al paso del tiempo.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Conocer la evolución y desarrollo del análisis estructural a través del paso del
tiempo.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar los hechos que han significado evolución en el análisis de las
estructuras.
Puntualizar los métodos de análisis estructural que se han desarrollado
hasta la actualidad.
Reconocer los autores de los métodos de análisis estructural a través de
la historia.
3. DESARROLLO
En el año 13000 a.C. Importantes descubrimientos en el sudoeste de Francia nos
demuestran que, durante esta época, los primeros pobladores ya construían sus
tiendas con armazones (estructuras) de palos de madera sobre los que colocaban
pieles de animales.
Figura 1. Tiendas con armazones (13000 a.C.)
Hacia el año 8000 a.C. puentes construidos con materiales muy básicos: troncos
de madera sobre pilares de piedra plana. Aunque inseguro, por no existir sistema
de sujeción alguno entre los troncos y los pilares ni entre estos últimos entre sí,
cumplía la misión para la que había sido construido: permitir el paso de personas
sobre un río de poca profundidad, sin mojarse. La colocación de piedras planas
sobre dos o más troncos de madera apoyados sobre pilares o paredes de piedra
permitía una mayor seguridad, al mismo tiempo facilitaba el paso de ganado y de
carros. La madera y la piedra (materiales próximos al entorno en el que vivían)
eran los elementos que más se empleaban en la construcción de estructuras.
En el año 2500 a.C. el cigoñal es una especie de grúa empleada para extraer
agua de un río o de un lago a un recipiente situado en un lugar más alto.
Los materiales empleados son:
Maderas para construir las estructuras.
Piedras para hacer de contrapesos.
Piel o tela para el recipiente con el que se extrae el agua.
Cuerdas para sujetar las maderas.
Este telar de la edad de Bronce estaba construido con una estructura muy sencilla.
Dos troncos verticales clavados en el suelo sujetaban tres ejes transversales de
madera sobre los que se apoyaba el tejido. En la parte inferior los hilos verticales
eran estirados mediante varias piedras a los que iban atados. A medida que se
realizaba el tejido, se iba girando el torno superior (eje transversal de mayor
diámetro) para enrollarlo en dicho eje.
En el año 432 a.C. Con la utilización de materiales fuertes y resistentes, como la
piedra, se dio un salto cualitativo muy grande. Se buscaba la perpetuidad de las
obras, sin reparar ni en los gastos ni en el tiempo empleados para acabarlas. Para
subir cada piedra al lugar apropiado, se montaban estructuras (andamios)
paralelas construidas, generalmente, con madera.
La historia del Análisis Estructural comienza mucho antes de la era antigua de los
egipcios, romanos y griegos. Arquímedes (287-212 A.C.) introdujo el concepto de
centro de gravedad y llevo a su más simple expresión los principios fundamentales
de la estática y el equilibrio.
Antes de los griegos (3400 – 600 AC): Los pueblos de Egipto, Asiria y Persia
fueron los más destacados de éste período. Las pirámides egipcias son un
ejemplo de estas extraordinarias estructuras antiguas. Son de destacar los
templos construidos con columnas, muros y vigas en piedra y barro cocido
(mampostería).
Figura 2. Pirámide de Guiza (2540 a. C.)
Griegos y romanos (600 AC – 476 DC): Los templos griegos como el Partenón y
algunas construcciones romanas como puentes, acueductos, coliseos y templos,
son ejemplos notorios de este período. Como elementos estructurales los romanos
introdujeron la bóveda y el arco para la construcción de techos y puentes
respectivamente.
Figura 3. Partenón de Atenas (438 a. C.)
En el año 140 a.C. El tipo de estructura utilizado por los romanos en la
construcción de acueductos era bastante popular y extraordinariamente resistente.
Así se conseguía trasvasar agua entre lugares de altitudes análogas separados
por valles o zonas bajas. Eran estructuras formadas por bloques de piedra
perfectamente trabajada por canteros expertos. Su forma y disposición evitaban el
derrumbamiento debido a su propio peso y al del agua.
Año 1132 d.C.: En la Europa Medieval, muchos de los puentes que había en las
ciudades solían tener viviendas encima de ellos y en sus partes laterales. Uno de
los pocos que aún se conserva de esta época se encuentra sobre el Amo
(Florencia). El material fundamental empleado en su construcción era la piedra.
Periodo medieval (477 - 1492): En este período, los árabes introdujeron la
notación decimal la cual permitió un desarrollo importante en las matemáticas.
Hacia el año 1555 el tipo de estructura empleado a partir de la Edad media para la
construcción de iglesias y catedrales se basa, en muchos casos, en una
combinación de columnas y paredes de piedra que sujetan el peso de todo el
edificio. En este tipo de edificios, no se utiliza la madera como elemento que forme
parte de las estructuras, quedando reservada para la construcción de los
andamios, y algunas veces de techos. Durante este periodo los materiales más
empleados en la construcción de estructuras eran: piedra, madera y en menor
proporción acero. La fabricación de grandes barcos de madera a remo y a vela,
también adoptó una estructura interna específica, que permitía una construcción
más sencilla, a la vez que unos resultados más satisfactorios, ya que así la
embarcación era más resistente al impacto de las olas.
Periodo temprano (1493- 1687):
Francis Bacon (1561-1626), fue uno de los creadores del método
experimental.
Galileo Galilei (1564-1642). Fundador de la teoría de las Estructuras. En su
libro Dos Nuevas Ciencias (1638), analizó la falla de algunas estructuras
simples como la viga en voladizo. Aunque sus resultados fueron corregidos,
puso los cimientos para desarrollos analíticos posteriores especialmente en
la Resistencia de Materiales.
Robert Hooke (1635-1703), desarrolló la ley de las relaciones lineales entre
la fuerza y la deformación de los materiales o ley de Hooke.
Isaac Newton (1642-1727), formuló las leyes del movimiento y desarrolló el
cálculo. Desde el año 1000 y durante este período, se destacaron las
Catedrales góticas las que en la actualidad, son testimonio del ingenio de
sus constructores.
Figura 4. Catedral de Colonia (Empezó en 1248 y terminó en 1880).
En el siglo XVIII el primer puente de acero fue construido sobre el río Severn en
Coalbrookdale (Inglaterra) entre los años 1775 y 1779 por Abraham Darby. Tiene
una longitud de 30 metros y en su construcción se emplearon 387 toneladas de
hierro fundido. A partir de este momento el acero empezó a desplazar a la piedra
(y en menor medida a la madera), en la mayor parte de aquellas construcciones
que disponían de estructuras como elemento de sujeción.
Periodo pre moderno (1688 – 1857):
John Bernoulli (1667-1748), quien formuló el principio del trabajo virtual.
Leonard Euler (1707-1783), desarrolló la teoría del pandeo de columnas.
Charles Coulomb (1736-1806), presentó el análisis de la flexión de las vigas
elásticas.
Louis M. Navier (1785-1836), publicó un tratado sobre el comportamiento
elástico de las estructuras, primer texto de Resistencia de Materiales.
Emile Clapeyron (1799-1864), formuló la ecuación de los tres momentos
para el análisis de las vigas
En 1854 el Ingeniero francés Bresse publicó su libro “Recherches
Analytiques sur la Flexion et la Résistance de Pieces Courbés” en que
presentaba métodos prácticos para el análisis de vigas curvas y arcos.
Periodo moderno (Desde 1858):
J.C. Maxwell (1831-1879) de la Universidad de Cambridge, publicó el que
podríamos llamar el primer método sistemático de análisis para estructuras
estáticamente indeterminadas, basado en la igualdad de la energía interna
de deformación de una estructura cargada y el trabajo externo realizado por
las cargas aplicadas; igualdad que había sido establecida por Clapeyron.
En su análisis, presentó el Teorema de las Deformaciones Recíprocas, que
por su brevedad y falta de ilustración, no fue apreciado en su momento. En
otra publicación posterior presentó su diagrama de fuerzas internas para
cerchas, que combina en una sola figura todos los polígonos de fuerzas. El
diagrama fue extendido por CREMONA, por lo que se conoce como el
diagrama de Maxwell-Cremona.
En 1867 fue introducida por el alemán Winkler (1835-1888), la “Línea de
Influencia”. También hizo importantes contribuciones a la Resistencia de
Materiales, especialmente en la teoría de flexión de vigas curvas, flexión de
vigas apoyadas en medios elásticos.
Betti en 1872, publicó una forma generalizada del Teorema de Maxwell,
conocida como el Teorema Recíproco de Maxwell-Betti.
El alemán Otto Mohr (1835-1918) hizo grandes aportes a la Teoría de
Estructuras. Desarrolló el método para determinar las deflexiones en vigas,
conocido como el método de las cargas elásticas o la Viga Conjugada.
Presentó también una derivación más simple y más extensa del método
general de Maxwell para el análisis de estructuras indeterminadas, usando
los principios del trabajo virtual. Hizo aportes en el análisis gráfico de
deflexiones de cerchas, con el complemento al diagrama de Williot,
conocido como el diagrama de Mohr-Williot, de gran utilidad práctica.
También obtuvo su famoso Círculo de Mohr, para la representación gráfica
de los esfuerzos en un estado biaxial de esfuerzos.
Alberto Castigliano (1847-1884), formuló el teorema del trabajo mínimo.
presentó en 1873 el principio del trabajo mínimo, que había sido sugerido
anteriormente por MENABREA, y que se conoce como el Primer Teorema
de Castigliano. Posteriormente, presentó el denominado Segundo Teorema
de Castigliano para encontrar deflexiones, como un corolario del primero.
En 1879 publicó en París su famoso libro Thèoreme de l´Equilibre de
Systèmes Elastiques et ses Applications, destacable por su originalidad y
muy importante en el desarrollo del análisis hiperestático de estructuras.
C. E. Grene (1842-1903), desarrolló el método del momento-área.
H. Müller-Breslau (1851-1925), publicó en 1886 un método básico para el
análisis de estructuras indeterminadas, aunque en esencia era una
variación de los presentados por Maxwell y Mohr. Le dio gran importancia al
Teorema de Maxwell de las Deflexiones Recíprocas en la evaluación de los
desplazamientos. Descubrió que la “Línea de Influencia” para la reacción o
una fuerza interna de una estructura era , en alguna escala, la elástica
producida por una acción similar a esa reacción o fuerza interna. Conocido
como el teorema de Müller-Breslau, es la base para otros métodos
indirectos de análisis de estructuras mediante modelos.
G. A. Maney (1888-1947), desarrollo en 1915 el método deflexión-
pendiente, que se consideraba como el precursor del método matricial de
las rigideces.
Hardy Cross (1885-1959); quien desarrolló el método de la distribución de
momentos, en 1930. Revolucionó el análisis de las estructuras de marcos
continuos de concreto reforzado y fue uno de los mayores aportes al
análisis de estructuras indeterminadas. Este método de aproximaciones
sucesivas evade la resolución del sistema de ecuaciones, como las
presentadas en los métodos de Mohr y Maxwell.
En el año 1884, la estatua de la Libertad, donación del gobierno francés a los
Estados Unidos para conmemorar el primer centenario de su independencia,
simboliza la libertad. Tiene una altura de 45 metros. Posee una estructura interna
de acero y exteriormente va recubierta de una chapa de cobre. Por su interior se
desplazan ascensores que permiten la subida y la bajada de visitantes hasta la
corona de la estatua. Asimismo, posee dos escaleras de caracol desde la base a
la cabeza de la estatua.
Figura 5. La estatua de la libertad, Nueva York.
Siglo XX: Para el transporte de energía eléctrica desde los centros de producción
(centrales hidroeléctrica, térmica, nuclear, etc.) hasta todos los lugares de
consumo, generalmente las ciudades, es necesario disponer de estructuras
resistentes, capaces de soportar grandes pesos y de garantizar la seguridad de
las personas y animales que pasen junto a ellas. La corriente eléctrica suele
circular por sus cables a una tensión de unos 220.000 voltios. El material con el
que se construye la estructura de las torres de alta tensión está formado,
generalmente, por perfiles angulares de acero galvanizado y pintado.
El advenimiento de las computadoras en la década de 1970 revoluciono el análisis
estructural. Debido a que la computadora podía resolver grandes sistemas de
ecuaciones simultáneas, los análisis que llevaban muchos días y, a veces
semanas en la era previa a la computadora ahora se podían realizar en segundos.
El desarrollo de los métodos actuales, orientados a la computadora se pueden
atribuir, entre otros, a J. H. Argyris, R. W. Clough, S. Kelsey, R. Livesley, H. C:
Martin, M. T. Turner, E. L. Wilson y O. C. Zienkiewiez.
Rascacielos de hormigón: los rascacielos son edificios en los que se incorporó el
cemento como elemento principal y la aparición de la soldadura como elemento
de unión de las piezas metálicas para las vigas y columnas de edificios para
poder sostener los edificios.
Ultra ligeros: la necesidad que tiene el hombre de desplazarse más rápido lo ha
llevado a crear diferentes estructuras, como el ultra ligero que tiene una estructura
interna, con elementos como el alambre que permite configurar un artefacto
compacto y solido
Figura 6. Torres Europa: un desafío a la ley de la gravedad, concreto reforzado, Madrid.
En la década de los 50, Turner, Clough, Martin y Topp presentan lo que puede
llamarse como el inicio de la aplicación a estructuras de los métodos matriciales
de la rigidez, que han obtenido tanta popularidad en la actualidad. Posteriormente,
se desarrollaron los métodos de elementos finitos, que han permitido el análisis
sistemático de gran número de estructuras y la obtención de esfuerzos y
deformaciones en sistemas complejos como las presas de concreto usadas en las
hidroeléctricas. Entre sus impulsores están: Clough, Wilson, ZIENKIEWICS y
Gallagher.
4. CONCLUSIÓN
En el transcurso de la historia el análisis estructural ha evolucionado de una
manera notable hasta la actualidad, dejando importantes y significativos avances
en la sociedad pues el desarrollo de esta ingeniería ha sido esencial en el
desarrollo y crecimiento de civilización en nuestras ciudades y países. No obstante
en nuestros días aun donde se siguen estudiando y realizando descubrimientos
importantes para el mejoramiento y optimización de esta área.
5. BIBLIOGRAFIA
http://blog.pucp.edu.pe/media/688/20090911-ZLibro%20Analisis
%20Estructural%20GV.pdf
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080020/html/
contenido.html
http://ocw.uc3m.es/mecanica-de-medios-continuos-y-teoria-de-estructuras/
ingenieria-estructural/material-de-clase-1/apuntes/Capitulo_1_I_.-
Introduccion_a_las_estructuras.pdf
http://es.slideshare.net/geovasam/historia-de-las-estructuras-26438221
http://es.slideshare.net/FranciscoSanchez83/breve-historia-del-analisis-
estructural
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