perfecto

1. Que se entiende por estructuras
• “Aquellos cuerpos capaces de resistir cargas sin que exista
una deformación excesiva de una de las partes con
respecto a otra. Por lo tanto la función de una estructura
consiste en trasmitir las fuerzas de un punto a otro en el
espacio, resistiendo su aplicación sin perder la
estabilidad” (Marshall y Nelson, 1995).
• Para concebir una estructura es importante conocer
tópicos como: fuerza, momento de una fuerza, esfuerzo y
deformación. Adicionalmente habrá que comprender lo
que significa la estabilidad que debe poseer una
estructura
• Con un objetivo así, conviene revisar el desarrollo
histórico de las estructuras, estar al tanto de las
diferentes formas y sistemas que pueden sustentar una
propuesta estructural, para no perder de vista la
disponibilidad, cualidades y potencialidades de
materiales que ofrece la tecnología actual y sobre todo
estar dispuestos a crear e innovar.
• Son importantes los fundamentos de estática, mecánica
y diseño para materiales como el acero, hormigón y
madera.

2. Que es la ingeniería estructural?
Aplicación de conocimientos
• Conocimientos de la mecánica la cual es
una, ciencia que estudia las fuerzas y sus
efectos, los cuales se aplican al arte de
diseñar estructuras.
Conjugación de conocimientos
• Conjugación de conocimientos de ciencias
básicas aplicadas al arte de la ingeniería
para encontrar fuerzas y deformaciones
en una estructura

3. Objetivos de la ingeniería estructural
Objetivo general
• Identificar alternativas
• Estudiar alternativas
• Seleccionar resultados
• Analizar resultados
• Verificar resultados.
• Criterios
• Funcionalidad
• Economía y
• Seguridad.
• Etapas
• Análisis y
• Diseño.
Objetivo del diseño
• Selección
• Forma de componentes
• Materiales de los
componentes
• Detallado: dimensiones,
conexiones y refuerzo de
los componentes.
Objetivo del análisis
• Determinar fuerzas internas
• Axiales
• Cortantes
• Momentos y
• Deformaciones.
• Consideraciones
• Forma de la estructura,
• Tamaño de los elementos.
• Propiedades del material
usado en los elementos
• Cargas aplicadas.
• Ambas etapas son inseparables, parecería que se empieza por el diseño, ya que es en esta
etapa donde se crea y luego se analiza, pero las cosas no terminan ahí, se requiere verificar
que las fuerzas encontradas en el análisis, si son soportadas y resistidas con los materiales y
dimensiones seleccionadas, por lo tanto volveríamos al diseño, es decir, el proceso es
iterativo.

4. Objetivos de la ingeniería estructural

5. Que se entiende por análisis estructural
• Es la predicción del desempeño de una estructura ante cargas prescritas y/o efectos
externos, tales como movimientos en los apoyos y cambios de temperatura.
Que se entiende por diseño estructural
• Diseño Estructural, es determinar los parámetros de mayor interés como: fuerzas
internas (axial, cortante y momento), deflexiones y reacciones en los apoyos.

6. Antecedentes históricos
• TIEMPOS REMOTOS
• La arqueología nos ha mostrado la manera en que se fueron desenvolviendo trabajos para cubrir la entrada
de una cueva, colocar un árbol sobre un arroyo, clavar estacas, apilar rocas, etc. Desde entonces hasta el
presente, el hombre ha continuado su desarrollo de procesos para juntar materiales, adecuarlos y
fabricarlos. En definitiva, organizarlos y utilizarlos según su necesidad y un avance hacia circunstancias y
criterios cada vez más complejos.
Mesopotamia 6.500AC.
Stonehenge (Inglaterra).

7. • Persas (1.400AC), Griegos (1.200AC) y
Romanos (700AC) utilizaron calizas y
puzolanas para crear argamasas de gran
resistencia que les posibilitaron
construir arcos, pórticos, cúpulas y
entramados de proporciones
extraordinarias, muchas de las cuales se
pueden apreciar todavía en sus
vestigios.
• Los pueblos asiáticos, India, China y
Japón (500AC) dieron uso a la madera,
tanto para la construcción de viviendas
como para templos.
Antecedentes históricos
• Con la metalurgia, podemos mencionar
ruinas de gran antigüedad (2.700AC)
como las pirámides de Egipto, Centro y
Sudamérica en las que la utilización de
rocas talladas es el medio para
configurar estructuras masivas de
alturas importantes.
•

8. Antecedentes históricos
• El descubrimiento del cemento y
consecuentemente del hormigón
marca un hito importante para la
construcción de obras, por cuanto
posibilitó obtener elementos de
mayor resistencia y durabilidad.
• La utilización del hormigón
reforzado con barras de acero, es
decir el hormigón armado ha
permitido construir obras más
esbeltas, con elementos menos
voluminosos y de mayor altura,
mayor distancia entre apoyos e
inclusive con volados (cantiléver).
Primer edificio moderno construido
enteramente en hormigón armado,
diseñado por François Coignet
(Francia 1.853)
• Con el desarrollo industrial de
acerías y fundiciones, los elementos
metálicos han posibilitado la
construcción de estructuras más
grandes y formadas por elementos
más esbeltos aún. Inclusive aparece
la construcción vertical como un
resultado de esta disponibilidad,
habiéndose llegado a la época de
los rascacielos. Puente Hannebicq
(Francia 1.905)

9. Antecedentes históricos
• Estos avances han permitido también que la humanidad concrete obras de dimensiones cada vez mayores, como grandes
represas, proyectos de hidroelectricidad, obras de extensión geográfica continental como redes viales, tuberías y cables
que progresan por todo el planeta. El estado del arte de la tecnología de diseño y construcción de estructuras, puede ser
apreciado en los avances en nuevas aleaciones metálicas, resinas y polímeros que han permitido construir naves
espaciales que llevaron al hombre a la Luna y que pronto lo llevarán a Marte. Edificio Turning Torso diseñado por Santiago
Calatrava, construido en Malmo, Suecia 2005.

10. Antecedentes históricos
• Galileo Galilei (1564-1642) es considerado como el iniciador de la teoría de las
estructuras. En su libro “Dos nuevas ciencias” (1638), analizó la falla de un tipo de
estructuras simples, incluyendo una viga en voladizo (aunque con algunos errores
conceptuales).

11. Antecedentes históricos
• Se considera que a mediados del siglo XVII, se empezó a aplicar el conocimiento de la
mecánica (matemáticas y ciencias) en el cálculo de estructuras. Previamente, éstas fueron
diseñadas a prueba y error usando reglas empíricas basadas fundamentalmente en
experiencias previas.

12. Antecedentes históricos
• El avance de la Mecánica Estructural continuó durante el resto del siglo XIX y la primera
mitad del XX, en los que se desarrolló la mayoría de los métodos clásicos de análisis
estructural. En esta etapa destaca Hardy Cross quien en 1924, desarrolló el Método de la
Distribución de Momentos con el cual fue posible el diseño de los primeros rascacielos.

13. Antecedentes históricos
• Los cimientos teóricos para de los métodos matriciales en el análisis de estructuras se le
atribuyen a James C. Maxwell (quien en 1864 introdujo el Método de las Deformaciones
Consistentes) y en George A. Maney quien desarrolló el Método de Pendiente-Deflexión.
• De hecho, estos métodos se consideran los precursores de los métodos matriciales de
Flexibilidad (S. Levy, 1947) y Rigidez (R. K. Livesley, 1954) respectivamente. En la época
“pre-computadoras”, la principal desventaja era que requerían la resolución de múltiples
ecuaciones simultáneas de forma manual.
• La invención de las computadoras a finales de la década de 1940, revolucionó sin duda el
Análisis Estructural. Loa anterior debido a que se puede resolver grandes cantidades de
sistemas de ecuaciones simultáneas y los análisis que antes tomaban varios días o
incluso semanas, ahora se ejecutan en segundos.

14. Antecedentes históricos
• En 1956, M.T. Turner, R.W. Clough, H.C. Martin y L.J Topp, introdujeron el Método de
Rigidez Directo, ampliamente utilizado hoy en día y que es la base de múltiples
programas comerciales.

15. Métodos clásicos vs métodos matriciales
• Los métodos matriciales no aportan ningún nuevo principio fundamental de la
estructuras. La diferencia básica con relación a los métodos clásicos es que las relaciones
de equilibrio, compatibilidad y esfuerzo-deformación se expresan mediante ecuaciones
matriciales. Esto permite que los cálculos numéricos se puedan efectuar eficientemente
en una computadora.
• La mayoría de los métodos clásicos fueron desarrollados para analizar un tipo particular
de estructuras y dado que los cálculos eran manuales, a menudo debían partir de ciertas
suposiciones de manera que se redujera el número de variables y/o ecuaciones.
• Un ejemplo muy evidente de lo anterior es el Método de Distribución de Momentos que
aplica para vigas y marcos con deformaciones por flexión únicamente, se desprecian las
deformaciones axiales.

16. Métodos clásicos vs métodos matriciales
• Si bien es cierto el hecho de despreciar las deformaciones por carga axial simplifica los
cálculos, se plantea una dificultad adicional: la necesidad de dibujar la “deformada” o
curva elástica del marco para cada grado de libertad asociado a un desplazamiento
lateral y poder así estimar las magnitudes relativas de los momentos de empotramiento
de los elementos.
Marco sin deformar “Deformada” del marco debido al
desplazamiento lateral

17. En contraste con los métodos clásico, los métodos matriciales son sistemáticos (pueden
programarse) y generales (aplican para cualquier estructura tipo marco). Ésta última
característica proporciona versatilidad, lo cual hace atractivos estos métodos: en un
programa que analiza cerchas tridimensionales pueden modificarse ciertos parámetros
para analizar una cercha bidimensional y viceversa.
Métodos clásicos vs métodos matriciales
Teatro Guthrie (Minneapolis, Estados Unidos)

18. Métodos clásicos vs métodos matriciales
• Los métodos matriciales únicamente pueden ser usados para analizar estructuras tipo
marco (frame). El Método del Elemento Finito (MEF), aunque surgió como una
herramienta para el análisis de estructuras de superficie (placas, losas y muros), se ha
extendido para ser aplicado a casi cualquier tipología estructural.
• Desde el punto de vista teórico, la diferencia básica entre los dos métodos es que en
métodos matriciales, las relaciones fuerza-desplazamiento para un elemento están
basados en las soluciones exactas de ecuaciones diferenciales; mientras que en el
Método de Elemento Finito, esas relaciones usualmente son aproximadas y se derivan de
los Principios Trabajo-Energía de funciones de desplazamiento o esfuerzo asumidas.

19. Métodos clásicos vs métodos matriciales
• Debido a la naturaleza aproximada de las relaciones fuerza-desplazamiento, el MEF
conduce a soluciones aproximadas.
• Sin embargo, como se verá más adelante en el curso, en el caso de análisis lineal de
estructuras tipo marco compuestas de miembros prismáticos; ambos métodos conducen
a resultados casi idénticos.
Modelo de Elementos Finitos en una
conexión viga-columna de acero

20. Como se proyecta una obra?
Consideraciones
• Primer momento aparece la fase de
“Composición”.
• El proyectista se aproxima a forjar una
idea.
• Se encauza por medio del arte, la poesía,
la creatividad, el diseño conceptual y la
libertad de expresión.
• Segundo momento aparece la fase de la
“Argumentación Constructiva”,
• Tendrá entonces que esforzarse por
convertir el concepto en un objeto
construible.
Consideraciones
• Verificación de las posibilidades de la
“Tecnología”.
• Aparición de los conceptos estructurales que no
pueden contradecir las leyes físicas, la
disponibilidad de mano de obra, materiales y
presupuesto.
• Participación de arquitectos que entiendan bien
de Estructuras
• Participación de ingenieros que entiendan bien
de Arquitectura.
• Esto ha sucedido en la génesis de obras maestras
arquitectónicas donde el arte y la tecnología se
han reunido en su mejor nivel.