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