Ingeniería Civil: Conceptos Esenciales, Ramas y Propiedades Mecánicas de Materiales

La Ingeniería Civil: Fundamentos y Aplicaciones

La Ingeniería Civil es una profesión que presta servicios a través de obras encaminadas a ofrecer protección, abrigo, energía, etc. El ingeniero es un profesional capacitado para aplicar la tecnología adecuada y aprovechar los recursos físicos y humanos en la producción de obras de servicio colectivo. Este requiere una sólida formación en ciencias básicas, conocimientos de los diversos campos de la ingeniería y habilidades en el manejo de las variables que intervienen en el proceso del desarrollo de proyectos.

Definición de Ingeniería

La Ingeniería es el arte de dirigir las fuerzas de la naturaleza para el uso y conveniencia de la humanidad, y se basa en el conocimiento de las ciencias naturales y exactas, así como en la aplicación de la tecnología. La Ingeniería Civil es la más antigua; surge con el cambio de la humanidad del nomadismo al sedentarismo, donde la organización y estructuración social empiezan a demandar obras de infraestructura. Su tarea principal es el desarrollo y mejoramiento de su comunidad. Se percibe en las actividades que realizamos a diario. El Ingeniero Civil debe atender las necesidades de la población cuando la naturaleza genera fenómenos o alteraciones.

La ingeniería se ve comprometida con:

• Planificación, programación, ejecución, control y mejora de las obras de infraestructura, vivienda en todos los niveles, aprovechamiento y gestión de recursos hídricos y naturales, y obras de desarrollo rural y urbano.
• Normalización, mejora y aseguramiento de la calidad.
• Preparación, evaluación y gestión de proyectos públicos y privados.
• Tecnologías que permitan un desarrollo sostenible.

Ramas Clave de la Ingeniería Civil

• Ingeniería Geotécnica

  La Ingeniería Geotécnica es una rama de la ingeniería geológica que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la Tierra. El ingeniero geotécnico investiga el suelo y las rocas por debajo de la superficie para determinar sus propiedades y diseñar las cimentaciones para estructuras. Entiende perfectamente los principios de la mecánica y de la hidráulica, y domina los conceptos básicos de la geología.

• Ingeniería de Tráfico y Transporte

  La Ingeniería de Tráfico o de Transporte es una rama de la ingeniería civil que trata sobre la planificación, diseño y operación del tráfico en las calles, carreteras y autopistas, sus redes, infraestructuras y su relación con los diferentes medios de transporte, consiguiendo una movilidad segura, eficiente y conveniente tanto de personas como de mercancías. Su concepto abarca el conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas, prácticas profesionales, principios y valores necesarios para satisfacer las necesidades sociales sobre movilidad de personas y bienes. El ingeniero de tráfico, en vez de construir una nueva infraestructura, introduce elementos dinámicos o estáticos para regular y dirigir el tráfico, maximizando la capacidad de la vía, especialmente en lugares congestionados.

• Ingeniería Ambiental

  La Ingeniería Ambiental estudia los problemas ambientales de forma integrada, teniendo en cuenta sus dimensiones ecológicas, sociales, económicas y tecnológicas, con el objetivo de promover un desarrollo sostenible o desarrollo sustentable. El ingeniero ambiental debe saber reconocer, interpretar y diagnosticar impactos ambientales negativos y positivos, evaluar el nivel del daño ocasionado en el ambiente y proponer soluciones integradas de acuerdo con las leyes medioambientales vigentes. Una de las actividades que debe desarrollar el ingeniero ambiental es la evaluación de la duración, magnitud y reversibilidad de las alteraciones causadas por la actividad humana en el medio ambiente, independientemente de su naturaleza adversa o benéfica.

Materiales de Construcción y sus Propiedades

Tipos de Materiales

• Conglomerantes

  Los conglomerantes son materiales capaces de adherirse a otros y dar cohesión al conjunto, mediante transformaciones químicas que se producen en su masa y que originan un nuevo compuesto. Se clasifican en dos grupos: los aéreos y los hidráulicos.

• Yeso

  El yeso constituye un buen aislante acústico y protege la madera y el hierro contra el fuego. Se clasifica en semihidratados y anhidros. Incluye el yeso blanco (la escayola es de mayor calidad) y el yeso alumínico.

• Cal

  La cal puede ser dolomítica, grasa e hidráulica.

Comportamiento Mecánico de los Materiales

Esfuerzo de Compresión

Cuando se somete un material a un conjunto de fuerzas, se produce tanto flexión, como cizallamiento o torsión; todos estos esfuerzos conllevan la aparición de tensiones tanto de tracción como de compresión. Aunque en ingeniería se distingue entre el esfuerzo de compresión (axial) y las tensiones de compresión. En un prisma mecánico, el esfuerzo de compresión puede ser simplemente la fuerza resultante que actúa sobre una determinada sección transversal al eje baricéntrico de dicho prisma. Las piezas prismáticas sometidas a un esfuerzo de compresión considerable son susceptibles de experimentar pandeo flexional, por lo que su correcto dimensionado requiere examinar dicho tipo de no linealidad geométrica.

Ensayo de Compresión

Los ensayos de compresión, practicados para medir el esfuerzo de compresión, son contrarios a los aplicados al de tracción con respecto al sentido de la fuerza aplicada. Tiene varias limitaciones: dificultad para aplicar una carga concéntrica o axial sin que aparezca pandeo. Una probeta de sección circular es preferible a otras formas. El ensayo se realiza en materiales duros, semiduros y blandos.

Esfuerzos de Compresión en Piezas Alargadas

En una pieza prismática no esbelta, y que no sea susceptible de sufrir pandeo sometida a compresión uniaxial uniforme, la tensión, el acortamiento unitario y los desplazamientos están relacionados con el esfuerzo total de compresión.

Comportamiento General de los Materiales

Son muchos los materiales que se ven sometidos a tracción en los diversos procesos mecánicos. Especial interés tienen los que se utilizan en obras de arquitectura o de ingeniería, tales como las rocas, la madera, el hormigón, el acero, varios metales, etc. Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la tracción. Algunas de ellas son: elasticidad, plasticidad, ductilidad y fragilidad.

Tracción y Deformaciones

La tracción, en el cálculo de estructuras e ingeniería, se denomina al esfuerzo interno al que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto y tienden a estirarlo.

Cuando se trata de cuerpos sólidos, las deformaciones pueden ser permanentes. En este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plástica, de modo que, tras cesar el esfuerzo de tracción, se mantiene el alargamiento. Si las deformaciones no son permanentes, se dice que el cuerpo es elástico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de tracción, aquel recupera su longitud primitiva.

Resistencia a la Tracción

Como valor comparativo de la resistencia característica de muchos materiales, como el acero o la madera, se utiliza el valor de la tensión de fallo o agotamiento por tracción, esto es, el cociente entre la carga máxima que ha provocado el fallo elástico del material por tracción y la superficie de su sección transversal inicial.

Materiales Específicos

Algunos materiales comunes incluyen: tepetate, teja, azulejos, mármoles y piedras. En cuanto a los aglomerantes, se encuentran el cemento y el mortero, con tipos de cemento artificiales como el cemento Portland. Existen diferentes tipos de acero: al carbono, de baja aleación ultrarresistente y aceros inoxidables. El ladrillo es toda pieza destinada a la construcción de muros, generalmente en forma de ortoedro, fabricada por cocción con arcilla o tierra arcillosa, a veces con adición de otras materias. También se utilizan arenas (fina, media y gruesa) y gravas. Además, se encuentran los aditivos.

Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos tienen la propiedad de poseer una temperatura de fusión y una resistencia muy elevadas. Todas estas propiedades hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales. Por esta razón, en las cerámicas se realiza un tratamiento de sinterización. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Cuando se realiza un ensayo a compresión, la tensión mecánica que puede soportar el material puede llegar a ser superior en un material cerámico que en el acero. La razón se debe a la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimirlos, la fuerza por unidad de sección es mucho mayor que cuando se habían creado los poros.

Glosario de Términos en Ingeniería Civil

Esfuerzo de Compresión

Resistencia al acortamiento por una fuerza de compresión externa.

Esfuerzo Directo

Puede ser tanto de tracción como de compresión, y mantiene un valor constante en las secciones longitudinal y transversal de una barra sometida a fuerzas de tracción o compresión axial.

Esfuerzo Axial/Normal

Es perpendicular al plano sobre el que se aplica la fuerza de tracción o compresión, y se distribuye de manera uniforme por toda su superficie.

Esfuerzo Térmico

Tensión o compresión que se produce en un material debido a una dilatación o contracción térmica.

Deformación Unitaria por Compresión

Acortamiento de la longitud unitaria de un cuerpo debido a un esfuerzo de compresión.

Límite Aparente de Elasticidad

Esfuerzo de compresión o tracción necesario para producir una determinada deformación permanente en el material.

Esfuerzo Cortante Horizontal/Longitudinal

Se desarrolla a lo largo de un elemento estructural sometido a cargas transversales y es igual al esfuerzo cortante vertical en ese mismo punto.

Carga Unitaria de Rotura/Resistencia de Rotura

Tracción, compresión o esfuerzo de cizalladura que un material puede resistir sin romperse.

Esfuerzo de Flexión

Combinación de las fuerzas de tracción y compresión que se desarrollan en la sección transversal de un elemento estructural para resistir una fuerza transversal.

Mecánica del Suelo

Rama de la Ingeniería que estudia el comportamiento del suelo ante la compresión, el cortante o cuando el agua circula a través de él.

Barra Levantada

Barra que ha sido levantada en aquellos puntos donde se produce un cambio en el momento, lo que permite anclarla a la zona de compresión y resistir el esfuerzo cortante.

Ensayo o Prueba de Compresión

Se realiza para determinar la resistencia a la compresión de una muestra de hormigón.

Elemento a Compresión

Pieza sometida a fuerzas de compresión longitudinal.

Flexión Mecánica

Tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es dominante frente a las otras.

Pandeo

Fenómeno de inestabilidad elástica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes transversales a la dirección principal de compresión. Modos de fallo por pandeo: flexional, torsional, flexo-torsional y lateral-torsional.