RAMAS DE LA INGENIERÍA CIVIL

INTRODUCCIÓN:

Existen varias especialidades y subdisciplinas dentro de la carrera de ingeniero civil y la mayor parte de los ingenieros civiles trabaja centrado en alguna especialidad. Todas tienen en común la necesidad de conocimientos matemáticos y físicos avanzados y la capacidad de resolver problemas de forma óptima.

1-INGENIERÍA ESTRUCTURAL

La ingeniería estructural es una rama clásica de la ingeniería civil que se ocupa del diseño y cálculo de la parte estructural en las edificaciones y demás obras. Su finalidad es la de conseguir estructuras funcionales que resulten adecuadas desde el punto de vista de la resistencia de materiales. En un sentido práctico, la ingeniería estructural es la aplicación de la mecánica de medios continuos para el diseño de elementos y sistemas estructurales tales como edificios, puentes, muros (incluyendo muros de contención), presas, túneles, etc.

Los ingenieros estructurales se aseguran que sus diseños satisfagan un estándar para alcanzar objetivos establecidos de seguridad (por ejemplo, que la estructura no se derrumbe sin dar ningún aviso previo) o de nivel de servicio (por ejemplo, que la vibración en un edificio no moleste a sus ocupantes). Adicionalmente, son responsables por hacer uso eficiente del dinero y materiales necesarios para obtener estos objetivos. Algunos ejemplos simples de ingeniería estructural lo constituyen las vigas rectas simples, las columnas o pisos de edificios nuevos, incluyendo el cálculo de cargas (o fuerzas) en cada miembro y la capacidad de varios materiales de construcción tales como acero, madera u hormigón. Ejemplos más elaborados de ingeniería estructural lo constituyen estructuras más complejas, tales como puentes o edificios de varios pisos incluyendo rascacielos.

PRINCIPIOS ESTRUCTURALES:

Debe entenderse como una carga estructural aquella que debe ser incluida en el cálculo de los elementos mecánicos (fuerzas, momentos, deformaciones, desplazamientos) de la estructura como sistema y/o de los elementos que la componen. 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), presfuerzo, 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 estas 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 mayorado 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 límites, 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. El cálculo estructural consiste en identificar un conjunto de magnitudes relevantes y comprobar que para todas ellas se cumple que:

Donde es valor de cálculo previsto o "valor demando" con una probabilidad alta a lo largo de la vida útil de la estructura; y 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.

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.

2-INGENIERÍA HIDRÁULICA:

La ingeniería hidráulica es una de las ramas tradicionales de la ingeniería civil y se ocupa de la proyección y ejecución de obras relacionadas con el agua, sea para su uso, como en la obtención de energía hidráulica, la irrigación, potabilización, canalización, u otras, sea para la construcción de estructuras en mares, ríos, lagos, o entornos similares, incluyendo, por ejemplo, diques, represas, canales, puertos, muelles, rompeolas, entre otras construcciones.

Los ingenieros hidráulicos se ocupan de diseñar, construir y operar las obras hidráulicas, valiéndose principalmente de la investigación, dado que la ingeniería hidráulica se sustenta, casi en un 90%, en resultados experimentales. Leonardo Da Vinci afirmaba: "cuando trates con el agua, consulta primero la práctica, y luego la teoría". Mucho se ha avanzado desde entonces, por los dos caminos. Las formulaciones teóricas utilizan en todo momento los instrumentos matemáticos más avanzados de cada época, pero al final aquí y allí, siempre acaba apareciendo un coeficiente empírico, una fórmula empírica, que es la forma que, al final, permite resolver el problema práctico, y que fue determinada en función de experimentos, tanto de laboratorio, como en obras construidas y operantes.

Los ingenieros hidráulicos se ocupan de:

Las llamadas grandes estructuras como, por ejemplo, presas, esclusas, canales navegables, puertos, etc.

Obras relacionadas con la agricultura, especialización de la ingeniería hidráulica, conocida como hidráulica agrícola (rama propia de Ingeniería agrícola): sistemas de riego, sistemas de drenaje.

Obras relacionadas con el medio ambiente: presas filtrantes para el control de la erosión, obras de encauzamiento de ríos

En algunas universidades la carrera de ingeniería civil se divide después de los primeros 2 ó 3 años en diversas especialidades, una de las cuales es la hidráulica. A partir de esta división se van enfatizando temas diferentes para cada especialidad, manteniéndose sin embargo muchos temas comunes para todos los cursos de ingeniería civil. En las titulaciones de Ingeniería agrícola también se estudia ingeniería hidráulica, especialmente en las especialidades de recursos hidraúlicos. Tanto el Ingeniero civil como el Ingeniero agrícola durante su formación universitaria toman simultáneamente el curso de mecánica de fluidos (precedido por cuatro niveles de cálculo, dos de física y por estática y dinámica), luego toman un curso de hidráulica de tuberías o flujo a presión y posteriormente un curso de hidráulica de canales abiertos, así como un curso de hidrología. Después, el

Ingeniero civil toma cursos de acueductos, alcantarillados e ingeniería de puertos y costas, mientras que el Ingeniero agrícola toma cursos de diseño de sistemas de riego, diseño de sistemas de drenaje y paralelamente con el ingeniero civil cursos de estructuras hidráulicas. Tanto el Ingeniero Civil como Agrícola son los únicos profesionales idóneos para desarrollar obras hidráulicas y para tomar cursos de especialización, maestría o doctorado en el área de Recursos Hidráulicos o Ingeniería Hidráulica.

3-INGENIERÍA GEOTÉCNICA:

La Ingeniería geotécnica es la rama de la Ingeniería civil e ingeniería geológica que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la Tierra. Los ingenieros geotécnicos investigan el suelo y las rocas por debajo de la superficie para determinar sus propiedades y diseñar las cimentaciones para estructuras tales como edificios, puentes, centrales hidroeléctricas, estabilizar taludes, construir túneles y carreteras, etc.

Antiguamente, a la geotecnia se la identificaba como la mecánica de suelos; pero el término se amplió para incluir temas como la ingeniería sísmica, la elaboración de materiales geotécnicos, mejoramiento de las características del suelo, interacción suelo-estructura y otros. Sin embargo, la geotecnia es una de las ramas más jóvenes de la ingeniería civil y, por lo tanto, sigue evolucionando activamente.

Se considera a Karl Terzaghi como el padre de la ingeniería geotécnica y la mecánica de suelos.

INGENIEROS GEOTÉCNICOS:

Por ello, los ingenieros geotécnicos, además de entender cabalmente los principios de la mecánica y de la hidráulica, necesitan un adecuado dominio de los conceptos básicos de la geología. Es de especial importancia conocer las condiciones bajo las cuales determinados materiales fueron creados o depositados, y los posteriores procesos estructurales o diagenéticos (procesos metamórficos, de sustitución, cristalización, etc.) que han sufrido.

Diseños para estructuras construidas por encima de la superficie incluyen cimentaciones superficiales (zapatas), cimentaciones semiprofundas (pozos), y cimentaciones profundas (pilotes). Presas y diques son estructuras que pueden ser construidas de suelo o roca y que para su estabilidad y estanqueidad dependen en gran medida de los materiales sobre los que están asentados o de los cuales se encuentran rodeados. Finalmente los túneles son estructuras construidas a través del suelo o roca y cuyo método constructivo depende en gran medida de las características del terreno que se verá afectado (tipos y condiciones de materiales atravesados, condiciones hidrogeológicas, etc.) lo que influye a su vez en la duración de la obra y en sus costes.

Los ingenieros geotécnicos también investigan el riesgo para los seres humanos, las propiedades y el ambiente de fenómenos naturales o propiciados por la actividad humana tales como deslizamientos de terreno, hundimientos de tierra, flujos de lodo y caída de rocas.

4-INGENIERÍA DEL TRANSPORTE:

La Ingeniería del transporte o Ingeniería de Transporte es la rama de la ingeniería civil que trata la planeación, el diseño, operación y administración de las facilidades de cualquier modo de transporte con el fin de proveer un movimiento seguro, conveniente, económico y ambientalmente amigable de bienes y personas. La ingeniería de transporte es una de las áreas de la ingeniería que más se relaciona con otras disciplinas, como: planificación urbana, economía, sicología, diseño, comunicación social, ciencia política y estadística.

Los aspectos relacionados con la planificación de transporte están relacionados mayoritariamente con aspectos espaciales (localización de actividades), aspectos sociales (actitudes y comportamientos de las personas) y aspectos técnicos. Tradicionalmente la planificación de transporte se ha concentrado en la modelización de transporte, metodología ampliamente utilizada para pronosticar los tráficos futuros de personas o vehículos. Sin embargo esta metodología no es aplicable para los pronósticos de demanda de modos activos como la bicicleta y la caminata.

5-INFRAESTRUCTURA VIAL Y PAVIMENTOS:

FIRME:

El firme, superficie de la carretera o pavimento es el material superficial permanente que sostiene el tráfico peatonal y vehicular de una vía o camino. En el pasado se usaban guijarros y adoquines, pero estos quedaron reemplazados por asfalto y hormigón, que permiten un paso más cómodo y una puesta más económica, dejando los adoquines para lugares históricos. A los firmes actuales se le exigen tres características básicas:

Ser impermeables al agua, para evitar que la lluvía dañe la base del firme

Mantener una superficie cómoda y adecuada para la circulación. Si el firme es resbaladizo puede ser peligroso para la circulación, de la misma forma que si está bacheado.

Resistir las cargas que se ve sometido por el tráfico

Esto plantea un grave problema ambiental que plantean los firmes en las ciudades, es su impermeabilidad, que aumenta el peligro de inundación. Para evitarlo se han empezado a desarrollar firmes permeables con drenajes. Además los firmes son usualmente pintados con marcas horizontales en el suelo para guiar el tráfico. La calidad del firme, su espesor y su rugosidad dependen de la clasificación de la carretera y del tráfico que soporte, estando en algunos países determinada por normativa técnica, como por ejemplo España.

-FIRMES DE ASFALTO:

Asfalto (especificamente, hormigón asfáltico) ha sido ampliamente usado desde los años 1920-1930. La naturaleza viscosa del betún hace que se pueda realizar un material con una capacidad significativa de resistir la deformación plástica, aunque la fatiga debida a la carga repetida del firme es la principal causa de rotura. La mayor parte de las superficies asfálticas descansan sobre un capa de gravas o de zahorras. En zonas ricas en arcillas y limos a veces se acude a la estabilización con cemento portand para mejorar la base. Polypropileno y poliester geosintético también están siendo usados para este propósito.3 En algunos países septentrionales se usa una capa de poliestireno para prevenir la entrada del hielo en la capa base.4

Dependiendo de la temperatura que se le aplique, el asfalto se categoriza en Mezcla Asfáltica en Caliente, Mezcla Bituminosa Templada o Mezcla Bituminosa en Frío.

Mezcla bituminosa en caliente:5 Se aplica a temperaturas entre 90 °C y 120 °C, hay que gastar una elevada cantidad de energía para la puesta (ya que hay calentarlo) y genera una enorme polución de compuestos volátiles.6

Mezcla bituminosa en frío: Se emplea en zonas rurales, lejanas a la fábrica de mezclas, y en pequeñas reparaciones.7

Las ventajas que suponen una vía asfaltada son reducción de ruido (en comparación con otros tipos de firme), menor coste que otras opciones y fácil reparación. Las desventajas incluyen menor durabilidad que otros métodos, menor resistencia que el hormigón, tendencia a ablandarse en lugares muy cálidos y una mayor cantidad de contaminación del suelo debido al empleo de hidrocarburos.

En la década de 1960 se empleó por primera vez el asfalto goma que mezcla el asfalto con viruta procedente de neumáticos. Este tipo de asfalto tiene varias ventajas: Permite dar un uso a los neumáticos (que además son inflamables) de vertederos, reducen el ruido del paso de vehículos entre 7 y 12 dB respecto al asfalto convencional y además el asfalto goma dura más tiempo que el convencional. Sin embargo la aplicación de asfalto goma es más sensible a las temperaturas y en algunos lugares solo puede ser aplicado en momentos muy determinados del año.

-FIRMES DE HORMIGON:

Los firmes de hormigón (específicamente, hormigón de cemento Portland) se crean usando una mezcla de cemento Portland, grava, arena y agua. El material es aplicado cuando es una lechada fresca, y trabajado mediante medios mecánicos (vibrado) para compactar el interior y permitir que el cemento más fino quede en la capa superior para crear una superficie más suave y densa, libre de la piel de cocodrilo (grietas que se producen por la retracción del hormigón). El agua permite que la mezcla se combine a nivel molecular en un proceso llamado hidratación.

Las superficies de hormigón pueden ser de los siguientes tres tipos en función del tratamiento de las fisuras:

Pavimentos de Hormigón con Junta Normal (en inglés Jointed Plain Concrete Pavements (JPCP)) se realizan con juntas suficientes para prevenir todas las fisuras naturales que puedan producirse. Las grietas se concentran en las juntas y no aparecen en otra parte de la losa. Los pavimentos de junta plana no contienen ningún refuerzo de acero. Sin embargo es posible que las juntas transversales queden unidas por acero sin corruga (la corruga deterioraría el hormigón por rozamiento, por lo que se pone lisa). El espacio entre juntas transversales está entre los 15 y 10 metros para losas de 18 a 30 centímetros. En la actualidad la mayor parte de las agencias estatales de Estados Unidos usan este sistema.

Pavimentos de Hormigón Armado con Junta (en inglés Jointed Reinforced Concrete Pavements (JRCP)) contienen una malla de acero de refuerzo (a veces llamado acero

distribuido). En estos pavimentos las losas son mucho mayores y las juntas están reforzadas con acero para evitar que se fisuren las losas. El espacio entre juntas era de 30 metros o más. En el pasado, algunas agencias de carreteras estadounidenses llegaron a los 100 metros. Este método ha sido muy usado en el Este de Estados Unidos y en el Medio Oeste. Aunque muchas agencias lo usan no es un diseño recomendable ya que es la opción más difícil de reparar.

Pavimentos de Hormigón Armado Continuos (en inglés Continuously Reinforced Concrete Pavements (CRPC)) no requieren ninguna junta transversal. Las fracturas transversales se esperan en la losa, generalmente a intervalos de 1 - 1,5 metros. Los pavimentos CRPC están diseñados con el suficiente acero, 0,6-0,7% del área transversal, para mantener las fisuras juntas. Determinar un espaciamiento apropiado entre las fisuras es una parte del proceso de diseño para este tipo de pavimento. Su puesta inicial es la opción más cara, debido a la mayor cantidad de acero, pero también son las más eficientes en corredores urbanos con un tráfico muy elevado.

Una ventaja de las carreteras de hormigón es que son más resistentes y duran más que las de asfalto. Además tienen un mantenimiento muy fácil, porque una vez que se desgastan pueden repararse fácilmente para volver a recuperar la textura. Las desventajas son tener un elevado coste inicial, son más rudas para el conductor, la fisuración nunca se detiene y son más difíciles de reparar si sufren una fractura. Los estudios recientes demuestran que la mayor parte de estas vías se encuentran dañadas a causa del peso de los camiones. Las reparaciones suelen ser caras y consumen mucho tiempo.

ANEXOS:

1-INGENIERÍA ESTRUCTURAL:

2-INGENIERÍA HIDRÁULICA:

3-INGENIERÍA GEOTÉCNICA:

4-INGENIERÍA DEL TRANSPORTE:

5-INFRAESTRUCTURA VIAL Y PAVIMENTOS: