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La ingeniería del siglo XXI se enfrenta a 14 desafíos principales

La ingeniería se enfrenta a 14 desafíos esenciales para este siglo, que responden a las necesidades de una población cada vez mayor. Estos desafíos se basan en cuatro importantes pilares: la sostenibilidad, la salud, la reducción de la vulnerabilidad y la calidad de vida. Expertos de todo el mundo, convocados a petición de la National Science Foundation de Estados Unidos, han definido las materias en las que la ingeniería debería centrarse en el presente, con el fin de asegurar la prosperidad de las próximas generaciones y la pervivencia de nuestro planeta.

A National Academy of Engineering (NAE de Estados  nidos ha hecho pública una lista de los que serían los principales desafíos de la ingeniería en el siglo XXI. Elaborada por un equipo de expertos de todo el mundo, convocados a petición de la National Science Foundation (NSF, reúne un total de 14 retos que, de alcanzarse, podrían mejorar nuestro modo de vida.

Según publica la National Academy of Science en uncomunicado, estos expertos, considerados los más exitosos ingenieros y científicos de su generación, se han reunido en diversas ocasiones desde 2006 para discutir y concretar dicha lista.

Además, a través de una página web interactiva, se recibieron aportaciones de prominentes científicos e ingenieros de todas partes del mundo, así como del público en general, a lo largo de un año.

La NAE aún ofrece a cualquiera que lo desee la posibilidad de votar aquella materia que considere más importante y también de hacer sus comentarios en la web del proyecto.

Las selecciones finales fueron revisadas por más de 50 especialistas y están relacionadas con cuatro temas clave para el éxito de la humanidad: la sostenibilidad, la salud, la reducción de la vulnerabilidad y la calidad de vida. El objetivo era identificar las necesidades actuales para ayudar a las personas y al planeta a prosperar.

Avances y retos sin precedentes

Los desafíos para el siglo XXI, según los científicos, serían los siguientes:

-              Conseguir que la energía solar sea accesible

-              Suministrar energía a partir de la fusión

-              Desarrollar métodos de secuestración del carbono

-              Gestionar el ciclo del nitrógeno

-              Suministrar acceso al agua potable

-              Restaurar y mejorar las infraestructuras urbanas

-              Avanzar en la informática para la sanidad

-              Diseñar mejores medicamentos

-              Hacer ingeniería inversa del cerebro

-              Prevenir el terror nuclear

-              Proteger el ciberespacio

-              Enriquecer la realidad virtual

-              Avanzar en el aprendizaje personalizado

-              Diseñar herramientas para el descubrimiento científico

En la web del proyecto se señala que los ingenieros han marcado los avances de la civilización a lo largo de toda la historia, y que su presencia e influencia se ha acrecentado a partir de la Revolución Industrial, que supuso la sustitución del trabajo humano por el de las máquinas en incontables facetas. Por otro lado, en las últimas décadas se han generado avances procedentes de la ingeniería (automóviles, aviones, radio, televisión, naves espaciales, lásers, ordenadores…) que han mejorado cada aspecto de la vida humana.

Todos estos avances, por otro lado, han generado una serie de desafíos sin precedentes. A medida que la población crece y necesita expandirse, el problema de la sostenibilidad sigue aumentando, al igual que la necesidad de mejorar la calidad de vida. Nuevas y viejas amenazas de salud pública demandan por otro lado una mayor efectividad de los tratamientos médicos: vulnerabilidad ante las pandemias, la violencia terrorista o los desastres naturales requieren de investigaciones serias para la creación de nuevos métodos de protección y prevención.

También hay que asegurar el futuro del planeta, que tiene unos recursos limitados con los que no se podrá hacer frente al crecimiento de la población. Se requieren por tanto nuevas fuentes de energía, y también que se detenga y se revierta la degradación medioambiental actual.

Para ello, serán necesarias soluciones para hacer factible, tecnológica y económicamente, el uso y expansión de la energía solar y de fusión nuclear, así como el desarrollo completo de los métodos de captura del dióxido de carbono procedente de la combustión de los derivados del petróleo.

Distribución del agua

Otro importante problema medioambiental es el del nitrógeno. El ciclo biogeoquímico que extrae nitrógeno del aire para su incorporación a las plantas (nuestro alimento) ha sido alterado por las actividades humanas. Con la expansión del uso de fertilizantes y la combustión industrial a altas temperaturas, los seres humanos hemos doblado la tasa a la que el nitrógeno era sustraído del aire en la época preindustrial, contribuyendo a la aparición de fenómenos como la lluvia ácida o el calentamiento global. Urge por tanto el diseño de contramedidas para los problemas del ciclo del nitrógeno.

Asimismo, la calidad y la cantidad del agua resulta una cuestión esencial. Su escasez es muy grave en muchas regiones del mundo. El agua debe llegar a estar disponible y debe ser suministrada de manera sostenible para mantener la calidad de vida en la Tierra. Las nuevas tecnologías para la desalinización del agua del mar podría ayudar, pero las tecnologías a pequeña escala para la purificación del agua a nivel local podrían ser aún más efectivas.

En cuanto a la salud humana relacionada con la calidad del agua, aún quedan importantes cuestiones por resolver, como el problema de la malaria, que requieren nuevos métodos y tecnologías médicas. En general, la ingeniería biomédica tiene pendiente la promesa de la medicina personalizada: los médicos reconocen que cada individuo difiere tanto en el grado de susceptibilidad a las enfermedades como en las respuestas a los tratamientos, pero actualmente las tecnologías médicas ofrecen sólo soluciones estándar. La reciente categorización de la genética humana y otros avances ofrecen la posibilidad de identificar factores específicos en cada individuo que determinarán su bien estar o su tendencia a enfermar.

Inteligencia artificial y aprendizaje humano

Por otro lado, la profundización en el funcionamiento del cerebro ayudará al desarrollo de la inteligencia artificial, al mismo tiempo que deberán desarrollarse nuevas medicinas que puedan curar la expansión de nuevos virus y peligros de origen terrorista. Asimismo, habrá que afrontar las consecuencias de los desastres naturales y renovar las infraestructuras de ciudades y servicios, preservando el frágil equilibrio ecológico.

El aprendizaje y la enseñanza también son un desafío para los ingenieros: el estudio de la mente podría beneficiarse de los métodos mejorados de instrucción y aprendizaje, como el de la realidad virtual. Los esfuerzos de los ingenieros deberán centrarse asimismo en enriquecer la exploración en las fronteras de la realidad y el conocimiento, aportando nuevas herramientas para la investigación del cosmos y de la intrincada naturaleza de la vida y los átomos.

Todo este esfuerzo, advierten los autores del proyecto, han de hacerse afrontando grandes obstáculos políticos. En muchas partes del mundo, grupos atrincherados se están beneficiando de los viejos sistemas de gestión de la energía, bloqueando el desarrollo de nuevas empresas. Por otra parte, se necesitan grandes sumas de dinero para llevar a cabo los proyectos necesarios, por lo que es preciso que los ingenieros se asocien con científicos, educadores y otros sectores para promover la mejora de la ciencia, la tecnología y la ingeniería.

Necesidad de inversión

En una entrevista publicada por la School of Engineering and Applied Sciences de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, el profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de dicha universidad, Robert Socolow, señaló que esta lista ha sido elaborada en parte para que el público la conociera y pudiese comprender hasta que punto las inversiones en ciencia e ingeniería pueden mejorar la vida humana.

Socolow, que ha sido uno de los 18 pensadores independientes convocados por la NAE para señalar los principales desafíos de la ingeniería para este siglo, afirmó que sin las inversiones en investigación disfrutadas por generaciones anteriores de científicos e ingenieros, no disfrutaríamos de las ventajas de nuestra vida moderna y que, sin inversiones similares en la actualidad, se privará a las generaciones futuras la calidad de vida que podrían llegar a tener.

FUENTE: TENDENCIAS21

PANDEO

Los diferentes elementos que conforman una estructura pueden "falla" por diferentes motivos, dependiendo de los materiales utilizados. tipos de cargas, ligaduras y apoyos.
Muchos de estos tipo de "fallos" se podran evitar, dimensionando dichos elementos de tal forma, que las tensiones y deformaciones máximas que se produzcan permanezcan dentro de los limites admisibles y as´se efectuaran los dimensionamientos a resistencia y a la rigidez.
Pero existen otros tipos de "fallos". como es el "fallo por inestabilidad o pandeo", que puede tener lugar en el caso de elementos estructurales esbeltos sometidos a compresion. en estos casos en el elemento puede aparecer una flexion lateral que puede llegar a ser grande y hacer "fallar " al elemento.

EJEMPLOS ELEMNTOS ESTRUCTURALES DONDE PUEDE APARECER EL PANDEO

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ESTABILIDAD DE ESTRUCTURAS - PANDEO

Para comenzar a tratar este tema, sumamente importante para la seguridad de las estructuras, es necesario definir el concepto de Estabilidad que está genéricamente  asociado a la física y a la química. 

“Estabilidad es una noción física y/o química asociada a la capacidad de un cuerpo de mantener su estado o su composición inalterados durante un tiempo relativamente prolongado”.

Estabilidad de las estructuras 

Hemos definido el equilibrio de una estructura desde el punto de vista de las fuerzas  actuantes, expresando que éste se manifiesta si se cumple que las ecuaciones de  equilibrio de la estática son nulas, o sea, que el sistema de fuerzas tiene resultante  nula.Pero ahora debemos agregar, desde el punto de vista físico, que nos interesa no  solo el equilibrio de la estructura, sino que éste se manifieste de forma que su  configuración sea permanente en el tiempo aún frente a acciones exteriores  perturbadoras. Para completar estos conceptos es necesario definir qué se entiende  por estabilidad en las estructuras y ésta es: 

Es la capacidad de una estructura de conservar una configuración frente a acciones  exteriores. 

Para que se cumpla esta aseveración es menester que se verifiquen las siguientes dos condiciones: 

Condición necesaria: Debe existir equilibrio de todas las fuerzas que actúen sobre la  estructura, o sea, se debe cumplir la condición física del equilibrio total y relativo de  todas las fuerzas activas y reactivas. 

Condición suficiente: El equilibrio de las fuerzas debe ser estable. 

Esta última condición, un concepto nuevo, establece que la configuración que adopte  la estructura y las fuerzas deben ser permanentes en el tiempo. 

Para poder establecer si se está frente a estructuras estables, se deben fijar criterios  que permitan determinar cuándo se está en presencia de un equilibrio estable. Un  criterio se encuentra, precisamente, en la percepción práctica que de este concepto se  tiene y que permite establecer cómo es el equilibrio de una estructura. Éste consiste en aplicar una pequeña perturbación, tan pequeña como se quiera, y observar cómo  se modifican las acciones y las resistencias frente a este hecho y cuanto más rápido 

crecen una y otras para restablecer o no la posición original. Analicemos un ejemplo  tradicional de este tema que es el caso de una esfera apoyada sobre una superficie  cóncava, convexa o plana

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE MURO DE CONTENCION

Los muros de contención tienen como finalidad resistir las presiones laterales ó empuje producido por el material retenido detrás de ellos, su estabilidad la deben fundamentalmente al peso propio y al peso del material que está sobre su fundación. Los muros de contención se comportan básicamente como voladizos empotrados en su base.

Designamos con el nombre de empuje, las acciones producidas por las masas que se consideran desprovistas de cohesión, como arenas, gravas, cemento, trigo, etc. En general los empujes son producidos por terrenos naturales, rellenos artificiales o materiales almacenados.

Hasta finales del siglo XIX, se construían muros de mampostería y piedra, a partir del siglo XX se comenzó a construir muros de concreto en masa y de concreto armado, desplazando en muy buena parte a los materiales anteriormente utilizados. Para proyectar muros de sostenimiento es necesario determinar la magnitud, dirección y punto de aplicación de las presiones que el suelo ejercerá sobre el muro.

El proyecto de los muros de contención consiste en:

a- Selección del tipo de muro y dimensiones.

b- Análisis de la estabilidad del muro frente a las fuerzas que lo solicitan. En caso que la estructura seleccionada no sea satisfactoria, se modifican las dimensiones y se efectúan nuevos cálculos hasta lograr la estabilidad y resistencia según las condiciones mínimas establecidas.

c- Diseño de los elementos o partes del muro.

El análisis de la estructura contempla la determinación de las fuerzas que actúan por encima de la base de fundación, tales como empuje de tierras, peso propio, peso de la tierra, cargas y sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad al volcamiento, deslizamiento,  presiones de contacto suelo-muro y resistencia mínima requerida por los elementos que conforman el muro.

CONSIDERACIONES FUNDAMENTALES

Un volumen de tierras, que suponemos sin cohesión alguna, derramado libremente sobre un plano horizontal, toma un perfil de equilibrio que nos define el ángulo de talud natural de las tierras o ángulo de fricción interna del suelo φ. 

Las partículas resbalan a lo largo del talud A-B, o talud natural de las tierras, que constituye la inclinación límite, más allá de la cual la partícula no puede mantenerse en equilibrio.  

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MURO DE CONTENCION

Como lo indica el nombre, los muros de contención son elementos estructurales diseñados para contener algo; ese algo es un material que, sin la existencia del muro, tomaría un a forma diferente a la fijada por el contorno del muro para encontrar su equilibrio estable. Tal es el caso de la arena que se amontona libremente, la cual forma un ángulo determinado con la horizontal (o la vertical, según la definición) al quedar en equilibrio, ese ángulo se denomina generalmente “ángulo de reposo” o “talud natural” (Æ) o, por extensión, “ángulo de fricción interna”; estando todo el montón de esa arena en equilibrio, cualquier grano en la sección -mn- también lo estará por recibir igual presión de ambos lados; pero si quitamos la parte de la izquierda, la arena tenderá a adquirir su ángulo de reposo y por lo tanto la parte de la derecha ejercerá una presión sobre la sección mn, presión que deberá ser resistida por el muro de contención.

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CEMENTO Y EL HORMIGON

El cemento es un producto de origen mineral, fabricado con alta tcnologoa, que se usa oara unir firmemente diversos materiales de construccion. permitiendo hacer obras resistentes y dirables, se presenta como un material pulverizado que al agregarle agua forma una pasta plastica, suave y aglomerante capaz de endurecer tanto al aire como bajo agua.

¿Cómo está compuesto el Cemento Portland?

El cemento Portland corresponde a una mezcla finamente molida de clínker más un porcentaje de entre 3 y 5 % de yeso. para evitar el frague.

COMPONETES DEL CEMENTO PORTLAD

¿Qué es el hormigón de cemento? 

El hormigón es una mezcla cuidadosamente preparada con cemento, arena, árido grueso y aditivos, en proporciones adecuadas, que con cierta cantidad de agua se transforma en una masa plástica que puede ser moldeada en cualquier forma y tamaño y que, por efecto de la hidratación del cemento, adquiere en corto tiempo resistencia y dureza.

¿Qué es el hormigón Autocompactante, HAC?

El hormigón Autocompactante es un nuevo concepto de hormigón que ofrece fácil colocación de la mezcla, suprimiendo la obligatoria fase de compactación por vibrado.

¿Qué ventajas tiene el HAC?

Facilidad de operación de una faena pesada, mejor terminación de las superficies, mayor rapidez de hormigonado, menos contaminación acústica, ahorro en personal y equipos, y óptima calidad de los elementos hormigonados. También permite obtener altas resistencias a corto plazo, baja relación agua/cemento, alta impermeabilidad y durabilidad.

¿Cómo se logra el HAC?

Este hormigón se logra utilizando aditivos químicos de última generación que actúan por diferentes mecanismos. Mediante su absorción superficial, y el efecto de separación espacial de las partículas de cemento, en paralelo al proceso de hidratación se obtiene una alta fluidez, con un fuerte comportamiento autocompactante, junto con una alta cohesión de la mezcla, permitiendo el vaciado y escurrimiento del hormigón sin segregación o exudación.

¿Qué se entiende por Densidad del Hormigón?

La densidad del hormigón es la masa del hormigón dividida por el volumen conocido del recipiente que lo contiene, se expresa en kg/m³ o en kg/dm³ (kg/L).

¿De qué dependen las variaciones en la densidad del hormigón?

Esto depende de la densidad real y de la proporción en que participan cada uno de los diferentes materiales constituyentes del hormigón. Para los hormigones convencionales formados por materiales granulares provenientes de rocas no mineralizadas de la corteza terrestre su valor oscila entre 2,35 y 2,55 kg/dm3. También la densidad experimenta ligeras variaciones con el tiempo, provenientes de la evaporación del agua de amasado y que pueden significar una variación de hasta alrededor de un 7% de su densidad inicial.

¿Con qué otras propiedades del hormigón se relaciona su densidad?

La densidad del hormigón está relacionada con otras propiedades, en particular con su resistencia, con la aislación térmica, acústica y con la capacidad de contribuir a impedir el paso de radiaciones. Por lo anterior, puede ser variada artificialmente, ya sea por debajo o sobre los valores de un hormigón convencional, constituyendo los denominados hormigones livianos o pesados, respectivamente.

 ¿Qué son los hormigones Livianos?

Se designa convencionalmente como hormigones livianos a aquellos que poseen una densidad inferior a 1,9 kg/dm³.

Los hormigones livianos tienen un amplio campo de uso en casos donde se desea obtener aislación térmica y secundariamente acústica y también para disminuir el peso muerto actuando sobre los elementos estructurales resistentes.

Tienen como principal limitación su baja resistencia y su alta retracción hidráulica, aspectos que deben ser debidamente considerados al contemplar su uso.

Densidades como las indicadas para los hormigones livianos se obtienen con la incorporación de aire en el hormigón, lo cual puede efectuarse introduciéndolo por dos caminos distintos: a través de los áridos, es decir empleando áridos livianos, o bien directamente en la masa del hormigón.

¿Cuales son las características de los áridos para hormigones livianos?

Los áridos livianos pueden ser de origen natural o bien producidos artificialmente.

Aridos Livianos de Origen Natural. Corresponden a materiales en los cuales ha quedado aire atrapado en su interior durante su proceso de formación. Esta situación se presenta, por ejemplo, en las rocas de origen volcánico, como las lavas y la piedra pómez, siendo este último el árido liviano de origen natural más utilizado.

Con estos materiales de origen natural, el rango de densidades obtenidos es más bien alto, cercano al límite superior de la densidad definida como máxima para los hormigones livianos.

Otro tipo de áridos de origen natural lo constituyen los originados mediante desechos de la

madera, entre los cuales se cuentan las virutas y el aserrín.

La obtención de hormigones livianos con este tipo de áridos debe considerar especialmente el efecto retardador que algunos tipos de madera ejercen sobre el fraguado de la pasta de cemento, debiendo preverse en algunos casos el tratamiento de estos materiales para atenuar o inhibir los efectos señalados.

Aridos Livianos de Origen Artificial. Los áridos de origen artificial corresponden a materiales especiales, tales como pizarras, arcillas, esquistos, los que al ser tratados mediante calor hasta su fusión incipiente y producirse en su interior desprendimiento de gases de los materiales que los constituyen, se expanden, disminuyendo su densidad. La producción de este tipo de áridos requiere de una metodología muy estudiada para definir si un determinado material tiene características que lo transformen en expandible y las condiciones en que esta expansión puede producirse.

¿Qué es la Puzolana?

La puzolana es un material silícoso o silico-aluminoso, que por sí solo posee poco o ningún valor cementante, pero que finamente dividido y en medio húmedo a temperatura ordinaria, reacciona químicamente con el hidróxido de calcio, formando un compuesto con propiedades cementantes. Se emplea en la fábrica de cemento como adición al clínker para obtener cemento con puzolanas o como sustitución del contenido requerido de cemento en algún determinado tipo de hormigón.

¿Qué factores rigen la resistencia mecánica del hormigón? 

Los principales factores que rigen la resistencia del hormigón son las características y cantidad de cemento, cantidad de agua, razón A/C, edad, condiciones de curado, características de los áridos, tiempo de mezclado, condiciones de ensayo y presencia de aire en la masa del hormigón.

 ¿Qué son los aditivos? 

Se consideran aditivos a aquellos productos que introducidos en el hormigón permiten modificar sus propiedades en una forma susceptible de ser prevista y controlada.

Para lograr esto, se incluyen al momento de fabricar la mezcla del hormigón, en cantidades generalmente pequeñas y adecuadas a la obtención de las propiedades que se desea.

Su empleo permite controlar algunas propiedades del hormigón, tales como:

- Trabajabilidad, reducción de agua y exudación en estado fresco.

- Tiempo de fraguado y resistencia inicial de la pasta de cemento.

- Resistencia, impermeabilidad y durabilidad en estado endurecido.

Al contemplar su uso se debe tener especial consideración que ellos no solo influyen sobre las propiedades que se desea modificar, sino colateralmente sobre otras, produciendo efectos que pueden ser indeseables o nocivos para el comportamiento que se espera del hormigón.

¿Cuánto tiempo se debe mezclar el hormigón? 

En mezcladoras estacionarias de 0,75 m³ de capacidad o menos, generalmente se necesitan 1,5 minutos después de que todos los materiales estén en la mezcladora. Para capacidades mayores, el tiempo debe ser incrementado entre 15 a 30 segundos por cada 0,75 m³ o fracción de capacidad adicional. En todo caso este tiempo se podrá variar siempre que la mezcla tenga la uniformidad requerida, medida según la norma Chilena NCh 1789 Of 1986.

¿Se obtienen valores más altos de resistencia en probetas húmedas que en probetas secas?

El secado de la probeta, inmediatamente antes del ensayo, incrementa la resistencia a la compresión, pero disminuye la de flexión. Un secado parcial o superficial en probetas para ensayar a la flexión, dejan a las fibras exteriores en estado de tracción, aún antes de aplicar la carga, con lo cual se reduce el valor de la resistencia medida.

¿Por qué se agrieta el hormigón?

El hormigón, como todos los materiales, cambia ligeramente su volumen cuando se seca. En un hormigón convencional el cambio es de alrededor de 900 a 1200 µ/m. La razón por la cual el constructor hace cortes en los pavimentos y en losas industriales es para permitir que el hormigón se agriete en forma ordenada y en línea con la junta cuando éste cambia su volumen.

¿Es recomendable el uso de POLIETILENO bajo losas de Hormigón?

No es recomendable utilizar polietileno bajo la losa de hormigón porque esto produce un mayor alabeo producto de secado diferencial de la parte superior con respecto a la inferior, así como todos los problemas asociados que esto conlleva (fisuración, reducción de capacidad de soporte, etc.).

Sin embargo, se justifica la colocación de polietileno pero bajo la sub-base del pavimento, para evitar que exista traspaso de humedad desde ella a la losa de hormigón, en situaciones en las cuales la sub-base estará constantemente húmeda. Esto le produciría a la losa que en su parte baja se produzca expansión del hormigón y en la superior secado, acentuándose más el problema de alabeo.