Subido por Eddy Bendita

Historia del Analisis estructural

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UNIVERSIDAD NACIONAL
DEL ALTIPLANO
ESCUELA PROFESIONAL DE
INGENIERIA CIVIL
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL
ALTIPLANO
INGENIERIA CIVIL
HISTORIA DEL ANALISIS ESTRUCTURAL
❖
CURSO: Análisis Estructural I
❖
DOCENTE: Ing. Darwin Quenta Flores
❖
ALUMNO: Eddy Rusber Bendita Portada
❖
CODIGO: 130811
❖
FECHA:
18I de Noviembre de 2020
ANALISISMiercoles
ESTRUCTURAL
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EDDY RUSBER BENDITA PORTADA
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Contenido
INTRODUCCION ...................................................................................................... 2
HISTORIA DEL ANALISIS ESTRUCTURAL ............................................................. 3
NACIMIENTO DEL ANALISIS ESTRUCTURAL ....................................................... 6
EVOLUCION DEL ANALISIS ESTRUCTURAL ......................................................... 9
LAS COMPUTADORAS EN EL ANALISIS ESTRUCTURAL .................................. 11
BUILDING INFORMATION MODELING ................................................................. 12
CONCLUSIONES.................................................................................................... 14
BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 14
WEBGRAFIA ........................................................................................................... 14
ANALISIS ESTRUCTURAL I
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INTRODUCCION
El análisis estructural es una materia obligatoria que se dicta en la ingeniería civil,
teoría básica para el desarrollo de la ingeniería estructural, que es una rama antigua y
de gran importancia que se aplica en la ingeniería civil.
La ingeniería estructural es el responsable del diseño, planeamiento y cálculo de la
parte estructural de toda construcción, que generalmente forma un sistema integrado
de vigas, columnas, losas, muros (armados o confinados), presas, túneles, zapatas de
cimentación y otros, que lo empleamos en los edificios urbanos, construcciones
industriales, puentes, estructuras de desarrollo hidráulico y demás obras. Su propósito
es la de obtener estructuras eficaces que resulten apropiadas a partir del punto de vista
resistente cuyo fin es transmitir cargas al suelo (ya sea el peso propio o acciones
exteriores) sin perder la funcionalidad para las cuales fueron diseñadas.
Para esto se tuvo que pasar por diferentes procesos desde obras echas sin calculo
alguno, continuando con el descubrimiento de distintos procesos para realizar los
cálculos de las estructuras hasta llegar a la actualidad donde el uso del software se
apodero del mundo de la ingeniería en general.
Es importante conocer y hablar de la historia del análisis estructural, por ello en este
trabajo, más que hablar de análisis estructural hablaremos de los orígenes de la
ingeniería estructural, las etapas y su evolución hasta la actualidad.
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HISTORIA DEL ANALISIS ESTRUCTURAL
El análisis estructural, tal como lo conocemos actualmente, evolucionó durante
varios años. Durante este tiempo, muchos tipos de estructuras, como vigas, arcos,
armaduras se usaron en la construcción a lo largo de cientos o miles de años antes de
que se para ellas métodos satisfactorios de análisis. Si bien los antiguos ingenieros
mostraron entendimiento del comportamiento estructural (como lo prueban sus exitosas
con grandes puentes, catedrales, barcos de vela, etc.), un progreso real en la teoría de
análisis estructural ocurrió sólo en los últimos 175 años.
Los egipcios y otros antiguos constructores contaban seguramente con algunas
reglas empíricas obtenidas de la experiencia previa para determinar los tamaños de los
miembros estructurales. Sin embargo, no contamos con pruebas de que hayan
desarrollado alguna teoría de análisis estructural. El egipcio Imhotep, quien construyó
la gran pirámide escalonada de Sakkara(imagen
1)
alrededor del año 3000 a. C., es
considerado a veces como el primer ingeniero estructural del mundo.
(imagen 1) Pirámide de Sakkara
Aunque los griegos construyeron algunas magníficas estructuras, sus contribuciones
a la teoría estructural fueron pocas y muy espaciadas. Pitágoras (aprox. 582-500 a. C.),
de quien se dice que creó la palabra matemáticas, es famoso por el teorema geométrico
que lleva su nombre. Posteriormente, Arquímedes (287-212 a. C.) desarrolló algunos
principios fundamentales de la estática e introdujo el término centro de gravedad.
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Los romanos fueron constructores extraordinarios y muy competentes en el uso de
ciertas formas estructurales, como son los arcos semicirculares de mampostería (imagen
2).
Al igual que los griegos, ellos también tenían muy pocos conocimientos del análisis
estructural e hicieron aún menos progresos científicos en teoría estructural.
Probablemente, diseñaron la mayoría de sus hermosos edificios desde un punto de
vista más bien artístico. Tal vez sus grandes puentes y acueductos fueron
dimensionados con reglas empíricas; sin embargo, si esos métodos de diseño
condujeron a dimensiones insuficientes, las estructuras deben haber fallado sin que
haya quedado un registro histórico de ellas. Solamente sus construcciones exitosas
prevalecieron.
(imagen 2) Interior del panteón, Roma
Una de las más grandes y notables contribuciones al análisis estructural, así como a
todos los otros campos científicos, fue el desarrollo del sistema de numeración hindúarábigo. Matemáticos hindúes desconocidos crearon en los siglos I y II a. C., un sistema
de numeración del uno al nueve. Alrededor del año 600 d. C. los hindúes inventaron el
símbolo sunya (que significa vacío) que ahora llamamos cero. Sin embargo, los
indígenas mayas de la América central ya habían desarrollado el concepto de cero
aproximadamente 300 años antes.
En el siglo VIII d. C., los árabes tomaron este sistema de numeración de los escritos
científicos de los hindúes. En el siguiente siglo, un matemático persa escribió un libro
que incluyo al sistema Su libro fue traducido al latín algunos años después y llevado a
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Europa, Alrededor del año 1000 d. C. el papa Silvestre Il decretó que los números hinduarábigos deberían ser usados por los cristianos.
Antes de que pudieran hacerse avances reales en el análisis estructural, fue
necesario desarrollar la ciencia de la mecánica de los materiales. Hacia mediados del
siglo XIX se habían hecho grandes progresos en esta área. Un físico francés, Charles
Augustin de Coulomb (1736-12061 un ingeniero-matemático francés, Claude Louis
Marie Henri Navier (1785-1836), con base en el trabajo de numerosos investigadores
realizado a lo largo de cientos de años, sentaron las bases de la ciencia de la mecánica
de materiales. Especial importancia tuvo un libro de texto publicado por Navier en 1826,
en el que analizó las resistencias y las deflexiones de vigas, columnas, arcos. puentes
colgantes y otras estructuras.
Se cree que fue Andrea Palladio (1508-1580), un arquitecto italiano, quien usó por
primera vez las armaduras modernas. Él revivió algunos tipos de estructuras romanas
antiguas, así como las reglas empíricas para dimensionarlas. Sin embargo, fue hasta
1847 que Squire Whipple (1804-1888) introdujo el primer método racional para el
análisis de armaduras. Ésta fue la primera gran contribución de Estados Unidos a la
teoría de las estructuras. Se dice con frecuencia que el análisis de armaduras de
Whipple señaló el principio del análisis estructural moderno. Desde entonces ha habido
una serie continua de importantes desarrollos en esta ciencia.
(imagen 3) Palladio, Puente de madera sobre el rio Cismone. Tomad de palladio, Andrea 1988.
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NACIMIENTO DEL ANALISIS ESTRUCTURAL
En 1857, Clapeyron (1799-1864) presentó a la Academia Francesa su obra Teorema
de los tres Momentos, para el análisis de las vigas continuas, que se se usó para el
análisis de muchos puentes de ferrocarril. En las décadas que siguieron se realizaron
múltiples avances en el análisis de estructuras indeterminadas, basados en los
recientes métodos desarrollados para el cálculo de deflexiones.
De la misma manera en que BERTOT la había publicado dos años antes en
Memorias de la Sociedad de Ingenieros Civiles de Francia, sin darle crédito alguno.
Puede decirse que a partir de este momento se inicia el desarrollo de una verdadera
“Teoría de las Estructuras”
En 1854, el ingeniero francés BRESSE publicó su libro Recherches Analytiques sut la
Fexion et la Résistance de Pieces Courbés en que presentaba métodos prácticos para el
análisis de vigas curvas y arcos.
En 1867, el alemán WINKLER (1835-1888), introdujo la “línea de Influencia"; así
mismo, hizo importantes contribuciones a la Resistencia de Materiales. especialmente
en la Teoría de flexión de vigas curvas y flexión de vigas apoyadas en medios elásticos.
James Clerk MAXWELL (1830- I 879), 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 realiza- do por las cargas
aplicadas, igualdad que habla sido establecida por Clapeyron. En su análisis, Maxwell
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 el
"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 1872, el italiano BETTI publicó una forma generalizada del Teorema de Maxwell,
conocida como el "Teorema reciproco de Maxwell-Beni".
El advenimiento de los ferrocarriles dio un gran impulso al desarrollo del análisis
estructural. De pronto fue necesario construir puentes de grandes claros capaces de
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soportar cargas móviles muy pesadas. En consecuencia, el cálculo de esfuerzos y
deformaciones adquirió gran importancia
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"; así mismo, presentó 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 deflaciones de cerchas, con el complemento al diagrama de Williot,
conocido como 'el diagrama de Mohr-Williot", de gran utilidad práctica. También obtuvo
el famoso "Circulo de Mohr". para la representación gráfica de los esfuerzos en un
estado biaxial de esfuerzos.
En 1873, Alberto CASTIGLIANO (1847-1884) presentó el principio del trabajo
mínimo, que habla sido sugerido anteriormente por MENABREA y que se conoce como
el “Primer teorema de Castigliano”. Posteriormente, presentó el "Segundo teorema de
Castigliano”, para encontrar deflexiones, como un corolario del primero. En 1879,
publicó en París su famoso libro Theoreme de l’Equilibre de systemes Elastiques et ses
Applications, destacable por su originalidad y muy importante en el desarrollo del análisis
hiperestático de estructuras.
En 1886, Heinrich MULLER-BRESLAU (1851-1925) publicó 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 Reciprocas, 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.
En Estados Unidos, dos grandes desarrollos en el análisis de estructuras
estáticamente indeterminadas fueron hechos por G. A. Maney (1888-1947) y Hardy
Cross (1885-1959). En 1915 Maney presentó el método pendiente-deflexión, mientras
que Cross introdujo la distribución de momentos en 1924
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Hardy CROSS profesor de la Universidad de Illinois, publicó, en 1930, su famoso
"Método de distribución de momentos", que, puede decirse, revolucionó el análisis de
las estructuras de marcos continuos de concreto reforzado y puede considerarse uno
de los mayores aportes al análisis de estructuras indeterminadas
(Figura 4).
Este método
de aproximaciones sucesivas evade la resolución de sistemas de ecuaciones, como las
presentadas en los métodos de Mohr y Maxwell. La popularidad del método decayó con
la disponibilidad de los computadores, con los cuales la resolución de sistemas de
ecuaciones dejó de ser un problema. Los conceptos generales del método fueron
extendidos posteriormente al estudio de flujo en tuberías; así mismo, se hicieron
populares los métodos de KANI y TAKABEYA, también de tipo iterativo y hoy en
desuso.
(imagen 4) torres Europa: Un desafío a la ley de gravedad, concreto reforzado, Madrid
En la década de los cincuenta, 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.
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En la primera mitad del siglo xx, muchos problemas estructurales complejos fueron
expresados en forma matemática, pero no se disponía entonces de computadoras para
resolver prácticamente las ecuaciones resultantes, esta situación continuo en la década
de 1940, cuando gran parte del trabajo para analizar estructuras de aviones se realizo
con matrices, por fortuna el desarrollo de las computadoras digitales hizo practico el
uso de las ecuaciones paran esas y para muchos otros tipos de estructuras, incluido
los edificios de gran altura.
EVOLUCION DEL ANALISIS ESTRUCTURAL
ANTES DE LOS GRIEGOS (340 –600 AC)
Los pueblos de Egipto, Asiria y Persia fueron los más destacados de este período.
•
Las pirámides egipcias
•
los templos construidos con columnas, muros y vigas en piedra y barro
cocido.
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.
PERÍODO TEMPRANO (1493- 1687)
•
Francis Bacon (1561-1626), fue uno de los creadores del método
experimental.
•
Galileo Galilei (1564-1642). Considerado como el fundador de la teoría de
las Estructuras. Analizó la falla de algunas estructuras simples como la viga
en voladizo
(imagen 5) Galileo, Dibujo de la viga en voladizo, Tomado de Galileo, 1976
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•
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Robert Hooke (1635-1703), desarrolló la ley de las relaciones lineales entre
la fuerza y la deformación de los materiales.
•
Isaac Newton (1642-1727), formuló las leyes del movimiento y desarrolló el
cálculo.
PERÍODO PRE MODERNO (1688 - 1857)
•
Leonard Euler (1707-1783), desarrolló la teoría del pandeo de columnas.
•
Charles August de 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.
•
Emile Clayperon (1799-1864), quien formuló la ecuación de los tres
momentos para el análisis de las vigas continúas.
•
Lagrange (1736-1813). con las ecuaciones de flexión de placas.
PERÍODO MODERNO (DESDE 1858)
•
J.C. Maxwell (1831-1879), método de las deformaciones coherentes y la ley de
las deflexiones.
•
Alberto Castigliano (1847-1884), quien formuló el teorema del trabajo mínimo.
•
C. E. Grene (1842-1903), desarrolló el método del momento-área.
•
H.Müller-Breslau (1851-1925), quien presentó un principio para la
construcción de las líneas de influencias.
•
G. A. Maney (1888-1947), método de la pendiente-deflexión.
•
HARDY CROSS (1885-1959), método de Distribución de Momentos,
•
El alemán Otto MOHR (1835-1918), desarrolló el método para determinar las
deflexiones en vigas, conocido como el método de las cargas elásticas o la
Viga Conjugada.
•
Alberto CASTIGLIANO (1847-1884), el principio del trabajo mínimo, que se
conoce como el Primer Teorema. Posteriormente, presentó el denominado
Segundo Teorema de para encontrar deflexiones.
PERÍODO CONTEMPORANEO
Hacia la mitad del siglo XX fueron desarrollados poderosos equipos de cálculo, tales
como computadores analógicos y digitales, y los ingenieros fueron impulsados a
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establecer métodos que requieran menos suposiciones y restricciones en el
planteamiento de los problemas, logrando mejores resultados. Fue introducido el
llamado Método Matricial de análisis de estructuras
LAS COMPUTADORAS EN EL ANALISIS ESTRUCTURAL
El desarrollo de los computadores electrónicos durante las últimas décadas ha
estimulado sobremanera el trabajo de investigación en muchas ramas de la
matemática. La mayor parte de esta actividad ha estado, naturalmente, relacionada con
el desarrollo de los procedimientos numéricos apropiados para el uso de los
computadores, y en el campo del análisis de estructuras ha conducido al desarrollo de
métodos que utilizan las ideas de las ideas del algebra matricial.
El hecho de que los métodos matriciales estén ligados con los computadores y que
se emplee en los mismos una que se emplee en los mismos una notación no familia
notación no familiar a algunos ingenieros, ha llevado a la creencia de que incluyen
nuevos difíciles conceptos matemáticos y estructurales. Esto no es cierto. Un
conocimiento de las operaciones básicas del algebra matricial es todo cuanto se
requiere, y los únicos principios estructurales necesarios son los elementales tratados
en todos los textos de estructuras.
Los métodos clásicos del análisis estructural, desarrollados en las postrimerías del
siglo XX, tienen las cualidades de la generalidad, simplicidad lógica y elegancia
matemática. Desgraciadamente, conducían a menudo a cálculos muy laboriosos
cuando se aplicaban a los casos prácticos, y en aquella época, en la que incluso las
máquinas de calcular eran raras, esto entrañaba un serio defecto. Por esta causa,
sucesivas generaciones de ingenieros consagraron gran parte de su gran parte de su
esfuerzo a reducir el conjunto de esfuerzo a reducir el conjunto de cálculos precisos
cálculos precisos.
Muchas técnicas ingeniosas de gran valor práctico fueron apareciendo, pero la mayor
parte de las mismas eran solamente aplicables a tipos determinados de estructuras, e
inevitablemente el incremento en el número de métodos superficialmente diferentes
llevó a oscurecer la simplicidad de las ideas fundamentales, de las que todos ellos
originalmente provenían. Puede también suponerse que la necesidad de obtener
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técnicas prácticas para el análisis de estructuras lineales desvió a muchos
investigadores que pudieron haber contribuido de otra forma a un mejor entendimiento
del comportamiento real de las estructuras, con el resultado que la investigación de
fenómenos tales como la plasticidad y la la plasticidad y la inestabilidad, fueron
pospuesta inestabilidad, fueron pospuestas.
La principal objeción a los primeros métodos de análisis fue que los mismos
conducían a sistemas con gran número de ecuaciones lineales, difíciles de resolver
manualmente. Con los computadores, capaces de realizar el trabajo numérico, esta
objeción ya no tiene fuerza, mientras que las ventajas de la generalidad de los métodos,
permanece. Esto explica porque los métodos matriciales deben en su tratamiento
básico de las estructuras más al siglo XIX que al XX.
El ingeniero, el análisis matricial y el computador En la actualidad, el ingeniero que
se dedique al diseño de estructuras, debería estar familiarizado con los métodos del
análisis matricial de estructuras, porque constituyen una herramienta poderosa de
análisis. Al mismo tiempo deberá estudiar y entender el uso correcto de esta forma
automática de análisis. El resultado de un análisis por computador es solo tan bueno
como los datos y el modelo de los cuales se parte.
El criterio y la habilidad del ingeniero, nunca podrán automatizarse, que el criterio y
el entendimiento del comportamiento de las estructuras, siempre deberá estar presente
cuando se idealice la estructura, se hagan suposiciones acerca de las cargas y
solicitaciones, el comportamiento del material, las condiciones de apoyo, las
conexiones entre diversos elementos, que son necesarias antes de iniciar el análisis.
Lo mismo se aplica a la interpretación y uso a la interpretación y uso correcto del
resultado correcto de los resultados de tales análisis.
BUILDING INFORMATION MODELING
Es lo mas nuevo que existe en proyectos estructurales el BIM es no es un software,
aunque obviamente el software forma parte del BIM. BIM es un método de trabajo que
se define en el contexto de la cultura colaborativa y de la práctica integrada, y supone
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una profunda transformación que afecta a todos los procesos de diseño, constructivos
y de gestión de activos que hemos conocido hasta ahora.
Este nuevo método de trabajo, integra a todos los agentes que intervienen en el
proceso de edificación, arquitectos, ingenieros, constructores, promotores, facilities
managers, etc., y establece un flujo de comunicación trasversal entre ellos, generando
un modelo virtual que contiene toda la información relacionada con el edificio durante
todo su ciclo de vida, desde su concepción inicial, durante su construcción y toda su
vida útil, hasta su demolición.
La información concentrada y registrada en este modelo virtual es muy diversa y
cada vez más completa. Va desde los agentes intervinientes en el proceso, el propio
modelo del edificio, aspectos técnicos, estructurales, de instalaciones, de eficiencia
energética,
económicos,
de
materiales,
comerciales,
fases
de
ejecución,
mantenimiento, administración, etc.
(imagen 6) Building Information Modeling.
Cada agente que interviene en el proceso de edificación, es parte del método de
trabajo BIM, cada uno de ellos tiene unas competencias propias y acceso a la parte de
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información que le es relevante. Por eso es fundamental que todos ellos conozcan el
método BIM y cómo funcionan sus herramientas.
La información que se aporta al modelo BIM, proviene de distintos tipos de software,
programas de modelado, cálculo estructural, MEP, software de presupuestos, análisis
de comportamiento energético, etc. El conocimiento de todas estas herramientas y de
la capacidad de interoperabilidad entre ellas, es fundamental para la correcta
implantación del BIM, que es lo nuevo y el futuro de la ingeniería en general.
CONCLUSIONES
❖ El Análisis estructural ha estado evolucionando de a pocos en la antigüedad
y a grandes pasos en el periodo premoderno y moderno, donde se
descubrieron la mayor parte de las formulas y procedimientos que seguimos
utilizando, y en la actualidad hasta llegar a las computadoras, y suponemos
que con el transcurso del tiempo se conseguirán descubrimientos mas
importantes.
❖ Si bien la Ingeniería Civil esta siendo apoyada en gran parte por software,
además del BIM es necesario tener conocimientos previos antes de
insertarse en el mundo tecnológico. Teniendo el cuenta procedimientos que
se utilizaron en la historia.
BIBLIOGRAFIA
❖ McCormac, Jack C. Análisis de estructuras “Método Clásico y Matricial”,
cuarta edición. Alfaomega Grupo Editor, México, junio 2010.
WEBGRAFIA
❖ Cervantes, M. Arrieta, J. (10 de febrero de 2014). Evolución del Análisis estructural.
[Archivo prezi]. https://prezi.com//
❖ Quiroz, J. (21 de abril de 2012). Historia del Análisis Estructural, [Archivo pdf].Scrib.
https://es.scribd.com/
❖ Marchan, V. Historia del Análisis Estructural, [Archivo pdf]. Academia.
https://www.academia.edu/
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