La ciencia en la ingeniería estructural

Cuando hablamos de ciencia pocas veces lo relacionamos con la ingeniería, y menos aún cuando estamos en el mundo de la construcción y de la ingeniería civil. Mi punto de vista es contrario a esta visión habitual, si nos centramos en la construcción de estructuras y la ciencia que hay detrás, es decir la resistencia de materiales, vemos que es una rama científica que no tiene nada que envidiar a otras disciplinas de la ciencia y la técnica.

Es fascinante ver como desde el nacimento hasta la posterior evolución y maduración de la resistencia de materiales ha seguido los mismos pasos que el resto de ramas clásicas de la ciencia. Y más aún si seguimos los nombres propios de los quien han contribuido.

Muchos consideran a Galileo (s. XVII) como el primer gran científico, sus aportaciones en la astronomía, la física y la mecánica son conocidas, pero menos conocidos son sus estudios en el campo de la resistencia de materiales. En su libro ‘Dos nuevas ciencias’ se recoge su trabajo en el campo de la mecánica, Galileo observó que la resistencia de un elemento sometido a tracción es proporcional a su sección e independiente de su longitud. También explicó el mecanismo resistente de una viga en voladizo sometida a flexión. Ahora sabemos que su teoría era errónea pero esta primera publicación sirvió de punto de partida y su testigo pasó a tantos otros.

IIlustración de Galileo de un ensayo a flexión (fuente)

Posteriormente Robert Hooke, coetáneo y rival de Newton, evaluó que el alargamiento de cables y resortes es proporcional al peso que aguantan. La ley de Hooke, que lleva su propio nombre, es la base cuando hablamos de sólidos elásticos.

La resistencia de materiales evolucionó como el resto de ramas de la ciencia, avanzó a medida que el pensamiento científico y las herramientas teoricas y técnicas evolucionaban. Actualmente todo el mundo tiene acceso al conocimiento pero a finales del siglo XVII el cálculo (sí la asignatura de derivadas e integrales) era la herramienta más potente de la época, y solo cuatro hombres estaban familiarizados con esta rama de las matemáticas. Estos eran Leibnitz, Newton y los dos hermanos Jacob y Johann Bernoulli. Estos dos últimos son conocidos en el mundo de las matemáticas pero también trabajaron en el campo de las estructuras estudiando la deformación de vigas. El hijo de Johann, Daniel Bernoulli siguió los pasos de su padre, su publicación más importante fue ‘Hidrodinámica’ donde postuló el principio de Bernoulli pero de sus conversaciones con Euler surgieron grandes contribuciones a la resistencia de materiales.

Jacob, Johann y Daniel Bernoulli y Leonhard Euler (de izquierda a derecha)

Leonhard Euler (s. XVIII) uno de los matemáticos y físicos más conocidos y prolíficos compartió piso con Daniel Bernoulli que lo animó a resolver de forma analítica la ecuación diferencial de la viga. También obtuvo la carga crítica de pando para pilares comprimidos, que es la base para el cálculo de inestabilidad de una estructura.

Durante el siglo XVIII todo estaba por hacer en el mundo de la ciencia y prácticamente aún no había división entre disciplinas. Un mismo pensador tocaba diferentes ramas de la física y de las matemáticas, es habitual encontrar que grandes científicos en ciertas disciplinas también trabajaron en la resistencia de materiales.

Coulomb (1736 – 1806) contribuyó como nadie a la mecánica de sólidos elásticos durante el siglo XVIII pero sus aportaciones más conocidas fueron en los campos de la electricidad y magnetismo. Thomas Young (1773 – 1829) es conocido por su experimento de interferencia de la luz (1801), desde mi punto de vista uno de los experimentos más influyentes de la historia de la ciencia, años más tarde introducía el módulo de elasticidad (o módulo de Young) como propiedad intrínseca del material e independiente de la sección. Lord Kelvin (1824 – 1907) y James Clerk Maxwell (1831 – 1879) grandes personalidades en los campos de la termodinámica y del electromagnetismo respectivamente también trabajaron en la elasticidad y la resistencia de materiales.

Coulomb, Young, Kelvin y Maxwell (de izquierda a derecha)

Estos son algunos de los nombre propios de la resistencia de materiales pero hay muchos más i sino los he citado no es porqué sea secundarios, podría haber hablado también de Navier, Cauchy, Poisson, Stokes, Lamé, Saint-Venant, Mohr o de Stephen Timoshenko, considerado el padre de la resistencia de materiales moderna y autor del libro ‘History of strength materials’. Libro del cual he sacado la mayor parte de la información del artículo y que recomiendo al quien quera ampliar la información de como se ha conformado la ciencia de las estructuras.

History of strength materials. Autor: Stephen P. Timoshenko

Forth Bridge

Forth Railroad Bridge, 1890

Todo ingeniero de puentes siempre se arregla las vacaciones para poder visitar alguna estructura interesante. Éste año yo he aprovechado para ver un de estos puentes que simplement hay que ver alguna vez en la vida, la criatura en cuestión se llama Forth Railroad Bridge, o simplemente Forth Bridge para los amigos.

Solo cuatro datos rápidos para situar y no aburrir: luz máxima 521m, longitud total 2529m, altura máxima de las pilas 100m, y fue construído entre el 1883 y el 1890 ¡y aún está en uso!

La espectacularidad del Forth Bridge es en gran parte gracias a la magnitud de la estructura, utiliza la tipologia estructural de un puentes en voladizo (Cantilever Bridge). Para explicar el mecanismo resistente los propios ingenieros prepararon esta celebre imagen del puente ‘humano’:

Éste diseño fue escogido por los ingenieros John Fowler y Benjamin Baker, aunque inicialmente el puente tenia que ser colgante siguiendo el proyecto de Thomas Bouch. El año 1879, cuando ya se habían empezado los trabajos en la cimentación, se paralizaron las obras debido al colapso del Tay Bridge, proyectado por Thomas Bouch. El accidente tuvo lugar cuando falló una pila durante un gran tormenta, parece ser que el accidente fue una combinación de mal diseño y mal mantenimiento. Se puede encontrar mucha información al respecto en esta web: Tay Bridge Disaster. El accidente se cobró 75 vidas y supuso un choque para la sociedad británica suficiente para parar el proyecto del Forth Bridge. Finalmente, éste cayó en las manos de Fowler y Baker, que rehicieron el diseño inicial. El esquema del puente en voladizo és mucho más estable y com se puede observar en las imágenes, en los puntos de apoyo las pilas se abren para dar más estabilidad lateral.

Una de las características inconfundibles es su color, un rojo subido, escogido para destacar cuando la niebla llega al estuario, muy habitual en la zona. Pero tal magnitud de estructura requiere un gran mantenimiento de la pintura, hasta hay una expresión en inglés que hace referencia: ‘be like painting the Forth Bridge’ para referirse a trabajos que no se acaban nunca (fuente).

El Forth Bridge es una obra magna de la ingeniería situada en un marc incomparable, al lado hay el Forth Road Bridge, una puente colgante terminado en el 1964 que también supuso un gran hito. Y ya se está construyendo el New Forth Bridge, éste será atirantado con tres grandes torres y reforzará el enlace viario. En el 2016, cuando se prevé terminarlo, convivirán tres magnificas estructuras pertenecientes a tres siglos diferentes.

Forth Bridge junto al Forth Road Bridge

Arriba un diseño previo preliminar del puente; abajo el proyecto de Thomas Bouch que se acabo descartando

En recuerdo a los que perdieron la vida construyendo el puente

Forth Bridge entre la niebla

Forth Road Bridge

Estación Internacional de Canfranc

Últimamente se habla mucho de la rentabilidad de las infraestructuras, también fuera del ámbito de la ingeniería, hasta programas como Salvados de la Sexta ha dedicado programas enteros al tema, explicando los excesos de la administración malgastando fondos públicos en aeropuertos, autopistas y AVE totalmente infrautilizados (ver Cuando éramos Ricos, Cuando éramos Cultos). Pero esta tendencia ya existía mucho antes que explotara la burbuja inmobiliaria y un buen ejemplo es la Estación Internacional de Canfranc.

Para situar, la estación está ubicada en Canfranc (Huesca), se inauguró el 18 de julio del 1928. Conectaba con Francia mediante un túnel ferroviario a través de los Pirineos y en su momento fue la estación más grande de Europa, toda una mega-infraestructura para la época. A pesar que se inauguró por todo lo alto nunca tuvo mucho tráfico, claro que las crisis económicas y las diferentes guerras y posguerra no ayudaron. Pero el túnel siguió abierto hasta el 1970, cuando a causa de un accidente de un tren de mercancías en el puente de l’Estanguet, en la parte francesa, se cierra y ja no se recupera nunca la conexión.

Actualmente a falta de saber que pasará con la conexión central pirenaica del AVE (el Eje 16) el recinto está en desuso, el edificio principal está cerrado pero aún hay vagones de tren abandonados y restos de los soportes de las catenarias, realmente parece más un escenario del Call of Duty o los restos de un apocalipsis zombie.

Podéis encontrar las fuentes e imágenes históricas en los siguientes enlaces:

http://www.canfrancestacion.es/
http://www.forbidden-places.net/exploracion-urbana-estacion-de-canfranc#.T1YcQfEaMiA
http://www.canfranc.de/canfranc/start_s.html

Rafael Guastavino y la bóveda catalana

Salvador Tarragó, gran defensor de la figura de Rafael Guastavino lo calificó como el mejor maestro de obras de la historia. Constructor entre finales del s.XIX y principios del s.XX tubo una gran influencia en los EEUU, donde pasó la mayor parte de su vida profesional. No se si ha sido el mejor constructor de bóvedas de la historia, pero si que su figura es de gran importancia aunque no es muy conocida.

Rafael Guastavino (1842, València – 1908, Baltimore), valenciano de origen emigra a Barcelona el año 1861 para formarse como Maestro de Obras donde aprende la técnica de la bóveda catalana, que desarrollará y perfeccionará a lo largo de su vida profesional hasta el punto de exportar sus secretos a los Estados Unidos, donde construirá más de 1000 edificios basados en esta técnica.

La bóveda catalana o bóveda tabicada o bóveda cohesiva, es un técnica de basada en la construcción de bóvedas rebajadas a partir de piezas cerámicas planas. Estas de unen con yeso para hacer la primera capa, es fragua con rapidez y no necesita de cimbras para que la bóveda aguante si cerrar. Una vez terminada la primera capa se construyen las sucesivas capa unidas con mortero, que da la resistencia necesaria.

Guastavino empieza su vida profesional como constructor el año 1866, su obra más emblemática donde participa en su primera etapa es la fabrica “Can Batlló” (Barcelona). Pronto va a buscarse la vida en los EEUU, donde fundará la empresa Guastavino Fireproof Construction Company en el año 1888. Guastavino se da cuenta que la construcción mediante bóveda catalana tiene un gran mercado en los Estados Unidos. Después de los grandes incendios en Nueva York (1835) y Chicago (1871) la sociedad americana estaba muy sensibilizada al respecto, sobretodo en los edificios públicos. Guastavino promueve la bóveda catalana como una técnica constructiva a prueba de fuego, registra varias patentes y realiza pruebas a escala real, quemando literalmente sus construcciones para demostrar la calidad de su construcción.

Muchos arquitectos ven las ventajas que tiene la bóveda catalana, ja sea por los aspectos de seguridad al fuego, como por la economía de la construcción y la calidad arquitectónica de Guastavino, así que la técnica se extiende rápidamente. Entre los edificios más importantes que construye Guastavino están la  Biblioteca pública de Boston, la estación Grand Central en NY, el Carnegie Hall, la catedral de Saint John the Divine o la iglesia de St. Bartholomew en la Quinta Avenida, en Boston también construye la Biblioteca Pública o el East Boston High School.

Rafael Gaustavino muere en el año 1908 y su hijo se hace cargo de la empresa hasta el 1962, cuando finalmente la empresa termina cerrando. La herencia que deja Guastavino es de gran importancia y forma parte de la historia de la construcción, exportó la técnica de la bóveda catalana a los EEUU y dejó su huella en más de mil construcciones.

Fuentes:

http://www.rafaelguastavino.com/

http://es.wikipedia.org/wiki/Rafael_Guastavino

http://www.guastavino.net/

http://tigrepelvar3.wordpress.com/2009/06/16/la-obra-de-rafael-guastavino-que-cambio-la-imagen-de-nueva-york/

http://en.wikipedia.org/wiki/Guastavino_tile

http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/2002/2002_junio_3422_03.pdf

http://patrimonioindustrialdebarcelona.blogspot.com/2009/03/la-fabrica-can-batllo-y-la-escola.html

http://arquicatalana.blogspot.com/2009/10/arquitecte-rafael-guastavino-i-moreno.html

Esta entrada se publica de forma simultanea en Frame and Form gracias a la colaboración con Sergio Carratalá.