La evolución de los puentes en el siglo XIX: fundición, hierro forjado y acero | #MundoIngeniería

¿Por qué evolucionaron los puentes en la segunda mitad del s. XIX? Dos razones fundamentales: la

  • ¿Por qué evolucionaron los puentes en la segunda mitad del s. XIX? Dos razones fundamentales: la máquina de vapor y el ferrocarril.
  • En este interesante artículo nuestro compañero el ingeniero Enrique Hernández Gómez-Arboleya analizará los factores clave de este desarrollo de las construcciones de grandes puentes y viaductos.
  • Desde el puente de Coalbrookdale al Eads Bridge, veremos cómo el desarrollo de materiales como la fundición, el hierro forjado o el acero fueron primordiales. 
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Introducción: La evolución de los puentes en el s. XIX

La impresionante evolución de los puentes que se produce en la segunda mitad del siglo XIX tiene dos razones fundamentales: la máquina de vapor y el ferrocarril.

Evolución de los puentes Evolución de la situación de la producción de hierro

Evolución de la situación de la producción de hierro

 

La producción de fundición  y de hierro forjado estaba unida, en un principio, a limitadas producciones locales ligadas a los territorios húmedos donde la existencia de bosques y de ríos caudalosos permitían la producción local de carbón vegetal para la fundición de los minerales ferruginosos y la utilización de la fuerza del agua para forjar el hierro mediante golpeo.

El uso del carbón mineral y de las máquinas movidas por el vapor permitió liberar la producción de hierro de las zonas húmedas y acercarla a las cuencas mineras con abundante carbón mineral. Finalmente, el abaratamiento del transporte marítimo permitió situar los centros de fabricación, transportando carbón y minerales de hierro, cerca de los centros consumidores, en gran parte situados en las zonas costeras.

La otra razón del desarrollo de los puentes es la imposibilidad del ferrocarril de superar fuertes pendientes para su explotación comercial, lo que exigió la construcción de grandes viaductos en todo el mundo occidental para salvar los obstáculos orográficos. El desarrollo del transporte ferroviarios, con mayores velocidades y capacidad de carga, exigió de los puentes ferroviarios soportar mayores sobrecargas y  tensiones, siendo las tracciones del material de construcción las que exigían nuevos materiales y nuevo cálculo estructural.

Los materiales: funcición, hierro forjado y acero

No es casualidad que el primer puente metálico se construyera en el pueblo de Coalbrookdale: el carbón y el hierro son muy abundantes en esa zona  y, además, se encuentra junto al rápido río Severn.

En la construcción de puentes se han utilizado diferentes materiales derivados del mineral de hierro: la fundición, el hierro forjado y el acero. Entre ellos hay diferencias de composición  y de fabricación.

La diferencia básica de composición entre los tres es el contenido de carbono: en la fundición y en el hierro forjado está por encima del 2% y en el acero por debajo de esa cantidad. La diferencia entre la fundición y el hierro forjado radica en el tratamiento que se aplica a este último para mejorar sus características mecánicas: este tratamiento puede hacerse por golpeo (mediante prensas hidráulicas) o por laminación en caliente donde se prensa el material mediante rodillos a la vez que se le da forma fabricando chapas y perfiles metálicos, elementos que, desde entonces, han conformado en gran medida las estructuras metálicas.

La reducción del contenido de carbono del arrabio que sale de los altos hornos solo pudo hacerse en cantidades suficientes para su uso en construcción cuando se inventaron métodos industriales para realizar dicha reducción. El primero de estos procedimientos se debe a HENRY BESSEMER que invento su convertidor  en 1856. Después llegó el proceso Martin-Siemens: en 1867 produjeron acero laminado en railes, que marcó el comienzo de la fabricación de perfiles estructurales comerciales de acero.

Los puentes del ferrocarril

La historia del ferrocarril comienza el 27 de septiembre de 1825 cuando se inauguró la línea Stockon-Dalington. La infraestructura ferroviaria no puede vadear ríos ni coronar puertos de montaña y sus condiciones geométricas son mucho más exigente que las de las carreteras: el tren necesita mayores radios en las curvas y, principalmente, necesita rampas y pendientes más suaves (máximo 20 milésimas)

En la primera mitad del s XIX se produjo un potente desarrollo de los puentes de madera, motivado fundamentalmente por la construcción de las líneas ferroviarias. En 1820 el arquitecto ITHIEL TOWN patentó un sistema de vigas en celosía cerrada. En los primeros ferrocarriles se hicieron muchos puentes con vigas Town de madera, aunque queda poco rastro de ellos porque la inmensa mayoría se han sustituido.

Evolución de los puentes Puente de Rock Creek (EEUU, 1874)

Puente de Rock Creek (EEUU, 1874)

En 1840 patentó WILLIAM HOWE las vigas mixtas de hierro y madera, con barras superior e inferior y cruces de San Andrés de madera, y montantes verticales hechos con barras de hierro muy delgadas, que se pretensaban para que estuviesen siempre en tracción.

Evolución de los puentes Parker Bridge (Ohio, 1876). Luz 52 m.

Parker Bridge (Ohio, 1876). Luz 52 m.

Cuatro años después aparecieron las vigas patentadas por CALEB y THOMAS PRATT, las primeras vigas trianguladas estudiadas a partir de un estudio teórico. Son una variante de las Howe; la diferencia es que éstas tienen montantes de madera y cruces de San Andrés de hierro, sistema más adecuado al funcionamiento de la viga triangulada.

Evolución de los puentes Sulphite Railroad Bridge. (New Hampshire, 1896). Luz 18 m

Sulphite Railroad Bridge. (New Hampshire, 1896). Luz 18 m

En las EEUU se construyeron muchos viaductos hechos a base de palizadas, con conexiones muy simples, de forma que su montaje resultaba muy fácil; sobre la palizada se montaban generalmente vigas simples de madera, o vigas Howe de pequeña luz, si los caballetes que forman la palizada estaban más separados; con estas palizadas se hicieron viaductos de gran envergadura con alturas de más de 50 m

Palizada de la línea Union Pacific, 1869

Palizada de la línea Union Pacific, 1869

Las vigas mixtas de madera y hierro acabaron construyéndose totalmente de hierro. Cuando los ferrocarriles comenzaron a extenderse, los fracasos en puentes de fundición se sucedieron a un ritmo alarmante. Los experimentos de comprobación de la resistencia de este material pusieron de manifiesto la insuficiencia de la tensión de tracción de este material; por ello, a partir de 1850, la fundición desaparece de la construcción de puentes y el hierro forjado se convierte en el material por excelencia hasta que a finales de siglo es desplazado por el acero.

El hierro forjado es, pues, el material de los puentes de la segunda mitad del s XIX, la época de los grandes viaductos del ferrocarril. El hierro laminado dispones de perfiles y chapas; los primeros constituyen las vigas trianguladas: vigas en celosía y arcos. Las segundas constituyen las vigas cajón.

Los primeros grandes puentes metálicos para el ferrocarril fueron los de Conway (1849) y Britannia (1850): dos puentes en forma de viga cajón de hierro forjado. Estos dos puentes son muy innovadores: empleo del hierro forjado, puentes vigas de grande dimensiones y las primeras vigas cajón.

Puente Britannia (1850) R. STEPHENSON. Luz máxima 140 m

Puente Britannia (1850) R. STEPHENSON. Luz máxima 140 m

 

El uso de celosías de hierro forjado en puentes con tensiones cada vez más exigentes y situaciones más desfavorables dio lugar a una serie de accidentes entre 1879 y 1890 de los que destacamos dos de ello por su importancia:

– Puente de Ashtabula. En 1865 se construyó una celosía Howe en hierro  en Ashtabula, Ohio. En una noche de diciembre de 1877 un tren procedente de Nueva York produjo el hundimiento del puente cuando llegó al centro, causando 90 muertos

Puente de Firth of Tay. Deste este puente, inaugurado en 1877, cayó al agua un tren en la noche del 29 de diciembre de 1879, pereciendo sus 100 ocupantes. Un trozo importante de la parte central del puente había desaparecido.

Estos desastres coincidieron con los nuevos procedimientos de fabricación de acero y los procesos de laminación de perfiles estructurales, lo que inició la era de las estructuras de acero de los grandes puentes: puentes arcos como el de Eads, cantiléver como el Firth of Forth y los puentes colgantes.

Eads Bridge, el puente de San Luis (Mississippi)

El primer puente cuya estructura principal es de acero fue el puente de San Luis sobre el río Mississippi, también conocido como Eads Bridge en honor de su constructor el capitán JAMES B. EADS.  El puente, terminado en 1874, tiene tres vanos de 153, 158,5 y 153 m, y, además de su belleza,  fue pionero por varias razones:

-Es el primer puente donde su estructura principal es de acero.

-Las cimentaciones son las más profundas construidas hasta entonces.

-Se construyó sin cimbra, mediante voladizos sucesivos, compensando desde las pilas y atirantando provisionalmente los semiarcos hasta cerrar en clave.

Puente de San Luis (1874). J. EADS. Arco mayor de 157 m de luz

Puente de San Luis (1874). J. EADS. Arco mayor de 157 m de luz

Los dos grandes puentes de finales del siglo XIX fueron también los primeros que se construyeron totalmente de acero: el puente de Brooklyn (1889) y el puente del Firth of Forth (1890).

Autor: Enrique Hernández Gómez Arboleya (Doctor e Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos)

Referencias.

Fotografías.

– Evolución de la situación de la producción de hierro

Palizada. Tierra sobre el agua (Tomo I, 191).

Sulphite Railroad Bridge. Tierra sobre el agua (Tomo I, 190).

– Parker Bridge. Tierra sobre el agua (Tomo I, 189).

– Puente de Rock Creek. Tierra sobre el agua (Tomo I, 179).

– Celosías patentes Howe y Pratt. Puentes y sus constructores, pág.122

Puente Britannia (1850). Tierra sobre el agua, pág. I, 36.

– Puente de San Luis. Urbanstl.com/fórum.

– Puente de San Luis. “Eads Bridge panorama 20090119” de Kbh3rd

 

Libros y publicaciones

– Steinman y Watson (2001) Puentes y sus constructores. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Colección Ciencias, humanidades e ingeniería. Madrid

Fernández Troyano, Luis (2004) Tierra sobre el agua. Tomo I y II. 2ª edición. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Colección Ciencia, Humanidades e Ingeniería. Madrid.

Wikipedia. List of accidents and disasters by death toll.

Repository.javeriana.edu.co. Tésis 600

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