Apuntes sobre la ingeniería en el Renacimiento

Hombre de Vitruvio, dibujo de Leonardo da Vinci, expresión del canon estético renacentista.
Hombre de Vitruvio, dibujo de Leonardo da Vinci.

Resulta difícil resumir en un pequeño post todo lo relacionado con la ingeniería que tuvo lugar en un periodo tan apasionante como el Renacimiento. Tras la “oscura” Edad Media, el renacer del hombre como centro del conocimiento y la vuelta atrás en busca de los clásicos supone un avance de gran trascendencia en todos los órdenes del saber y del conocimiento. Vamos, pues, a realizar una pequeña -y siempre imperfecta- incursión en este periodo, a sabiendas de que nos vamos a dejar muchas cosas por el camino. Dejo, por tanto, algunos enlaces a otras páginas para aquel interesado en ampliar la información.

El Renacimiento (siglos XV y XVI) fue un periodo de reactivación científico y tecnológico. Junto con la posterior Ilustración, supusieron un revulsivo ideológico que tuvo su manifestación en el interés por la técnica y los procedimientos constructivos. Los ingenieros nuevamente fueron miembros de una profesión respetada e incluso algunos de ellos recibieron buena paga. Su ingeniería se diferencia claramente de la medieval, al estar claramente influenciada por los clásicos, y en especial por Vitrubio, cuyos textos fueron descubiertos en 1415 en el monasterio de San Gallo. Igual que en las restantes manifestaciones artísticas o científicas, el renacimiento de la técnica tuvo su origen y alcanzó su más alto nivel en Italia.

Nicolás García Tapia (citado por Sáenz, 1993) señala, entre las principales características de la ingeniería renacentista, las siguientes: se instaura una visión humanística de la técnica; aparece la figura del ingeniero teórico, con creciente separación de la técnica de las ciencias herméticas; los ingenieros mejoran su condición social respecto a los alarifes tradicionales y aumentan su movilidad y sus posibilidades de contratación por diversos países; nace la técnica experimental; se establece una nueva concepción de los sistemas mecánicos y se generalizan las invenciones de toda índole. Un buen resumen de la ingeniería de esta época se encuentra en un reciente número monográfico de la Revista del Ministerio de Fomento sobre “Ingeniería, Cartografía y Navegación en la España del Siglo de Oro” (Varios autores, 2005).

En la España de los Reyes Católicos y tras la Reconquista, la ingeniería estuvo muy cercana a las tropas combatientes. España se dividió administrativamente en regiones y por primera vez aparecen las Comandancias de Ingenieros, dependientes de Artillería, que unifican sistemas y criterios para la ejecución de obras de defensa. Se procedió a realizar una gran labor de restauración de castillos y de construcción de puentes y caminos. En 1474, una cédula de los Reyes Católicos prohíbe la construcción de nuevos castillos en España.

La especialización de numerosos Maestros Mayores de Obras o Alarifes, con fuerte tradición medieval, en obras muy específicas de defensa de ciudades y la progresiva evolución de los sistemas de ataque bélico, propician que se vaya recuperando el término romano de “ingenium” para denominar a las máquinas bélicas, fruto del ingenio de la persona que las concibe. Poco a poco, sobre el año 1540, va apareciendo la denominación de Ingeniero para el especialista en la construcción de fortificaciones, que acompaña a los ejércitos, facilitando los ataques a las ciudades o la defensa de las mismas, y cuyo arte se denomina poliorcética.

En Europa aparecen grandes arquitectos como Leone Battista Alberti. La publicación en 1485 del primer libro de arquitectura indica la inquietud que sentía por la divulgación del conocimiento. En la década de 1550 se hizo también famoso en Ferrara Giovanni Battista Aleotti. Las edificaciones del Renacimiento se caracterizan por construir un conjunto racional, cuyos elementos se hallan dispuestos según rigurosas normas de proporción, donde los elementos formales característicos son la construcción circular coronada por una cúpula y la división armónica de la superficie de los muros, entre otras. En la España de Carlos I se conocen numerosos ingenieros italianos que trabajan a las órdenes del emperador, así en el año 1552, encontramos a Gianbattista Calvi reforzando las fortificaciones de Roses, Barcelona y Tarragona. El mismo Carlos I creó en 1543 la Escuela de Artillería de Milán, para formar profesionales con conocimientos de matemáticas, física y construcción, siendo una de las primeras escuelas cuya vida se dilató a lo largo del siglo XVII.

Boceto de grúa ideada por Leonardo da Vinci
Boceto de grúa ideada por Leonardo da Vinci

Durante los siglos XV y XVI tienen también lugar desarrollos importantes en la dinámica moderna que permiten abandonar los postulados de Aristóteles que se habían estado utilizando prácticamente hasta entonces y que quedaban obsoletos. Florencia tuvo el más famoso ingeniero de todos los tiempos. Pocas veces ha sido bendecido el mundo con un genio como Leonardo da Vinci (1452-1519). Anticipó muchos adelantos del futuro; por nombrar algunos: la máquina de vapor, la ametralladora, cámara oscura, el submarino y el helicóptero. Pero, es probable que tuvieran poca influencia en el pensamiento de la ingeniería de su tiempo. Sus investigaciones eran una mezcolanza no publicada de pensamientos e ilustraciones. Era un investigador impulsivo, y jamás resumía su investigación para beneficio de otros a través de la publicación. En sus cuadernos hacía la anotación de sus investigaciones de derecha a izquierda, posiblemente por comodidad, debido a que era zurdo. Da Vinci fue, probablemente, el primero en describir y utilizar técnicas experimentales que hoy día son empleadas en los laboratorios más avanzados. También se puede decir que fue Leonardo el creador del armamento tal como hoy se concibe. Inventó, entre otras, una máquina para hincar pilotes.

Georgius Agrícola (1.494-1.555) y Galileo Galilei (1564-1642) establecieron las bases científicas de la ingeniería. El primero, en su obra póstuma De Re Metallica (1556) recopiló y organizó de forma sistemática todo el conocimiento existente sobre minería y metalurgia, siendo la principal autoridad en la materia durante cerca de 200 años. Galileo es conocido por sus observaciones astronómicas y por su declaración de que objetos de diferentes masas se ven sometidos a la misma “tasa” de caída. Sin embargo, Galileo fue un magnífico ingeniero, con sus proyectos sobre drenaje al pretender desecar las costas venecianas y dedicarlas al cultivo agrícola, o como ingeniero militar. Su contribución más importante en la construcción fue la “teoría de vigas” que tuvo su origen en el análisis comparativo entre las estructuras de los grandes barcos de madera y la de los botes, aunque sus predicciones fueron erróneas al no considerar la elasticidad de los materiales. Una de sus mayores contribuciones fue la formulación de un método científico, ampliamente aceptado. Uno de los descubrimientos más importantes en la historia de la ingeniería mecánica lo realizó Simón Stevin en Holanda, a fines de la década de 1500. Mediante el “triángulo de fuerzas”, permitió a los ingenieros manejar fuerzas resultantes que actuaban en los miembros estructurales. Stevin escribió un tratado sobre fracciones y también realizó trabajos que llevaron al desarrollo del sistema métrico.

Manuscrito de Galileo Galilei sobre la teoría de vigas.

Se pasa, de los siglos XIV y XV, caracterizados por el desarrollo de la construcción, especialmente de castillos, alcázares, atalayas y torres vigías de defensa de la costa, al siglo XVI, centrado en la construcción de palacios y edificios de gran calidad arquitectónica debido a arquitectos de la talla de Juan de Herrera, constructor de El Escorial, de la fachada de la Catedral de Valladolid, etcétera. Algunos ingenieros de aquella época procedían del extranjero como es el caso de Juan Bautista Antonelli, quien dirigió varias obras de fortificación en España e incluso en ultramar, siendo de destacar, entre otras, los castillos del Morro y de la Punta en La Habana, empezados a construir en 1581. A Antonelli se le debe el enlace fluvial Madrid-Lisboa por el Tajo, Jarama y Manzanares, que permitía, en época de Felipe II, navegar en chalupa desde Madrid hasta Lisboa.

En aquellos tiempos España estaba considerada como el país europeo más avanzado en cuanto a conocimientos de fortificación y empleo de armas de fuego, siendo el primero en conocer las reglas, principios y enseñanzas del Arte del Ingeniero y Artillero que se ensañaba en su Academia de Ciencias de Madrid, ochenta años antes de que hubiese sido creada la Real Sociedad de Londres y la Academia Real de Ciencias de París.

En el siglo XVI fue preciso impulsar la agricultura y crear nuevas zonas de regadío, lo que obligó a la construcción de redes de canales, acueductos y presas. En España se construyó en 1594 el célebre dique de Tibi que durante muchos años, con sus 41 m de altura, fue el más alto de Europa. Los veintiún libros de los ingenios y las máquinas de Juanelo Turriano, escrito en 1568, fue el mejor tratado de construcción del siglo XVI. Era la época de Felipe II, que continúa la política de fortificaciones con los Antonelli, así como con Juan de Herrera y su discípulo Cristóbal de Rojas. Éste último escribió en 1598 la Teórica y Práctica de la Fortificación, que fue el primer tratado de fortificación impreso en España.

En el Renacimiento continúa la preocupación por las cimentaciones. Palladio plantea que los cimientos deberían ser el doble de gruesas que los muros soportados por ellas, una dimensión que podría modificarse según la calidad del suelo y la escala de la edificación. Según Alberti, la excavación de la cimentación debería ser horizontal, para evitar cualquier deslizamiento o movimiento y los muros deberían ubicarse en el centro de la zapata, recomendando abrir algunos pozos o fosos para conocer las características de los estratos presentes bajo la superficie. Existe en este momento una mayor preocupación sobre las cimentaciones y sus técnicas constructivas, si bien no es posible realizar un desarrollo evolutivo del diseño de las cimentaciones, pues fueron tan variadas como los edificios que sustentaban.

Referencias

  • SÁENZ, F. (1993). Los Ingenieros de Caminos. Colección de Ciencias, Humanidades e Ingeniería, nº 47. Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 305 pp.
  • VARIOS AUTORES (2005). Ingeniería, Cartografía y Navegación en la España del Siglo de Oro. Revista del Ministerio de Fomento, 542. 200 pp.
  • YEPES, V. (2009). Breve historia de la ingeniería civil y sus procedimientos. Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil. Universitat Politècnica de València.

 

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Diseño óptimo sostenible de muros de contrafuertes

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer decil, Journal of Cleaner Production, un artículo donde se estudia el diseño de los muros de contrafuertes optimizados para reducir sus emisiones de CO2. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental que generan a lo largo de su ciclo de vida. El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 27 de agosto de 2017 en el siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/a/1VLOP3QCo9NDzg

Abstract:

This paper shows the differences between the design of a reinforced concrete structure considering two objectives to minimize; economic cost and CO2 emissions. Both objectives depend on the amount of two high carbon intensive materials: cement in the concrete and steel; therefore, these objectives are related. As the balance between steel and cement per m3 of concrete depends on several factors such as the type of structure, this study focuses on buttressed earth-retaining walls. Another factor that determines the balance between steel and concrete is the height of the wall. Thus, the methodology considers a parametric study for optimal designs of buttressed earth-retaining walls, where one of the parameters is the wall height. One of the objectives is to show the variation in cost when CO2 is minimized, respectful of minimizing the economic cost. The findings show that wall elements under bending-compressive strains (i.e. the stem of the buttressed retaining wall) perform differently depending on the target function. On one hand, the study reveals an upward trend of steel per unit volume of concrete in emission-optimized earth-retaining buttressed walls, compared to the cost-optimized. On the other hand, it is checked that unlike the cost-optimized walls, emission-optimized walls opt for a higher concrete class than the minimum class available. These findings indicate that emission-optimized walls penalize not only concrete volume, but also the cement content, to the extent that a higher concrete class outperforms in reduced emissions. Additionally, the paper outlines how and to what extent the design of this typology varies for the two analyzed objectives in terms of geometry and amount of materials. Some relevant differences influencing the geometry of design strategies are found.

Keywords:

Cargon emission; CO2; earth-retaining wall; reinforced concrete; Harmony search; Threshold accepting

Reference:

MOLINA-MORENO, F.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Carbon embodied optimization for buttressed earth-retaining walls: implications for low-carbon conceptual designs. Journal of Cleaner Production, 164:872-884.

¿Fueron los griegos grandes ingenieros?

El Partenón de Atenas
Partenón de Atenas (Imagen: Kallistos)

La cultura constructiva de Egipto y Mesopotamia tuvo su continuación tanto en la Grecia clásica, como en Roma. La decadencia de la civilización egipcia desplazó el centro del conocimiento a la isla de Creta y después, alrededor de 1400 a. C., hacia la antigua ciudad de Micenas en Grecia. Sus sistemas de distribución de agua y riego fueron parecidos al de los egipcios, pero mejoraron los materiales y su manipulación. Los ingenieros de este periodo se conocían mejor por el uso y desarrollo de ideas ajenas que por su creatividad e inventiva.

Tanto los constructores de Micenas, como los egipcios, manejaron en sus construcciones enormes bloques de piedra, de hasta de 120 toneladas. Además dominaron el arco falso, una técnica con la que se ganaron un puesto en la ingeniería. Este principio lo usaron en las construcciones subterráneas, como tumbas y sótanos y en las superficiales, en puentes para vías y acueductos; estos últimos los construyeron con eficacia, así como los sistemas de drenaje. Los griegos de Atenas y Esparta deben mucho a los ingenieros minoicos, pues fueron más conocidos por el desarrollo intensivo de ideas prestadas que por su creatividad e inventiva.

Puerta de Los Leones (1885)
Puerta de Los Leones en Micenas (fotografía de 1885)

La ciencia griega no fue muy propensa a la ingeniería; sin embargo, su mayor contribución fue descubrir que la naturaleza tiene leyes generales de comportamiento, las cuales se pueden describir con palabras. Además está la ventaja de la geometría euclidiana y su influjo en la técnica. Los griegos, además, pudieron desarrollar una arquitectura muy esbelta, combinada con materiales muy pesados, gracias a la buena calidad del terreno sobre el que se asentaban, que permitían soportar cargas importantes.

Aunque a Arquímedes se le conoce mejor por lo que ahora se llama el “principio de Arquímedes”, también era un matemático y hábil ingeniero. Realizó descubrimientos importantes en geometría plana y sólida, así como una estimación más exacta de las leyes para encontrar los centros de gravedad de las figuras planas. También determinó y demostró matemáticamente la ley de las palancas. Mientras estuvo en Egipto, inventó “el tornillo de Arquímedes”, que consiste en una hélice encerrada dentro de un tubo y que se hace girar para levantar agua. Este dispositivo se usó siglos después en los sistemas hidráulicos y en la minería. Arquímedes también fue constructor de barcos y astrónomo. Típica de su inventiva fue una grúa que instaló en uno de sus mayores barcos, con un gancho para levantar la proa de pequeños barcos de ataque hasta vaciarlos de su contenido, para después echarlos al agua de popa. El tirano de Siracusa, Heron II, en el siglo III a.C. utilizó sus conocimientos en defensa de la ciudad frente al ataque de los romanos. Su comportamiento fue semejante al de los ingenieros tal y como se concibieron en los siglos XV a XVIII, siendo una de las grandes mentes de todos los tiempos.

La primera obra de ingeniería cuya autoría está bien documentada es el abastecimiento de aguas de la ciudad de Samos, que incluía un túnel de 1036 m de longitud. Data del siglo VI a.C. y su autor fue, según Herodoto, el arquitecto Eupalinos de Megara. Conocemos los nombre de varios otros ingenieros griegos, como son los de Crates, que en el siglo IV a.C. realizó el desagüe del lago Copaïs mediante una galería de 2400 m de longitud, o Thophylactos, autor de una calzada cerca de Jalkis o el mítico Sóstrato de Cnido, al que se le atribuye el faro de Alejandría en el siglo III a.C. Otro ingeniero importante fue el macedonio Dinócrates, el planificador de la ciudad de Alejandría. El propio Herodoto, apasionado admirador de los persas, nos habla de las obras de ingeniería realizadas por los oficiales de Darío y Jerjes. Nos ha legado los nombres de algunos de ellos como Mandrocles de Samos, autor del puente sobre el Bósforo. El mejor ejemplo de estructura de contención de la antigüedad está en el tempo de Demetrio en Pérgamo (s.II a.C.). Para construir una terraza en el frente del muro se requería un muro de 14 m de altura y 85 m de longitud con contrafuertes.

Aproximadamente en 440 a. de J.C., Pendes contrató arquitectos para construir templos en la Acrópolis, en Atenas. Un sendero por la ladera occidental llevaba a través de un inmenso portal conocido como Los Propóleos, hasta la cima. Las vigas de mármol del cielo raso de esta estructura estaban reforzadas con hierro forjado, lo que constituye el primer uso conocido del metal como componente en el diseño de un edificio. Las escalinatas de acceso al Partenón, otro de los edificios clásicos de la antigua Grecia, no son horizontales. Los escalones se curvan hacia arriba, al centro, para dar la ilusión óptica de estar nivelados. En la construcción actual de puentes se toma en cuenta generalmente el hecho de que los que se curvan hacia arriba dan impresión de seguridad, en tanto que los horizontales parecen pandearse por el centro.

Isla de Pharos
Faro de Alejandría, Atlas de Jansson Jansonius (1630)

Probablemente, las obras portuarias de mayor sofisticación en la antigüedad fueron las del primer puerto de Alejandría (Egipto), construido al oeste de la Isla de Pharos alrededor del 1800 a.C. por los minoicos. La dársena principal, diseñada para albergar 400 embarcaciones de unos 35 m de eslora, tenía 2300 m de longitud, 300 m de ancho y entre 6 y 10 m de calado. Se utilizaron grandes bloques de piedra en los numerosos diques y muelles del puerto. Alejandro el Grande y sus sucesores griegos reconstruyeron el puerto dotándole de apariencia monumental (300-100 a.C.). Se prolongó el dique hasta una longitud de 1.5 km, conectando con la Isla de Pharos. El dique se interrumpía en dos aberturas que, a su vez, configuraban dos dársenas con un área de 368 Ha y 15 km de línea de atraque. Alejandría, es probablemente la más conocida por su torre de 130 m de altura, construida con sillares unidos con mortero hidráulico y revestidos con bloques de piedra blanca, en la que se alojaba el faro que era avistado por las embarcaciones desde 50 km mar adentro. Fue considerado una de las maravillas de la antigüedad, finalmente destruido por sendos terremotos en 1326 y 1349.

En 305 a.C., Demetrio había producido la máquina de guerra más temible de la época: el castillete, diseñado por el ingeniero Eplmaco, de nueve pisos, con una base cuadrada que medía entre 15 y 22.5 m por lado y una altura total entre los 30 y los 45 m. Todo el equipo pesaba cerca de 82 toneladas, tenía ocho inmensas ruedas con aros de hierro y lo empujaban y jalaban 3 400 soldados (acarreadores del castillete). Cada uno de los nueve pisos contenía un tanque de agua y cubetas para apagar los fuegos que lo incendiaran. Una de las defensas en contra de esa torre parece ahora haber sido bastante perspicaz, consistente en prever la trayectoria que seguiría la máquina y reunir aguas negras y de lavar, e incluso la escasa agua de beber si era necesario, para vaciarla durante la noche frente al camino. Estos castilletes eran monstruos muy poco maniobrables, de tal manera que si se arrojaba suficiente líquido a la tierra y se daba tiempo para que penetrara el agua, la torre se atascaba inevitablemente. Este es un ejemplo antiguo de la creencia común en los círculos militares contemporáneos de que para cada arma ofensiva hay al menos un arma defensiva potencialmente efectiva. El castillete fue un arma ofensiva muy usada durante años, hasta que la invención del cañón hizo que las murallas perdieran su efectividad como una línea de defensa.

Pero ningún ingeniero antiguo adquiere tanto relieve en la memoria de Herodoto como Artaqueas, el oficial que, para que cruzara la escuadra de Jerjes, cortó con un canal la península de Athos. En aquella obra descomunal, hecha para ser usada una única vez y, sobre todo, para hacer ostentación de la grandeza de Jerjes, se emplearon decenas de  miles de soldados, agrupados en batallones de las más diversas etnias.

La ingeniería tiene un gran desarrollo y perfección en Roma como lo demuestra la construcción de abastecimientos de agua o poblaciones con toda la infraestructura de canales y acueductos que ello conlleva, el saneamiento de las ciudades, las defensas y las vías de comunicación (calzadas y puentes) que tanta importancia tuvieron en el Imperio. Puede decirse que mientras Grecia fue Arquitectura, Roma fue Ingeniería. Pero eso ya es otra historia y es objeto de otro post.

 

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BIM, declaraciones ambientales de producto e inercia térmica: tres vías para la consolidación de las soluciones en prefabricado de hormigón

BIM: Digitalización productos/sistemas constructivos

Resumen: En un contexto social y reglamentario cada vez más exigente, coexisten tres tendencias que se presentan como una inmejorable oportunidad para la consolidación definitiva de las soluciones prefabricadas de hormigón como la variante industrializada de la construcción de edificios e infraestructuras, con todas las ventajas que ello proporciona en términos de rapidez de ejecución, control más exhaustivo en proyecto y obra, calidad, precisión dimensional, eficiencia y rentabilidad económica. Tanto BIM, como las declaraciones ambientales de producto y la inercia térmica, son tres aspectos que guardan una correlación.

Palabras clave: prefabricado, hormigón, BIM, DAP’s, inercia térmica, sostenibilidad

Referencia:

LÓPEZ-VIDAL, A.; YEPES, V. (2017). BIM, declaraciones ambientales de producto e inercia térmica: tres vías para la consolidación de las soluciones en prefabricado de hormigón. VII Congreso de ACHE, A Coruña, junio de 2017, 9 pp.

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Environmental impact shares of a reinforced concrete earth-retaining wall with buttresses

http://blog.360gradosenconcreto.com/tipos-muros-contencion-prefabricados-concreto/

Abstract: Structural engineers focus on the reduction of carbon emissions in reinforced concrete structures, while other impacts affecting ecosystems and human health become secondary or are left behind. The featured life cycle assessment shows the impacts corresponding to each construction stage of an earth-retaining wall with buttresses. In this study the contribution ratio of each input flow is analyzed. Accordingly, concrete, landfill, machinery, formwork, steel, and transport are considered. Results show that despite the concrete almost always accounts for the largest contribution to each impact, the impact shares of steel present noticeable sensitivity to the steel-manufacturing route. The parameter of study is the recycling rate, usually 75% reached in Spain. Noticeable variation is found when the recycling content increases. The relationship between the impacts of each material with the amount of material used discloses research interest.

 

Keywords: Life cycle assessment, Functional unit, Steel recycling rate, Concrete ratio, Photochemical oxidation, Ozone depletion, Global warming.

Reference:

MOLINA-MORENO, F.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; CIROTH, A. (2017). Environmental impact shares of a reinforced concrete earth-retaining wall with buttresses. The Ninth International Structural Engineering and Construction Conference, Resilient Structures and Sustainable Construction ISEC-9, Valencia, Spain July 24-July 29.

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La ingeniería en los siglos XVII y XVIII, la revolución científica y tecnológica

Sello conmemorativo ruso dedicado a Agustín de Bethencourt

Las monarquías absolutas europeas de los siglos XVII y XVIII emprendieron una gran reforma de las comunicaciones y de lo que hoy en días se llamarían obras públicas. Las carreteras, los canales de navegación, los puertos, las presas y canales de regadío se fomentaron como medio de mejorar el comercio. Aparece una organización estatal de carácter cuasi-militar en la medida en que se precisa de una estructura con capacidad de control, jerarquía y disciplina, potenciándose la figura del funcionario al servicio del Estado (ver Celma, 2003).

Antes de mediados del siglo XVIII los trabajos de construcción a gran escala se ponían en manos de los ingenieros militares. La aparición de la artillería y el auge alcanzado por la creación de plazas fuertes, en lo que se llamó guerra de plazas, hizo que se creara en los ejércitos un arma autónoma, denominada Cuerpo de Ingenieros. La ingeniería militar englobaba tareas tales como la preparación de mapas topográficos, la ubicación, diseño y construcción de carreteras y puentes, y la construcción de fuertes y muelles. Sin embargo, en el siglo XVIII se empezó a utilizar el término de ingeniería civil o de caminos para designar a los trabajos de ingeniería efectuados con propósitos no militares.

En el siglo XVI, Enrique IV creó la oficina del “Grand Voyer de France” para supervisar y diseñar la red de caminos de Francia. En el año 1691 Luis XIV propició el impulso de un cuerpo técnico, con formación específica, especialmente dirigido a la construcción de fortificaciones: “les officiers du Génie”. A la postre se emplearían en diversas aplicaciones civiles. Pronto se evidencia la necesidad de una formación específica para estos funcionarios y para el cuerpo de ingenieros militares. En 1672 se crea una escuela para constructores de barcos en Nantes. Existe, además, una tradición de formación de artesanos con escuelas religiosas como los jesuitas (Maison d’arts et métiers de Thonon, 1599; o la escuela de Rouen de 1706).

Paralela a la decadencia española discurre la progresión francesa bajo los reinados de Luís XIII y Luís XIV. El ingeniero más relevante fue el mariscal Sebastián Le Prestre de Vauban (1633-1707), que construye más de 300 fortificaciones en las fronteras. Las enseñanzas de este mariscal, aunque no escribió un libro específico, se publicaron después de su muerte en el libro Verdadero método para fortificar, que fue el más difundido durante el siglo XVIII.

Ciudadela de Besançon en el Franco Condado.

Un hecho importante fue la creación, en el año 1712, de un Cuerpo de Ingenieros Civiles para la inspección de puentes y caminos, lo cual supuso la separación en Francia de los ingenieros civiles de los militares. En 1741 los ingenieros civiles se encargaron también de los puertos de comercio y, en 1747, por fin, se fundó la escuela encargada de formar a dichos ingenieros, la “École de Ponts et Chaussées”. Los profesores de esta Escuela, en parte provenientes de las ramas de la ingeniería militar, escribieron tratados y libros sobre la mecánica de los materiales, sobre máquinas, sobre hidráulica o sistematizaron los conocimientos técnicos de la época. Esta Escuela la dirigió durante 40 años Jean R. Perronet (1708-1794).

Con la llegada de los Borbones a España, Felipe V pretendió crear un Cuerpo, tal como había hecho en Francia Vauban. Para ello encargó en 1709 al teniente general Jorge Próspero de Verboom la organización de un cuerpo de ingenieros. Esta época marca cierto resurgimiento que llega a su máximo nivel bajo la política absolutista de Carlos III (1759-1788). Durante el siglo XVIII se acomete en España de forma más o menos sistemática la conservación de la red de caminos e incluso se inician nuevos trazados. Es en esta época cuando se establecen las bases de la estructura de comunicación con seis radios que tienen como origen Madrid. A finales del siglo XVIII se produce la segregación del Cuerpo de Ingenieros Militares del grupo de ingenieros que estaban ya dedicados a las obras civiles. En el año 1799 se creó la Inspección General de Correos, Postas, Caminos y Posadas y, con ella, se crea el Cuerpo de Ingenieros de Caminos y Canales del Reino. El segundo Inspector General fue Agustín de Bethencourt y Molina (1758-1824). El resto de la historia de la creación de la Escuela de Ingenieros de Caminos y su desarrollo, ya se puede consultar en un post anterior, donde desarrollamos brevemente los antecedentes de la profesión.

Durante el siglo XVIII los gobiernos europeos están dominados por el absolutismo. El encuentro de estos despotismos ilustrados con la filosofía social y política de la Ilustración, propició el triunfo de la razón, que, como hechos más notables, cuestionó el orden establecido y propició la independencia de los Estados Unidos (1776) y la Revolución Francesa (1789). En un post anterior hicimos una referencia a este tema cuando hablamos de los juicios que soportan la ciencia, comparando los pensamientos de Kant y Hume.

Durante los siglos XVII y XVIII el problema geotécnico fundamental es el diseño de muros de contención suscitado por la construcción de las plazas fuertes. Los ingenieros militares escriben tratados con reglas empíricas en función de la tipología del terreno. Gautier (1717) y Belidor (1729) esbozan el análisis de equilibrio límite para explicar el empuje sobre un muro, aunque con un concepto equivocado: la línea de deslizamiento es la correspondiente al talud natural (ver Celma, 2003). Ambos ingenieros escribieron tratados de práctica constructiva usados en las escuelas.

La actividad constructiva apenas progresa en su forma de desarrollarse hasta la revolución industrial: se conocen los fundamentos de la técnica de la construcción, pero, al carecer de los medios auxiliares para su realización, las obras se realizan a costa de un derroche de esfuerzo humano. Hasta finales del siglo XVI no existen más medios auxiliares de construcción que poleas, rodillos, polipastos, etc. El siglo XVII fue excepcional para el desarrollo posterior de la ingeniería. Hacia su final, ocurrió un hecho crucial, puesto que el hombre aprendió a convertir energía calorífica en trabajo mecánico, algo inconcebible hasta entonces. Para llegar a este descubrimiento, tuvieron que realizarse antes otros muchos: hubo que “descubrir” la atmósfera (Galileo, Torricelli y Viviani) y la presión atmosférica (Pascal). En 1672, Otto Von Guericke inventó la primera bomba de aire: el desarrollo de un cilindro con un pistón móvil sería crucial para el posterior desarrollo del “motor de fuego”, como entonces se le dio en llamar. Sólo faltaba mover el pistón con energía calorífica.

Máquina de Newcomen

En 1690, el francés Denis Papin presentó el proyecto de una máquina de vapor que se componía de un cilindro vertical de chapa delgada con un émbolo móvil en su interior. Pero la primera máquina de vapor utilizable se construyó en 1711, en Inglaterra, por Thomas Newcomen, que siguió, en rasgos generales el principio de Papin. La máquina de Newcomen la perfeccionó James Watt en 1763, que fue quien dotó a la humanidad de la máquina alternativa, que ha sido durante mucho tiempo el único motor término importante hasta la aparición de los motores de explosión. Con frecuencia se le atribuye parcialmente a Watt la invención inicial, junto con Savery y Newcomen. Durante un experimento en 1782, encontró que un “caballo de cervecería” desarrollaba 33 000 pies libra (unos 44 700 joules) por minuto, iguales a 1 caballo de fuerza. A la fecha todavía se usa esta equivalencia.

Aunque se suele fechar la Revolución Industrialentre 1750 y 1850, fue en la parte central de este periodo cuando se vivieron los mayores cambios. Fue la máquina de vapor junto con el método, descubierto por Henry Cort, para refinar el hierro, los inventos que proporcionaron una fuente de hierro para la maquinaria y plantas de fuerza motriz para operar la maquinaria. Los motores de Watt empezaron a usarse de modo general hacia 1750 y para 1825, aparecieron las primeras locomotoras dotadas de motores más evolucionados, ligeros y potentes, que usaban vapor a alta presión en vez de vapor a presión atmosférica. En 1804, Richard Trevithick fue el primero en lograr que una locomotora de vapor corriera sobre rieles. Más tarde demostró que las ruedas lisas podían correr sobre rieles lisos si las pendientes no eran demasiado excesivas. Una de las locomotoras de Trevithick se exhibió en una vía circular en Londres en 1808, pero descarriló y volcó. Se habían pagado tan pocos chelines por verla, que no se volvió a colocar sobre la vía.

George Stephenson, después de ser empleado como vaquero, sirvió como fogonero de una máquina de vapor y luego como cuidador de una máquina de bomba. A los treinta y dos años, construyó su primera locomotora de vapor, y luego abogó insistentemente por la enmienda a un acta, aprobada en 1821, para que se empleara la locomoción a vapor en vez de caballos en un ferrocarril que correría desde Stockton hasta la mina de carbón de Willow Park. Utilizó el riel de 1.42 m que se había usado anteriormente para vagones tirados por caballos. Todavía, este calibre de vía es el de uso más común en todo el mundo. Como sabemos, después del desarrollo de los sistemas ferroviarios en Europa y América, los adelantos ingeniería se sucedieron a una tasa cada vez más creciente. La primera mitad del siglo XX produjo un número casi increíble de avances en ingeniería, al grado de que queda poca duda sobre que las dos guerras mundiales fueron catalizadores de gran parte de ese progreso.

El barco de vapor y los ferrocarriles, la unión entre la ciencia y la técnica, la enseñanza de la ingeniería y el desarrollo industrial generaron todas las consecuencias de la Revolución Industrial. De este modo, podemos situar el origen de las primeras construcciones industriales en la segunda mitad del siglo XIX, cuando arranca el proceso industrializador asociado a la minería, la siderurgia, el ferrocarril y el surgimiento del capitalismo financiero.

El motor de vapor cambió radicalmente las factorías existentes hasta entonces, basadas en molinos de agua o de viento. A partir de ese momento, las fábricas podían situarse prácticamente en cualquier lugar. El desarrollo de fábricas trajo consigo la necesidad de combustible en grandes cantidades que, además, proporcionara suficiente poder calorífico para fundir hierro. La solución la proporcionó el carbón. Se empezaron a desarrollar máquinas que revolucionaron los métodos constructivos y el transporte. La máquina de vapor supuso un cambio importantísimo en el mundo de la construcción, pues permitió el diseño posterior de máquinas auxiliares que se emplearon rápidamente como los martillos de hinca en pilotes, dragas, ferrocarriles, etcétera.

Faro de Eddystone, de John Smeaton

Es en Inglaterra donde John Smeaton (1718-1785) se distinguió como ingeniero constructor diseñando puentes, puertos, canales y obras de desecación. En 1754 se dedicó fundamentalmente a la ingeniería de la construcción creando escuela en Inglaterra entre sus ayudantes sobre lo que sería la ingeniería racionalizada. A Smeaton se debe la invención del primer cemento hidráulico que utilizó en 1759 en la construcción del faro de Eddystone. Este ingeniero fue el que acuñó por primera vez, en 1750, el término de “ingeniero civil” para su profesión, para señalar que su incumbencia no era militar. En 1771 un pequeño grupo de ingenieros, a los que se llamaba frecuentemente para dar su testimonio sobre proyectos de puertos y canales, formó la “Society of Civil Engineers” con el objeto de reunir y transmitir las experiencias de ingenieros, constructores, empresarios y abogados en la promoción de las obras públicas. Esta sociedad se constituyó en la “Institution of Civil Engineering” en 1818, iniciando con ello una especialización dentro de la ingeniería.

En este siglo XVIII la ingeniería en general y la aplicada se ve reflejada en la obra de Jacobo Benson. En ella se reseñan las distintas tipologías de medios auxiliares de construcción, máquinas de pilotaje, tornos de arrastre de piedras, máquinas y bombas hidráulicas. En este siglo se empleó por primera vez el método de la precarga (Sowers et al, 1972): el emplazamiento de la futura construcción se cargaba con anterioridad para provocar una parte de los asientos antes de construir la obra. Sin embargo, parece ser que se desconocía el fundamento de este procedimiento.

En 1783 un arquitecto inglés, Wyatt, empleó por primera vez, al parecer sin intencionalidad clara, una cimentación parcialmente flotante, el peso de las tierras excavadas era al menos un 50% del peso del edificio mediante la construcción de sótanos. Este método, usado a comienzos del siglo XIX, fue pronto olvidado, y no reapareció hasta final de la década de 1920.

La cimentación de cajones presenta como característica principal el ser construido sobre el terreno o el nivel del agua y a continuación son hundidos hasta la profundidad requerida. El primer caso registrado de empleo de cajones es un trabajo de este tipo para los cimientos del puente Tuileries, construido en 1685 . Primeramente se preparó y dragó el lecho del río; a continuación, el cajón, que consistía simplemente en una barcaza llena de piedras, fue hundido en donde había de situarse uno de los pilares. La obra de albañilería que constituía los pilares fue entonces descendida a través del agua hasta colocarla sobre estos primitivos cajones cerrados. En 1738, Labelye empleó cajones de compartimentos, de madera, para los cimientos del puente Westminster.

El primer Puente de Westminster. Óleo de Canaletto (1746)

El primer puente del mundo de hierro fundido fue construido en Inglaterra en 1779 por Abraham Darby sobre el río Severn en Coalbrookdale, Shorpshire, y se encuentra todavía en buen estado. Tiene una luz de 30 m y pesa 378 t; cada arco semicircular fue moldeado en dos piezas. El uso de este material estructural también ocurrió en edificios industriales como la Hilandería de Salford (Boulton & Watt, 1801) y el Cristal Palace de la Gran Exposición Londinense (Joseph Paxton, 1851).

Puente de Coalbrookdale (1777-1779)

El primer empleo masivo de los explosivos en túneles tuvo lugar hacia 1680 con ocasión de las obras del canal del Languedoc, para un tramo de tobas de 150 m de longitud y una sección de 6.60 x 8.70 m2. El siglo XVIII conoció importantes túneles mineros en Inglaterra, como los de Harecastle, de más de 2500 m de longitud.

Estamos a punto de iniciar el  siglo XIX. Pero eso ya es objeto de otro post.

Referencias:

CELMA, J.J. (2003). Geotecnia e Ingeniería Civil. Una aproximación (reflexión) histórica. Inter Técnica Ediciones, Valencia.

SOWERS, G.B.; SOWERS, G.F. (1972). Introducción a la mecánica de suelos y cimentaciones. Limusa-Wiley, México.

YEPES, V. (2009). Breve historia de la ingeniería civil y sus procedimientos. Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil. Universidad Politécnica de Valencia.

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¿Fueron los romanos más ingenieros que arquitectos?

Reconstrución de un Polyspastos romano en Bonn, Alemania.

En una entrada anterior tuvimos la ocasión de repasar brevemente algunos aspectos de la ingeniería romana, como fue la construcción de calzadas o puentes. Como podréis comprobar, el tema da para varias enciclopedias y el objetivo aquí es simplemente dar un par de pinceladas para despertar la curiosidad sobre aspectos históricos de la ingeniería. Además, en internet existen multitud de enlaces que permiten ampliar el tema considerablemente.

Podríamos empezar por la ingeniería municipal. Las ciudades del imperio romano disponían de sistemas de drenaje y suministro de agua, calefacción, baños públicos, calles pavimentadas, mercados de carne y pescado y otras infraestructuras municipales comparables a las actuales. La aplicación de la ingeniería en las artes militares y en los problemas de navegación, adecuación de puertos y bahías implicó, como en los otros casos, el uso de máquinas, materiales y procesos, que hablan del grado de desarrollo de la ingeniería romana, de la cual quedó constancia escrita en muchos tratados escritos en aquel tiempo y entre los cuales descuellan los trabajos de Marco Vitruvio. Su libro De Archítectura, lo escribió durante primer siglo d.C., donde incluyó el concocimiento del momento sobre materiales y métodos de construcción, hidráulica, mediciones, diseño y planificación urbana. Otra innovación en el ámbito urbano fue la invención del alumbrado público en la ciudad de Antioquía, aproximadamente hacia el año 3~0 d.C. Una innovación interesante de esa época fue la reinvención de la calefacción doméstica central indirecta, que se había usado cerca de 1200 a.C., en Beycesultan, Turquía. Lo extraño es que, tras la caída del Imperio Romano, este tipo de calefacción no se volviera a utilizar.

Restos de los acueductos Aqua Claudia y Anio Novus, integrados como portones de la Muralla Aureliana en el año 271.

Los romanos también fueron buenos ingenieros hidráulicos. En comparación con los anteriores, sus acueductos  eran mayores y más numerosos. Casi todo lo que se sabe actualmente del sistema romano de distribución de aguas proviene del libro “De Aquis Urb’is Romae” de Sexto Julio Frontino, quien fue autor del Aquarum de Roma, de 97 a 104 a.C. Frontino llevaba registros de la utilización del agua, que indican que el emperador usaba el 17%, el 39% se usaba en forma privada, y el 44% en forma pública. Se calcula que en Roma diariamente se consumían entre 380 y 1 100 millones de litros de agua. La fracción del 44% para uso público estaba subdividida adicionalmente en 3% para los cuarteles, el 24% para los edificios públicos, incluidos once baños públicos, 4% para los teatros, y 13% para las fuentes. Había 856 baños privados a la fecha del informe. En todo caso, la administración del agua en Roma era una tarea considerable e importante. Gran parte del agua que supuestamente debería entrar a la ciudad jamás lo hizo, debido a las derivaciones que tenían escondidas los usuarios privados.

Para resolver el problema de la toma de agua para las ciudades, los romanos construyeron acueductos  siguiendo en esencia el mismo diseño, que usaba arcos semicirculares de piedra montados sobre una hilera de pilares. Cuando un acueducto cruzaba una cañada, con frecuencia requería niveles múltiples de arcos. Uno de los mejor conservados de la actualidad es el Pont du Gard en Nimes, Francia, que tiene tres niveles. El nivel inferior también tenía una carretera. Los romanos usaron tubería de plomo y luego comenzaron a sospechar que no eran salubres. Sin embargo, el envenenamiento por plomo no se diagnosticó específicamente sino hasta que Benjamín Franklin escribió una carta en 1768 relativa a su uso.

Las técnicas utilizadas en la edificación por los romanos eran muy depuradas empleando, ya en aquellos tiempos, en sus edificios públicos el hormigón y el ladrillo, construyendo grandes bóvedas, como la del Panteón de Roma de 44 m de luz, realizada en el siglo II a.C. e impresionantes acueductos. Estas técnicas no fueron superadas en Europa hasta cerca del 1800. Uno de los grandes triunfos de la construcción pública durante este periodo fue el Coliseo, que fue el mayor lugar de reunión pública hasta la construcción del Yale Bowl en 1914.

El Coliseo de Roma

En el campo de las cimentaciones de los edificios, una de las innovaciónes reseñables son sus plataformas de hormigón en masa, donde la capacidad hidráulica del cemento puzolánico permitió la colocación de las plataformas de cimentación incluso bajo el agua. En algunos casos, la utilización de estas cimentaciones continuas de gran espesor (losa de cimentación), supuso una solución eficaz en suelos pobres, con riesgo de asientos diferenciales. Así, por ejemplo, El Coliseo se alza sobre el antiguo lago del palacio de Nerón, sobre un anillo macizo de 12 m de profundidad y 170 m de diámetro, compuesto de hormigón y de grandes bloques de piedra. De forma similar el Panteón descansa sobre un anillo sólido de 4,5 m de profundidad y más de 7 m de anchura.

El Panteón de Agripa o Panteón de Roma.

La ingeniería civil romana, y sobre todo la rama que se dedicó a las obras marítimas, experimentó un gran avance cuando descubrió la forma de fabricar morteros y hormigones hidráulicos. Vitruvio comentaba las condiciones para la construcción de distintas obras marítimas. Por ejemplo, en el caso de un dique vertical de hormigón en masa establecía que era necesaria la existencia de una playa apropiada, calidad de los fondos aceptable, posibilidad de utilizar en obra el cemento puzolánico y solicitaciones de oleaje de pequeña entidad. El procedimiento constructivo comenzaba construyendo un recinto tablestacado mediante la hinca de maderas de roble. Posteriormente se procedía a sanear sus capas superficiales dragando, al mismo tiempo que se realizaba el perfilado de la cimentación. Las dragas eran manuales, iguales a las que se han utilizado hasta principios del siglo XIX. Posteriormente se hormigonaba bajo el agua, llenando el recinto de conglomerado hidráulico. Se desencofraba retirando las tablestacas y se procedía a un nuevo avance repitiendo los pasos descritos. Se finalizaba la obra coronando el dique con un cabecero realizado mediante muros perimetrales de ladrillo o sillería. El hueco entre ellos se rellenaba de “todo uno” y sobre este material disgregado, se construía la calzada. Se desarrollaron grúas y barcazas que se utilizaron intensivamente en la construcción. Otro de los procedimientos constructivos a destacar es la de los cajones flotantes celulares herméticos, precursor de los diques monolíticos actuales. También hicieron uso de diques con baja cota de coronación (como en Cesarea Marítima, Israel en el 20 a.C.) para reducir la energía del oleaje antes de alcanzar el dique principal. El mayor complejo portuario artificial fue el Puerto Imperial de Roma, diseñado por Trajano, con una dársena hexagonal y un tráfico de trigo con Egipto y Francia de 300,000 t anuales.

Por supuesto, nos dejamos para otros posts, otros aspectos que irán surgiendo sobre la ingeniería y la arquitectura romanas.

Os dejo un vídeo explicativo de la construcción de los muros en este periodo.

 

Referencias:

ADAM, J.P. (2002).  La construcción romana. Materiales y técnicas. Editorial de los Oficios, 2ª edición, León.

FERNÁNDEZ, M. (2001). Ingeniería militar e ingeniería civil, dos ingeniería íntimamente vinculadas. Revista de Obras Públicas, 3.413: 47-57.

FERNÁNDEZ CASADO, C. (1983). Ingeniería hidráulica romana. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.

YEPES, V. (2009). Breve historia de la ingeniería civil y sus procedimientos. Universidad Politécnica de Valencia.

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