estructuras – El blog de Víctor Yepes

Ingeniero, matemático y visionario: la historia de Saint-Venant

Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant (1797 – 1886). https://en.wikipedia.org/wiki/

Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant (Villiers-en-Bière, Seine-et-Marne, Francia, 23 de agosto de 1797 – Saint-Ouen, Loir-et-Cher, Francia, enero de 1886) fue un ingeniero, matemático y científico de la mecánica de medios continuos francés que contribuyó de manera decisiva al nacimiento de esta disciplina, tanto en la mecánica de sólidos deformables como en la mecánica de fluidos. Aunque su apellido completo era Barré de Saint-Venant, en la bibliografía no francesa suele aparecer simplemente como Saint-Venant.

Fue un pionero en el estudio de los esfuerzos en estructuras. Su nombre está vinculado al principio de Saint-Venant para sistemas de cargas equivalentes, al teorema de Saint-Venant, que establece que el círculo es la sección maciza más efectiva contra la torsión, y a la condición de compatibilidad de Saint-Venant, que garantiza la integrabilidad de los tensores de deformación. En mecánica de fluidos, desarrolló las ecuaciones que describen el flujo unidimensional no estacionario de un fluido en lámina libre para aguas poco profundas, conocidas como ecuaciones de Saint-Venant. También fue el primero en «identificar adecuadamente el coeficiente de viscosidad y su papel como factor multiplicador de los gradientes de velocidad en un flujo».

Además, desarrolló un cálculo vectorial similar al de Grassmann (hoy considerado una forma de cálculo exterior), que publicó en 1845. Esto dio lugar a una disputa sobre la prioridad con Grassmann, quien había publicado sus resultados un año antes, en 1844, aunque Saint-Venant afirmó haber ideado el cálculo en 1832.

Vida

Nació el 23 de agosto de 1797 en el Château de Fortoiseau, en Villiers-en-Bière (Seine-et-Marne). Su padre, Jean Barré de Saint-Venant (1737-1810), fue oficial colonial en la isla de Santo Domingo y su madre, Marie-Thérèse Josèphe Laborie, nació en Haití en 1769.

En 1813, con tan solo dieciséis años, ingresó en la École Polytechnique, donde estudió bajo la dirección de Gay-Lussac. Ese mismo año, París se preparaba para resistir la invasión tras la derrota de Napoleón en Leipzig. Todos los estudiantes fueron movilizados, pero Saint-Venant se negó a combatir diciendo: «Mi conciencia me prohíbe luchar por un usurpador». Por esta negativa, tuvo que abandonar la escuela. No obstante, en 1816 logró graduarse como ingeniero tras completar los estudios interrumpidos.

A partir de ese momento, trabajó como ingeniero durante 27 años. Inicialmente, su afición por la química le llevó a ser élève-commissaire del Service des Poudres et Salpêtres (Servicio de Pólvoras y Nitratos), donde trabajó durante los primeros siete años. Posteriormente, durante los veinte años siguientes, ejerció como ingeniero civil en el Corps des Ponts et Chaussées (Cuerpo de Puentes y Caminos). Al mismo tiempo, asistió a cursos en el Collège de France y todavía se conservan sus detalladas notas de las clases de Liouville de 1839-1840.

En 1823 obtuvo permiso para reincorporarse formalmente a la École des Ponts et Chaussées, donde se graduó en 1825 y llegó a ser ingeniero jefe de segunda clase. En 1837 se casó con Rohaut Fleury, de París. Tras un desacuerdo con la administración municipal, se retiró del servicio público el 1 de abril de 1848.

En 1850 ganó por concurso la cátedra de ingeniería agronómica en el Instituto Agronómico de Versalles, que ocupó durante dos años. En ese contexto, en 1851 publicó Principes de Mécanique fondés sur la Cinématique, donde defendía una concepción atomista de la materia y presentaba las fuerzas como entidades cinemáticas, desligadas de las nociones metafísicas o fisiológicas que, en su opinión, oscurecían el concepto físico de fuerza. Su uso del cálculo vectorial, introducido en estas lecciones, fue adoptado por el sistema escolar francés. Posteriormente, sucedió a Coriolis como profesor de matemáticas en la École des Ponts et Chaussées.

En 1868, con 71 años, fue elegido para ocupar la plaza de la sección de Mecánica de la Academia de Ciencias de Francia, en sustitución de Poncelet. En 1869, el papa Pío IX le concedió el título de conde. En 1883, a los 86 años, tradujo (junto con A. Flamant) al francés la Théorie de l’élasticité des corps solides de Clebsch, añadiendo él mismo notas originales al texto. Flamant también redactó su necrológica oficial con otros colegas.

Saint-Venant murió en enero de 1886 en Saint-Ouen (Loir-et-Cher). Las fuentes discrepan sobre la fecha exacta: algunas señalan el 6 de enero y otras el 22.

Obra científica

Saint-Venant trabajó principalmente en mecánica, elasticidad, hidrostática e hidrodinámica. Fue uno de los primeros en aplicar rigurosamente el concepto de esfuerzos internos en sólidos y en describir las condiciones para la integrabilidad de los campos de deformación. En la década de 1850, desarrolló soluciones para la torsión de cilindros no circulares y amplió el trabajo de Navier sobre la flexión de vigas, publicando en 1864 un tratado exhaustivo sobre el tema.

Su contribución más destacada fue probablemente su trabajo de 1843, en el que redescubrió correctamente las ecuaciones de Navier-Stokes para flujos viscosos. En palabras de Anderson:

Siete años después de la muerte de Navier, Saint-Venant rederivó sus ecuaciones para un flujo viscoso, considerando las tensiones internas viscosas y descartando por completo el enfoque molecular de Navier. Su artículo de 1843 fue el primero en identificar adecuadamente el coeficiente de viscosidad y su papel como factor que multiplica los gradientes de velocidad en el flujo, interpretando estos productos como tensiones viscosas debidas a la fricción interna. Saint-Venant lo hizo bien y lo documentó. Que su nombre no quedara asociado a estas ecuaciones es un misterio, sin duda una injusticia técnica.

Stokes también las derivó correctamente, pero su publicación se produjo dos años más tarde, en 1845.

En el ámbito de la hidrodinámica, desarrolló las ecuaciones para el flujo no estacionario en lámina libre, que hoy llevan su nombre (ecuaciones de Saint-Venant). En 1871, derivó las ecuaciones para el flujo no estacionario en canales abiertos.

En 1845, publicó una versión del cálculo vectorial similar a la de Grassmann, quien había publicado en 1844. Saint-Venant defendió que ya había desarrollado estas ideas en 1832 y utilizó este cálculo vectorial en sus clases en el Instituto Agronómico y en su obra de 1851. Aunque sus concepciones atomistas no prosperaron, su enfoque vectorial se adoptó en la enseñanza francesa.

Saint-Venant es recordado como un ingeniero, matemático y científico mecánico excepcional, pionero de la mecánica de medios continuos, del estudio del esfuerzo y la deformación en estructuras, de la hidrodinámica y del cálculo vectorial. Sus contribuciones fundamentales a la elasticidad, los flujos viscosos, la torsión de estructuras y el cálculo cinemático lo sitúan como uno de los grandes fundadores de la ingeniería y la mecánica moderna.

Energía de impacto: cómo responden las estructuras ante una colisión

Figura 1. Ejemplo de carga de impacto entre dos vehículos.

En ingeniería, las cargas que actúan sobre una estructura se clasifican en dos tipos principales: estáticas y dinámicas, según si permanecen constantes o varían con el tiempo.

Una carga estática se aplica lentamente y no produce efectos vibratorios ni dinámicos en la estructura. Es decir, la carga aumenta gradualmente desde cero hasta alcanzar su valor máximo y, a partir de ahí, permanece constante. Un ejemplo de carga estática típica es el peso de un objeto colocado cuidadosamente sobre una superficie.

Por su parte, las cargas dinámicas pueden adoptar muchas formas y comportarse de manera más compleja. Algunas se aplican y se retiran de forma repentina, como las cargas de impacto, mientras que otras persisten durante periodos largos y varían continuamente de intensidad, y se conocen como cargas fluctuantes. Las cargas de impacto se producen, por ejemplo, cuando dos objetos colisionan o cuando un objeto en caída golpea una estructura (Figura 1). En cambio, las cargas fluctuantes suelen estar asociadas a maquinaria rotatoria, tránsito de vehículos, ráfagas de viento, olas del mar, movimientos sísmicos o procesos industriales de fabricación. La carga dinámica sobre un cuerpo se puede considerar como una carga aplicada en forma estática multiplicada por un factor de mayoración.

Muchos elementos de las máquinas están sometidos a cargas variables que cambian de intensidad con el tiempo. El comportamiento de los materiales sometidos a este tipo de carga es muy diferente del que presentan frente a cargas estáticas. Por ejemplo, una pieza que puede soportar sin problemas una gran carga estática podría fallar si se le aplica una carga mucho menor, pero repetida un gran número de veces.

Las cargas variables generan esfuerzos alternantes en el material que tienden a producir pequeñas grietas en su superficie. Con cada repetición de la carga, estas grietas se van propagando poco a poco hasta que finalmente se produce la rotura total de la pieza. A este fenómeno, en el que la acumulación de daños por cargas repetidas provoca la fractura, se le conoce como fatiga.

Para ilustrar cómo responde una estructura ante una carga dinámica, analicemos un caso sencillo, pero revelador: el impacto de un objeto que cae sobre el extremo inferior de una barra prismática (Figura 2). Supongamos que un collarín con masa $M$ , inicialmente en reposo, se deja caer desde una altura $h$ hasta chocar contra una brida fija al extremo inferior de la barra.

Figura 2. Carga de impacto sobre una barra prismática.

Cuando el collarín golpea la brida, la barra comienza a alargarse debido a que el impacto genera esfuerzos axiales internos. En un intervalo muy breve, del orden de algunos milisegundos, la brida desciende y alcanza su posición de desplazamiento máximo. A partir de ese momento, la barra comienza a vibrar longitudinalmente: primero se acorta, después se alarga, luego se vuelve a acortar y así sucesivamente, con el extremo inferior oscilando hacia arriba y hacia abajo.

Estas vibraciones son similares a las que se observan cuando se estira y suelta un resorte o cuando una persona salta con una cuerda elástica atada al tobillo. No obstante, estas vibraciones no persisten indefinidamente, ya que el material presenta efectos de amortiguamiento que hacen que se atenúen rápidamente y la barra finalmente quede en reposo con la masa M apoyada sobre la brida.

Es evidente que la respuesta de la barra al impacto del collarín es bastante compleja. Un análisis completo y preciso requiere recurrir a técnicas matemáticas avanzadas para describir el fenómeno en detalle. Sin embargo, es posible obtener una aproximación útil utilizando el concepto de energía de deformación y formulando algunas suposiciones simplificadoras.

Antes de liberar el collarín, este se encuentra a una altura $h$ sobre la brida y posee una energía potencial gravitatoria:

donde $g$ es la aceleración de la gravedad.

A medida que cae, la energía potencial se convierte en energía cinética. Justo al impactar, toda la energía es cinética:

siendo la velocidad del collarín en el momento del choque.

Figura 3. Alargamiento producido por el impacto

Durante el impacto, la energía cinética del collarín se transforma en otras formas de energía. Una parte se convierte en energía de deformación cuando la barra se estira. Otra parte se disipa en forma de calor y mediante deformaciones plásticas locales tanto en el collarín como en la brida. Además, una pequeña fracción de la energía permanece como energía cinética residual en el collarín, que puede seguir moviéndose hacia abajo mientras está en contacto con la brida e, incluso, rebotar hacia arriba.

Para simplificar el análisis de esta situación tan compleja, haremos algunas idealizaciones y asumiremos las siguientes condiciones:

Supondremos que el collarín y la brida están diseñados de manera que, tras el impacto, el collarín «se pega» a la brida y se desplaza hacia abajo con ella. Es decir, asumimos que no hay rebote. Este comportamiento es más probable cuando la masa del collarín es mayor que la de la barra.
Ignoraremos todas las pérdidas de energía y supondremos que toda la energía cinética del collarín al caer se transforma por completo en energía de deformación de la barra. Esta simplificación da como resultado esfuerzos mayores de los que realmente se producirían si se tuvieran en cuenta las pérdidas de energía.
No tendremos en cuenta los cambios en la energía potencial de la barra debidos a su movimiento vertical ni la energía de deformación asociada a su propio peso. Ambos efectos son extremadamente pequeños y pueden ignorarse.
Supondremos que los esfuerzos en la barra se mantienen dentro del rango linealmente elástico, es decir, que no se produce deformación plástica en la barra.
Consideraremos que la distribución de esfuerzos en toda la barra es la misma que si estuviera sometida a una carga estática en su extremo inferior, es decir, que los esfuerzos son uniformes en todo el volumen de la barra. En realidad, las ondas de esfuerzo longitudinal que se propagan por la barra causan variaciones en la distribución del esfuerzo, pero aquí las despreciaremos para simplificar el análisis.

Con estas suposiciones, podemos calcular el alargamiento máximo de la barra y los esfuerzos de tensión máximos producidos por la carga de impacto. Hay que recordar que en este análisis no se tiene en cuenta el peso de la barra y que únicamente se evalúan los esfuerzos generados por la caída del collarín.

Este análisis energético, aunque simplificado, permite comprender los principios fundamentales que rigen la respuesta de las estructuras ante una carga de impacto, así como las vibraciones que se generan y la forma en que se amortiguan hasta que la estructura alcanza un nuevo estado de equilibrio.

En este tipo de análisis, asumimos que no hay pérdidas de energía durante el impacto. Sin embargo, en la realidad estas pérdidas siempre están presentes y, por lo general, se disipan en forma de calor y mediante deformaciones localizadas en los materiales. Por tanto, la energía cinética del sistema es menor inmediatamente después del impacto que antes de este. Esto significa que la barra se deforma menos de lo que predice nuestro análisis simplificado. Por lo tanto, el desplazamiento real del extremo de la barra (como se muestra en la Figura 3) es menor que el calculado en el modelo idealizado.

También supusimos que los esfuerzos en la barra permanecían siempre dentro del límite de proporcionalidad, es decir, en el rango elástico. Si el esfuerzo máximo sobrepasa este límite, la relación entre el alargamiento de la barra y la fuerza axial deja de ser lineal y el análisis se vuelve mucho más complejo.

Además, hay otros factores que influyen en la respuesta real de la estructura y que no hemos tenido en cuenta en el modelo, como las ondas de esfuerzo que se propagan a lo largo de la barra, el amortiguamiento y las posibles imperfecciones en las superficies de contacto. Por estas razones, debemos tener presente que todas las fórmulas y resultados obtenidos bajo estas suposiciones son válidos solo en condiciones muy idealizadas y tienden a sobreestimar el alargamiento real de la barra.

Por otro lado, los materiales dúctiles, es decir, aquellos que pueden deformarse considerablemente más allá del límite de proporcionalidad, ofrecen una mayor resistencia frente a las cargas de impacto que los materiales frágiles. También es importante recordar que las barras con ranuras, agujeros u otras concentraciones de esfuerzo son muy vulnerables al impacto: incluso un golpe ligero puede causar una fractura, aunque el material sea relativamente dúctil bajo cargas estáticas.

Por tanto, para resistir con más eficacia una carga de impacto, un elemento estructural debe tener un gran volumen, estar fabricado con un material que tenga un módulo de elasticidad bajo y una alta resistencia a la fluencia, y tener una forma que permita distribuir los esfuerzos de manera uniforme por todo el elemento.

Para un análisis más profundo, recomendamos al lector consultar alguna referencia como las que dejamos a continuación.

Referencias:

Beer, F.P.; Johnston, J. E.; DeWolf, J.T.; Mazurek, D.F. (2017). Mecánica de Materiales. Séptima edición, McGraw Hill, México.

Gere, J. M., & Goodno, B. J. (2009). Mecánica de materiales. Séptima edición, Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., México.

Pasarelas peatonales sostenibles: cómo optimizar su diseño para reducir costes económicos y ambientales

Este artículo se centra en la aplicación práctica de la evaluación del ciclo de vida (LCA) para optimizar el impacto ambiental y los costes de los puentes peatonales compuestos de acero y hormigón. Los autores utilizan el algoritmo de búsqueda de armonía multiobjetivo (MOHS) para identificar soluciones de diseño que minimicen simultáneamente las emisiones de CO₂, la energía incorporada y los costes de construcción. Los resultados muestran una relación directa y lineal entre el coste, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada, lo que sugiere que las soluciones económicamente eficientes también son beneficiosas para el medio ambiente. Se analizan escenarios alternativos, como variaciones en la resistencia del hormigón y fluctuaciones en el precio de los materiales, para evaluar su impacto en los resultados de la optimización. En última instancia, el estudio demuestra la eficacia de combinar la optimización estructural con la evaluación del ciclo de vida para fomentar un diseño de infraestructura más sostenible.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Se trata de una colaboración internacional de nuestro grupo con investigadores brasileños. A continuación se recoge un resumen sintético del trabajo.

El sector de la construcción es uno de los que más recursos consume y más emisiones de gases de efecto invernadero genera. Según el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, este sector consume alrededor del 34 % de la energía mundial y es responsable de aproximadamente el 37 % de las emisiones de CO₂. Ante esta realidad, mejorar la sostenibilidad de las infraestructuras es fundamental para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la ONU. En este contexto, el artículo «Aplicación práctica de la evaluación del ciclo de vida para optimizar el impacto ambiental de los puentes peatonales de acero y hormigón», de Fernando Luiz Tres Junior y colaboradores, muestra cómo la combinación de la optimización estructural multiobjetivo y la evaluación del ciclo de vida permite diseñar un puente peatonal que reduce simultáneamente su coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada, sin sacrificar la seguridad ni la funcionalidad.

El trabajo aporta varias conclusiones relevantes. Una de las más importantes es que los objetivos de minimizar el coste y el impacto ambiental no son opuestos, sino que las soluciones más baratas también son más sostenibles. Además, el estudio cuantifica con precisión la relación entre estos factores, por lo que es posible estimar cómo varía el impacto ambiental en función del presupuesto. Otra aportación destacable es la validación práctica de la metodología: la combinación de técnicas de optimización y bases de datos de evaluación del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés) conduce a soluciones óptimas y robustas, incluso ante cambios en parámetros como la resistencia del hormigón o las fluctuaciones de precios.

El caso de estudio consiste en un puente peatonal de 17,5 m de luz y 3 m de ancho ubicado en el sur de Brasil. La estructura combina vigas de acero soldadas y una losa de hormigón armado, unidas mediante conectores de corte. Las variables de diseño incluyen el espesor y la resistencia del hormigón, las dimensiones de las vigas de acero y el grado de interacción entre ambos materiales. Estas variables pueden adoptar distintos valores discretos, lo que da lugar a más de 700 000 millones de combinaciones posibles. El objetivo de la optimización es hallar las mejores soluciones en términos de coste económico, emisiones de CO₂ y energía incorporada, cumpliendo siempre con la normativa brasileña sobre seguridad estructural y confort frente a vibraciones.

Para evaluar el impacto ambiental de los materiales, los autores utilizaron dos bases de datos. En el caso del acero de las vigas, utilizaron una base de datos internacional, que contiene datos globales sobre emisiones y consumo de energía. En el caso del hormigón y las armaduras, recurrieron a datos locales de producción del sur de Brasil. Además, analizaron dos escenarios alternativos para comprobar la solidez de las soluciones: uno con hormigón de menor resistencia (20 MPa en lugar de 40 MPa) y otro con precios más altos para los materiales (como ocurrió durante la pandemia en 2022).

Todas las soluciones se verificaron para garantizar que cumplían los requisitos normativos de seguridad y servicio, incluidos los estados límite últimos, las deformaciones y las vibraciones. Las soluciones que no superaban estas comprobaciones eran penalizadas y el algoritmo de optimización las descartaba. Para la optimización, utilizaron el algoritmo Multiobjective Harmony Search (MOHS), inspirado en la improvisación musical, que busca soluciones que «armonizan» los distintos objetivos. Este algoritmo genera y mejora iterativamente las soluciones hasta construir la denominada «frontera de Pareto», que recoge las mejores alternativas posibles sin que ninguna sea mejor en todos los objetivos a la vez.

Los resultados muestran que estos tres objetivos —coste, emisiones de CO₂ y energía incorporada— están estrechamente relacionados y no entran en conflicto entre sí. Se evita la emisión de 1 kg de CO₂ por cada 6,56 reales brasileños ahorrados por metro de puente, y se reducen 1 MJ de energía por cada 0,70 reales. Además, por cada 9,3 MJ ahorrados se evita la emisión de 1 kg de CO₂. Estas relaciones lineales reflejan que, al reducir el consumo de materiales, se consigue simultáneamente un ahorro económico y un menor impacto medioambiental.

Las soluciones óptimas obtenidas tienen características muy similares entre sí. La losa de hormigón tiene un espesor de 12 cm y la viga de acero mide aproximadamente 860 mm de altura, con un espesor del alma de 6,35 mm, y mantiene la clásica proporción luz/altura cercana a 20. La anchura de las alas superior e inferior de la viga varía, siendo la inferior más ancha y gruesa. En todos los casos, la interacción entre el acero y el hormigón es completa (grado de interacción igual a 1).

Al considerar el escenario con hormigón de menor resistencia, se observó un aumento del coste total del 3 %, debido a que fue necesario añadir más acero para compensar la menor resistencia del hormigón. En cuanto al impacto ambiental, las emisiones de CO₂ apenas se redujeron (menos de un 1 %), mientras que la energía incorporada aumentó alrededor de un 4 %. En el escenario con precios más altos de los materiales, se obtuvieron dos soluciones óptimas: una más barata, pero con mayores emisiones, y otra más cara y sostenible. En ambos casos, las diferencias entre las soluciones fueron pequeñas y se mantuvo la relación lineal entre los objetivos.

En conclusión, este trabajo demuestra que es posible diseñar puentes peatonales más económicos y sostenibles combinando optimización estructural y LCA. La reducción del consumo de materiales no solo abarata la estructura, sino que también disminuye las emisiones de CO₂ y la energía incorporada. Además, el uso de hormigón de alta resistencia reduce la cantidad de acero necesaria, lo que tiene un impacto positivo en el coste y la sostenibilidad. Las soluciones óptimas resultaron muy similares al modificar las condiciones del diseño o del mercado, lo que confirma la solidez de la metodología.

Este tipo de estudios es especialmente valioso en los países en desarrollo, donde las necesidades de infraestructuras son elevadas y los recursos económicos, limitados. El diseño de estructuras asequibles y sostenibles contribuye al desarrollo regional y a la lucha contra el cambio climático. Los autores recomiendan ampliar futuras investigaciones para incluir también el impacto social y considerar así los tres pilares de la sostenibilidad: el económico, el ambiental y el social. También recomiendan analizar el ciclo de vida completo de la estructura, incluyendo el mantenimiento y la demolición. Por último, esta metodología podría aplicarse fácilmente a otros tipos de infraestructuras, como puentes para vehículos o edificios.

En definitiva, este trabajo no solo muestra cómo reducir costes y emisiones en un puente peatonal concreto, sino que también abre la puerta a un diseño más sostenible de nuestras infraestructuras. Es un claro ejemplo de cómo la ingeniería civil puede ser una aliada clave en el desarrollo sostenible.

Referencia:

Tres Junior, F.L., Yepes, V., de Medeiros, G.F., Kripka, M. (2025). Practical Application of LCA to Optimize Environmental Impacts of Steel–concrete Footbridges. In: Brandli, L., Rosa, F.D., Petrorius, R., Veiga Avila, L., Filho, W.L. (eds) The Contribution of Life Cycle Analyses and Circular Economy to the Sustainable Development Goals. World Sustainability Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-85300-5_22

Glosario de términos clave

Evaluación del ciclo de vida (LCA): Una metodología para estimar los impactos ambientales resultantes de la fabricación de un producto o servicio, examinando cada etapa de su ciclo de vida, desde la extracción de recursos naturales hasta su eliminación.
Emisiones de CO2: La cantidad de dióxido de carbono liberada a la atmósfera, utilizada como un criterio clave para evaluar el impacto ambiental en este estudio.
Energía incorporada: La suma total de energía necesaria para producir un producto, desde la extracción de las materias primas hasta el final del proceso de fabricación, utilizada como otro criterio de impacto ambiental.
Optimización multi-objetivo: Un proceso de optimización que considera múltiples funciones objetivo que deben minimizarse o maximizarse simultáneamente. Produce un conjunto de soluciones no dominadas o Pareto-óptimas.
Algoritmo de búsqueda de armonía multi-objetivo (MOHS): Un algoritmo metaheurístico basado en la improvisación musical, adaptado para resolver problemas de optimización multi-objetivo.
Pasarela mixta de hormigón y acero: Una estructura que combina elementos de acero y hormigón de manera que trabajen juntos como una sola unidad para soportar cargas, aprovechando las fortalezas de ambos materiales.
Frontera de Pareto: Una representación gráfica que conecta el conjunto de soluciones no dominadas (Pareto-óptimas) en un problema de optimización multi-objetivo, lo que permite analizar las compensaciones entre los objetivos.
Solución no dominada (Pareto-Óptima): Una solución para la cual no existe otra solución admisible que mejore simultáneamente todas las funciones objetivo. Mejorar un objetivo solo es posible a expensas de al menos otro.
Grado de interacción (α): Una variable de diseño en vigas compuestas que representa el nivel de conexión entre el acero y el hormigón, influyendo en su comportamiento estructural combinado.
Estado límite último (ULS): Verificaciones relacionadas con la capacidad de la estructura para resistir las cargas máximas sin colapsar, incluyendo la tensión de cizallamiento y el momento de flexión.
Estado límite de servicio (SLS): Verificaciones relacionadas con el rendimiento de la estructura bajo cargas normales para garantizar la comodidad y la funcionalidad, como la limitación de los desplazamientos y las aceleraciones.
Penalización: Un método utilizado en algoritmos de optimización para hacer que las soluciones que no cumplen con las restricciones de diseño sean menos atractivas para el algoritmo, agregando un valor a la función objetivo.

Comunicaciones presentadas al 29th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2025

Durante los días 16 y 17 de julio de 2025 tiene lugar en Ferrol (Spain) el 29th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2025. Es una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación RESILIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso los resúmenes.

YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Optimización multiobjetivo de puentes de losa pretensada mediante el enfoque CRITIC-MCDM. 29th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 16-17 de julio, Ferrol (Spain).

El trabajo establece una metodología para seleccionar el mejor diseño de un puente de losa pretensada, aplicando el método CRITIC de toma de decisiones multicriterio a un conjunto de soluciones establecidas mediante un muestreo por hipercubo latino que incluye los óptimos de cada función objetivo. Las funciones objetivo son el coste, las emisiones de CO₂ y la energía necesaria para construir una losa aligerada como paso superior. Esta metodología permite establecer una métrica sobre la que representar una superficie de respuesta que identifique las zonas donde las variables de diseño permiten reducir las tres funciones objetivo. Además, se analiza el método CRITIC aplicado a la frontera de Pareto de las soluciones y se estudia la robustez de la mejor opción en función de su distancia al punto ideal mediante tres métricas de Minkowski. Los resultados obtenidos indican la consistencia en la selección de la mejor solución.

YEPES-BELLVER, L.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; YEPES, V. (2025). Nomogramas para el predimensionamiento económico de muros de retención de tierras. 29th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 16-17 de julio, Ferrol (Spain).

Este trabajo presenta el desarrollo de una serie de nomogramas para el predimensionamiento económico de muros de retención de tierra con hormigón armado, empleados en la construcción de carreteras. Se propone un enfoque innovador para simplificar el proceso de diseño de estas estructuras, considerando una optimización económica que integra variables de geometría, materiales y refuerzo. Se incluyen alturas variables (de 4 a 10 m), teniendo en cuenta distintas condiciones de relleno y capacidad de soporte del terreno. Los resultados obtenidos proporcionan expresiones promedio que permiten calcular de manera práctica el coste total, el volumen de hormigón y acero, y las dimensiones geométricas de los muros. De este modo, se proporciona un marco de referencia útil para el diseño económico y eficiente de estos elementos estructurales en proyectos viales.

Os paso el vídeo promocional del Congreso.

Comunicaciones presentadas al IX Congreso Internacional de Estructuras de ACHE

Durante los días 25-27 de junio de 2025 tendrá lugar el IX Congreso Internacional de Estructuras (ACHE), que servirá una vez más para fortalecer los lazos nacionales e internacionales de profesionales y especialistas en el campo de las estructuras. Como en ocasiones anteriores, los objetivos fundamentales de este congreso son, por un lado, dar a conocer los avances, estudios y realizaciones recientemente alcanzados en el ámbito estructural (en edificación y en ingeniería civil e industrial) y, por otro, exponer a sus miembros, amigos y a toda la sociedad las actividades de nuestra asociación, que realiza una labor de difusión técnica sin ánimo de lucro. La situación actual, marcada por la internacionalización y la competitividad, hace imprescindible la innovación tecnológica y el intercambio de experiencias y puntos de vista entre profesionales e investigadores de la edificación y la ingeniería civil, que el Congreso facilitará mediante coloquios y debates paralelos a las sesiones de ponencias.

La ciudad elegida en esta ocasión es Granada, que cuenta con una de las universidades más antiguas de Europa y una rica historia que ha dejado numerosos hitos en su paisaje urbano y cultural. Se trata de una ciudad cosmopolita, donde a lo largo de su historia se han dado cita varias culturas, y es un ejemplo de los valores e intereses compartidos de la Unión Europea. Cuenta, además, con lugares como la Alhambra, el Generalife o el Albaycín, declarados Patrimonio de la Humanidad por la Unesco. La ciudad ofrece, además, interesantes ofertas culturales. La ciudad ofrece, además, interesantes ofertas culturales en las fechas de celebración del Congreso, como el Festival Internacional de Música y Danza. El Congreso tendrá su sede en la Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos, que fue fundada como quinta escuela española en 1988. Una escuela situada en pleno centro de la ciudad, moderna, magníficamente comunicada a través de transporte público (metro y autobús) y con numerosos hoteles cercanos.

La Asociación Española de Ingeniería Estructural (ACHE), entidad de carácter no lucrativo y declarada de utilidad pública, tiene como fines fomentar el progreso en los ámbitos del hormigón estructural y de las estructuras de obra civil y edificación en general, y canalizar la participación española en asociaciones análogas de carácter internacional. Para ello, desarrolla líneas de investigación, docencia, divulgación, formación continua y prenormalización. Entre otras actividades, ACHE publica monografías técnicas, edita la revista cuatrimestral Hormigón y Acero y administra una página web con amplio contenido técnico. Entre los eventos que organiza, destacan el Congreso Trienal de Estructuras y numerosas jornadas técnicas. ACHE cuenta con centenares de miembros (ingenieros, arquitectos, químicos y otros profesionales vinculados al sector), muchos de los cuales participan generosamente en comisiones técnicas y en los más de 25 grupos de trabajo activos que elaboran documentos científicos sobre aspectos relevantes de las estructuras y que se difunden entre todos los asociados.

Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación RESILIFE, presenta varias comunicaciones. Además, tengo el honor de participar en Comité Científico del Congreso. A continuación os paso los resúmenes.

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2025). Resiliencia para la sostenibilidad de las estructuras de edificación mediante forjados con losas aligeradas biaxiales. IX Congreso Internacional de Estructuras, 25-27 de junio, Granada (Spain).

Los Métodos Modernos de Construcción (MMC) están revolucionando la industria al ofrecer soluciones sostenibles que reducen el impacto ambiental en el ciclo de vida de los edificios. Un ejemplo son las losas aligeradas biaxiales de hormigón, que optimizan el uso de materiales. Sin embargo, la corrosión en entornos agresivos supone un desafío importante para la resiliencia de estas estructuras. Este estudio propone una metodología para evaluar estrategias de mantenimiento reactivo en MMC expuestas a cloruros, analizando seis alternativas de diseño y utilizando un modelo FUCOM-TOPSIS para integrar criterios de sostenibilidad económica y medioambiental.

YEPES, V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA, J.A.; KRIPKA, J. (2025). Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones extremas. IX Congreso Internacional de Estructuras, 25-27 de junio, Granada (Spain).

Los desastres naturales y humanos causan grandes pérdidas humanas y económicas. RESILIFE optimiza el diseño y construcción de estructuras híbridas modulares, sostenibles y resilientes a eventos extremos, equiparables en seguridad a las tradicionales. Utiliza inteligencia artificial, metaheurísticas híbridas, aprendizaje profundo y teoría de juegos para evaluar y mejorar la resiliencia. Con técnicas multicriterio como lógica neutrosófica y redes bayesianas, optimiza diseño, mantenimiento y reparación, reduciendo costes y mejorando la recuperación social y ambiental.

YEPES-BELLVER, L.; NAVARRO, I.J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Redes neuronales y Kriging para la optimización de la huella de carbono de puentes losa pretensados. IX Congreso Internacional de Estructuras, 25-27 de junio, Granada (Spain).

El artículo compara el rendimiento de los modelos Kriging y de redes neuronales para optimizar las emisiones de CO₂ en puentes de losa pretensada. Las redes neuronales presentan un menor error medio, pero ambos modelos destacan por conducir hacia áreas prometedoras en el espacio de soluciones. Las recomendaciones incluyen maximizar la esbeltez y reducir el uso de hormigón y armaduras, compensando con un incremento controlado de estas. Aunque los modelos proporcionan superficies de respuesta precisas, es esencial realizar una optimización heurística para obtener mínimos locales más exactos, lo que contribuye a diseños más sostenibles y eficientes.

El prisma mecánico: modelo teórico en Resistencia de Materiales

En el campo de la Resistencia de Materiales, uno de los objetivos fundamentales es analizar el comportamiento de los sólidos elásticos sometidos a cargas. Para ello, se emplea un modelo teórico que idealiza el sólido real y le otorga ciertas propiedades físicas y geométricas que simplifican su estudio. Este modelo se conoce como prisma mecánico.

A continuación se examina en profundidad el prisma mecánico, un modelo teórico fundamental en la Resistencia de Materiales para simplificar el estudio de sólidos elásticos bajo carga. Se detallan sus propiedades físicas (isotropía, homogeneidad, continuidad) y geométricas (definidas por una sección transversal y una línea media), junto con el sistema de referencia utilizado para su análisis. Además, se explica cómo este modelo permite descomponer estructuras complejas y se clasifican los tipos principales de prismas mecánicos, incluyendo barras, placas y cáscaras, destacando su aplicación en diversos elementos estructurales. En definitiva, el prisma mecánico es una herramienta esencial en la ingeniería para el análisis estructural.

1. Propiedades físicas del modelo

Desde el punto de vista físico, el prisma mecánico se define como un sólido que cumple con tres propiedades esenciales:

Isotropía: el material responde de igual manera en todas las direcciones.
Homogeneidad: las propiedades del material son constantes en todos sus puntos.
Continuidad: el sólido no presenta huecos ni discontinuidades internas.

Estas condiciones permiten aplicar con validez los principios de la mecánica del continuo, base del análisis estructural en ingeniería.

2. Definición geométrica del prisma mecánico

El prisma mecánico (Figura 1) se construye a partir de una sección plana Σ de área Ω, cuyo centro de gravedad $G$ describe una curva espacial $c$ , denominada línea media o directriz. En cada punto, el plano de la sección es normal (perpendicular) a esta curva.

Según la forma de la línea media, el prisma puede ser:

Recto: si la línea media es una recta.
Plano: si la línea media está contenida en un plano.
Alabeado: si la línea media tiene una forma tridimensional más compleja.

Para que el modelo sea aplicable, la línea media no debe presentar curvaturas bruscas ni cambios abruptos de sección de un punto a otro. Si el área de la sección transversal es constante, se trata de un prisma de sección constante. Si no es así, se denomina prisma de sección variable.

3. Sistema de referencia

Para analizar las acciones internas y externas en el prisma, se utiliza un sistema de ejes con origen en el centro de gravedad de cada sección:

El eje $Gx$ es tangente a la línea media en el punto considerado.
Los ejes $Gy$ y $Gz$ están contenidos en el plano de la sección y son los ejes principales de inercia de la misma.

Este conjunto de ejes conforma un sistema trirrectángulo (los tres ejes son mutuamente perpendiculares). El eje $Gx$ es normal a la sección, mientras que $Gy$ y $Gz$ están en el plano de la sección y son perpendiculares entre sí.

La posición de un punto $G$ sobre la curva $c$ se describe mediante su abscisa curvilínea $s$ , que representa la longitud de arco desde un punto de origen arbitrario (por ejemplo, el centro de gravedad de la sección extrema izquierda del prisma). El sentido positivo de $Gx$ corresponde a valores crecientes de $s$ , y los sentidos de $Gy$ y $Gz$ se eligen de forma que el sistema de referencia sea directo (siguiendo la regla de la mano derecha).

4. Aplicación del prisma mecánico al análisis estructural

Una de las ventajas del prisma mecánico es su capacidad para simplificar el estudio de estructuras complejas. Mediante el método de las secciones, es posible realizar cortes ideales en la estructura que permiten dividirla en un número finito de prismas mecánicos.

Cada una de estas piezas está sometida a:

Las cargas externas que actúan directamente sobre ella.
Las fuerzas y momentos transmitidos por las piezas contiguas a través de las secciones extremas.

En las secciones comunes entre dos prismas, estas acciones internas son iguales y opuestas, en cumplimiento del principio de acción y reacción.

5. Tipos fundamentales de prismas mecánicos

Según su geometría, los prismas mecánicos pueden clasificarse en tres grandes categorías:

a) Barra

Se trata del prisma cuya sección transversal tiene dimensiones mucho menores que la longitud de su línea media. Es el tipo más habitual en estructuras, tanto en edificación como en maquinaria.

Dentro de las barras, predominan los prismas planos, en los que la línea media se encuentra contenida en un plano, que normalmente coincide con un plano de simetría de la pieza.

La elección de la forma de la sección depende del material y del tipo de esfuerzo que soportará:

En estructuras de hormigón armado, son frecuentes las secciones rectangulares (vigas) o cuadradas (pilares).
En estructuras metálicas, se emplean perfiles laminados en doble T para vigas, o perfiles en U soldados para pilares (Figura 2).

Figura 2. Perfil laminado en doble T y dos secciones en U soldadas.

b) Placa

Es un cuerpo limitado por dos planos paralelos, cuya separación, es decir, el espesor, es pequeña en comparación con las otras dos dimensiones. Ejemplos de placas son las losas y los forjados que se utilizan en edificación o en cubiertas prefabricadas.

Figura 3. Placa circular y placa rectangular

c) Cáscara

A diferencia de la placa, está limitada por dos superficies curvas separadas por una pequeña distancia. Un ejemplo de cáscara es un tanque, un silo o una tubería de gran diámetro, y, en general, cualquier estructura laminar curva.

En el análisis de placas y cáscaras, en lugar de una línea media se emplea el concepto de superficie media, definida como el conjunto de puntos que dividen el espesor en dos partes iguales.

Figura 5. Estructura tipo cascarón: L’Oceanogràfic, Valencia. https://es.wikipedia.org/wiki/Cascarones_de_hormig%C3%B3n

Conclusión

El prisma mecánico es un modelo teórico fundamental para el estudio de sólidos en ingeniería. Al reunir condiciones ideales de isotropía, homogeneidad y continuidad, y al estar definido por una geometría clara basada en una sección y una línea media, permite analizar el comportamiento de elementos estructurales sometidos a carga.

Gracias a su versatilidad, este modelo permite descomponer estructuras complejas en elementos más simples, lo que facilita su análisis mecánico. La clasificación en barras, placas y cáscaras abarca prácticamente todas las formas estructurales comunes, lo que convierte al prisma mecánico en una herramienta imprescindible en la enseñanza y práctica de la ingeniería civil.

Referencia:

Berrocal, L. O. (2007). Resistencia de materiales. McGraw-Hill.

Glosario de términos clave

Abscisa curvilínea (s): Medida de la posición de un punto a lo largo de una curva, representando la longitud de arco desde un origen arbitrario.
Análisis estructural: Rama de la ingeniería que estudia el comportamiento de los sólidos elásticos sometidos a cargas para determinar sus esfuerzos internos, deformaciones y estabilidad.
Barra: Tipo de prisma mecánico cuya sección transversal tiene dimensiones mucho menores que la longitud de su línea media; es el elemento más común en estructuras.
Cáscara: Tipo de prisma mecánico limitado por dos superficies curvas separadas por una pequeña distancia (espesor); ejemplos incluyen tanques o tuberías de gran diámetro.
Continuidad: Propiedad física del prisma mecánico que establece que el sólido no presenta huecos ni discontinuidades internas, permitiendo la aplicación de la mecánica del continuo.
Centro de gravedad (G): Punto en una sección plana donde se considera concentrada toda su masa o peso; la línea media del prisma se define por la trayectoria de este punto.
Ejes principales de inercia: Ejes de un plano de una sección para los cuales los momentos de inercia de la sección son máximos o mínimos, y el producto de inercia es cero. Son fundamentales para el sistema de referencia del prisma.
Homogeneidad: Propiedad física del prisma mecánico que indica que las propiedades del material son constantes en todos sus puntos.
Isotropía: Propiedad física del prisma mecánico que describe que el material responde de igual manera en todas las direcciones.
Línea media (o directriz): Curva espacial que describe el centro de gravedad de las secciones transversales de un prisma mecánico. Es fundamental para su definición geométrica.
Mecánica del continuo: Rama de la mecánica que estudia el comportamiento de los materiales como una masa continua, sin considerar su estructura atómica o molecular, aplicable a sólidos y fluidos.
Método de las secciones: Técnica utilizada en el análisis estructural para dividir una estructura en partes ideales mediante “cortes”, permitiendo analizar las fuerzas y momentos internos en esas secciones.
Placa: Tipo de prisma mecánico limitado por dos planos paralulares cuya separación (espesor) es pequeña en comparación con sus otras dos dimensiones; ejemplos incluyen losas y forjados.
Prisma alabeado: Prisma mecánico cuya línea media tiene una forma tridimensional compleja, no contenida en un solo plano.
Prisma de sección constante: Prisma mecánico en el que el área de la sección transversal no varía a lo largo de su línea media.
Prisma de sección variable: Prisma mecánico en el que el área de la sección transversal cambia a lo largo de su línea media.
Prisma mecánico: Modelo teórico idealizado de un sólido elástico, utilizado en Resistencia de Materiales y análisis estructural, definido por propiedades físicas y una geometría específica (sección y línea media).
Prisma plano: Prisma mecánico cuya línea media está contenida en un plano.
Prisma recto: Prisma mecánico cuya línea media es una recta.
Resistencia de materiales: Campo de la ingeniería que estudia el comportamiento de los materiales sólidos bajo la aplicación de cargas, centrándose en conceptos como esfuerzo, deformación y resistencia.
Sección plana (Σ): Superficie transversal bidimensional que, al desplazarse a lo largo de la línea media, forma el volumen del prisma mecánico.
Sistema trirrectángulo: Sistema de tres ejes mutuamente perpendiculares (como Gx, Gy, Gz) que sirve como marco de referencia para el análisis de las acciones internas y externas en el prisma.
Superficie media: Concepto utilizado en el análisis de placas y cáscaras, definido como el conjunto de puntos que dividen el espesor en dos partes iguales, análogo a la línea media para barras.

Aportaciones al Congreso sobre Optimización de Estructuras HPSM/OPTI 2025, Edimburgo (Reino Unido)

Los días 10 a 12 de junio de 2025 se celebró en Edimburgo (Reino Unido) uno de los congresos más importantes sobre optimización de estructuras: “12th International Conference on High Performance and Optimum Design of Structures and Materials, HPSM/OPTI 2025“. He participado en dicho congreso tanto en su Comité Científico como Invited Speaker.

Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, junto con el profesor Julián Alcalá, en la Universitat Politècnica de València. Además, es uno de los resultados de la tesis doctoral de Lorena Yepes.

En cuanto la comunicación esté publicada en el libro de ponencias, os pasaré el enlace para su descarga gratuita. A continuación os paso el resumen de la comunicación presentada.

El artículo «Multi-Attribute Decision-Making in Prestressed Concrete Road Flyover Design», propone una innovadora metodología para optimizar el diseño de puentes de hormigón pretensado teniendo en cuenta simultáneamente tres criterios clave: el coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada en los materiales. Su objetivo es encontrar soluciones de compromiso que equilibren sostenibilidad y eficiencia estructural.

Aportaciones principales del estudio

Este trabajo aporta un enfoque sistemático y práctico para integrar criterios medioambientales y económicos en el diseño de pasos elevados. Frente a las metodologías tradicionales que suelen priorizar únicamente el coste, los autores aplican técnicas de toma de decisiones multicriterio para considerar también el impacto ambiental desde el inicio del proceso proyectual. Además, ofrecen pautas concretas para diseños preliminares que buscan un equilibrio entre coste, emisiones y consumo energético.

Metodología empleada

La investigación se basa en técnicas avanzadas de optimización y modelado. En primer lugar, se utilizaron 50 soluciones iniciales de diseño generadas mediante un muestreo estadístico conocido como Latin Hypercube Sampling, que explora diferentes combinaciones de parámetros como la resistencia del hormigón, la anchura de la base y la profundidad del tablero.

A continuación, se aplicó un modelo de sustitución de tipo Kriging, capaz de estimar con gran precisión los resultados estructurales sin necesidad de cálculos exhaustivos para cada diseño. Esto permitió ampliar el análisis a 1.000 soluciones adicionales simuladas.

Con todas las alternativas sobre la mesa, se extrajo la “frontera de Pareto”, un conjunto de soluciones no dominadas que representan los mejores compromisos posibles entre los tres objetivos. Finalmente, se aplicaron distintos escenarios de toma de decisiones multiatributo, asignando diferentes pesos a cada criterio, para seleccionar los diseños más equilibrados.

Resultados más relevantes

El análisis reveló que los diseños más sostenibles tienen características comunes: una relación entre canto del tablero y luz principal cercana a 1/30 y una resistencia del hormigón de 40 MPa. Estas configuraciones permiten reducir tanto el consumo de materiales como las emisiones sin comprometer la viabilidad estructural.

Dependiendo del peso asignado a cada criterio (coste, emisiones, energía), se identificaron varias soluciones óptimas, destacando especialmente dos (denominadas #6 y #13) por su buen rendimiento integral. Curiosamente, priorizar solo el coste lleva a soluciones con mayor canto, mientras que priorizar el medio ambiente genera estructuras más esbeltas y materialmente eficientes.

Conclusiones y recomendaciones

El estudio concluye que aplicar técnicas de decisión multicriterio en la ingeniería civil permite diseñar infraestructuras más sostenibles y racionales, sin sacrificar funcionalidad ni economía. Se recomienda considerar desde fases tempranas del diseño variables ambientales clave como las emisiones o la energía embebida, además de los costes.

Asimismo, los autores sugieren incorporar la participación de los diferentes agentes implicados (ingenieros, administraciones, ciudadanía) para lograr soluciones más equilibradas y duraderas.

Este trabajo representa un avance hacia una práctica de la ingeniería más alineada con los Objetivos de Desarrollo Sostenible, y especialmente con el ODS 9, que promueve infraestructuras resilientes, sostenibles e innovadoras.

Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Multi-attribute decision-making in prestressed concrete road flyover design. International Conference on High Performance and Optimum Design of Structures and Materials, HPSM/OPTI 2025, 10-12 June 2025, Edinburgh, UK.

De cantero a leyenda: la historia del gran Thomas Telford

Thomas Telford (1757-1834). https://es.wikipedia.org/wiki/Thomas_Telford

Thomas Telford (9 de agosto de 1757 – 2 de septiembre de 1834) fue un destacado ingeniero civil, arquitecto y cantero escocés, reconocido por sus contribuciones a la infraestructura británica mediante la construcción de caminos, puentes y canales. Nació cerca de Westerkirk, en Dumfries, en el seno de una familia humilde. Su padre, un pastor, murió poco después de su nacimiento, por lo que Thomas fue criado en condiciones de pobreza por su madre, Janet Jackson.

Comenzó su vida laboral como aprendiz de cantero a los 14 años y, de forma autodidacta, se formó en arquitectura y construcción. Todavía se conservan algunas de sus primeras obras, como un puente sobre el río Esk en Langholm. Tras pasar por Edimburgo, se trasladó a Londres en 1782, donde participó en la ampliación de Somerset House, uno de los grandes proyectos de la época, bajo la influencia de arquitectos como Robert Adam y William Chambers. En 1784 trabajó en el astillero naval de Portsmouth, donde consolidó su experiencia en grandes obras.

En 1786 fue nombrado inspector de obras públicas para el condado de Shropshire, cargo que implicaba la construcción de edificios y puentes. Durante este periodo, diseñó y construyó tres puentes sobre el río Severn: en Montford, Buildwas (de hierro fundido) y Bewdley. En esta misma época, restauró el castillo de Shrewsbury, trabajó en iglesias y prisiones y advirtió del inminente colapso de la iglesia de St Chad’s, lo que le ganó el respeto de la población local.

En 1787 se afilió a la logia masónica Salopian Lodge y, gracias al apoyo de William Pulteney, su carrera despegó. En 1788, la Sociedad Pesquera Británica lo envió a Escocia, donde diseñó el puerto de Ullapool. En 1790 fue nombrado inspector de puentes en Shropshire y, en 1793, se convirtió en agente e ingeniero de la compañía del canal Ellesmere. Su fama nacional le llegó con la construcción de los acueductos de Chirk y Pontcysyllte, en Gales, que cruzan los valles del Ceiriog y del Dee. En estas estructuras empleó por primera vez canales de planchas de hierro fundido ensambladas sobre mampostería, una innovación que revolucionó la ingeniería civil de su tiempo.

Ese mismo año, tras la muerte de Josiah Clowes, asumió el proyecto del canal de Shrewsbury, en el que destacó el acueducto de Longdon-on-Tern, uno de los primeros acueductos de hierro fundido del mundo. En 1795, reconstruyó el puente de Bewdley tras las inundaciones y reparó el de Tenbury. También participó en la mejora del abastecimiento de agua y en la reforma de los muelles de Londres.

En 1801, el Gobierno británico lo contrató para dirigir una gigantesca operación de mejora de las infraestructuras de las Tierras Altas de Escocia. Bajo su dirección se construyeron más de 1450 km de caminos, más de 1200 puentes, numerosos puertos, iglesias y servicios públicos. En este contexto, llevó a cabo el canal de Caledonia, inaugurado en 1822, y realizó importantes obras portuarias en Aberdeen, Dundee y otras localidades. Entre las obras viales más destacadas se encuentran el puente de Tongueland (34 m) y el de Cartland Crags (39 m), así como 296 km de nuevas carreteras en las Tierras Bajas.

En 1803, también inició obras de mejora en las rutas desde Chester y Shrewsbury hacia Holyhead, con el objetivo de agilizar las comunicaciones con Irlanda. Como parte de este proyecto, diseñó e inauguró dos puentes colgantes emblemáticos en Gales: el puente colgante sobre el río Conwy y su obra maestra, el puente de Menai (1819–1826), que con sus 176 m de longitud fue el más largo de su tipo en su tiempo y es considerado su logro más sobresaliente.

Puente de Menai. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_colgante_de_Menai

Durante este periodo también actuó como comisionado de préstamos del gobierno para obras públicas bajo la Public Works Loans Act de 1817, financiando proyectos de infraestructura y promoviendo el empleo. En paralelo, trabajó como consultor internacional y, en 1806, fue invitado por el rey de Suecia a colaborar en el canal Göta, al que viajó en 1810 para supervisar las primeras excavaciones.

Desde 1809, lideró obras en Irlanda, como la carretera de Howth a Dublín, el canal del Úlster y la formación de ingenieros como William Dargan. En las décadas siguientes, su enfoque se dirigió también a modernizar los canales para hacerles frente a los ferrocarriles, cada vez más competitivos. Entre estos proyectos destacan la construcción de un nuevo canal entre Wolverhampton y Nantwich y la construcción de un nuevo túnel en Harecastle, Staffordshire, sobre el canal Trent y Mersey.

A partir de 1815, diseñó y ejecutó mejoras en la ruta entre Glasgow y Carlisle (conocida posteriormente como A74), considerada un modelo de ingeniería vial. Entre sus trabajos más importantes en Londres se encuentra el desarrollo de los muelles de St Katharine, un proyecto fundamental para la expansión portuaria de la ciudad. También construyó puentes sobre el río Severn en Tewkesbury y Gloucester, y ejecutó diversas carreteras en las Tierras Bajas de Escocia.

En 1820 fue nombrado primer presidente de la Institución de Ingenieros Civiles, fundada en 1818, cargo que ocupó hasta su muerte. Ese mismo año fue elegido también miembro extranjero de la Real Academia de Ciencias de Suecia.

En 1823, a petición del Parlamento británico, diseñó un conjunto de iglesias y casas parroquiales para zonas rurales de Escocia. Se construyeron 32 de las 43 proyectadas, muchas de las cuales aún existen. En la década de 1830 finalizó proyectos como el puente Galton, el segundo túnel Harecastle, el canal de Gloucester y Berkeley y el canal Birmingham y Liverpool Junction, este último completado tras su fallecimiento.

Thomas Telford murió el 2 de septiembre de 1834 en su casa de Abingdon Street, Londres. Fue enterrado con honores en la abadía de Westminster, donde también hay una estatua en su memoria en la capilla de San Andrés. Nunca se casó, pero dejó una profunda huella en sus colegas y contemporáneos. Su amigo, el poeta Robert Southey, lo llamó «el coloso de las carreteras», y además de su carrera como ingeniero, también publicó poesía entre 1779 y 1784.

En su testamento dejó donaciones para bibliotecas de su región natal y para escritores como Southey y Thomas Campbell. Su legado perdura no solo en obras materiales, sino también en la educación: el Telford College de Edimburgo y la ciudad de Telford, en Shropshire, creada en el siglo XX, llevan su nombre. En 2009, su acueducto de Pontcysyllte fue declarado Patrimonio de la Humanidad por la Unesco, en reconocimiento a su ingenio técnico e innovación.

Os dejo algunos vídeos de este gran ingeniero escocés.

El Puente entre la Guerra y la Ingeniería: James B. Eads

James Buchanan Eads (1820-1887). https://es.wikipedia.org/wiki/James_Buchanan_Eads

James Buchanan Eads (23 de mayo de 1820 – 8 de marzo de 1887) fue un ingeniero e inventor estadounidense de renombre mundial, cuya vida estuvo marcada por la autodisciplina, la innovación técnica y una profunda comprensión del río Misisipi. Obtuvo más de 50 patentes y fue reconocido a nivel internacional. Diseñó y construyó el Puente Eads sobre el río Misisipi en San Luis, el cual fue declarado Monumento Histórico Nacional.

Primeros años y formación autodidacta

Eads nació en Lawrenceburg, Indiana, en 1820. Su segundo nombre, Buchanan, se lo pusieron en honor a James Buchanan, primo de su madre y congresista por Pensilvania y futuro presidente de Estados Unidos. La infancia de Eads fue nómada y difícil. La inestabilidad económica de su padre, involucrado en negocios poco exitosos, obligó a la familia a trasladarse repetidamente: primero a Cincinnati (Ohio), luego a Louisville (Kentucky) y, por último, a St. Louis (Misuri).

A los 13 años, Eads tuvo que dejar la escuela para ayudar a la familia. Uno de sus primeros empleos fue en Williams & Dühring, una tienda de comestibles en St. Louis. Su jefe, Barrett Williams, notó su inquietud intelectual y le permitió acceder libremente a su biblioteca personal, ubicada sobre la tienda. En su tiempo libre, el joven James devoraba libros de física, mecánica, maquinaria e ingeniería, convirtiéndose así en un ingeniero autodidacta.

Inicios en el río y éxito empresarial

A los 18 años, Eads se embarcó como sobrecargo en un barco de vapor que recorría el Misisipi, donde se familiarizó con los riesgos y desafíos de la navegación fluvial. Al observar la gran cantidad de naufragios y la pérdida de mercancías valiosas, comenzó a imaginar métodos para recuperar cargamentos hundidos.

A los 22 años, inventó un barco de salvamento revolucionario al que denominó «submarino». Aunque no era una nave sumergible en sí, permitía que Eads descendiera al fondo del río mediante una campana de buceo construida con un barril de whisky de cuarenta galones, adaptado con una manguera para el suministro de aire desde la superficie. Gracias a este invento, podía caminar por el fondo del río y recuperar objetos de valor, como lingotes de plomo y hierro. En una ocasión, incluso extrajo un tarro de mantequilla en buen estado de conservación.

Durante los doce años que estuvo al frente de su empresa de salvamento en el río Misisipi, esta prosperó tanto que, en 1857, Eads se retiró temporalmente con una considerable fortuna. Incursionó brevemente en la industria del vidrio, fundando la primera fábrica de vidrio en el oeste de EE. UU., pero este proyecto se vio interrumpido por la Guerra con México, por lo que volvió al negocio de salvamento en 1848. Con el tiempo, su flota alcanzó las diez embarcaciones y uno de sus barcos más avanzados logró bombear el agua y reflotar cascos hundidos desde el lecho del río.

Guerra Civil: la revolución de los ironclads

Con el estallido de la Guerra Civil en 1861, Eads fue convocado a Washington por el fiscal general Edward Bates, quien le había recomendado a causa de su amistad, para ofrecer su experiencia en la defensa fluvial del Misisipi. El gobierno federal aceptó finalmente su propuesta de construir una flotilla de buques acorazados con poco calado, propulsados por vapor y adecuados para los ríos del interior.

Eads fue contratado para construir una serie de ironclads y, en tan solo cinco meses, entregó siete embarcaciones. Además, transformó el vapor fluvial New Era en el acorazado Essex, que se convirtió en una pieza clave de la flota de la Unión. Atendió a las observaciones de los oficiales de la Flotilla Occidental e incorporó mejoras en cada iteración. A lo largo de la guerra, construyó más de 30 acorazados fluviales que participaron en batallas clave como las de Forts Henry y Donelson, Memphis, Vicksburg, Isla n.º 10 y Mobile Bay. Estas embarcaciones fueron los primeros acorazados en combatir en América y, junto con el famoso duelo del Monitor y el Merrimack, marcaron un hito en la historia naval.

El Puente Eads: obra maestra de la ingeniería

Tras la guerra, Eads fue seleccionado para liderar uno de los proyectos de ingeniería más ambiciosos de su tiempo: el primer puente ferroviario y de carretera que cruzaría el río Misisipi en San Luis. Las obras comenzaron el 20 de agosto de 1867 y se enfrentaron a numerosos desafíos técnicos y políticos.

El Puente Eads, concluido en 1874, fue el primero de gran tamaño construido con acero estructural y el más largo del mundo en su momento. Eads fue también pionero en emplear el sistema de vigas en voladizo (cantilever), lo que permitió mantener la navegación fluvial durante su construcción. Para cimentar sus tres arcos de acero de más de 500 pies cada uno, se excavó hasta el lecho rocoso a más de 30 metros bajo el río. Esto obligó a trabajar con cámaras de aire comprimido, lo que provocó casos de enfermedad por descompresión. Eads respondió instalando una clínica flotante, mejorando la alimentación del personal, aplicando una descompresión gradual y construyendo un elevador de acceso.

La calidad del acero también fue objeto de una supervisión estricta. Su proveedor, Andrew Carnegie, tuvo que volver a laminar algunas partidas hasta en tres ocasiones por no cumplir con la resistencia mínima exigida de 60 000 psi (414 MPa). Durante la construcción del arco central, una ola de calor deformó temporalmente la estructura, por lo que Eads tuvo que implementar su solución alternativa: un tapón roscado de hierro forjado que permitió ajustar y cerrar con precisión el último tramo del arco, tarea que se completó el 17 de septiembre de 1873. El puente se inauguró oficialmente el 4 de julio de 1874 y sigue en funcionamiento hasta hoy.

Puente Eads. https://es.wikipedia.org/wiki/James_Buchanan_Eads

El Puente Eads fue designado Monumento Histórico Nacional por el Departamento del Interior en 1964 y el 21 de octubre de 1974 fue inscrito como Monumento Histórico Nacional de Ingeniería Civil por la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles. También recibió un Premio Especial de Reconocimiento del Instituto Americano de Construcción en Acero en 1974, en el centenario de su puesta en servicio. Eads también diseñó los diques del paso sur del río Misisipi, que fueron declarados Monumentos Históricos Nacionales de Ingeniería Civil en 1982.

Espigones en Nueva Orleans y nuevos proyectos

Posteriormente, el Gobierno le solicitó ayuda para resolver otro problema crítico: garantizar un canal navegable permanente en Nueva Orleans. Eads propuso construir una serie de espigones para alterar el comportamiento sedimentario del río. El proyecto fue financiado inicialmente por Eads, bajo la condición de recibir el pago solo si tenía éxito. En menos de cinco años, en 1879, había creado un canal estable y profundo que facilitaba el comercio marítimo durante todo el año.

Inspirado por este logro, Eads presentó una alternativa al canal de Panamá: un ferrocarril interoceánico en Tehuantepec (México) que transportaría barcos sobre plataformas móviles. Sin embargo, pese a sus esfuerzos, el Congreso de EE. UU. rechazó dos proyectos de ley para financiar la obra.

Reconocimientos y últimos años

James B. Eads fue el primer ingeniero estadounidense en recibir la Medalla Albert de la Royal Society of Arts de Londres. También trabajó como consultor en obras de infraestructura en Liverpool (Inglaterra), Toronto (Canadá), Veracruz y Tampico (México). Se casó en dos ocasiones y tuvo dos hijas biológicas y tres hijastras.

Eads falleció el 8 de marzo de 1887 en Nassau (Bahamas), dejando tras de sí un legado que combinaba genialidad técnica, profundo conocimiento práctico e incansable espíritu innovador. Su vida y su obra continúan siendo referentes en la historia de la ingeniería civil y naval.

En 1920, Eads fue incluido en el Pabellón de la Fama de los Grandes Americanos, ubicado en los terrenos del Bronx Community College en Nueva York. Cada año, la Academia de Ciencias de St. Louis otorga el Premio James B. Eads para reconocer a una persona distinguida por sus logros sobresalientes en ciencia y tecnología. En 1927, los decanos de las facultades de ingeniería de Estados Unidos votaron a Eads como uno de los cinco mejores ingenieros de todos los tiempos, un honor que compartió con Leonardo da Vinci, James Watt, Ferdinand de Lesseps y Thomas A. Edison.

Os dejo unos vídeos de su figura.

Del sólido rígido al sólido verdadero: evolución del concepto de material en mecánica aplicada

Este artículo explora la evolución del concepto de material en mecánica aplicada, comenzando por el modelo idealizado de sólido rígido, que simplifica los cuerpos indeformables para análisis iniciales. Sin embargo, al abordar la mecánica aplicada, esta abstracción se rompe y es necesario introducir el sólido elástico, que permite la deformación reversible y el análisis de tensiones internas. Aunque este modelo asume isotropía, homogeneidad y continuidad, se reconoce que ningún material real cumple estas condiciones. Finalmente, se introduce el concepto de sólido verdadero, que reconoce la complejidad de los materiales reales y sus propiedades variables, aunque se puede simplificar para su estudio mediante la división en zonas homogéneas, cada una de las cuales se modela como un sólido elástico. Este tránsito conceptual es crucial para la ingeniería y la resistencia de materiales, ya que permite el diseño de estructuras seguras y funcionales que consideran la deformación y los límites de carga de los materiales reales.

En los primeros planteamientos de la mecánica teórica, los cuerpos materiales se consideran como sólidos indeformables, con independencia de si se encuentran en reposo o en movimiento. Esta hipótesis, evidentemente ideal, no se corresponde con ningún material real, pero resulta extraordinariamente útil por la simplificación conceptual y matemática que introduce en el análisis.

Pese a tratarse de una abstracción, sus resultados son, en muchos casos, aproximaciones aceptables del comportamiento físico real, especialmente cuando las cargas implicadas son pequeñas y las deformaciones son pequeñas. No obstante, cuando el estudio se adentra en el terreno de la mecánica aplicada, esta simplificación empieza a mostrar sus límites.

La ruptura del modelo ideal: la necesidad de una nueva definición de sólido

La observación experimental revela que no se pueden aplicar fuerzas indefinidamente a un cuerpo sin que se deforme o incluso se rompa. Esta evidencia obliga a revisar el concepto de sólido aceptado en la teoría mecánica.

Este proceso de revisión y refinamiento lleva a una evolución del modelo de sólido, especialmente a partir del estudio más profundo de los problemas de estática aplicada. En este contexto, es necesario distinguir entre tres concepciones del sólido:

Sólido rígido
Sólido elástico
Sólido verdadero

1. Sólido rígido: el modelo idealizado

Se denomina sólido rígido al que no altera su estructura interna por acción exterior, manteniendo constantes las distancias entre sus moléculas, independientemente de la magnitud o naturaleza del esfuerzo aplicado. Esta suposición permite abordar problemas mecánicos aplicando exclusivamente las condiciones de equilibrio:

donde las R_i son las componentes de la resultante de las fuerzas, y los M_0i los momentos respecto de un punto cualquiera O, en un sistema cartesiano trirrectangular.

Sin embargo, este modelo resulta incompatible con la realidad física. Supongamos una viga AB, apoyada sobre dos pilares, que recibe una carga vertical P en un punto intermedio C. Si se asume que la viga es un sólido rígido, el problema se resuelve calculando las reacciones de los apoyos, sin que exista posibilidad de rotura, con independencia del valor de P. No obstante, la experiencia demuestra que, a partir de un cierto valor de P, la viga se rompe, incluso si las reacciones están equilibradas.

Esto pone de manifiesto una limitación estructural del modelo de sólido rígido, y evidencia la necesidad de estudiar no solo el equilibrio exterior, sino también la resistencia interna del material frente a esfuerzos aplicados.

2. Sólido elástico: deformabilidad reversible

La respuesta a esta necesidad se encuentra en el concepto de sólido elástico, entendido como aquel cuerpo que, al ser sometido a una fuerza exterior, se deforma, pero recupera su forma original cuando dicha acción cesa. Este modelo admite una deformación interna y, por tanto, un reparto espacial de los esfuerzos, lo que permite analizar no solo si el sistema está en equilibrio, sino también cómo se manifiestan las tensiones en su interior.

Para que el modelo elástico sea tratable matemáticamente, se hacen ciertas hipótesis simplificadoras que, si bien no se cumplen con exactitud en la práctica, ofrecen una base coherente para el cálculo:

Isotropía: el material presenta las mismas propiedades mecánicas en todas las direcciones.
Homogeneidad: cualquier porción del sólido tiene idéntica composición y comportamiento que otra cualquiera.
Continuidad: no existen huecos ni discontinuidades internas; la materia se distribuye de forma continua en el espacio.

Estas hipótesis están estrechamente relacionadas. Si se admite que un material es elástico en todas las direcciones, parece lógico suponer que su estructura es homogénea, y viceversa.

3. La realidad material: límites del modelo elástico

Ningún material real satisface de forma rigurosa estas condiciones.

La isotropía perfecta no existe, debido a que la estructura atómica o molecular del material presenta orientaciones privilegiadas.
La homogeneidad absoluta tampoco se cumple, pues siempre existen variaciones locales en la composición.
Finalmente, la materia no es continua: existen espacios vacíos entre moléculas, e incluso en el interior de los átomos, como muestran las teorías físicas actuales.

A pesar de ello, el hecho de considerar el sólido como continuo y elástico sigue siendo útil y válido a efectos prácticos. Permite suponer que las fuerzas aplicadas a una porción del material se transmiten de forma progresiva a sus regiones vecinas, generando un campo de tensiones continuo y calculable. Aunque la elasticidad no sea exacta a escala microscópica, funciona a escala macroscópica, como demuestra la experiencia acumulada en el diseño y comprobación de estructuras.

4. Sólido verdadero: el material tal como es

El último nivel de descripción lo proporciona el concepto de sólido verdadero, que reconoce explícitamente que los materiales reales no son ni rígidos ni elásticos ideales. Carecen de isotropía, homogeneidad y continuidad, por lo que requieren un tratamiento más refinado. En este caso, el material se considera un sólido deformable, con una estructura interna compleja y propiedades variables.

Aunque este enfoque representa la forma más fiel de representar un material real, su complejidad puede superarse dividiendo el material en zonas homogéneas. Entonces, cada una de estas zonas puede modelarse como un sólido elástico, lo que permite aplicar la teoría correspondiente de forma localizada.

Consideración final

En el estudio de la resistencia de materiales, nos ocupamos precisamente de determinar los límites de carga admisibles o las dimensiones necesarias de un elemento estructural para garantizar que, bajo los esfuerzos previsibles, no se produzca la rotura. Si existieran verdaderos sólidos rígidos, tales cálculos serían innecesarios, ya que bastaría con verificar el equilibrio de fuerzas y momentos. Sin embargo, dado que todos los materiales reales se deforman incluso antes del fallo, la teoría de la elasticidad y la resistencia de materiales resultan indispensables para la ingeniería civil.

Así, el tránsito desde el modelo de sólido rígido hasta el de sólido verdadero no solo es un refinamiento teórico, sino una adaptación necesaria a la realidad física de los materiales que permite a los ingenieros diseñar estructuras seguras, funcionales y duraderas.

Glosario de términos clave

Sólido rígido: Modelo idealizado de cuerpo material que se considera indeformable; mantiene constantes las distancias entre sus moléculas independientemente de las fuerzas aplicadas. Útil para análisis de equilibrio, pero no para predicción de resistencia o rotura.
Sólido elástico: Modelo de cuerpo que se deforma bajo la acción de una fuerza exterior, pero recupera su forma original cuando dicha acción cesa. Admite deformación interna y reparto de esfuerzos, permitiendo el análisis de tensiones.
Sólido verdadero: Concepto que reconoce la realidad física de los materiales, que no son ni rígidos ni elásticos ideales. Carecen de isotropía, homogeneidad y continuidad perfectas, y poseen una estructura interna compleja y propiedades variables.
Mecánica teórica: Campo de la mecánica que en sus primeros planteamientos consideraba los cuerpos materiales como sólidos indeformables, buscando simplificación conceptual y matemática.
Mecánica aplicada: Campo de la mecánica que se adentra en el estudio de problemas reales donde la simplificación del sólido rígido es insuficiente, requiriendo considerar la deformación y resistencia de los materiales.
Equilibrio (condiciones de): Principios que rigen la estática y dinámica de cuerpos, asegurando que la resultante de fuerzas y momentos sea cero. En el sólido rígido, son suficientes para la resolución de problemas.
Resistencia interna del material: Capacidad de un material para soportar esfuerzos aplicados sin romperse o deformarse permanentemente. Es un concepto clave en la mecánica aplicada y la teoría de la elasticidad.
Deformación: Cambio en la forma o dimensiones de un cuerpo bajo la acción de fuerzas externas.
Tensiones (campo de): Distribución interna de fuerzas por unidad de área dentro de un material deformado. El modelo elástico permite su cálculo.
Isotropía: Propiedad de un material que presenta las mismas propiedades mecánicas en todas las direcciones. Es una hipótesis simplificadora del modelo elástico.
Homogeneidad: Propiedad de un material que tiene idéntica composición y comportamiento en cualquier porción de su volumen. Es una hipótesis simplificadora del modelo elástico.
Continuidad: Hipótesis que asume que la materia se distribuye de forma continua en el espacio, sin huecos ni discontinuidades internas. Es una idealización del modelo elástico.
Resistencia de materiales: Rama de la ingeniería y la mecánica aplicada que estudia el comportamiento de los cuerpos sólidos deformables bajo diferentes tipos de carga, con el objetivo de determinar sus límites de carga admisibles y dimensiones necesarias para evitar la rotura.