Categoría: estructuras

El impacto del cambio climático en las infraestructuras

DANA OCTUBRE 2024 – Vías del Metro entre Picanya y Paiporta. https://commons.wikimedia.org/

El diseño y la planificación de infraestructuras se han basado históricamente en el análisis de datos climáticos pasados para definir criterios estructurales de seguridad. Sin embargo, la aceleración del cambio climático ha puesto en cuestión la validez de esta metodología y ha obligado a reconsiderar los fundamentos sobre los que se establecen los códigos de construcción y las normativas de diseño. El carácter no estacionario del clima, la creciente magnitud de los eventos meteorológicos extremos y la necesidad de infraestructuras más resilientes han convertido la adaptación al cambio climático en un imperativo técnico y social.

Las estructuras deben garantizar la seguridad de sus ocupantes en condiciones tanto ordinarias como extremas, así como su funcionalidad a lo largo de su ciclo de vida. Es preciso tener en cuenta que la frecuencia y severidad de ciertos fenómenos, como tormentas, inundaciones y variaciones térmicas, ya no pueden preverse con precisión únicamente mediante datos históricos. La integración de modelos de análisis probabilístico y enfoques basados en la fiabilidad estructural representa una vía fundamental para mitigar los riesgos asociados al cambio climático y asegurar la estabilidad y operatividad de infraestructuras críticas en el futuro.

El fin de la estacionariedad climática y sus implicaciones en el diseño estructural

El diseño estructural se ha desarrollado bajo la premisa de que las condiciones climáticas permanecen relativamente estables a lo largo del tiempo, lo que ha permitido definir cargas normativas basadas en registros históricos. No obstante, el cambio climático ha invalidado esta hipótesis al introducir una variabilidad que altera tanto la frecuencia como la intensidad de los fenómenos atmosféricos y compromete la fiabilidad de los métodos de predicción empleados en el ámbito de la ingeniería.

Las estructuras diseñadas bajo códigos convencionales pueden experimentar cargas superiores a las previstas en su diseño original, lo que resulta en un aumento del riesgo estructural y la necesidad de reevaluaciones constantes para garantizar su seguridad. La acumulación de efectos derivados de condiciones climáticas extremas no solo afecta a la estabilidad estructural inmediata, sino que acelera los procesos de deterioro de los materiales y compromete la capacidad de servicio de la infraestructura a largo plazo.

El análisis de la no estacionariedad climática requiere el desarrollo de nuevas herramientas de modelado que permitan proyectar escenarios de carga climática futura con mayor precisión. La variabilidad espacial y temporal de las alteraciones climáticas obliga a establecer criterios de diseño diferenciados según la localización geográfica, la exposición a determinados fenómenos y la importancia funcional de cada infraestructura. En este contexto, la colaboración entre científicos del clima e ingenieros estructurales se erige como un componente esencial para la elaboración de mapas de cargas dinámicos que reflejen las condiciones cambiantes del entorno.

Aumento de cargas climáticas y su impacto en la estabilidad estructural

El cambio climático incide directamente en la magnitud y distribución de las cargas climáticas, lo que supone un desafío significativo para el diseño estructural. El incremento de la temperatura media global y la intensificación de eventos meteorológicos extremos tienen un impacto directo en la resistencia y durabilidad de los materiales de construcción, lo que requiere una revisión exhaustiva de los criterios de diseño para adaptarlos a condiciones más exigentes.

El aumento de la carga de viento, debido a la mayor frecuencia de tormentas severas y huracanes, plantea desafíos particulares para estructuras expuestas a esfuerzos aerodinámicos, tales como rascacielos, puentes y torres de telecomunicaciones. La variabilidad en la dirección y velocidad de los vientos extremos introduce incertidumbre en el diseño convencional, lo que requiere la aplicación de metodologías de análisis probabilístico que permitan anticipar los efectos acumulativos de estas fuerzas sobre los elementos estructurales.

Ciertamente, la carga de nieve y hielo constituye un factor de riesgo cuya evolución en un clima cambiante requiere especial atención. En climas fríos, la combinación de precipitaciones extremas y ciclos de congelación y deshielo genera esfuerzos adicionales sobre cubiertas y soportes, lo que puede ocasionar la fatiga de los materiales y aumentar el riesgo de fallos estructurales. La acumulación de hielo en líneas de transmisión eléctrica y otros elementos de infraestructura crítica puede comprometer su funcionalidad, lo que resalta la necesidad imperante de implementar estrategias de adaptación en el diseño de dichos sistemas.

El aumento del nivel del mar y la intensificación de tormentas costeras representan amenazas crecientes para las infraestructuras situadas en zonas litorales. La erosión del suelo y la intrusión salina pueden afectar la estabilidad de las cimentaciones y las estructuras de contención, mientras que el aumento en la magnitud de las marejadas ciclónicas aumenta el riesgo de colapso en las edificaciones expuestas. Por lo tanto, es esencial adoptar enfoques probabilísticos para estimar las cargas de inundación y considerar criterios de adaptación costera en el diseño estructural, con el fin de mitigar estos efectos y garantizar la seguridad y estabilidad de las infraestructuras en zonas litorales.

Resiliencia estructural y continuidad operativa en escenarios de riesgo creciente

En lo que respecta a la resistencia inmediata de las infraestructuras a eventos climáticos extremos, su capacidad de recuperación y continuidad operativa tras un desastre constituye un aspecto de suma importancia en el contexto del cambio climático. La resiliencia estructural implica no solo garantizar que las edificaciones y redes de transporte soporten cargas excepcionales sin fallar, sino también que puedan volver a estar plenamente operativas en un tiempo razonable tras una interrupción.

La planificación de infraestructuras resilientes requiere un enfoque basado en la funcionalidad tras el desastre, estableciendo criterios de diseño que permitan minimizar los tiempos de inactividad y optimizar los procesos de reparación y reconstrucción. Este enfoque cobra especial relevancia en infraestructuras críticas, tales como hospitales, plantas de tratamiento de agua y redes de energía, cuya operatividad continua resulta esencial para la estabilidad de las comunidades.

El diseño basado en rendimiento (Performance-Based Design, PBD) surge como una herramienta clave para integrar la resiliencia en la ingeniería estructural. A diferencia de los enfoques convencionales basados en requisitos normativos predeterminados, el PBD permite establecer objetivos concretos de rendimiento para cada tipo de estructura, considerando tanto su resistencia ante cargas extremas como su capacidad de recuperación tras eventos disruptivos.

Conclusión: La adaptación de las infraestructuras al cambio climático como una necesidad inaplazable

La evidencia científica sobre el impacto del cambio climático en la infraestructura es concluyente y requiere una revisión exhaustiva de los criterios de diseño estructural. La dependencia exclusiva de datos históricos ya no constituye una estrategia viable en un contexto donde la frecuencia e intensidad de eventos extremos están en constante aumento. Por ello, es necesario implementar análisis probabilísticos, actualizar periódicamente los mapas de cargas climáticas y adoptar estrategias de resiliencia estructural. Estos cambios son fundamentales para garantizar la seguridad y funcionalidad de las infraestructuras en el futuro.

La ingeniería estructural debe evolucionar hacia un enfoque basado en la adaptación y la gestión del riesgo, integrando modelos de predicción climática en el diseño y planificación de nuevas construcciones. La colaboración entre ingenieros, científicos del clima y responsables de políticas públicas será esencial para desarrollar normativas que reflejen la realidad cambiante del entorno y permitan la creación de infraestructuras más seguras y sostenibles.

La adaptación al cambio climático no es únicamente una cuestión técnica, sino una necesidad económica y social que determinará la capacidad de las comunidades para hacer frente a los desafíos del siglo XXI. El diseño estructural del futuro debe asumir este reto con un enfoque proactivo, asegurando que las infraestructuras no solo resistan el clima cambiante, sino que también contribuyan a la estabilidad y el bienestar de la sociedad en su conjunto.

Referencias:

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  • ASCE. (2021). Hazard-resilient infrastructures: Analysis and design, MOP 144. Reston, VA: ASCE.
  • Bruneau, M., Barbato, M., Padgett, J. E., Zaghi, A. E., et al. (2017). State-of-the-art on multihazard design. Journal of Structural Engineering, 143(10), 03117002.
  • Cooke, R. M. (2015). Messaging climate change uncertainty. Nature Climate Change, 5(1), 8–10.
  • Ellingwood, B. R., van de Lindt, J. W., & McAllister, T. (2020). Community resilience: A new challenge to the practice of structural engineering. Structural Magazine, 27(11), 28–30.
  • Ellingwood, B. R., Bocchini, P., Lounis, Z., Ghosn, M., Liu, M., Yang, D., Capacci, L., Diniz, S., Lin, N., Tsiatas, G., Biondini, F., de Lindt, J., Frangopol, D.M., Akiyama, M., Li, Y., Barbato, M., Hong, H., McAllister, T., Tsampras, G. & Vahedifard, F. (2024). Impact of Climate Change on Infrastructure Performance. In Effects of Climate Change on Life-Cycle Performance of Structures and Infrastructure Systems: Safety, Reliability, and Risk (pp. 115-206). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
  • Eisenhauer, E., Henson, S., Matsler, A., Maxwell, K., Reilly, I., Shacklette, M., Julius, S., Kiessling, B., Fry, M., Nee, R., Bryant, J., Finley, J., & Kieber, B. (2024). Centering equity in community resilience planning: Lessons from case studies. Natural Hazards Forum, Washington, D.C.
  • IPCC (1997). The regional impacts of climate change: an assessment of vulnerability. IPCC, Geneva.
  • McAllister, T., Walker, R., & Baker, A. (2022). Assessment of resilience in codes, standards, regulations, and best practices for buildings and infrastructure systems. NIST Technical Note 2209. National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2209
  • O’Neill, B., van Aalst, M., Zaiton Ibrahim, Z., Berrang Ford, L., Bhadwal, S., Buhaug, H., Diaz, D., Frieler, K., Garschagen, M., Magnan, A., Midgley, G., Mirzabaev, A., Thomas, A., & Warren, R. (2022). Key risks across sectors and regions. In H.-O. Pörtner, D. C. Roberts, M. Tignor, E. S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, & B. Rama (Eds.), Climate change 2022: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 2411–2538). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009325844.025
  • Poland, C. D. (2009). The resilient city: Defining what San Francisco needs from its seismic mitigation policies. San Francisco Planning and Urban Research Association Report. Earthquake Engineering Research Institute.
  • Vogel, J., Carney, K. M., Smith, J. B., Herrick, C., et al. (2016). Climate adaptation: The state of practice in US communities. The Kresge Foundation and Abt Associates.

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Impacto ambiental del hormigón con cementos con adiciones: ¿menos emisiones, pero menor durabilidad?

Uno de los artículos más citados en nuestro grupo de investigación es el que vamos a explicar a continuación. El artículo de García-Segura, Yepes y Alcalá examina en profundidad si la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas del uso de cementos con adiciones compensa la disminución de su durabilidad y la reducción de la captura de CO₂ en comparación con el cemento Portland convencional.

Esta pregunta define con precisión el problema de investigación y estructuró el estudio en torno al impacto ambiental de diferentes mezclas de cemento, desde la producción hasta la demolición. La formulación de esta pregunta permite establecer objetivos específicos y una metodología rigurosa que garantice una evaluación cuantitativa y cualitativa de los efectos de la carbonatación y de la vida útil de las estructuras construidas con estos materiales.

El estudio se basa en un análisis del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés) aplicado a una columna de hormigón armado de 3 metros de altura y sección transversal de 30 x 30 cm², reforzada con cuatro barras de acero de 20 mm de diámetro y con un recubrimiento de hormigón de 30 mm. Se evalúa el impacto ambiental de diferentes mezclas de cemento: Portland (CEM I), cementos adicionados con cenizas volantes (CEM II/A-V y CEM II/B-V) y cementos con escoria de alto horno (CEM II/B-S, CEM III/A y CEM III/B). La metodología incluye:

  1. Producción: Se calculan las emisiones derivadas de la extracción y procesamiento de materias primas, incluyendo el transporte hasta la planta de hormigón y la fabricación de barras de acero, considerando tasas de reciclaje.
  2. Construcción: Se incluyen las emisiones por bombeo y vibrado del hormigón.
  3. Uso: Se determina la durabilidad mediante el modelo de Tuutti, diferenciando las etapas de iniciación y propagación de la corrosión del acero embebido en función de la carbonatación.
  4. Demolición y reciclaje: Se evalúa la captura de CO₂ tras la demolición, considerando el impacto del tamaño del árido reciclado y el entorno de exposición.

La captura de CO₂ se cuantifica mediante ecuaciones basadas en la difusión de carbonatación, considerando coeficientes de carbonatación variables en función de la composición del cemento y del nivel de exposición ambiental.

El trabajo aporta datos cuantitativos sobre la relación entre las emisiones iniciales y la captura de CO₂ en cada etapa del ciclo de vida del hormigón. Se identifican las siguientes contribuciones clave:

  • Reducción de emisiones en la producción: CEM III/B (80% BFS) emite 70% menos CO₂ en su fabricación comparado con el cemento Portland.
  • Durabilidad reducida: Cementos con alto reemplazo de clinker presentan una vida útil 10% menor debido a una mayor tasa de carbonatación.
  • Captura de CO₂: Durante su uso, CEM III/B captura solo el 22% del CO₂ capturado por el cemento Portland. Considerando la demolición, el porcentaje asciende a 20%.
  • Impacto de reciclaje: Si el hormigón demolido se expone al aire, la captura de CO₂ puede reducir las emisiones totales en un 47%.

Los resultados muestran que, si bien los cementos con adiciones reducen las emisiones en la etapa de producción, su menor durabilidad aumenta las emisiones anuales. El cemento CEM III/B reduce inicialmente las emisiones en un 70 %, pero solo logra una disminución del 20 % cuando se consideran las emisiones anuales. Esto sugiere que, a la hora de seleccionar cemento, hay que equilibrar la reducción de emisiones iniciales con la vida útil de la estructura. La investigación también destaca la importancia de garantizar la exposición del hormigón reciclado al aire para maximizar su capacidad de secuestro de carbono.

Se identifican tres áreas clave para futuras investigaciones:

  1. Optimización de cementos adicionados: Investigación sobre el uso de aditivos y ajustes en la dosificación para mejorar la durabilidad sin comprometer la reducción de emisiones.
  2. Impacto ambiental de diferentes climas: Evaluación de la carbonatación y la vida útil del hormigón en condiciones climáticas diversas.
  3. Estrategias para maximizar la captura de CO₂ post-demolición: Desarrollo de procesos para incrementar la exposición del agregado reciclado al aire y mejorar la captura de carbono.

En resumen, el estudio ofrece un análisis exhaustivo de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al uso de cementos modificados. Aunque la reducción de emisiones en la producción de estos cementos es significativa, la menor durabilidad y la reducida captura de CO₂ requieren un análisis cuidadoso para garantizar la sostenibilidad del hormigón a largo plazo. La investigación subraya la necesidad de estrategias complementarias que optimicen la combinación entre las emisiones iniciales y la vida útil estructural para reducir el impacto ambiental global del sector de la construcción.

Referencia:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI:10.1007/s11367-013-0614-0

Esta es la versión post-print de autor. La publicación se encuentra en: https://riunet.upv.es/handle/10251/49057, siendo el Copyright de Springer Verlag (Germany).

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Sobre la resistencia de los materiales

https://datalights.com.ec/estudio-experimental-en-resistencia-de-materiales/

Hoy os propongo un artículo que trata de la importancia de la Resistencia de Materiales en la ingeniería, destacando su propósito, aplicaciones y conceptos fundamentales.

Explica cómo esta disciplina analiza el comportamiento mecánico de los materiales ante cargas externas, estudiando aspectos como la resistencia, rigidez y estabilidad. Además, compara la Resistencia de Materiales con la Teoría de la Elasticidad y la Teoría de Estructuras, y detalla las aplicaciones en diferentes ramas de la ingeniería. También aborda problemas clave como el dimensionamiento y la comprobación, y clasifica los materiales en frágiles y dúctiles según su comportamiento ante la rotura.

 

1. Objeto y finalidad de la Resistencia de Materiales

Para que una ingeniería funcione, debe tener claro qué estudia y qué quiere lograr. En efecto, toda disciplina ingenieril requiere de una definición clara y precisa de su campo de estudio y de los objetivos que busca alcanzar. En el ámbito de la Resistencia de Materiales, el propósito esencial radica en el análisis del comportamiento mecánico de los materiales ante cargas externas, determinando su capacidad para resistir esfuerzos y deformaciones.

Para ilustrar la relevancia de esta disciplina, veamos un ejemplo: dos piezas de igual geometría, pero fabricadas con materiales diferentes, como el acero y la escayola. Al aplicar una carga creciente sobre ambas, se observa que la pieza de acero soporta valores mucho mayores antes de romperse en comparación con la de escayola. Este comportamiento define la resistencia mecánica como la capacidad intrínseca de un material para resistir la ruptura bajo solicitaciones externas.

Además de la resistencia, es necesario estudiar la rigidez, entendida como la capacidad de un material para limitar sus deformaciones ante la aplicación de cargas. En el ejemplo anterior, el acero experimenta deformaciones mucho menores que la escayola bajo la misma carga, lo que indica que su rigidez es superior. Para cuantificar estas propiedades, la Resistencia de Materiales se apoya en métodos experimentales que permiten caracterizar el comportamiento mecánico de los materiales y validar modelos teóricos aplicables al diseño estructural.

Otro aspecto fundamental en el análisis de los materiales es su estabilidad, entendida como la capacidad de una pieza estructural para conservar su equilibrio y evitar desplazamientos excesivos frente a pequeñas variaciones en la carga aplicada. La evaluación de la estabilidad resulta esencial en el ámbito de la ingeniería, ya que garantiza que los elementos estructurales mantendrán su integridad bajo condiciones de servicio.

En función de estas consideraciones, la Resistencia de Materiales se define como la disciplina encargada del estudio de la resistencia mecánica, la rigidez y la estabilidad de los elementos estructurales.

2. Relación entre la Resistencia de Materiales y la Teoría de la Elasticidad

Tanto la Resistencia de Materiales como la Teoría de la Elasticidad persiguen un mismo propósito: el análisis de la respuesta de los materiales ante cargas externas. No obstante, su principal diferencia estriba en la metodología empleada. Mientras que la Teoría de la Elasticidad formula ecuaciones diferenciales complejas para describir el comportamiento de los sólidos deformables de manera exacta, la Resistencia de Materiales introduce hipótesis simplificadoras que permiten resolver problemas de ingeniería de manera más práctica y eficiente sin perder precisión en la mayoría de las aplicaciones.

Otra diferencia clave es el alcance de cada disciplina. La Resistencia de Materiales se centra en el estudio de elementos individuales dentro de una estructura, determinando los esfuerzos internos y deformaciones en cada componente. Por su parte, la Teoría de Estructuras aborda el análisis integral de la estructura, contemplando la interacción entre sus componentes y evaluando su estabilidad general. Ambas disciplinas son complementarias y su dominio resulta esencial para el diseño de estructuras seguras y funcionales.

3. Aplicaciones de la Resistencia de Materiales

La Resistencia de Materiales es un campo con una amplia gama de aplicaciones en diversas áreas de la ingeniería. Algunas de sus principales áreas de aplicación incluyen:

  • Ingeniería aeronáutica y naval: Diseño de estructuras de aviones y embarcaciones sometidas a cargas aerodinámicas e hidrostáticas.
  • Ingeniería civil: Análisis y diseño de puentes, edificios, presas y otras infraestructuras sometidas a cargas estáticas y dinámicas.
  • Ingeniería de minas: Evaluación estructural de túneles, galerías y sistemas de sostenimiento en excavaciones subterráneas.
  • Ingeniería mecánica: Diseño de componentes mecánicos como engranajes, ejes, soportes, recipientes a presión y estructuras de maquinaria.
  • Ingeniería energética: Análisis estructural de turbinas, calderas y reactores sometidos a altas temperaturas y presiones.
  • Ingeniería metalúrgica: Caracterización y optimización de materiales estructurales para mejorar su comportamiento mecánico.
  • Ingeniería eléctrica: Diseño de estructuras de soporte para equipos eléctricos y torres de transmisión.
  • Ingeniería química: Evaluación de la resistencia mecánica de reactores, tuberías y otros elementos sometidos a esfuerzos térmicos y mecánicos.

En todas las áreas de especialización mencionadas anteriormente, el conocimiento de la resistencia de los materiales resulta imprescindible para asegurar que los elementos estructurales y mecánicos diseñados sean capaces de soportar las solicitaciones a las que estarán expuestos sin comprometer su seguridad o funcionalidad.

4. Problemas fundamentales de la Resistencia de Materiales

La Resistencia de Materiales aborda dos problemas esenciales en el análisis estructural:

  1. Problema de dimensionamiento: Dado un sistema de cargas conocido, se determinan las dimensiones óptimas de un elemento estructural para que los esfuerzos internos y las deformaciones no superen los valores límite establecidos por normativas.
  2. Problema de comprobación: Una vez definidos los parámetros geométricos y mecánicos del elemento, se verifica que las tensiones y deformaciones resultantes cumplan con los valores admisibles de seguridad. Este análisis permite validar el diseño antes de su implementación en campo.

5. Materiales frágiles y dúctiles

Los materiales empleados en ingeniería pueden clasificarse en dos grandes categorías según su comportamiento ante la rotura:

  • Materiales frágiles: Presentan una rotura brusca y sin deformación plástica apreciable, como la escayola, el vidrio y algunos tipos de cerámica. En estos materiales, la fractura ocurre repentinamente cuando la tensión alcanza su valor crítico.
  • Materiales dúctiles: Experimentan una deformación significativa antes de romperse, lo que permite absorber mayores cantidades de energía sin fallar de manera súbita. Ejemplos de estos materiales incluyen el acero estructural, el aluminio y el cobre.

Para mostrar esta diferencia, consideremos de nuevo el caso de las vigas de escayola y acero sometidas a la misma carga creciente. Mientras que la viga de escayola experimenta una fractura abrupta sin mostrar signos de deformación previa, la viga de acero exhibe una respuesta progresiva con plastificación antes de alcanzar su punto de rotura. Esta propiedad hace que los materiales dúctiles sean preferidos en estructuras críticas, ya que permiten detectar señales de falla antes del colapso.

6. Conclusión

La Resistencia de Materiales constituye una disciplina de vital importancia en el ámbito de la ingeniería, puesto que permite analizar y predecir el comportamiento mecánico de los materiales sujetos a cargas externas. Su relación con la Teoría de la Elasticidad y la Teoría de Estructuras la convierte en una herramienta fundamental para el diseño y construcción de infraestructuras seguras y eficientes.

Su aplicación se extiende a diversas áreas de la ingeniería, garantizando que los materiales y componentes estructurales cumplan con los requisitos de resistencia, rigidez y estabilidad. La diferenciación entre materiales frágiles y dúctiles constituye un aspecto primordial en el diseño, ya que incide directamente en la selección de materiales idóneos para cada aplicación específica.

El conocimiento y dominio de la Resistencia de Materiales permite a los ingenieros abordar problemas complejos con soluciones optimizadas, asegurando el correcto desempeño y la seguridad de las estructuras en las que se aplican sus principios.

 

Referencia:

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

Os dejo algunos vídeos divulgativos sobre esta materia. Recuerdo que el objetivo es la divulgación en lenguaje sencillo.

 

Siméon-Denis Poisson: Contribuciones a la teoría de la elasticidad y la mecánica matemática

Siméon-Denis Poisson (1781-1840) https://es.wikipedia.org/wiki/Sim%C3%A9on_Denis_Poisson

Siméon-Denis Poisson nació el 21 de junio de 1781 en Pithiviers, Loiret, Francia, en el seno de una familia sin ascendencia noble. Su padre, Siméon Poisson, había servido como soldado raso en las guerras de Hannover, pero, descontento con el trato recibido por parte de la oficialidad aristocrática, desertó y posteriormente ocupó diversos cargos administrativos. Durante la Revolución Francesa, Poisson llegó a presidir el gobierno local de Pithiviers.

Inicialmente, Poisson fue enviado con su tío, un cirujano de Fontainebleau, con la intención de que aprendiera el oficio médico. Sin embargo, su falta de interés y habilidades manuales lo llevaron a abandonar esta formación. Posteriormente, ingresó en la École Centrale de Fontainebleau, donde su talento matemático se hizo evidente. Un profesor, M. Billy, reconoció de inmediato su potencial, lo alentó a explorar las ramas más avanzadas de las matemáticas y predijo su futuro reconocimiento. En 1798, accedió a la École Polytechnique como el mejor de su promoción, destacándose rápidamente entre sus compañeros.

En un período inferior a dos años tras su incorporación, en 1800, publicó dos memorias: una acerca del método de eliminación de Étienne Bézout y otra sobre el número de integrales de ecuaciones en diferencias finitas. Esta última fue evaluada por Sylvestre François Lacroix y Adrien-Marie Legendre, quienes recomendaron su publicación en el Recueil des savants étrangers, un reconocimiento excepcional para un joven de apenas 18 años. Este logro le permitió acceder a los círculos científicos más prestigiosos. Joseph-Louis Lagrange, en cuyas conferencias sobre teoría de funciones asistió en la École Polytechnique, se convirtió en su mentor, mientras que Pierre-Simon Laplace, que seguía de cerca su trayectoria, lo consideraba casi como un hijo académico.

Al concluir sus estudios, Poisson fue designado répétiteur en la École Polytechnique, cargo que había desempeñado previamente a su graduación. En 1802, fue ascendido al rango de profesor adjunto y, en 1806, tras la partida de Jean-Baptiste Joseph Fourier a Grenoble por orden de Napoleón, se convirtió en profesor titular. En 1808 fue designado astrónomo en el Bureau des Longitudes y, un año después, pasó a ser profesor de mecánica en la recién creada Facultad de Ciencias de la Universidad de París. En los años siguientes, continuó acumulando distinciones: en 1812 fue elegido miembro del Instituto de Francia, en 1815 se convirtió en examinador en la École Militaire de Saint-Cyr y en 1816 asumió el rol de examinador de graduación en la École Polytechnique. Posteriormente, en 1820, fue designado consejero universitario y, en 1827, sucedió a Laplace como geómetra del Bureau des Longitudes.

En el año 1817, contrajo matrimonio con Nancy de Bardi, con quien procreó cuatro hijos. El padre de Poisson, poseedor de sólidas convicciones republicanas adquiridas en el ámbito militar, inculcó en su hijo los ideales de la Primera República. Sin embargo, Poisson mantuvo una postura distante de la política activa, optando por concentrarse en su labor científica. Durante el Primer Imperio, Poisson se negó a jurar lealtad a Napoleón, manteniendo una postura neutral. En 1821, fue nombrado barón, aunque no hizo uso del título ni solicitó el correspondiente diploma. En 1818 fue elegido miembro de la Royal Society y, en 1823, miembro extranjero de la Real Academia Sueca de Ciencias.

Sin embargo, la Revolución de 1830 puso en riesgo su posición y honores, pero su situación fue protegida por François Arago, quien facilitó su aceptación en la corte de Luis Felipe de Orleans. Esta acción permitió evitar su destitución y, en 1837, fue nombrado Par de Francia, no por razones políticas, sino en reconocimiento a su prestigio científico.

A lo largo de su carrera, Poisson desarrolló investigaciones en numerosos campos, destacando en electricidad, geometría diferencial y teoría de probabilidades. Sus contribuciones a la teoría de la elasticidad, junto con Cauchy y Navier, fueron fundamentales en la década de 1820. Su enfoque analítico y su rechazo a la geometría se reflejan en su Traité de mécanique (1811), donde omitió completamente la teoría de los pares de Poinsot. En 1829, formuló ecuaciones clave para la teoría de la elasticidad y estudió la vibración de medios elásticos, incluyendo oscilaciones radiales en esferas y cascarones esféricos. En 1830, estableció la distinción entre ondas longitudinales y transversales en un medio elástico isótropo, contribuyendo al estudio de la propagación de ondas en sólidos. Su extensa obra, que supera los 300 trabajos publicados, tuvo un impacto significativo en la física matemática y la mecánica teórica.

Poisson era un firme defensor de la monarquía, lo que generó conflictos con algunos de sus contemporáneos, en particular con Louis Poinsot. Sus disputas científicas adquirieron tintes políticos y, cuando Poisson fue nombrado responsable de educación en 1830, Poinsot fue destituido de sus cargos académicos.

Como profesor, Poisson gozó de un reconocimiento excepcional, lo que se explica en parte por su experiencia como répétiteur en la École Polytechnique. Su producción científica es difícilmente igualable, con más de trescientas publicaciones, incluyendo extensos tratados y memorias en matemáticas puras, matemáticas aplicadas, física matemática y mecánica racional. Falleció el 25 de abril de 1840 en Sceaux, cerca de París, dejando un legado imborrable en la historia de las ciencias exactas.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Traité de mécanique (1811, 1833)
  • Lehrbuch der Mechanik (1825, 1826, 1835, 1836)
  • Mémoire sur le calcul numérique des intégrales définies (1827/1)
  • Note sur les vibrations des corps sonores (1827/2)
  • Lettre de M. Poisson à M. Arago (1828/1)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps élastiques (1828/2)
  • Réponse à une note de M. Navier insérée dans le dernier Cahier de ce Journal (1828/3)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps élastiques (1829/1)
  • Addition au mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps élastiques (1829/2)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps solides élastiques et des fluides (1829/3)
  • Mémoire sur l’équilibre des fluides (1830)
  • Mémoire sur les équations générales de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques et des fluides (1831)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps cristallisés (1842)

Siméon-Denis Poisson dejó una huella indeleble en el ámbito de la física matemática y la teoría de la elasticidad. Su legado científico, caracterizado por su enfoque analítico y su rechazo a los métodos geométricos, sigue siendo una referencia fundamental en el estudio de la mecánica de medios continuos y la propagación de ondas en sólidos.

Optimización estructural multiobjetivo en edificios: cómo reducir costos y emisiones con vigas de sección variable

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Energy and Buildings, de la editorial Elsevier, indexada en D1 del JCR. El estudio presenta una tipología estructural compuesta que combina columnas de hormigón armado con vigas de acero de sección variable híbrida transversal (THVS) para optimizar el coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada en la construcción de edificios.

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.

El estudio plantea la siguiente pregunta de investigación: ¿en qué medida la optimización del diseño estructural de edificios en marco mediante el uso de una tipología compuesta con columnas de hormigón armado y vigas de sección variable transversamente híbridas (THVS) contribuye a la reducción del coste económico, de las emisiones de CO₂ y de la energía incorporada en la construcción?

Esta formulación permite abordar de manera precisa la problemática del impacto ambiental y económico del sector de la construcción, orientando la investigación hacia la identificación de configuraciones estructurales que minimicen estos factores mediante metodologías de optimización. La pregunta define claramente el problema central: la búsqueda de una alternativa estructural más eficiente que las tipologías tradicionales de hormigón armado.

Metodología

El estudio adopta un enfoque de optimización estructural basado en la combinación de Biogeography-Based Optimization (BBO) y Constrained Deterministic Local Iterative Search (CDLIS). Este enfoque permite buscar de manera eficiente soluciones en un espacio de diseño altamente complejo. Se analizan tres tipologías estructurales:

  1. Estructura tradicional de hormigón armado: Se optimizan las dimensiones de vigas, columnas y cimentaciones, así como la calidad del hormigón utilizado.
  2. Estructura compuesta con vigas THVS y uniones rígidas: Se sustituyen las vigas de hormigón armado por vigas THVS con conexiones fijas a las columnas.
  3. Estructura compuesta con vigas THVS y uniones articuladas: Similar a la anterior, pero con conexiones articuladas.

Las funciones objetivo optimizadas incluyen:

  • Coste económico: Calculado con base en los precios unitarios de materiales y procesos constructivos.
  • Emisiones de CO₂(e): Evaluadas según un enfoque «cradle-to-site», considerando la extracción de materias primas, fabricación y construcción.
  • Energía incorporada: Calculada en términos de consumo energético total en las fases de producción y construcción.

Se tienen en cuenta restricciones estructurales y de servicio según las normativas de diseño. Además, se implementa la interacción suelo-estructura mediante un modelo de tipo Winkler para evaluar los asentamientos diferenciales y su efecto en el diseño estructural.

Aportaciones relevantes

  • La tipología compuesta con vigas THVS y conexiones rígidas logra una reducción del 6 % en costes económicos, del 16 % en emisiones de CO₂ y del 11 % en energía incorporada para edificios con luces de 4 m.
  • Para edificios con luces de 8 m, la configuración con uniones articuladas permite reducir los costos económicos y las emisiones en un 5 % y un 6 %, respectivamente, aunque con un mayor consumo de energía.
  • Se demuestra que la menor carga axial transmitida por las vigas THVS reduce las solicitaciones en columnas y cimentaciones, lo que optimiza su diseño y reduce su impacto ambiental.
  • Se comprueba que el uso de acero de mayor calidad en las alas de las vigas THVS en comparación con el alma mejora la eficiencia estructural, con razones de hibridación (Rh) entre 1,2 y 2,0.

Discusión de resultados

El análisis de los resultados revela diferencias significativas entre las configuraciones estructurales. En los edificios con luces reducidas (4 m), las vigas THVS con uniones rígidas ofrecen el mejor rendimiento en términos de coste y sostenibilidad. En cambio, en edificios con luces mayores (8 m), las conexiones articuladas permiten un mejor aprovechamiento del material, aunque con una menor rigidez global.

Cabe destacar que la consideración de elementos de rigidización adicionales, como muros y losas, mejora notablemente el comportamiento de la tipología articulada, reduciendo su impacto ambiental en un 45 % y disminuyendo en un 60 % la carga axial sobre las columnas.

Líneas futuras de investigación

  • Perfeccionamiento del proceso de fabricación de vigas THVS, abordando aspectos como soldadura, control de calidad y optimización de ensamblaje.
  • Desarrollo de conexiones híbridas entre vigas THVS y columnas de hormigón armado, mejorando la eficiencia de transferencia de cargas.
  • Exploración de configuraciones mixtas de soporte, optimizando la selección de conexiones fijas o articuladas según las características del edificio.
  • Evaluación del comportamiento ante cargas dinámicas y sísmicas, considerando efectos de fatiga y estabilidad estructural.
  • Implementación de metamodelos para optimización computacional, reduciendo el tiempo de cálculo en simulaciones de alta fidelidad.

Conclusión

La optimización del diseño estructural de edificios en marco mediante el uso de vigas THVS permite reducir costes y mejorar la sostenibilidad ambiental. Las configuraciones con conexiones rígidas son particularmente eficientes en luces cortas, mientras que las conexiones articuladas son una alternativa viable en luces mayores cuando se combinan con elementos de rigidización adicionales. Estos hallazgos abren nuevas líneas de investigación en la aplicación y mejora de sistemas estructurales compuestos en ingeniería civil.

Referencia:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Design optimization of a composite typology based on RC columns and THVS girders to reduce economic cost, emissions, and embodied energy of frame building construction. Energy and Buildings, 336:115607. DOI:10.1016/j.enbuild.2025.115607

 

Claude-Louis-Marie-Henri Navier: Pionero de la mecánica estructural y la teoría de la elasticidad

Claude-Louis-Marie-Henri Navier (1785-1836). https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1568282

Claude-Louis-Marie-Henri Navier nació el 15 de febrero de 1785 en Dijon, Francia, en el seno de una familia distinguida. Su padre, un prestigioso abogado que fue miembro de la Asamblea de Notables y de la Asamblea Legislativa, falleció prematuramente debido a los estragos causados por los excesos de la Revolución Francesa. A la temprana edad de 14 años, Navier quedó huérfano y su educación fue confiada a su tío, Émiland-Marie Gauthey (1732-1806), ingeniero del Corps des Ponts et Chaussées, célebre por su trabajo en la construcción del Canal du Centre. Bajo su tutelaje, Navier demostró un avance notable en las ciencias, lo que resultó en su admisión en la prestigiosa École Polytechnique en 1802, donde se distinguió por obtener una de las calificaciones más altas. Dos años más tarde, ingresó en la École des Ponts et Chaussées, donde consolidó su formación como ingeniero. En el entorno académico y práctico que le rodeaba, Navier inició su colaboración con su tío, lo que le permitió desarrollar una sólida capacidad para aplicar la teoría a la práctica.

En 1807, Gauthey falleció, un año antes de que Navier obtuviera el título de ingeniero ordinario. Consciente de su deber moral de completar la labor de su mentor, Navier asumió sacrificios personales para conservar todos sus manuscritos. Comenzó su publicación en 1813 con el Traité de la Construction des Ponts, al que enriquecería con numerosas anotaciones. La redacción de esta obra se vio interrumpida temporalmente debido a una misión encomendada por el conde Molé para la reconstrucción de los muelles del Tíber en Roma, un proyecto que quedó inconcluso tras los acontecimientos políticos de 1814.

En 1816, con el objetivo de preservar el legado de su tío, publicó un tratado sobre los canales de navegación de Gauthey, incorporando notas detalladas sobre el Canal du Centre. Paralelamente, se involucró en proyectos de ingeniería de gran envergadura, tales como la construcción de los puentes de Choisy, Asnières y Argenteuil, así como la puerta de entrada a la ciudad de París.

En 1818, Navier publicó en los Annales de Chimie et de Physique un estudio influyente en el que empleaba el principio de las fuerzas vivas para resolver problemas de mecánica con gran simplicidad y claridad. Al año siguiente, refinó su planteamiento mediante la introducción del concepto de cantidad de acción, definido previamente por Coulomb y posteriormente perfeccionado por Coriolis. Estos trabajos le valieron el reconocimiento académico, y en 1819 fue nombrado profesor suplente de Mecánica Aplicada en la École des Ponts et Chaussées, puesto que ocuparía como titular en 1831.

En 1821, Navier publicó su Mémoire sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques, una obra fundamental en la que estableció los principios de la teoría general de la elasticidad y la mecánica molecular. Su trabajo sirvió de base para los desarrollos posteriores de Cauchy, Poisson, Lamé y Clapeyron, y representó un hito en la formulación del cálculo de la energía potencial y el trabajo virtual aplicado a sistemas mecánicos.

A pesar de su sólida formación teórica, Navier no descuidó las aplicaciones prácticas. En 1822, tras un viaje de estudio a Inglaterra, presentó un informe sobre los métodos de construcción de carreteras de MacAdam, en el que analizó las razones de su superioridad frente a las técnicas francesas. En 1823, se publicó una reedición ampliada de las obras de Bélidor sobre presión de tierras, muros de contención y teoría de bóvedas. En ese mismo año, publicó su influyente estudio sobre puentes colgantes, resultado de sus observaciones en Inglaterra y Escocia, el cual fue descrito por Charles Dupin como un avance que permitiría a Francia liderar en ese campo de la ingeniería.

El 26 de enero de 1824, la Académie des Sciences reconoció su trabajo eligiéndolo miembro de la sección de Mecánica. Sin embargo, su carrera sufrió un revés con la fallida construcción del puente colgante del Pont des Invalides en París. A pesar de los extensos estudios teóricos y experimentales que precedieron a su ejecución, la aparición de ligeros movimientos en los cimientos y la ruptura de una conducción de agua generaron una reacción adversa en la opinión pública. A pesar de que la reparación era técnicamente sencilla, las críticas llevaron al abandono del proyecto, marcando una gran decepción en la trayectoria de Navier.

Entre los años 1828 y 1829, se produjo un intercambio de ideas de gran intensidad con Poisson sobre el cálculo de la resistencia de los materiales. Las críticas de Poisson fueron consideradas posteriormente como infundadas o exageradas. Sin embargo, en 1828, tuvo la satisfacción de ver cómo Lamé y Clapeyron, en un estudio sobre la teoría de bóvedas, llegaban a ecuaciones que él mismo había formulado previamente.

En 1830, Navier fue distinguido con el nombramiento de profesor de Análisis y Mecánica en la prestigiosa École Polytechnique, donde se distinguió por la claridad de su enseñanza y su destreza en la representación gráfica. En 1832, Coriolis lo reemplazó temporalmente en sus funciones docentes, lo que le permitió dedicarse plenamente a sus investigaciones. Falleció inesperadamente en agosto de 1836, dejando un vasto legado en la teoría de estructuras y la mecánica aplicada. Su pérdida fue profundamente lamentada en el ámbito académico, y sus estudiantes de la École Polytechnique le rindieron un emotivo homenaje en su funeral. Es uno de los 72 científicos cuyo nombre figura inscrito en la Torre Eiffel.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Leçons données à l’École Royale des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique (1820)
  • Rapport et Mémoire sur les Ponts suspendus (1823/1)
  • Extrait des recherches sur la flexion des plans élastiques (1823/2)
  • Sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques (1823/3)
  • Résumé des Leçons données à l’École Royale des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique à l’Établissement des Constructions et des Machines (1826)
  • Mémoire sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques (1827)
  • Bericht an Herrn Becquey, Staats-Rath und General-Direktor des Strassen-, Brücken- und Berg-Baues, und Abhandlung über die (Ketten-)Hängebrücken von Herrn Navier (1829)
  • Résumé des Leçons données à l’École des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique à l’Établissement des Constructions et des Machines (1833)
  • Mechanik der Baukunst (Ingenieur-Mechanik) oder Anwendung der Mechanik auf das Gleichgewicht von Bau-Constructionen (1833/1851, 1833/1878)
  • Résumé des leçons données à l’École des Ponts et Chaussées sur l’application de la mécanique à l’établissement des constructions et des machines, avec des Notes et des Appendices par M. Barré de Saint-Venant (1864)

Claude-Louis Navier dejó una huella imborrable en el campo de la teoría de estructuras y la mecánica aplicada. Sus investigaciones y aportaciones teóricas han sentado las bases de la ingeniería moderna, lo que lo convierte en una de las figuras más influyentes en la historia de esta disciplina.

Josef Melan: trayectoria y contribuciones a la ingeniería de puentes

Josef Melan (1854–1941). https://jam.jihlava.cz/en/architect/3-josef-melan

Josef Melan fue un ingeniero austríaco ampliamente reconocido por su destacado papel en el desarrollo de la construcción de puentes de hormigón armado a finales del siglo XIX. Se le acredita la invención del Sistema Melan, un método innovador para la construcción de puentes reforzados. A diferencia de los enfoques previos, su sistema no incorporaba barras de hierro dentro de la estructura de hormigón armado, sino que empleaba arcos de celosía rígidos de hierro como elemento de refuerzo.

En 1898, Melan alcanzó un reconocimiento significativo tras la construcción de un puente de 42,4 m de luz en Steyr, caracterizado por un arco de altura reducida. En su momento, esta obra representó el mayor puente de hormigón armado a nivel mundial. Entre sus proyectos más notables se encuentra el Puente del Dragón en Liubliana, una de las primeras estructuras de gran escala en emplear su innovador sistema constructivo.

Nacido el 18 de noviembre de 1853 en Viena, entonces parte del Imperio austrohúngaro, Melan falleció el 6 de febrero de 1941 en Praga, en la anterior Checoslovaquia. Inició sus estudios de ingeniería civil en la Universidad Técnica de Viena en 1869 y los completó en 1874. Posteriormente, tras su graduación, se desempeñó como asistente de Emil Winkler en la cátedra de Ingeniería Ferroviaria y Construcción de Puentes, marcando así el inicio de su destacada trayectoria académica y profesional.

En 1880, presentó su tesis de habilitación sobre la teoría de puentes y ferrocarriles en la misma universidad, donde ejerció como docente hasta 1886. Durante este período, además de su labor académica, desarrolló actividades profesionales en los departamentos de diseño de la empresa de construcción de puentes Ignaz Gridl y junto al contratista Gaertner, ambos con sede en Viena. En 1880, fue nombrado profesor asociado de mecánica estructural y estática gráfica en la Universidad Técnica Alemana de Brno, y en 1890 ascendió a catedrático en la misma especialidad. Posteriormente, en 1895, asumió la Cátedra de Construcción de Puentes, y en 1902 pasó a ocupar el mismo cargo en la Universidad Técnica Alemana de Praga (fundada en 1717), donde trabajó hasta su jubilación en 1923.

Durante su estancia en Viena, Melan inició el desarrollo de cálculos relacionados con la deformación estática en grandes puentes colgantes, con el propósito de optimizar su diseño y reducir costes. En 1888, Melan publicó los resultados de sus investigaciones, lo que atrajo la atención de su antiguo compañero de estudios, Gustav Lindenthal, quien le encargó la revisión estructural del Williamsburg Bridge de Nueva York, el puente colgante más grande del mundo en aquella época.

Paralelamente, ese mismo año, el ingeniero Victor Brausewetter, en colaboración con el fabricante de cemento Adolf Pittel, fundó la empresa Pittel & Brausewetter y promovió la creación de una asociación dedicada a la realización de ensayos comparativos de carga sobre estructuras abovedadas. Estos ensayos abarcaban desde bóvedas de fábrica en hormigón simple hasta elementos de hormigón armado. Desde 1886, la empresa de Gustav Adolf Waysse ya había construido estructuras basadas en la patente de Joseph Monier, con refuerzo de malla de acero en ambas direcciones. No obstante, tras un exhaustivo análisis de los ensayos mencionados, Melan expresó su escepticismo respecto al sistema, manifestando reservas en cuanto a la resistencia de los alambres empleados.

En 1892, presentó su propio y revolucionario sistema estructural, basado en un refuerzo longitudinal rígido para bóvedas, que sentó las bases de la arquitectura moderna. Para estructuras de menor luz, se utilizaron vigas en L dobladas, mientras que para las de mayor envergadura se emplearon cerchas metálicas. Gracias a su mayor capacidad portante, este método fue rápidamente adoptado en la construcción de techos en almacenes, fábricas y grandes naves industriales. Una innovación notable fue la posibilidad de suspender el encofrado del propio refuerzo y hormigonar los arcos sin necesidad de cimbras de anillos. Pittel & Brausewetter realizó pruebas de este sistema entre 1893 y 1895 en edificaciones de menor escala, aunque lamentablemente ninguna de ellas ha perdurado hasta nuestros días.

Uno de sus discípulos, Fritz Emperger, desempeñó un papel fundamental en la difusión del método de Melan. En 1893, fundó en la ciudad de Nueva York la Melan Arch Construction Company, que en 1894 se encargó del diseño y la construcción de dos puentes en Rock Rapids (Iowa) y Cincinnati (Ohio). Antes de que finalizara el siglo, su empresa había construido veintisiete puentes más, entre ellos el puente sobre el río Kansas en Topeka (Kansas), edificado entre 1896 y 1897, con cinco arcos de 30 metros de luz cada uno.

A pesar del éxito de su sistema en Estados Unidos, la comunidad técnica europea mantuvo una actitud escéptica hasta que Melan diseñó en 1896 un puente en Steyr, construido bajo la supervisión de Victor Brausewetter en 1898. Esta estructura, ubicada en la ciudad de Steyr, Alta Austria, cruzaba un brazo del río homónimo mediante un arco de tres vanos, con una luz máxima de 42,4 m y una flecha extremadamente reducida de 1:16. Ese mismo año, Melan diseñó lo que probablemente sea el puente de hormigón armado más antiguo de las tierras checas, ubicado en Veveří, cuyo diseño se inspiró en el puente medieval original que cruzaba el foso del castillo. En 1901 se finalizó la construcción del Puente del Dragón de Liubliana, cuya estructura de hormigón visto combinada con revestimientos de bronce fue diseñada por el arquitecto dálmata Jurij Zaninović.

Puente del Dragón, en Liubliana. Imagen: V. Yepes (2018)

Simultáneamente, Melan resultó adjudicatario de un concurso público para el diseño de un puente vial en Lausana, destinado a conectar los distritos de Chauderon y Montbenon. Posteriormente, en 1912, Melan proyectó un puente de hormigón armado en Le Sépey, ubicado en el sur de Suiza.

Su labor académica en Praga tuvo un impacto significativo en el desarrollo de la oficina técnica de Pittel & Brausewetter, que se convirtió en un centro de formación para sus estudiantes. Entre 1908 y 1912, Konrad Kluge (1878-1945), uno de sus alumnos más distinguidos, diseñó varios puentes con arcos rígidos reforzados con vigas en L, ubicados en Debrny, Jihlava, Přísečnice (hoy desaparecida), česká Třebová y Oloví.

En 1920, recibió el título de doctor honoris causa de la Escuela Técnica Superior de Aquisgrán en reconocimiento a su labor como profesor y científico en el campo de la ingeniería de puentes, así como por sus avances como inventor de un nuevo tipo de puente de hormigón armado.

A pesar de su avanzada edad, Melan mantuvo una constante actividad profesional. En julio de 1928, Melan diseñó un puente de arco metálico en Ústí nad Labem, basado en una propuesta de Ernst Krob, director de la Autoridad de Construcción de la ciudad. La construcción de la obra se llevó a cabo entre 1934 y 1936, consolidando de este modo su legado en el ámbito de la ingeniería estructural.

Melan se erigió como una de las figuras más influyentes en la teoría y práctica de la construcción de puentes en Austria durante la transición desde la fase de formación disciplinar hasta el período de consolidación de la teoría de estructuras. Su innovación más destacada, el Sistema Melan, introdujo una metodología pionera que combinaba de manera innovadora acero y hormigón en la construcción de puentes. A partir de la década de 1890, este sistema fue ampliamente aceptado en Europa y Estados Unidos, posicionándose como una de las soluciones constructivas más avanzadas de su época. Su impacto fue reconocido con la medalla de oro en la Exposición Universal de París en 1900.

En 1893, Melan publicó sus estudios sobre arcos de hormigón reforzado con estructuras de hierro, lo que marcó un hito en la construcción mixta. Su prestigio internacional experimentó un notable incremento en 1898, con la construcción de un puente de 42,4 m de luz en Steyr, considerado el puente de hormigón armado más extenso de su época. En este caso, el arco metálico inicial se ejecutó mediante voladizos sucesivos con un atirantamiento provisional.

Más allá de sus aportes en la construcción mixta, Melan dejó una huella indeleble en la ingeniería de puentes metálicos. En 1888, Melan fue pionero en cuantificar los efectos de la teoría de segundo orden, un avance crucial en la modelización estructural. Sus tratados sobre puentes recibieron un reconocimiento internacional destacado, y en 1913, su obra sobre puentes en arco y colgantes fue traducida al inglés por el ingeniero estadounidense David B. Steinman.

Además de su labor teórica, Melan ejerció una influencia decisiva en el desarrollo de la ingeniería de grandes puentes en Estados Unidos. Colaboró con el Departamento de Puentes de Nueva York en la verificación de los cálculos del Williams Bridge y en la evaluación del Hell Gate Bridge, diseñado por la oficina del ingeniero Gustav Lindenthal. Su impacto en la construcción de puentes en Estados Unidos durante las dos primeras décadas del siglo XX fue sin precedentes.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras

Josef Melan realizó importantes aportaciones a la teoría de estructuras a lo largo de su carrera, plasmadas en diversas publicaciones de referencia. Entre sus primeros trabajos destacan Beitrag zur Berechnung eiserner Hallen-Gespärre (1883), en el que abordó el cálculo de cerchas metálicas en naves industriales, y Ueber den Einfluss der Wärme auf elastische Systeme (1883), donde analizó los efectos térmicos en sistemas elásticos. Posteriormente, en Beitrag zur Berechnung statisch unbestimmter Stabsysteme (1884), se centró en la resolución de sistemas de barras estáticamente indeterminados.

Su obra Theorie der eisernen Bogenbrücken und der Hängebrücken (1888) estableció las bases para el diseño de puentes en arco de hierro y puentes colgantes, consolidando su prestigio en la ingeniería estructural. Años más tarde, en Theorie des Gewölbes und des Eisenbetongewölbes im besonderen (1908), amplió su estudio al análisis de bóvedas, con especial énfasis en las estructuras de hormigón armado.

Durante su etapa en la Universidad Técnica Alemana de Praga, Melan publicó Der Brückenbau, una serie de volúmenes basados en sus conferencias impartidas entre 1910 y 1917. Su influencia trascendió el ámbito europeo con la publicación en inglés de Theory of Arches and Suspension Bridges (1913) y Plain and Reinforced Concrete Arches (1915), obras que consolidaron su impacto en la ingeniería de puentes a nivel internacional.

Carlo Alberto Castigliano

Carlo Alberto Castigliano (1847-1884) https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4911407

Carlo Alberto Castigliano (Asti, 8 de noviembre de 1847 – Milán, 25 de octubre de 1884) fue un destacado ingeniero y matemático italiano, cuya labor se centró en la teoría matemática de la elasticidad y la mecánica de estructuras deformables. Su legado más reconocido son los teoremas que llevan su nombre, los cuales establecen una relación fundamental entre la fuerza aplicada y el desplazamiento experimentado por los cuerpos elásticos. Estos teoremas han sido pilares esenciales en el desarrollo de la teoría de estructuras y se utilizan ampliamente en el análisis y diseño de sistemas estructurales.

Nació en el seno de una familia de escasos recursos, siendo hijo de Giovanni Castigliano y Orsola Cerrato. Su padrastro respaldó su vocación académica al reconocer las excepcionales aptitudes del joven, y lo matriculó en el cuarto curso del Instituto Industrial de Turín. Sin embargo, debido a las difíciles circunstancias económicas familiares, Castigliano tuvo que compaginar sus estudios con trabajos esporádicos para ayudar con los ingresos del hogar. En julio de 1866, tras obtener el título de perito mecánico, realizó un curso en el Real Museo Industrial de Turín, lo que le permitió obtener la habilitación como profesor. El 10 de diciembre de ese mismo año fue nombrado profesor de construcción y mecánica aplicada en el Real Instituto Técnico de Terni, en la región de Umbría. Durante los cuatro años que permaneció en dicho cargo, se dedicó de manera incansable al estudio autodidacta de las matemáticas.

Tras obtener una excedencia en su puesto docente, Castigliano regresó a Turín en 1870, donde aprobó con distinción el examen de ingreso en la Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Naturales de la Universidad de Turín. Apenas se matriculó, escribió al rector de la universidad para solicitarle permiso para presentarse a todos los exámenes de la carrera de Matemáticas al finalizar el primer año. En marzo de 1871, recibió una respuesta favorable por parte del Ministerio de Educación y, en pocos meses, superó con éxito todos los exámenes.

Una vez licenciado, en noviembre de 1871 solicitó su inscripción en la Escuela de Aplicación para Ingenieros, actualmente conocida como Politécnico de Turín. En 1873, a pesar de las dificultades que atravesaba en su vida personal, se graduó con honores en ingeniería civil con una tesis titulada Intorno ai sistemi elastici (sobre sistemas elásticos), en la que demostraba el principio de elasticidad o teorema del trabajo mínimo, previamente enunciado por el general Luigi Federico Menabrea (1809–1896) en 1858. Durante una disputa legal con Menabrea, provocada por su tesis, Castigliano publicó en la Academia de Ciencias de Turín su memoria Nuova teoria intorno all’equilibrio dei sistemi elastici (1875), en la que formuló los teoremas sobre las derivadas del trabajo de deformación, hoy conocidos como teoremas de Castigliano, los cuales constituyen principios fundamentales de la estática estructural. Más tarde, este ensayo se convertiría en el núcleo de su principal obra Théorie de l’Équilibre des Systèmes Élastiques et ses Applications (1879).

Después de finalizar sus estudios, fue contratado como ingeniero por la compañía de ferrocarriles del norte de Italia, Strade Ferrate Alta Italia (S.F.A.I.), donde desarrolló toda su carrera profesional. Inicialmente destinado a Alba, en 1874 fue trasladado a la oficina de proyectos en Turín, y en febrero de 1875 fue designado a la sede central de la empresa en Milán. Allí se encargó del diseño y la supervisión técnica de las principales obras de la red ferroviaria del norte de Italia. Como miembro de la junta directiva, reorganizó el fondo de pensiones de la empresa. Lamentablemente, no pudo culminar su ambicioso proyecto de un Manuale pratico per gli ingegneri (manual práctico para ingenieros) antes de su prematura muerte.

Los últimos años de su vida fueron especialmente dolorosos. Tras la muerte de dos de sus hijos —Carlo en 1883, a los pocos meses de nacer, y Emilia en 1884, a los tres años—, Castigliano contrajo una neumonía de la que falleció en octubre de 1884.

Además de su obra Manuale pratico per gli ingegneri, que dejó incompleta y fue publicada parcialmente de manera póstuma (en cuatro volúmenes, entre 1882 y 1888), sus contribuciones más significativas fueron sus trabajos sobre el equilibrio de las estructuras elásticas. En 1879 y 1880, publicó los dos volúmenes de su estudio fundamental sobre este tema: Théorie de l’équilibre des systèmes élastiques et ses applications.

Poco después de su fallecimiento, Emil Winkler rindió homenaje a Castigliano en una presentación en la Sociedad de Arquitectos de Berlín (1884), donde destacó la relevancia del segundo teorema de Castigliano para los fundamentos de la teoría de estructuras. Este teorema sería, años más tarde, el centro de una controversia académica entre Mohr y Müller-Breslau.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Intorno ai sistemi elastici [1875/1]
  • Intorno all’equilibrio dei sistemi elastici [1875/2]
  • Nuova teoria intorno all’equilibrio dei sistemi elastici [1875/3]
  • Théorie de l’Équilibre des Systèmes Élastiques et ses Applications [1879]
  • Intorno ad una proprietà dei sistemi elastici [1882]
  • Theorie des Gleichgewichtes elastischer Systeme und deren Anwendung [1886]
  • The Theory of Equilibrium of Elastic Systems and its Applications [1966]

Os dejo un par de vídeos sobre el teorema de Castigliano. Espero que os sea de interés.

Durabilidad de las estructuras de acero

https://estructuramex.com/que-provoca-la-oxidacion-en-las-estructuras-metalicas/

La durabilidad de las estructuras de acero depende de factores como la calidad del material, el diseño estructural, las medidas de protección contra la corrosión y el mantenimiento planificado. Una estrategia efectiva en cada una de estas áreas permite alcanzar la vida útil deseada, minimizar el deterioro y reducir la necesidad de intervenciones costosas.

Factores que afectan a la durabilidad del acero

La exposición ambiental es una de las principales causas del deterioro del acero estructural. La agresividad del medio se clasifica en diferentes niveles, desde ambientes de corrosividad muy baja (C1) hasta ambientes de corrosividad muy alta (C5). En zonas con alta humedad, presencia de iones cloruro, exposición constante a la lluvia o a contaminantes industriales con alto contenido en SO₃, la velocidad de corrosión aumenta, por lo que es necesario adoptar medidas adicionales para proteger la estructura.

Las uniones estructurales pueden constituir puntos de alta vulnerabilidad si no se diseñan y ejecutan adecuadamente. Las soldaduras deben estar libres de fisuras, cráteres y proyecciones, ya que estas imperfecciones dificultan la adherencia de los sistemas de protección superficial. En uniones atornilladas, los pernos, las tuercas y las arandelas deben tener la misma durabilidad que el resto de la estructura para evitar deterioros diferenciales y la formación de pares galvánicos entre metales de diferente potencial electroquímico.

Diseño estructural y estrategias para mejorar la durabilidad

El diseño debe evitar configuraciones que favorezcan la acumulación de agua o suciedad, ya que estas condiciones pueden acelerar la corrosión. Para ello, se recomienda evitar superficies horizontales expuestas y secciones abiertas en la parte superior de los elementos estructurales, ya que pueden retener humedad. Además, las cavidades y huecos deben eliminarse o diseñarse de manera que permitan un drenaje eficiente. En el caso de elementos con interiores accesibles, deben incorporarse sistemas adecuados de ventilación y drenaje, mientras que los interiores inaccesibles deben sellarse completamente mediante soldaduras continuas para evitar la entrada de humedad.

Las uniones estructurales deben recibir especial atención en lo que a protección se refiere. En elementos soldados, se recomienda que la intersección entre refuerzos y elementos principales sea continua para permitir la correcta aplicación de recubrimientos. En el caso de entallas en almas o refuerzos, se deben disponer radios mínimos de 50 mm para facilitar la aplicación de los sistemas de protección.

Selección de materiales y protección contra la corrosión

En entornos agresivos, se pueden emplear aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica, aceros inoxidables o aceros galvanizados en caliente. En el caso de los aceros resistentes a la corrosión atmosférica, su uso sin recubrimiento de pintura está limitado a ambientes que no presenten una exposición significativa a iones cloruro. En estos casos, el espesor nominal de los elementos expuestos al ambiente exterior debe incrementarse en 1 mm. Para superficies interiores de secciones cerradas e inaccesibles se requiere la aplicación de un sistema de protección adecuado o un sobreespesor adicional.

La protección superficial es uno de los métodos más utilizados para garantizar la durabilidad de los elementos de acero. Al seleccionar el sistema de protección, se debe tener en cuenta el grado de preparación de la superficie, el tipo de imprimación, el número y el espesor de las capas de recubrimiento y la frecuencia de reposición durante la vida útil de la estructura. En función de la agresividad ambiental, los espesores de recubrimiento y la durabilidad del sistema deben ajustarse para proporcionar la protección requerida.

En algunas condiciones, el sobreespesor puede utilizarse como alternativa a los recubrimientos superficiales. Para ambientes de corrosividad alta (C4) o muy alta (C5), se recomienda un sobreespesor de 1,5 mm por cada 30 años de vida útil prevista, mientras que en ambientes de corrosividad media (C3) este valor se reduce a 1 mm. En ambientes de baja corrosividad (C2), el sobreespesor mínimo es de 0,5 mm, y en ambientes de corrosividad muy baja (C1) no es necesario aumentar el espesor. En elementos inaccesibles de puentes metálicos, el espesor total de las secciones cerradas no debe ser inferior a 8 mm.

La protección catódica es otra opción para reducir la corrosión en estructuras de acero, especialmente en entornos con exposición prolongada a la humedad o ambientes marinos. Este sistema requiere un diseño detallado y un plan de mantenimiento que garantice su efectividad a largo plazo. El proyecto debe justificar técnicamente la aplicación de la protección catódica y definir los procedimientos de instalación y seguimiento conforme a la norma UNE-EN ISO 12499.

Mantenimiento y conservación

El mantenimiento de las estructuras de acero es una parte esencial de la estrategia de durabilidad. Los sistemas de protección superficial deben reemplazarse periódicamente, ya que su vida útil suele ser inferior a la de la estructura. Para facilitar estas intervenciones, es necesario que las estructuras cuenten con accesos adecuados a las zonas cerradas. En los cajones metálicos, por ejemplo, las aberturas deben ser lo suficientemente amplias para permitir el paso de personal y equipos de mantenimiento. Se recomienda que las dimensiones mínimas sean de 500 x 700 mm en accesos rectangulares u ovales y de 600 mm de diámetro en accesos circulares.

Conclusión

La durabilidad de los elementos de acero en estructuras civiles depende de una combinación de factores, como el diseño estructural, la selección de materiales, la aplicación de sistemas de protección adecuados y un mantenimiento planificado. La implementación de estrategias de prevención permite garantizar el buen funcionamiento de la estructura a lo largo de su vida útil, reducir la necesidad de intervenciones correctivas y asegurar su seguridad y funcionalidad en diferentes condiciones de exposición.

A continuación, podéis ver algunos vídeos al respecto.

Os dejo a continuación el capítulo 19 del Código Estructural para que lo consultéis.

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La ingeniería de la reconstrucción

Imagen del desastre provocado por la DANA. Imagen: V.J. Yepes (10 de noviembre de 2024)

Las catástrofes naturales y humanas han acompañado a la civilización a lo largo de su historia, poniendo a prueba su capacidad de adaptación. Sin embargo, la forma en que se afronta la reconstrucción tras un desastre no puede limitarse a la reposición de lo perdido. El caso de las recientes inundaciones en Valencia el 29 de octubre de 2024 ilustra una realidad que se repite con cada evento extremo: la urgencia de reconstruir suele imponerse a la necesidad de reflexionar. No obstante, si la ingeniería de la reconstrucción se reduce a restablecer el estado previo a la catástrofe, se estaría desperdiciando una oportunidad para corregir vulnerabilidades y minimizar futuros daños.

El primer desafío tras un desastre es la respuesta inmediata. En esta fase, la prioridad es el rescate de personas y la provisión de recursos esenciales. Una vez atendidas estas necesidades básicas, la atención se centra en la recuperación de infraestructuras críticas, como hospitales, redes de agua potable, suministro eléctrico y comunicaciones. Este proceso es complejo, ya que estas infraestructuras no solo deben ponerse en funcionamiento lo antes posible, sino que, en muchos casos, han sufrido daños estructurales que comprometen su funcionalidad.

A partir de este punto surge la cuestión clave: ¿debe la reconstrucción reproducir las mismas condiciones previas a la catástrofe? Desde el punto de vista técnico y económico, esta estrategia es cuestionable. Si las infraestructuras y edificaciones han fallado ante un fenómeno extremo, replicarlas sin modificaciones implica asumir que volverán a fallar en el futuro. En el caso concreto de Valencia, se ha observado que algunos puentes obstaculizaron el flujo del agua y los sedimentos, generando represas que agravaron la crecida. Este problema no es nuevo; estructuras similares han provocado efectos equivalentes en inundaciones anteriores y, sin embargo, su diseño se sigue repitiendo. Por tanto, es necesario un enfoque distinto que incorpore criterios de resiliencia y sostenibilidad en la reconstrucción. En el caso de los puentes, esto podría traducirse en reducir el número de apoyos en el cauce, cimentaciones más profundas para reducir su vulnerabilidad a la erosión y revisar los coeficientes de empuje hidráulico en los cálculos estructurales.

El reto no solo consiste en corregir errores del pasado, sino también en prepararse para escenarios futuros más complejos. El cambio climático está alterando la frecuencia e intensidad de los eventos extremos, lo que obliga a replantear tanto la planificación territorial como la normativa vigente. Lo que antes se consideraba un fenómeno extraordinario puede convertirse en una amenaza recurrente, por lo que es necesario aplicar criterios de diseño más exigentes y estrategias de mitigación más ambiciosas. No se trata únicamente de reforzar las infraestructuras, sino de adaptar las ciudades y las redes de transporte a una realidad en la que las precipitaciones intensas, las sequías prolongadas y el aumento del nivel del mar serán cada vez más frecuentes. La planificación basada en registros históricos ya no es suficiente; la ingeniería debe integrar modelos predictivos y diseñar soluciones flexibles y adaptativas.

Sin embargo, en la reconstrucción tras una catástrofe suele predominar un enfoque táctico, con decisiones orientadas a mostrar una respuesta inmediata a la ciudadanía. La rapidez en la ejecución de ciertas obras genera la percepción de una gestión eficaz, pero este proceder puede ocultar la ausencia de una estrategia que optimice las actuaciones a largo plazo. Si bien es imprescindible contar con equipos de intervención inmediata para hacer frente a la emergencia, también es esencial disponer de un equipo de reflexión que establezca directrices fundamentadas y evite reconstrucciones apresuradas que perpetúen los mismos errores. Algo así como un «ministerio del pensamiento» que sea capaz de analizar las lecciones aprendidas y convertirlas en políticas y proyectos de reconstrucción con criterios sólidos de sostenibilidad y resiliencia.

Esta misma lógica se aplica a la planificación territorial y urbana. Rehabilitar zonas inundables sin considerar estrategias de mitigación perpetúa la exposición al riesgo. En este sentido, la ingeniería tiene el deber de plantear soluciones basadas en evidencia científica y en experiencias previas. La adaptación a eventos extremos no solo implica reforzar estructuras, sino también reconsiderar su localización y función. En muchos casos, las medidas no requieren inversiones desmesuradas, sino una gestión más eficiente del territorio. La creación de zonas de amortiguamiento, la mejora en la capacidad de drenaje y la regulación del uso del suelo son estrategias que pueden marcar la diferencia en futuras catástrofes.

Además, la sostenibilidad a largo plazo implica tener en cuenta a las personas en la ecuación que gobierna los impactos de las actuaciones. No basta con evaluar los efectos sobre las infraestructuras o el medio ambiente, sino que es necesario considerar cómo influyen estas decisiones en la calidad de vida de las personas que habitan los territorios afectados. La reconstrucción debe ir más allá de la restitución de bienes materiales y tener en cuenta también aspectos sociales, económicos y psicológicos. Por ejemplo, esto implicaría reubicar comunidades en zonas seguras, garantizar el acceso equitativo a los servicios básicos y minimizar el impacto de las obras sobre la población más vulnerable. Si la ingeniería no tiene en cuenta estos factores, existe el riesgo de generar soluciones técnicamente eficientes, pero socialmente insostenibles.

Uno de los mayores obstáculos en estos procesos es la fragmentación de competencias. La reconstrucción implica a múltiples actores, desde administraciones locales hasta organismos estatales e internacionales. En muchas ocasiones, la superposición de responsabilidades y la falta de coordinación provocan retrasos y contradicciones en la toma de decisiones. Para evitar este problema, una alternativa viable sería la creación de un consorcio específico encargado de gestionar la reconstrucción, en el que las distintas administraciones deleguen temporalmente parte de sus competencias. Este modelo permitiría una planificación más coherente y una ejecución de proyectos con criterios unificados, lo que evitaría la dispersión de recursos y la toma de decisiones inconexas.

La reconstrucción no es solo un proceso técnico, sino también una oportunidad para transformar el entorno de manera más racional y sostenible. Es indispensable actuar con rapidez, pero no se debe hacer a costa de repetir errores del pasado. La ingeniería, como disciplina, no puede limitarse a solucionar problemas inmediatos, sino que debe anticiparse a los riesgos futuros y ofrecer respuestas fundamentadas en el conocimiento acumulado. Una reconstrucción bien planificada no solo restituye lo destruido, sino que contribuye a construir una sociedad más segura y preparada para afrontar los desafíos futuros.

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