Categoría: Puentes

Puentes ferroviarios de acero a finales del siglo XIX

En las últimas décadas del siglo XIX, el desarrollo de los puentes ferroviarios de acero se convirtió en uno de los pilares fundamentales de la ingeniería civil moderna. Esta evolución estuvo estrechamente relacionada con la necesidad de estructuras capaces de soportar trenes más pesados y mayores luces, y a la vez fue catalizadora de avances decisivos en la producción y uso estructural del acero. Desde los primeros arcos hasta las grandes estructuras continuas en voladizo, los puentes de acero no solo respondieron a una necesidad funcional, sino que impulsaron la transformación de la tecnología de construcción a escala global.

El puente Eads: origen del acero en la ingeniería ferroviaria

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

El primer uso del acero en un puente se produjo en 1828, durante la construcción de un puente colgante en Viena (Austria), en el que se incorporaron cadenas de suspensión de acero fabricadas mediante el proceso de horno de solera abierta. El primer empleo del acero en un puente ferroviario se produjo en la construcción del puente de St. Louis, posteriormente conocido como puente Eads, entre 1869 y 1874. Este puente, que cruza el río Misisipi en Misuri, constaba de dos vanos laterales de 152 m y un vano central de 158,5 m, y supuso un hito técnico sin precedentes. Diseñado por James B. Eads, incorporó por primera vez miembros tubulares huecos en los cordones de las armaduras y empleó el método de cajones neumáticos para cimentaciones profundas, algo revolucionario para la época. Este método de construcción de pilas también fue utilizado por Brunel en la construcción del puente Royal Albert en Saltash (Reino Unido) en 1859. Thomas Telford había propuesto este método en 1800 para un puente de hierro fundido que cruzaría el río Támesis en Londres, y Robert Stephenson lo utilizó en 1846 para construir un puente ferroviario de arco de hierro para evitar el uso de cimbra en el concurrido canal del estrecho de Menai. Eads utilizó principios desarrollados por Galileo en el siglo XVII para explicar a los escépticos los fundamentos de la construcción en voladizo de arcos. Eads no tenía una formación académica en ingeniería, pero contó con la ayuda de Charles Pfeiffer para el diseño y de Theodore Cooper para la construcción.

Eads rechazó el uso del puente colgante —considerado demasiado flexible para cargas ferroviarias— y propuso en su lugar un puente de arcos de hierro fundido, sobre los cuales se dispuso una armadura adicional que aumentaba la rigidez del tablero ferroviario. En 1864, John Roebling propuso un puente colgante para este emplazamiento. La estructura generó tanto escepticismo público y mediático que, antes de su apertura, Eads realizó pruebas de carga con catorce de las locomotoras más pesadas disponibles en el país. La magnitud del proyecto fue tan grande que prácticamente agotó los recursos de la incipiente industria siderúrgica estadounidense.

Expansión de la industria del acero y el papel del ferrocarril

La demanda de puentes con mayores luces por parte de los ferrocarriles norteamericanos, junto con el aumento constante del peso de locomotoras y vagones, impulsó el crecimiento de la industria del acero. Figuras como Andrew Carnegie invirtieron decididamente en mejorar los procesos de producción del acero para conseguir materiales con mayor resistencia y ductilidad. Este impulso dio lugar, en 1879, a la construcción del primer puente ferroviario íntegramente de acero, con celosías tipo Whipple, por parte de la Chicago and Alton Railway en Glasgow, Misuri.

La transición del puente colgante al sistema en voladizos

Aunque algunos ingenieros estadounidenses siguieron diseñando puentes ferroviarios colgantes, la preocupación por su flexibilidad frente a cargas dinámicas y viento persistía. Aun así, el famoso puente de Brooklyn, finalizado en 1883, incluía dos líneas ferroviarias. Sin embargo, el aumento de la masa de las locomotoras y la necesidad de una mayor rigidez estructural provocaron el declive de los puentes colgantes como solución ferroviaria.

La solución técnica más eficaz se encontró en el diseño cantilever, o de avance en voladizo, que permitía construir grandes luces sin cimbra y con suficiente rigidez para cargas dinámicas. El primer puente ferroviario cantilever (también llamado tipo Gerber) construido en Estados Unidos fue el de la Cincinnati Southern Railway sobre el río Kentucky en 1877. En 1883, la Michigan Central and Canada South Railway completó un puente cantiléver de viga de tablero superior sobre el desfiladero del Niágara, paralelo al puente colgante ferroviario de Roebling de 1854. Poco después, en 1884, la Canadian Pacific Railway cruzó el río Fraser, en Columbia Británica, con el primer puente cantilever de acero completamente equilibrado de tablero superior.

Estas estructuras, con brazos en voladizo y tramos suspendidos, se convirtieron en la solución habitual para grandes luces, ya que permitían un diseño estáticamente determinado, rigidez adecuada frente a cargas móviles y la eliminación de la cimbra en el vano principal.

El impulso de Theodore Cooper y la estandarización del acero

En 1880, el ingeniero Theodore Cooper publicó un influyente artículo titulado The Use of Steel for Railway Bridges ante la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE), en el que promovía el uso exclusivo del acero para puentes ferroviarios. A raíz de ello, casi todos los puentes ferroviarios estadounidenses posteriores se construyeron con acero, y hacia 1895 este material también se utilizaba en otras tipologías de puentes. Para entonces, la producción de perfiles estructurales de acero para puentes ya estaba plenamente desarrollada en el país. Para 1895, las formas estructurales ya no se fabricaban en hierro, sino que se utilizaba acero de manera exclusiva.

El puente de Forth: el cantiléver monumental europeo

Puente de Forth. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Forth

En el Reino Unido, el gobierno levantó la prohibición del uso del acero en puentes ferroviarios en 1877. Una década más tarde, el ingeniero Benjamin Baker, tras estudiar numerosos puentes cantiléver estadounidenses —especialmente los de la Canadian Pacific Railway—, propuso un diseño para el puente sobre el estuario del Forth, en Escocia. Antes de esto, Baker quizá no conocía el trabajo de los ingenieros C. Shaler Smith o C. C. Schneider, quienes ya habían diseñado y construido puentes ferroviarios en voladizo en Estados Unidos. El puente de Forth, completado en 1890, se convirtió en un hito de la ingeniería europea: un gigantesco puente cantiléver de acero con brazos de 207 m y un vano suspendido de 107 m.

Pese a las dudas de algunos ingenieros respecto a la fiabilidad del acero Bessemer por su posible fragilidad, Baker lo empleó en el proyecto. La estructura demostró una rigidez excepcional: la deflexión máxima medida con locomotoras pesadas fue de solo 90 mm, muy cerca del valor teórico previsto de 100 mm. También se sometió a pruebas con dos trenes de carbón largos y pesados en condiciones de viento extremas, con una deflexión inferior a 180 mm.

El puente de Quebec: tragedia, rediseño y récord mundial

Puente de Quebec. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Quebec

La siguiente gran estructura cantiléver fue el puente de Quebec, sobre el río San Lorenzo. Con un vano central de 549 m, aún es en la actualidad el puente cantiléver de mayor luz del mundo. Sin embargo, su construcción estuvo marcada por dos catastróficos fallos: en 1907, un error en el cálculo de las tensiones de compresión durante la fase de voladizo provocó el colapso de la estructura. En la reconstrucción se utilizó acero con níquel como nuevo material. No obstante, en 1916, el vano suspendido cayó al ser izado. Finalmente, el puente se terminó y se abrió al tráfico ferroviario en 1917. Los proyectistas originales fueron Theodore Cooper y Peter Szlapka, de la empresa Phoenixville Bridge Company. Tras el colapso, H. E. Vautelet presentó un nuevo diseño, pero la remodelación del puente se licitó entre varias empresas constructoras y fue ejecutada por G. H. Duggan (St. Lawrence Bridge Company) bajo la dirección de C. C. Schneider, R. Modjeski y C. N. Monsarrat. El acero aleado con níquel se utilizó por primera vez en 1909 en el puente de Blackwell’s Island (hoy Queensboro), en Nueva York. El acero con níquel también fue empleado extensamente por J. A. L. Waddell en diseños de puentes ferroviarios de grandes luces. A. N. Talbot realizó ensayos de conexiones de acero con níquel para la reconstrucción del puente de Quebec.

Puentes de tramo continuo: una opción limitada en América

Mientras que en Europa los puentes de tramo continuo se hicieron más frecuentes, en América del Norte se evitaban por su carácter estáticamente indeterminado. Una excepción fue el puente ferroviario de la Canadian Pacific Railway en Montreal, construido en 1886 con tramos principales de 124,5 m. Se utilizó un método cantiléver para su construcción, controlando cuidadosamente las deformaciones en los cordones inferiores mediante tensores y tornillos ajustables. Estos vanos fueron reemplazados en 1912 debido a las preocupaciones sobre su comportamiento bajo cargas ferroviarias más pesadas. El extremo principal de las cerchas de reemplazo del vano simple se apoyó mediante cimbras sobre una barcaza móvil durante su instalación en un trazado adyacente.

El primer gran puente ferroviario de acero de Francia fue el Viaducto del Viaur, que se construyó en 1898. Este puente de arco en celosía tipo cantilever es inusual, ya que no tiene un vano suspendido, por lo que la estructura es estáticamente indeterminada. Muchos ingenieros consideran que el diseño no era apropiado para cargas ferroviarias.

Viaducto del Viaur. https://es.wikipedia.org/wiki/Viaducto_del_Viaur

La consolidación de nuevas técnicas: roblonado y acero de alto carbono

A principios del siglo XX, muchas estructuras de hierro y acero fueron sustituidas debido al aumento de peso de las locomotoras. El peso típico de las locomotoras era de aproximadamente 40 t en 1860, 70 t en 1880, 100 t en 1890, 125 t en 1900 y 150 t en 1910. Aunque el roblonado era común en Europa, en Estados Unidos no se estandarizó en puentes de gran luz hasta alrededor de 1915. El roblonado se utilizaba en vanos de menor luz a principios del siglo XX.

Uno de los primeros ejemplos destacados fue el Hell Gate Bridge en Nueva York, una estructura de arco de acero de 298 m completada en 1916 para soportar cuatro vías ferroviarias. Fue erigido sin cimbra y empleó por primera vez acero con alto contenido en carbono, principalmente, debido al alto coste del acero aleado.

Ese mismo año, la Chesapeake & Ohio Railroad terminó el puente de Sciotoville, en Ohio, con dos tramos continuos de 236,5 m, el más largo de su tipo hasta hoy.

Puente de Sciotoville. https://en.wikipedia.org/wiki/Sciotoville_Bridge

Un legado de 80.000 puentes

En 1910 se estimaba que había unos 80 000 puentes de hierro y acero en Estados Unidos, que sumaban un total de 2250 kilómetros sobre una red de 300 000 km de vías. La mayoría de los puentes eran de construcción de acero a principios del siglo XX. El ferrocarril, en su rápida expansión tras la Guerra Civil, se convirtió en el principal motor de innovación estructural, propiciando el paso de la madera y la mampostería al hierro y, finalmente, al acero.

El desarrollo de procesos como el Bessemer (1856) y el horno Siemens-Martin (1867) permitió la producción económica del acero. Así, los puentes ferroviarios de acero se convirtieron en una respuesta ingenieril al desafío logístico de la era industrial, marcando el inicio de la ingeniería estructural moderna.

 

Tesis doctoral: Optimización multicriterio para el diseño sostenible de puentes postesados mediante metamodelos

De izquierda a derecha: Julián Alcalá, Salvador Ivorra, Lorena Yepes, Tatiana García y Antonio Tomás.

Hoy, 6 de junio de 2025, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de Dª. Lorena Yepes Bellver, titulada “Multi-criteria optimization for sustainable design of post-tensioned concrete slab bridges using metamodels”, dirigida por el profesor Julián Alcalá González. La tesis ha obtenido la máxima calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

Esta tesis utiliza técnicas de modelización sustitutiva para optimizar los costes económicos y medioambientales en puentes losa de hormigón postesado hormigonado in situ. El objetivo principal de esta investigación es desarrollar una metodología sistemática que permita optimizar el diseño de puentes, reduciendo los costes, las emisiones de CO₂ y la energía necesaria para construir este tipo de puentes sin comprometer la viabilidad estructural o económica. El marco de optimización propuesto consta de dos fases secuenciales: la primera se centra en ampliar el espacio de búsqueda y la segunda intensifica la búsqueda de soluciones óptimas. El metamodelo basado en Kriging realiza una optimización heurística que da como resultado un diseño con emisiones de CO₂ significativamente menores que los diseños convencionales. El estudio revela que una relación de esbeltez de aproximadamente 1/30 arroja resultados óptimos, ya que se reduce el consumo de material y se mantiene la integridad estructural. Además, el aumento de la armadura pasiva compensa la reducción de hormigón y armadura activa, lo que da como resultado un diseño más sostenible. Por otra parte, se identifica una compensación entre costes y emisiones que muestra que un modesto aumento de los costes de construcción (menos del 1 %) puede reducir sustancialmente las emisiones de CO₂ (más del 2 %), lo que demuestra que el diseño de puentes sostenibles puede ser económicamente viable.

La investigación explora más a fondo la optimización de la energía incorporada en la construcción de pasos elevados de carreteras anuladas mediante el uso de muestreo por hipercubo latino y optimización basada en Kriging. La metodología permite identificar los parámetros críticos de diseño, como los altos coeficientes de esbeltez (en torno a 1/28), el uso mínimo de hormigón y armadura activa, y el aumento de la armadura pasiva para mejorar la eficiencia energética. Aunque en el estudio se emplearon Kriging y redes neuronales artificiales (RNA), Kriging demostró ser más eficaz a la hora de identificar óptimos locales, a pesar de que las redes neuronales ofrecen predicciones absolutas más precisas. Esto pone de manifiesto la eficacia de los modelos sustitutos a la hora de orientar las decisiones de diseño sostenible, incluso cuando los modelos no ofrecen predicciones absolutas perfectamente exactas.

En el contexto de la optimización de costes para puentes de losa postesada, el estudio demuestra el potencial del modelado sustitutivo combinado con la simulación del recocido. Los resultados muestran que el método de optimización basado en Kriging conduce a una reducción de costes del 6,54 %, principalmente mediante la minimización del uso de materiales, concretamente de hormigón en un 14,8 % y de acero activo en un 11,25 %. Estas reducciones en el consumo de material se consiguen manteniendo la integridad estructural y la capacidad de servicio del puente, lo que convierte al modelado sustitutivo en una herramienta práctica y eficaz para la optimización económica en el diseño de puentes.

El estudio también evalúa la forma de optimizar las emisiones de CO₂ en pasos elevados de carreteras pretensadas. Se identifican los parámetros óptimos de diseño, como grados de hormigón entre C-35 y C-40 MPa, profundidades del tablero entre 1,10 y 1,30 m, y anchuras de base entre 3,20 y 3,80 m. La red neuronal mostró las predicciones más precisas entre los modelos predictivos analizados, con los errores medios absolutos (MAE) y cuadrados medios (RMSE) más bajos. Estos resultados subrayan la importancia de seleccionar el modelo predictivo adecuado para optimizar las emisiones de CO₂ en el diseño de puentes y destacan el valor de utilizar modelos sustitutivos para mejorar la sostenibilidad en los proyectos de ingeniería civil.

Por último, la investigación integra la toma de decisiones multicriterio (MCDM) con la optimización basada en Kriging para evaluar y optimizar los diseños de puentes en relación con objetivos económicos, medioambientales y estructurales. El enfoque MCDM permite evaluar de manera más exhaustiva las alternativas de diseño al tener en cuenta las compensaciones entre coste, impacto ambiental y rendimiento estructural. Esta integración contribuye al desarrollo sostenible de las infraestructuras, ya que facilita la selección de diseños óptimos que se ajusten a los objetivos de sostenibilidad.

En conclusión, esta tesis demuestra que el modelado sustitutivo, que utiliza explícitamente el Kriging y redes neuronales artificiales, es un enfoque práctico para optimizar las dimensiones medioambiental y económica del diseño de puentes. El marco de optimización en dos fases que aquí se presenta proporciona una metodología eficiente desde el punto de vista computacional que permite identificar soluciones de diseño óptimas y sostenibles que cumplen las restricciones estructurales y económicas. Los resultados sugieren que la metodología es aplicable a proyectos de infraestructuras a gran escala y sentarán las bases para futuras investigaciones. Futuros estudios podrían investigar el uso de algoritmos y modelos de optimización adicionales para perfeccionar aún más el proceso de optimización y mejorar la aplicabilidad de estas metodologías en proyectos reales.

Referencias:

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NAVARRO, I.J.; VILLALBA, I.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J. Social Life Cycle Assessment of Railway Track Substructure Alternatives. J. Clean. Prod. 2024, 450, 142008.

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Los orígenes la ingeniería de puentes ferroviarios: Resistencia de materiales y mecánica estructural

Puente antiguo en celosía para un ferrocarril de vía única, reconvertido para uso peatonal y soporte de tuberías. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_en_celos%C3%ADa

El desarrollo de la ingeniería de puentes ferroviarios se ha sustentado en el avance de disciplinas fundamentales, como la resistencia de materiales y la mecánica estructural. A lo largo de los siglos XVII y XVIII, diversos científicos establecieron los fundamentos del análisis racional de estructuras. En 1678, Robert Hooke formuló la ley que relaciona la fuerza elástica con la deformación. En 1705, Jacob Bernoulli llevó a cabo un estudio exhaustivo sobre las curvas de deflexión. Leonhard Euler y Charles-Augustin de Coulomb fueron pioneros en la investigación sobre la estabilidad elástica de los elementos sujetos a compresión. Posteriormente, en 1826, Louis Navier sentó las bases de una teoría más exhaustiva de la elasticidad.

Francia ocupó una posición destacada en la promoción de estos avances durante el siglo XVIII, contribuyendo significativamente al desarrollo de ingenieros con una sólida formación científica. Estos profesionales ejercieron una notable influencia en el campo de la ingeniería ferroviaria estadounidense. Dignos de mención son los ingenieros Charles Ellet (1830), Ralph Modjeski (1855), L. F. G. Bouscaren, ingeniero jefe del ferrocarril de Cincinnati Southern (1873), y H. E. Vautelet, ingeniero de puentes del Canadian Pacific Railway hacia 1876, quienes se formaron en las primeras escuelas de ingeniería francesas. Esta formación, basada en un enfoque riguroso de las matemáticas, la mecánica y el análisis estructural, resultó determinante para el desarrollo de la ingeniería de puentes ferroviarios en América del Norte. En este contexto, los profesionales aplicaron los principios adquiridos en Francia, introduciendo un diseño más racional y científico en sus respectivos entornos ferroviarios. Entre 1885 y 1889, el ingeniero alemán F. Engesser, especializado en puentes ferroviarios, realizó importantes avances en el análisis de la estabilidad de los elementos comprimidos. Gracias a su trabajo, este tipo de estudios se generalizó para su aplicación práctica en ingeniería estructural, y los ingenieros disponían de herramientas más precisas para evaluar el riesgo de pandeo en columnas y otros elementos críticos de los puentes metálicos. Estos desarrollos fueron especialmente relevantes en un contexto de creciente demanda de estructuras más resistentes y fiables en la red ferroviaria europea.

Desde su nacimiento en la década de 1820, el ferrocarril se expandió rápidamente durante más de ochenta años. Este crecimiento constante, unido al aumento del peso de las locomotoras, provocó que muchos puentes tuvieran que ser reemplazados cada diez o quince años. La necesidad de estructuras más resistentes, con mayor luz y fiabilidad, unida a los fallos estructurales que se producían en servicio, impulsó a los ingenieros de mediados del siglo XIX a adoptar un enfoque más científico en el diseño de puentes de hierro y acero. A causa del elevado número de accidentes ferroviarios debidos a fallos estructurales en los puentes, la ingeniería de estos elementos experimentó una evolución significativa a lo largo del siglo XIX. Estos incidentes pusieron de manifiesto la necesidad urgente de adoptar un enfoque más riguroso y científico en el diseño y la evaluación de las estructuras, lo que impulsó una serie de investigaciones y avances técnicos fundamentales para garantizar la seguridad en el transporte ferroviario.

En Estados Unidos, esta práctica era principalmente empírica, basada en la experiencia y en la repetición de diseños de armaduras probadas, como las de tipo Town, Long, Howe y Pratt, en los que se mejoraban los materiales, pero sin un conocimiento profundo de las fuerzas internas. Este enfoque resultó insuficiente entre 1850 y 1870, cuando se produjeron numerosos fallos estructurales. La necesidad de aumentar la seguridad y de responder a cargas mayores llevó al desarrollo de métodos analíticos más rigurosos. En este contexto, Squire Whipple publicó en 1847 el primer análisis racional de celosías isostáticas mediante el método de los nudos, lo que supuso un hito en la historia de la ingeniería estructural.

Puente Britannia. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_Britannia

Entretanto, en Europa, ingenieros franceses, alemanes y británicos también avanzaban en la teoría de la elasticidad y en la mecánica estructural. En 1849, P. E. Clapeyron desarrolló la ecuación de los tres momentos, que aplicó en 1857 al análisis del puente Britannia. El diseño de este puente se basó en un análisis de tramos simples, a pesar de que Fairbairn y Stephenson eran conscientes de los efectos de la continuidad sobre la flexión. Los tramos se montaron inicialmente con apoyos simples y, posteriormente, se elevaron secuencialmente en los pilares correspondientes. Una vez en su posición, los tramos se conectaron mediante placas remachadas para lograr la continuidad de los tramos, un enfoque innovador que permitió superar las limitaciones de los métodos tradicionales de construcción de puentes de la época. En el Reino Unido, los ingenieros ferroviarios realizaron ensayos con metales y modelos a escala para evaluar la resistencia y la estabilidad de los puentes.

A partir de los trabajos de Whipple, dos ingenieros europeos destacaron especialmente: D. J. Jourawski y Karl Culmann. Jourawski criticó el uso de refuerzos verticales de placa empleados por Stephenson en el puente Britannia. Consideraba que esta solución no era la más adecuada para garantizar la resistencia y la estabilidad del puente, y destacaba la importancia de emplear métodos más eficientes en el diseño de elementos de compresión en estructuras de gran envergadura. Culmann, ingeniero del Ferrocarril Real Bávaro, fue un defensor temprano del análisis matemático de estructuras. En 1851, estudió en detalle las celosías como la Howe, ampliamente utilizadas en Estados Unidos. Karl Culmann no solo se centró en celosías isostáticas como las de tipo Howe, sino que también analizó estructuras hiperestáticas, como las celosías Long, Town y Burr. Estas configuraciones, más complejas desde el punto de vista estructural por ser estáticamente indeterminadas, fueron estudiadas por Culmann mediante métodos aproximados, lo que supuso un paso importante para comprender y evaluar este tipo de estructuras. Aunque aún no se disponía de herramientas matemáticas plenamente desarrolladas para resolver estos sistemas con precisión, sus aproximaciones permitieron establecer criterios útiles para su diseño y validación en el contexto ferroviario de la época.

Tipos estructurales celosías metálicas (vía @dobooku)

Durante esta misma época, se desarrollaron nuevas formas estructurales, como la celosía Warren (1846), y W. B. Blood ideó en 1850 un método de análisis específico para armaduras trianguladas. La viga Warren, caracterizada por su estructura triangular regular y su eficiencia en la distribución de esfuerzos, se utilizó por primera vez en un puente ferroviario en 1853, en la línea del Great Northern Railway del Reino Unido. Este hecho marcó el inicio de su aplicación práctica en la infraestructura ferroviaria, consolidándose progresivamente como una de las tipologías estructurales más versátiles y extendidas en Europa y en América del Norte.

En el Reino Unido, la investigación sobre los efectos de las cargas móviles y la velocidad también se inició en la década de 1850, y fue precedida por los estudios teóricos de Stokes y Willis sobre vibraciones y resistencia. Fairbairn abordó en 1857 el impacto de estas cargas sobre estructuras isostáticas.

En 1862, el ingeniero alemán J. W. Schwedler presentó una teoría fundamental sobre momentos flectores y esfuerzos cortantes en vigas, y contribuyó al análisis de armaduras mediante el método de secciones. Ese mismo año, A. Ritter perfeccionó dicho método al desarrollar un enfoque basado en el equilibrio en la intersección de dos barras de la armadura. Paralelamente, entre 1864 y 1874, James Clerk Maxwell y Otto Mohr desarrollaron y perfeccionaron los métodos gráficos para el análisis de celosías. Estas técnicas permitieron representar visualmente y con gran precisión los flujos de fuerza en las estructuras, lo que facilitó el diseño y la comprensión del comportamiento estructural.

Además, Maxwell y W. J. M. Rankine realizaron importantes aportaciones teóricas en ámbitos clave como los cables de suspensión en puentes metálicos, las vigas en celosía y los efectos de flexión, cortante, deformación y estabilidad en elementos comprimidos. Sus trabajos sentaron las bases de muchas de las prácticas modernas en ingeniería de estructuras metálicas y contribuyeron decisivamente al avance del diseño de puentes ferroviarios. Culmann también abordó el análisis de vigas continuas y de largueros, y en 1866 publicó una descripción general del método para diseñar puentes en voladizo. En 1866, Karl Culmann publicó una descripción extensa y sistemática del análisis gráfico de celosías, consolidando así una metodología visual que permitió a los ingenieros calcular con mayor claridad y eficacia las fuerzas internas en estructuras complejas. Su obra no solo facilitó el diseño de puentes ferroviarios más seguros y eficientes, sino que también sirvió de referencia durante décadas en la enseñanza y la práctica de la ingeniería estructural.

Posteriormente, Culmann desarrolló teorías sobre cargas móviles y la flexión de vigas que fueron ampliamente aceptadas en Europa y Estados Unidos. En 1867, E. Winkler introdujo las líneas de influencia, una herramienta clave para el análisis de estructuras sometidas a cargas en movimiento.

El estudio de los efectos dinámicos del tráfico ferroviario, como los impactos derivados de las irregularidades de la vía, el «golpe de ariete» de las locomotoras, el cabeceo, el balanceo y la oscilación, continuó impulsando la investigación teórica y experimental. El aumento de la carga ferroviaria también generó preocupación por la fatiga del material, un campo en el que A. Wöhler destacó por sus estudios para los ferrocarriles alemanes.

A finales del siglo XIX, la ingeniería de puentes ferroviarios en Norteamérica dio un nuevo paso hacia la consolidación de una práctica plenamente científica. El ingeniero J. A. L. Waddell desempeñó un papel clave en este proceso, ya que en 1898 y 1916 publicó dos obras de referencia sobre el diseño de puentes de acero. Estos textos sentaron las bases de una metodología rigurosa y estandarizada para el diseño estructural en el ámbito ferroviario.

Hasta entonces, era habitual que las compañías ferroviarias adquiriesen puentes completos a fabricantes que ofrecían soluciones prefabricadas y de diseño propio. Waddell y otros ingenieros promovieron un cambio radical: que los diseños los realizaran de forma independiente ingenieros cualificados, basándose en principios científicos, y que las empresas solo se encargaran de la fabricación. La Erie Railroad fue la primera en aplicar este nuevo modelo, y su ejemplo fue seguido rápidamente por el resto de las compañías ferroviarias estadounidenses. Así, el diseño independiente y técnicamente fundamentado se convirtió en la norma.

Así, a comienzos del siglo XX, la ingeniería de puentes ferroviarios había alcanzado una madurez técnica plena en Estados Unidos y Europa, basada en fundamentos científicos sólidos, metodologías de cálculo avanzadas y una clara profesionalización del diseño estructural.

Os dejo un vídeo de un puente de ferrocarril de celosía tipo Warren.

Squire Whipple, padre de la construcción de puentes de hierro en Estados Unidos

Squire Whipple (1804-1888). https://es.wikipedia.org/wiki/Squire_Whipple

Squire Whipple (16 de septiembre de 1804, Hardwick, Massachusetts; 15 de marzo de 1888, Albany, Nueva York) fue una figura esencial en el desarrollo de la ingeniería estructural en Estados Unidos y es reconocido como el «padre de la construcción de puentes de hierro» en dicho país.

Nacido en el seno de una familia campesina, su primer contacto con la ingeniería se produjo a temprana edad, cuando su padre diseñó, construyó y operó una hilandería de algodón cerca de Greenwich, Massachusetts, entre 1811 y 1817. En 1817, cuando Whipple tenía trece años, su familia se trasladó al estado de Nueva York y se estableció en el condado de Otsego, donde su padre retomó las labores agrícolas.

Durante su adolescencia, Whipple recibió educación secundaria en la Fairfield Academy, en Herkimer, y también asistió a la Hartwick Academy. Gracias a su aptitud académica, pudo ingresar y graduarse en el Union College de Schenectady (Nueva York) en solo un año, en 1830. En la década siguiente, trabajó en distintos proyectos ferroviarios y de canales, y en los periodos de desempleo fabricaba y vendía instrumentos matemáticos de su propia elaboración.

Su participación en la ampliación del Canal Erie resultó decisiva para su desarrollo profesional. Al comprobar que los puentes de madera existentes no eran adecuados para el nuevo trazado ensanchado del canal, concluyó que era necesario utilizar hierro. En 1841 obtuvo la patente de una celosía de arco tensado (bowstring truss), que combinaba hierro forjado para los elementos sometidos a tracción y hierro fundido para los elementos a compresión, estableciendo una clara distinción funcional entre ambos materiales. Ese mismo año, construyó el primer puente con este sistema sobre el Canal Erie en Utica, y en los años siguientes se edificaron al menos seis estructuras similares en los estados de Nueva York y Erie. Sus diseños, especialmente los de vigas de celosía y puentes de arco tensado prefabricados, se adoptaron como estándar para los cruces del canal.

En 1847, publicó A Work on Bridge Building, una obra fundamental en la que presentó la teoría de celosías trianguladas mediante métodos gráficos y trigonométricos, una innovación que marcó el inicio de la independencia teórica de la ingeniería estructural estadounidense respecto del modelo europeo. En este tratado formuló una ecuación empírica para dimensionar montantes de hierro fundido, describió el comportamiento elástico-plástico de las vigas de ese material y realizó un análisis preliminar del fenómeno de fatiga, aunque sin emplear este término. Estos aportes sentaron las bases de la teoría de estructuras en Estados Unidos durante su etapa fundacional (1850-1875). A lo largo de su carrera, publicó otras obras relevantes, como Apéndice a la obra de Whipple sobre construcción de puentes (1869) y Tratado elemental y práctico sobre construcción de puentes (1873), que consolidaron su legado teórico.

Puente de arco tesado Whipple, construido entre 1867 y 1869 sobre el Normans Kill en Albany. https://es.wikipedia.org/wiki/Squire_Whipple

Entre los ejemplos más destacados de su obra construida se encuentra el puente de arco tensado de hierro forjado y fundido sobre el arroyo Normans Kill, en Albany (Nueva York), construido entre 1867 y 1869 por S. DeGraff, de Syracuse. Este puente, muy bien conservado, permaneció en uso continuo y sin restricciones de carga hasta su cierre al tráfico rodado en enero de 1990. Su elegante diseño ha llevado a muchos usuarios a creer erróneamente que se trata de una estructura moderna. Durante décadas, la autopista de peaje de Delaware atravesaba el puente hasta que, en 1929, fue reemplazado por una estructura nueva, más alta, larga y ancha. A pesar de ello, el puente original de Whipple aún se conserva como patrimonio histórico. Otro ejemplo notable se halla en el campus del Union College, donde hoy se utiliza como pasarela peatonal.

Asimismo, el puente Shaw es una pieza singular: es el único puente de arco tesado Whipple que se conserva en su ubicación original y la única estructura doble de este tipo que se conoce. Compuesto por dos tramos idénticos que comparten un pilar común, se le ha descrito como «una estructura de gran importancia para la historia de la ingeniería y la tecnología del transporte en Estados Unidos». A estos ejemplos se suman al menos cuatro puentes similares más que aún se conservan en el centro del estado de Nueva York y otro más en Newark (Ohio), lo que evidencia la amplia adopción de sus diseños.

Squire Whipple falleció el 15 de marzo de 1888 en su residencia de Albany. Fue sepultado en el Cementerio Rural de Albany, en Menands (Nueva York). Su legado, tanto teórico como práctico, perdura como un pilar fundamental en la historia de la ingeniería estructural y del diseño de puentes en América.

La experiencia profesional en la ingeniería y la arquitectura. La necesidad de un cambio en la valoración del profesorado universitario

En España, las Escuelas de Ingeniería y Arquitectura ofrecen títulos universitarios habilitantes para ejercer profesiones reguladas en sectores fundamentales como la arquitectura, la medicina y la ingeniería. Este modelo formativo no solo tiene como objetivo proporcionar una sólida base teórica, sino también formar profesionales competentes para afrontar los retos del mundo laboral. Las Escuelas de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos ejemplifican la estrecha vinculación entre la docencia y la práctica profesional, siendo históricamente referentes gracias a sus catedráticos, quienes han combinado la labor académica con la ejecución de importantes proyectos de infraestructura.

Historia y vínculo con la práctica profesional

Desde sus inicios —como la Escuela de Ingenieros de Caminos de Madrid, fundada en 1802— estas instituciones han contado con profesores de reconocido prestigio internacional que han liderado y gestionado obras de gran envergadura (puentes, presas y puertos, entre otras). La experiencia directa acumulada en el campo aporta un valor añadido incalculable, ya que permite a los egresados no solo dominar la teoría, sino también comprender y aplicar soluciones reales a los desafíos técnicos y constructivos. La integración de la práctica profesional en la enseñanza resalta la inseparabilidad entre ciencia y técnica, base imprescindible para la formación completa del ingeniero.

Limitaciones del modelo universitario actual

El sistema universitario vigente ha privilegiado el desarrollo de la carrera investigadora y académica, orientando a estudiantes brillantes hacia el doctorado, contratos predoctorales, estancias de investigación y la promoción en el escalafón universitario. Si bien este enfoque es fundamental para el avance científico, en el ámbito de la ingeniería ha llevado a descuidar la incorporación de conocimientos derivados de la experiencia práctica de alto nivel. En las últimas décadas, se ha reducido drásticamente la presencia de profesores con una sólida trayectoria profesional en la dirección de grandes obras, lo que genera una desconexión entre el conocimiento teórico y las habilidades prácticas necesarias en el ejercicio profesional.

La figura del profesor asociado

Se ha sugerido que la figura del profesor asociado podría compensar la carencia de profesionales con experiencia práctica en el claustro universitario. No obstante, este modelo presenta áreas de mejora, ya que dichos profesionales, aunque compaginan la actividad práctica con la docencia, tienen contratos que impiden desarrollar, a largo plazo, una carrera académica estable y sólida. Esta situación limita su participación en procesos de investigación y en la toma de decisiones estratégicas a largo plazo, mermando la transferencia directa de conocimientos prácticos a las nuevas generaciones.

La necesidad de integrar la experiencia profesional en la academia

La ausencia de expertos con amplia experiencia en grandes proyectos de ingeniería repercute directamente en la formación de los estudiantes, quienes terminan sus estudios con un conocimiento teórico destacado, pero con habilidades y experiencia práctica mejorables para su incorporación en el mercado laboral. Esta limitación dificulta la transición profesional, pues las empresas y organismos demandan ingenieros capaces de aplicar sus conocimientos en la ejecución y gestión de obras complejas. Ante esta situación, resulta imperativo revisar los criterios de evaluación del profesorado universitario, de manera que la Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación (ANECA) reconozca y valore especialmente la experiencia profesional de calidad al evaluar a este tipo de docentes.

Propuesta para la integración de profesionales en el ámbito universitario

Para solventar la brecha entre la formación teórica y la práctica profesional, se plantea la necesidad de crear nuevas vías de incorporación de profesionales con amplia experiencia en el ejercicio de la ingeniería al ámbito académico. Estas nuevas estructuras permitirían a dichos profesionales desarrollar una carrera académica paralela, estable y digna, sin renunciar a su actividad práctica. Resulta fundamental que esta reforma venga acompañada de una modificación en los criterios de evaluación de las instituciones, integrando los méritos derivados de la experiencia profesional junto a la excelencia investigadora. Modelos internacionales —como los desarrollados en Alemania, Canadá y Suiza— demuestran que es factible conciliar la actividad profesional y académica de manera efectiva, facilitando una mayor transferencia de conocimientos prácticos a los estudiantes y mejorando la conexión entre la formación y las necesidades del mercado laboral.

Conclusión y propuesta de acción

España no puede seguir anclada en un modelo educativo que excluya a aquellos profesionales que cuentan con la experiencia práctica necesaria para enriquecer la formación de los ingenieros. Es urgente la realización de una reforma que integre la experiencia profesional en la valoración del profesorado universitario, garantizando así una educación completa que responda a las exigencias del siglo XXI. En este sentido, se debería revisar en profundidad los criterios de evaluación del profesorado en la docencia de las profesiones reguladas y alcanzar un acuerdo que permita la incorporación efectiva de profesionales con trayectoria en la docencia y la investigación.

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Puentes de fundición en la ingeniería ferroviaria

Figura 1. Puente de hierro de Stephenson atravesando el río Gaunless. https://es.wikipedia.org/wiki/Ferrocarril_de_Stockton_y_Darlington

Durante el siglo XIX, el crecimiento vertiginoso de las redes ferroviarias en el Reino Unido y Estados Unidos planteó un gran desafío técnico: construir puentes capaces de soportar trenes cada vez más pesados y recorrer distancias más largas.

Los materiales tradicionales, como la madera y la piedra, no podían hacer frente a estas nuevas exigencias. En este contexto, surgió un nuevo material en la historia de la ingeniería: el hierro fundido.

¿Qué es el hierro fundido?

El hierro fundido, también conocido como fundición de hierro o hierro colado, es una aleación de hierro con un alto contenido de carbono (normalmente entre un 2 % y un 4 %), lo que facilita su fundición y moldeado. Se obtenía vertiendo el metal fundido en moldes, lo que permitía fabricar piezas con formas complejas y repetitivas. Su gran resistencia a la compresión lo hacía ideal para soportar cargas pesadas, especialmente en elementos estructurales como arcos y pilares.

Sin embargo, también tenía una limitación importante: era frágil, es decir, podía romperse de forma repentina si se sometía a esfuerzos de tracción o impactos bruscos. Esta característica marcaría el principio y el final de su uso en los puentes ferroviarios, como veremos.

Los primeros puentes de fundición

Figura 2. Vista del Iron Bridge. https://es.wikipedia.org/wiki/Iron_Bridge

Los primeros puentes metálicos se fabricaron de fundición y la mayoría tienen estructuras poco claras, heredadas de los puentes de piedra y de madera. La herencia de tipologías anteriores es habitual cuando se comienza con un nuevo material.

El primer puente metálico del mundo se construyó en 1779 en Coalbrookdale (Reino Unido). Se trataba de un arco de fundición de 30,5 m de altura que cruzaba el río Severn. Este puente demostró que era posible utilizar metales con éxito en grandes estructuras. En estos primeros puentes, los arcos se construían con barras unidas por pernos.

Décadas más tarde, en 1839, Estados Unidos siguió este ejemplo con un puente similar de 24,5 m en Brownsville (Pensilvania). Estos arcos de fundición fueron los primeros puentes ferroviarios metálicos y su uso se extendió rápidamente a medida que las locomotoras se volvían más pesadas y las distancias más largas.

Uno de los puentes más antiguos que aún se conserva es el de Merthyr Tydfil (Gales), construido en 1793. Con una longitud de 14 m, fue concebido para una línea industrial de tranvías y constituye el puente ferroviario de hierro colado más antiguo que aún se mantiene en pie.

En 1823, George Stephenson —uno de los padres del ferrocarril moderno— construyó el primer puente de hierro fundido para una línea pública: el ferrocarril de Stockton a Darlington. Para ello, se utilizaron tramos de 3,8 m en forma de lentes, apoyados sobre caballetes. Esta solución sentó un precedente para numerosas otras estructuras que facilitarían el cruce de valles anchos o profundos sin pendientes pronunciadas, aspecto fundamental debido a la limitada capacidad de tracción de las primeras locomotoras.

El desarrollo del hierro fundido en la ingeniería ferroviaria

A medida que las exigencias del ferrocarril aumentaban, ingenieros británicos de renombre como Robert Stephenson e Isambard Kingdom Brunel diseñaron puentes de arco de fundición que demostraban una eficacia notable en la compresión. A partir de 1830, se inició la construcción de arcos y vigas de fundición en el Reino Unido. En Estados Unidos, la empresa ferroviaria B&O se dedicó a la fabricación de vigas de fundición en 1846, siendo seguida por otras compañías como Pennsylvania Railroad en 1853 y Boston and Albany Railroad en 1860.

El primer puente ferroviario de Richmond fue construido por el contratista Thomas Brassey y diseñado por los ingenieros civiles Joseph Locke y J. E. Errington en nombre del Ferrocarril de Londres y del Suroeste (L&SWR). El puente ferroviario de Richmond, Windsor y Staines fue inaugurado en 1848. Debido a las preocupaciones sobre el uso de la fundición en su construcción, fue reconstruido durante la década de 1900, siendo el principal cambio la sustitución de elementos de hierro por otros de acero.

Cabe señalar que uno de los hitos más destacados fue el viaducto de Crumlin, en Gales, construido en 1857. Con una estructura mixta y elementos de fundición, permitía atravesar un valle de forma eficiente y fue considerado un logro técnico en su época.

En paralelo, en Estados Unidos se empezó a usar predominantemente cerchas compuestas por madera, hierro fundido y hierro forjado, una aleación de hierro que resulta más dúctil y resistente a la tracción. Un ejemplo notable es la cercha tipo Howe, que integra elementos de compresión en hierro fundido y de tracción en hierro forjado, complementados con piezas de madera.

La fragilidad del hierro fundido y su declive

Figura 3. Desastre del puente del Dee. https://es.wikipedia.org/wiki/Desastre_del_puente_del_Dee

A pesar de sus ventajas, el hierro fundido presentaba una desventaja significativa: su fragilidad ante cargas dinámicas y golpes. En 1847, el colapso del puente ferroviario del Dee, con vigas de fundición en el Reino Unido, generó un extenso debate entre ingenieros británicos (Figura 3). Provocó cinco víctimas mortales y puso de manifiesto la debilidad de los puentes de vigas de fundición de hierro reforzadas con tirantes de hierro forjado. Además, recibió fuertes críticas hacia su diseñador, el ingeniero Robert Stephenson, hijo del también ingeniero George Stephenson. Se llegó a la conclusión de que, a pesar de su resistencia a la compresión, el hierro fundido no demostraba una respuesta óptima ante las fuerzas de tracción ni ante los impactos generados por las locomotoras al atravesar los puentes.

En Estados Unidos, el problema también se hizo evidente. Tras el lamentable incidente del derrumbe de un puente de hierro en la línea Erie Railroad en 1850, algunas compañías se vieron compelidas a sustituir las estructuras de hierro por otras de madera. No obstante, otras, como el ferrocarril B&O, mantuvieron la utilización del hierro fundido, aunque con mayores medidas de precaución y principalmente en elementos que solo operaban bajo compresión.

A partir de la década de 1850, el uso del hierro forjado se fue imponiendo progresivamente por su mayor resistencia a los esfuerzos de tracción. En Europa, la construcción de puentes ferroviarios de hierro colado cesó alrededor de 1867. Un ejemplo notable fue el puente sobre el río Garona en Francia, construido por Gustave Eiffel en 1860, con una longitud de 488 m.

En Estados Unidos, el hierro fundido continuó siendo utilizado durante un período adicional de aproximadamente una década, aunque con una aplicación más restringida a usos altamente específicos.

Conclusión

El hierro fundido supuso un hito revolucionario en la historia de la ingeniería, posibilitando la construcción de los primeros grandes puentes metálicos. Su facilidad de fabricación y resistencia a la compresión lo convirtieron en una solución ideal en los inicios del ferrocarril. No obstante, su vulnerabilidad ante cargas dinámicas motivó a los ingenieros a explorar materiales más robustos, como el hierro forjado y, posteriormente, el acero.

A pesar de sus limitaciones, el legado del hierro fundido perdura en numerosas estructuras que desafían el paso del tiempo, más de dos siglos después. Más allá de su función estructural, los puentes ferroviarios de hierro fundido también son valorados por su importancia estética, con diseños elaborados que embellecen el entorno donde se sitúan.

 

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.

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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Modelos subrogados para optimizar el coste de pasos superiores pretensados

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Infrastructures, indexada en el JCR. El estudio presenta una metodología de optimización de costes para puentes losa aligerados postesados mediante metamodelos, en la que se destaca la aplicación del modelo Kriging en combinación con algoritmos heurísticos.

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.  A continuación, explicamos brevemente el contenido del artículo que podéis descargar gratuitamente.

La investigación se centra en un puente de tres vanos con luces de 24, 34 y 28 m, y optimiza el diseño estructural para reducir costes sin comprometer los criterios de servicio y seguridad. Se identifica una reducción del 6,54 % en los costes en comparación con enfoques tradicionales, lograda principalmente mediante la disminución del uso de hormigón en un 14,8 % y del pretensado en un 11,25 %.

El trabajo también evalúa distintas técnicas predictivas, como redes neuronales y funciones de base radial, y determina que las redes neuronales presentan el menor error de predicción, aunque requieren varias ejecuciones para garantizar estabilidad. En contraste, el modelo Kriging permite identificar óptimos locales con alta precisión. La metodología propuesta proporciona una estrategia eficiente para la toma de decisiones en ingeniería estructural, que promueve diseños de puentes más rentables sin comprometer el rendimiento estructural.

Figura. Paso superior en la autovía A-7, en Cocentaina (Alicante)

Los resultados indican que la optimización mediante modelos subrogados permite reducir significativamente los costes de diseño de pasos superiores pretensados. La estrategia adoptada optimiza variables como la profundidad de la losa, la geometría de la base y la resistencia del hormigón, y respeta las restricciones impuestas por los estados límite de servicio, que son los últimos según el Eurocódigo 2. Se observa que la metodología basada en kriging y la optimización heurística proporciona resultados prácticos con menor esfuerzo computacional en comparación con la optimización directa de todas las variables estructurales.

El modelo Kriging optimizado mediante Simulated Annealing identificó una configuración de losa con una profundidad de 1,30 m y una base de 3,15 m como la solución más rentable. Esta configuración se corrobora mediante la predicción de redes neuronales, lo que muestra coherencia en la localización del óptimo. En comparación con estudios previos, los resultados indican que la metodología utilizada en este trabajo permite obtener ahorros significativos sin necesidad de analizar exhaustivamente cada alternativa estructural.

A partir de los hallazgos obtenidos, se sugiere explorar la integración de métodos de optimización multiobjetivo que tengan en cuenta no solo el coste, sino también el impacto ambiental y los costes de mantenimiento a lo largo del ciclo de vida del puente. La inclusión de criterios de sostenibilidad podría mejorar la eficiencia global del diseño estructural y su capacidad de adaptación a normativas futuras.

Otra línea de investigación relevante consiste en aplicar modelos subrogados en el diseño de otros tipos de estructuras, como puentes de vigas o marcos de hormigón armado, para evaluar su viabilidad en distintas configuraciones estructurales. Además, el desarrollo de modelos predictivos más sofisticados, que integren aprendizaje automático y simulaciones de alta fidelidad, podría optimizar aún más los diseños propuestos.

Por último, se recomienda estudiar el impacto de la variabilidad de los materiales y las condiciones de carga en la optimización del diseño. La incorporación de análisis probabilísticos mejoraría la fiabilidad de las soluciones obtenidas, ya que se obtendrían diseños estructurales más robustos y seguros.

Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Surrogate-assisted cost optimization for post-tensioned concrete slab bridges. Infrastructures, 10(2): 43. DOI:10.3390/infrastructures10020043.

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Robert Maillart

Robert Maillart (1872 – 1940). https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15901325

Robert Maillart (Berna, 6 de febrero de 1872 – Ginebra, 5 de abril de 1940) fue un ingeniero civil suizo que innovó en el uso del hormigón armado, creando el arco triarticulado, el arco con tablero armado para puentes y losas sin vigas con columnas en forma de seta para naves industriales. Sus puentes de Salginatobel (1929-1930) y Schwandbach (1933) transformaron la estética y la ingeniería de los puentes, y ejercieron una gran influencia en generaciones de arquitectos e ingenieros. En 1991, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles declaró el puente de Salginatobel «Hito Histórico Internacional de la Ingeniería Civil».

Maillart creció en el seno de una familia calvinista de Berna y destacó desde joven en matemáticas y dibujo durante su educación secundaria. Entre 1890 y 1894 estudió ingeniería estructural en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH), donde asistió a las conferencias de Wilhelm Ritter sobre estática gráfica, una disciplina clave en su formación. Tras obtener su título, regresó a Berna para trabajar con Pümpin & Herzog (1894-1896) y luego pasó dos años en la administración de la ciudad de Zúrich y en la firma Froté & Westermann. Fue en esta última donde concibió una de sus primeras innovaciones: el diseño del puente de arco de hormigón armado en Zuoz, finalizado en 1901, en el que integró la calzada con el arco estructural, generando una sección en forma de cajón de doble celda. En 1902 fundó su propia empresa, Maillart & Cie. En 1903 diseñó un foso para gasómetro en la ciudad de Sankt Gallen, donde por primera vez incorporó el análisis de los momentos flectores en los cálculos gráficos de las fuerzas internas de una cáscara cilíndrica de hormigón armado empotrada en la losa de cimentación. A finales de ese mismo año, Maillart detectó la aparición de grietas verticales próximas a los estribos en el alma de la estructura del puente de Zuoz. Esta observación derivó en la incorporación de recortes triangulares en los elementos de apoyo y, posteriormente, en 1905, en el desarrollo del puente de arco articulado en tres puntos sobre el Rin en Tavanasa, con una luz de 51 m.

En 1912 se mudó con su familia a Rusia, donde dirigió la construcción de fábricas y almacenes en Járkov, Riga y San Petersburgo, mientras el país se industrializaba con inversiones suizas. Sin embargo, con el estallido de la Primera Guerra Mundial, se vio obligado a evacuar Riga y trasladarse a Járkov. Durante su estancia en Kiev, diseñó grandes estructuras industriales para AEG y otras compañías. La muerte de su esposa en 1916 y la irrupción de la Revolución de Octubre marcaron un punto de inflexión en su vida, obligándolo a regresar a Suiza con sus tres hijos en una situación económica precaria. Al regresar a Suiza, Maillart no tenía dinero y estaba endeudado. Tras su regreso, trabajó para otras firmas, pero lo mejor de sus diseños aún estaba por llegar. En 1920 se incorporó a una oficina de ingeniería en Ginebra, que luego abrió sucursales en Berna y Zúrich. A pesar de estas dificultades, su segunda etapa creativa (1920-1940) se caracterizó por una intensa actividad que culminó con la construcción de 160 estructuras que reflejan el rigor lógico y la sensibilidad artística de su obra. Su mayor contribución a la teoría de estructuras fue la introducción del concepto de centro de cortante y la formulación clara de su teoría en la década de 1920.

Puente de Salginatobel en Schiers. De Rama – Trabajo propio, CC BY-SA 2.0 fr, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4794735

Robert Maillart tuvo un ingenio intuitivo con el que supo aprovechar la estética del hormigón. Gracias a sus contribuciones al diseño estructural, el lenguaje arquitectónico del hormigón armado se consolidó durante la primera mitad del siglo XX. Diseñó arcos triarticulados que combinaban el tablero y las nervaduras del arco, creando estructuras integradas que evolucionaron hacia arcos rígidos de hormigón armado delgados y losas del mismo material. El puente de Salginatobel (1930) y el puente de Schwandbach (1933) son ejemplos clásicos de estos diseños, reconocidos por su elegancia y su influencia en la ingeniería de puentes posteriores. Estos conceptos superaron los límites del diseño de la época. Ambos puentes demuestran su habilidad para simplificar proyectos, maximizar el uso de materiales e integrar la belleza del entorno. Maillart fue seleccionado entre 19 participantes por el bajo coste de su propuesta y comenzó la construcción del puente de Salginatobel en Schiers en 1929, que fue inaugurado el 13 de agosto de 1930.

Maillart es conocido por su innovador diseño de columnas con forma de seta en varios edificios. Su primer techo de este tipo lo construyó para un almacén en Zúrich, para el que trató el tablero de hormigón como una losa, sin vigas. Una de sus obras más famosas es el diseño de las columnas de la planta de filtración de agua de Rorschach. Al abandonar los métodos tradicionales, Maillart creó «el método de construcción europeo más racional y bello». En su diseño de columnas, ensanchaba las partes superiores para reducir el momento flector y formar ligeros arcos que transferían las cargas al suelo. También abocinó la base de las columnas para distribuir mejor la carga y reducir la presión sobre el suelo. Aunque muchos usaron este método con madera y acero, Maillart fue pionero al emplear hormigón, que soportaba eficazmente el aislamiento contra la congelación. Su técnica se utilizó para construir el puente de Ciolo, en Apulia.

Todas las partes del puente se integraron según su función constructiva, de modo que la carretera ya no era un peso que el arco debía soportar, sino un elemento que colaboraba como parte resistente de la estructura. Los puentes de Maillart superan la tradicional separación entre peso propio y cargas útiles, y se convierten en obras de arte por su economía de medios, equilibrio armónico y fuerza constructiva. Su principal innovación fue la viga cajón de tres articulaciones que utilizó en el puente de Tavanasa sobre el río Rin, construido en 1905 y destruido en 1927. Entre sus estructuras destacadas se encuentran la nave del Almacén de Aduanas de Chiasso, en 1924, y la gran nave de hormigón para la Exposición Nacional de Suiza de 1939 en Zúrich. La invención más importante para edificios fue la construcción de techos sin vigas apoyadas en capiteles en 1908, técnica que se popularizó a partir de 1910. Este sistema elimina la transición columna-viga-losa, dejando solo la columna-losa, lo que ahorra material, reduce el tiempo de ejecución y otorga flexibilidad, ligereza y elegancia al diseño.

Aunque no destacó en teorías académicas, comprendió la importancia de hacer suposiciones y visualizar las estructuras al analizarlas. A Maillart le molestaba el uso excesivo de las matemáticas, ya que prefería emplear el sentido común para prever el rendimiento a gran escala. Como rara vez probaba sus puentes antes de la construcción, los verificaba una vez terminados y los cruzaba él mismo. Esta actitud fue clave para sus diseños innovadores. En palabras de Mirko Gottfried Roš: «Maillart fue un ingeniero en el sentido más estricto del término. Puso la teoría y los avances científicos al servicio de la arquitectura: la primera era su herramienta y la segunda su propósito. Consideraba la experiencia y el conocimiento científico como socios equivalentes».

Cuando Robert Maillart falleció el 5 de abril de 1940, el mundo de la construcción en hormigón armado perdió a un auténtico «virtuoso del hormigón» y a un genio de la ingeniería estructural. Mirko Gottfried Roš lo describió en su obituario con estas palabras: «Fuiste tanto ingeniero como artista, porque tu credo fue la armonía entre magnitud, belleza y verdad».

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Zur Frage der Biegung [1921/1]
  • Bemerkungen zur Frage der Biegung [1921/2]
  • Ueber Drehung und Biegung [1922]
  • Der Schubmittelpunkt [1924/1]
  • Zur Frage des Schubmittelpunktes [1924/1, 1924/3]
  • Zur Entwicklung der unterzugslosen Decke in der Schweiz und in Amerika [1926]
  • Einige neuere Eisenbetonbrücken [1936]

Os dejo un vídeo sobre este insigne ingeniero.