Historias de la Ciencia

Hoy día no paramos de pasar por puentes, esas enormes estructuras que nos permiten salvar grandes valles con nuestros vehículos sobre las que vamos totalmente tranquilos. Desde niño, cuando iba en coche y veía por la ventanilla que iba a entrar en un puente que salvaba un enorme valle siempre me preguntaba: ¿no se irá a caer justo en el momento en que lo estamos atravesando? Y esta idea me da pie para hablaros un poco sobre algunos puentes y algunas curiosidades.

No iré a los puentes romanos y cosas así, sino que iré al primer puente de hierro (en vez de madera o piedra) de la historia que se erigió en 1779 en Coalbrookdale, Inglaterra. Cubre unos 90 metros del río Severn y todavía se utiliza hoy para el paso de peatones. Aquel puente no se calculó gracias a la Teoría de la Elasticidad y Resistencia de Materiales que estudian hoy los ingenieros, sino por experiencia. Vamos, a ojo. ¿Cuánto podía aguantar? Sus diseñadores no hubieran podido dar una respuesta.

Los puentes fueron muy necesarios a consecuencia del ferrocarril. No hay un detalle de cuántos exactamente, pero decenas de puentes colapsaron al paso de los trenes que eran cada vez más pesados. En 1847 colapsó del puente de Dee. Había sido diseñado por el prestigioso ingeniero Robert Stephenson utilizando vigas de hierro fundido. Hubo montones de muertes y se desató el pánico. La población perdió la confianza en ellos.

En 1847, la reina Victoria creó una comisión para investigar el uso del hierro en los puentes y encargó a sus miembros establecer unos principios y unas reglas para poder aplicar aquel metal con confianza. Hoy sabemos que aquellos puentes fallaban por fatiga y se derrumbaban sin previo aviso al paso de un tren.

En EEUU, en la década de 1840 se construyeron un número considerable de puentes metálicos, pero en 1850, cuando un puente de Pensilvania se derrumbó al paso de un tren se ordenó sustituir por madera todas las estructuras metálicas de la red de Nueva York.

El desplome de un puente de 50 metros de longitud en Ashtabula, Ohio, en 1876 causó la muerte de casi un centenar de personas. En el Harper’s Weekly se escribió: ¿No hay ninguna forma de construir puentes de hierro que garantice la seguridad?. Sí se podían construir puentes de hierro seguros, pero solo si se retiraba el diseño de las manos de los empresarios aficionados y se dejaba en manos de ingenieros civiles colegiados

Fue precisamente en 1847 cuando Squire Whipple (1804-1888), ingeniero civil nacido en Hardwick, Massachusetts, EEUU, introdujo los primeros cálculos el primer método racional para analizar armaduras articuladas. En las décadas de 1860 y 1870 se publicaron varios métodos calcular flechas (así se llama el desplazamiento por esfuerzos de un elemento estructural en ingeniería), lo que impulsó aún más el desarrollo del análisis estructural. Es por ello que se le conoce como el padre de la construcción de puentes de hierro en Estados Unidos.

Ahora bien, si hacemos un puente o una estructura que tenga que aguantar, pongamos, 10 toneladas, ¿para qué carga la diseñaremos? ¿justo esas 10? ¿o algo más? ¿y si es así, cuánto más? Aquí entra lo que los ingenieros llaman coeficiente de seguridad.

Es una cifra que a menudo se llama coeficiente de ignorancia, porque supone un margen de error para que múltiples causas desconocidas puedan ocurrir sin amenazar el éxito de un proyecto. Los coeficientes de seguridad permiten que un puente construido con la remesa del acero más débil posible pueda sostenerse en pie al paso del camión más pesado que se pueda imaginar pasando por el bache más grande y traqueteando sobre el asfalto en plena tormenta.

En 1849, la Royal Commission creada para investigar el uso del hierro en los puentes ferroviarios preguntó a los grandes ingenieros de la época: ¿qué múltiplo de la carga máxima considera que debería ser la carga límite de la viga? La respuesta de hombres de la talla de Robert Stephenson (artífice del Puente Britannia), Isambard Kingdom Brunel (ingeniero del Great Western Railway) o Charles Fox (ingeniero del Crystal Palace) oscilaba entre 3 y 7. Y cuando se les preguntó: ¿Qué múltiplo de la carga máxima utilizarían para probar una viga? El coeficiente que propusieron oscilaba entre 1 y 3. La comisión concluyó que el coeficiente de seguridad apropiado para las vigas de puentes ferroviarios debía ser 6. O sea, que si el máximo esfuerzo debía ser 100 toneladas, debía aguantar 600.

Hay que tener en cuenta que una estructura real no contiene únicamente vigas, sino pilares y otros elementos estructurales: existen muchas formas en que pueda fallar y, por lo tanto, muchos coeficientes de seguridad asociados distintas partes de la misma. El coeficiente de seguridad más bajo es el que se denomina el coeficiente de seguridad de la estructura. Es la misma lógica al afirmar que una cadena es tan fuerte como el eslabón más débil. Así decimos que las estructuras de la ingeniería moderna son tan fuertes como su punto más débil. Y ese es el punto que debemos encontrar.

Estos coeficientes han ido evolucionando con el tiempo y se han ido poniendo según la intuición o experiencia del ingeniero de turno, pero hoy están estrictamente regulados por normativa. Aun así, por lo general, cuando una estructura falla, las otras del mismo tipo que se realizan con posterioridad utilizan coeficientes de seguridad mayores. Y a la inversa, cuando nos familiarizamos con un tipo de estructura a la que no le afectan fallos inexplicables, tendemos a creer que han sido sobredimensionadas, es decir, las asociamos con un coeficiente de seguridad innecesariamente alto.

Explicado todo esto, permitidme algunas anécdotas del, seguramente, puente más famoso y fotografiado del mundo: el Golden Gate. Durante la inauguración el 27 de mayo de 1937, el puente colgante, por entonces más largo del mundo con un tramo entre las torres de casi 1.300 metros, alojó por momentos 50.000 personas sin mayores problemas. ¿Cómo se calculó ese puente en 1937? A mano. Charles Ellis, el ingeniero padre de esta estructura, produjo más de 10.000 hojas con cálculos, todos con papel, lápiz y regla de cálculo. Estuvo trabajando en ello dos años sin descanso. Se investigó todo, desde un estudio geológico de las rocas hasta una prueba de carga en una maqueta de una de las torres a escala 1:56, que demostró que el puente podía soportar 54.000 toneladas (el Titanic pesaba 39.000 toneladas). Y bueno, ha aguantado unos cuantos años. Y todavía sigue.

Allá por los años 1940, el puente de Tacoma Narrows sufrió el famoso colapso cuando se empezó a retorcer de lado a lado. Resulta que los conocimientos que se tenían en la época del Tacoma Narrows eran los mismos que cuando se construyó el Golden Gate. El ingeniero que había sido responsable de la supervisión del Golden Gate, Russell Cone, empezó a estudiar el colapso de Tacoma Narrows de inmediato. Se instalaron instrumentos para medir los movimientos y oscilaciones del puente frente a tormentas.

Y llegó la gran tormenta de 1951: aquel día hubo ráfagas de viento de hasta 111 km/h. El Golden Gate experimentó oscilaciones verticales de más de un metro y un aterrador bamboleo de torsión de unos 7 metros (el mismo fenómeno de flameo que destruyó al Tacoma Narrows). El puente tuvo que cerrarse por primera vez en su historia durante varias horas para reparar los daños que había sufrido. Un equipo de ingenieros inspeccionó exhaustivamente cada tramo para valorar los efectos del bamboleo. Dos años después, un comité de ingenieros decidió que tenía que reforzarse con la instalación de una nueva estructura que aumentó su resistencia a la torsión en un 35%.

Permitidme hacer un inciso. Imaginad que llenáramos un puente con coches casi enganchados uno al otro. Ahora, quitamos los coches y ponemos personas. ¿Cuándo estará soportando más carga? ¿Con los coches o con las personas? Pues, aunque parezca mentira, con las personas. Un coche, en general, pesa unos 1.500 kilogramos y ocupa unos 8 metros cuadrados. Si tomáramos esa misma superficie y en vez de un coche hubiera personas un tanto amontonadas (digamos 4 personas por metro cuadrado) pesarían más del doble que un coche.

Volvamos al Golden Gate. En 1987 se cumplía el 50 aniversario de la estructura. La mañana del domingo el puente iba a estar de nuevo abierto a los peatones y se presentó un millón de personas. Era un ambiente festivo, la gente iba con patines, bicicleta, etc., y vinieron desde ambos extremos hacia en centro del puente. Cuando ambos extremos se juntaron, el puente estaba tan atiborrado que no pudieron moverse durante más de una hora. La gente quedó hombro con hombro, completamente atrapada. Era imposible moverse hacia adelante o hacia atrás, lo que desató escenas de claustrofobia y ataques de pánico. Muchos no pudieron entrar y se calcula que se amontonaron unas 300.000 personas sobre la calzada y los arcenes.

Aquella estructura estaba soportando una carga mayor de lo que había hecho nunca en medio siglo de atascos. Los que no llegaron a entrar en el puente pudieron verlo balanceándose de lado a lado, con un viento de 50 a 65 km/h.

Hubo avisos de que alguno de los cables se estaba aflojando, algo para lo que nunca habían sido proyectados, y los ingenieros observaron el arco central del tramo principal deformarse considerablemente descendiendo unos dos metros bajo la masa humana. Afortunadamente no cundió el pánico y no se repitió el incidente del puente de Brooklyn una semana después de su inauguración en 1883. El puente también se movía de lado a lado. Muchas personas declararon sentir náuseas y mareos similares a los de estar en un barco.

Los ingenieros se asustaron. Y mucho. El peso de la masa humana duplicó (y en algunos tramos casi triplicó) la carga máxima para la que se diseña el tráfico de vehículos convencional. De hecho, los ingenieros explicaron que el puente fue diseñado para soportar una carga de unas 3000 kg/m y aquella tarde se alcanzaron los 8000 kg/m. Si la carga con el máximo tráfico era de unas 10.000 toneladas, con toda aquella gente, la carga total pudo llegar hasta las 30.000 toneladas.

Afortunadamente, el puente se había diseñado en la década de 1930 con un enorme coeficiente de seguridad. Pero tomaron buena nota. Posteriormente se ha vuelto a abrir a los peatones en ocasiones especiales, incluido en 2012 cuando se cumplía el 75 aniversario, pero esta vez controlaron el número de personas que entraban mediante vallas y pases para que no se volviera a repetir la situación crítica de 1987.

Ya lo decía George Bernard Shaw:

El éxito no consiste en no cometer errores, sino en no cometer el mismo por segunda vez.

Por cierto, el primer puente del que os hablaba, el de Coalbrookdale, el que se había calculado a ojo, ya podemos decir que sabemos lo que aguanta. En 2012, se encargó un estudio exhaustivo y se concluyó que podemos seguir disfrutando de él.

Fuentes:
https://www.sfgate.com/local-donotuse/article/golden-gate-bridge-walk-1987-anniversary-disaster-13896571.php
https://doi.org/10.1680/jenhh.15.00018
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