Resúmen del libro En pie Las claves ocultas de la ingeniería por Roma Agrawal (Built: The Hidden Stories Behind Our Structures)
Resumen corto: En Pie cuenta la historia y problemas a los que se enfrentan los ingenieros estructurales. La ingeniería estructural tiende a aparecer en las noticias cuando algo sale mal, como cuando un edificio se cae o un puente se derrumba. En el libro, Agrawal ofrece una imagen más completa de lo que significa ser un ingeniero, ofreciendo una variedad de historias y datos interesantes sobre las estructuras de nuestro mundo y las personas que las construyeron.
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La imagen típica de los ingenieros
El 27 de agosto de 1907, muy por encima del río San Lorenzo de Canadá, un equipo de 86 trabajadores estaba construyendo el Puente de Quebec. La construcción había estado en marcha durante cuatro años, pero esa fatídica tarde, una gran sección del puente se derrumbó.”El desastre duró menos de 20 segundos pero de los trabajadores, 7 perdieron la vida
Es cuando sucede algo como esto, cuando un ingeniero jefe comete un error de cálculo y se produce un desastre, que la ingeniería estructural aparece en las noticias. Quizá el hecho de que casi no aparezcan ingenieros de caminos en las noticias es la mayor muestra de su habilidad.
Si buscamos un poco, veremos que abundan los triunfos de la ingeniería estructural. Las ciudades en las que vivimos son testimonio del profundo conocimiento que los ingenieros tienen de las fuerzas de la naturaleza.
En términos generales, hay dos tipos de fuerza que ejercen presión sobre las estructuras: compresión y tensión.
Cuando se coloca peso sobre un objeto, la fuerza fluye hacia abajo desde el peso, poniendo el objeto en compresión. Cuando nos ponemos de pie, nuestras piernas están en compresión, soportando la fuerza ejercida por nuestro cuerpo.
Por el contrario, cuando se cuelga el peso de un objeto, la fuerza fluye hacia abajo y se aleja del objeto, poniéndolo en tensión. Por ejemplo, si levantamos unas pesas, nuestro brazo estaría en tensión.
Si no pudiéramos canalizar estas fuerzas, seríamos incapaces de construir nada. El primer paso para hacer una construcción, es entender como deben distribuirse las fuerzas.
Sabemos que nuestros ancestros sabían cómo canalizar la compresión. Hay indicios de que sus primeras estructuras fueron cabañas de barro de un solo piso, que utilizaban el sistema de carga: el peso del edificio se canalizan hacia abajo a través de sus gruesos muros de barro, poniéndolos en compresión.
En algún momento, nuestros antepasados aprendieron sobre la tensión. Una vez que obtuvieron árboles adecuados, empezaron a construir casas con troncos. Más tarde sellaron la estructura contra los elementos arrastrando pieles de animales o plantas.
A diferencia de las cabañas de barro, estas estructuras utilizaban el sistema de armazón: el peso de la estructura se canaliza a través de los troncos que, al empujarse unos contra otros, estaban en tensión.
La compresión y la tensión, y los dos sistemas que se nos ocurrieron para canalizarlos, han sido parte integral de la construcción desde que se erigieron los primeros edificios. Y lo siguen siendo hoy en dia.
La base de la construcción
Los edificios modernos no son muy diferentes de las construcciones de LEGO: cada uno está compuesto por una variedad de componentes más pequeños. Tomemos cualquier estructura y encontraremos que su estructura está hecho de una red de vigas, soportes, columnas y armazón.
Las columnas son pilares verticales y se utilizan para canalizar la compresión. Los antiguos griegos y romanos perfeccionaron el uso de columnas, convirtiendo estas secciones verticales en una forma de arte. Especialmente impresionantes son las columnas del Partenón, en Atenas, y las del Foro Romano, en Roma.
Las vigas son soportes horizontales largos y sólidos, hechos de madera, acero u hormigón armado. Son lo que formará el esqueleto del suelo y techos. Cuando se colocan cuando se coloca material sobre ellos, canalizan el peso hacia las columnas sobre las que descansan.
Las secciones de un estructura que no son horizontales ni verticales se denominan soportes o puntales. La resistencia a las fuerzas horizontales la proporcionan dos sistemas de soporte llamados:
Refuerzo vertical. El soporte entre las líneas de las columnas (en planos verticales) proporciona trayectorias de carga para la transferencia de fuerzas horizontales al nivel del suelo. Los edificios enmarcados requieren al menos tres planos de soporte vertical para apuntalar ambas direcciones en planta y para resistir la torsión alrededor de un eje vertical.
Refuerzo horizontal. El soporte en cada piso (en planos horizontales) proporciona trayectorias de carga para la transferencia de fuerzas horizontales a los planos de soporte vertical. Se necesitan refuerzos horizontales en cada nivel de piso, sin embargo, el sistema de piso en sí puede proporcionar suficiente resistencia. Los techos pueden requerir refuerzos.
Si un espacio es demasiado grande para que las vigas se extiendan sin ayuda, se pueden emplear cerchas para obtener una estabilidad adicional. Las cerchas, armaduras o celosías, son estructuras de soporte triangulares compuestas por columnas, vigas y puntales. Son más prácticos que las vigas, ya que los componentes son transportables y se pueden ensamblar en el sitio, y su forma triangular es intrínsecamente estable.
Las cerchas se utilizan en la construcción de puentes. Un ejemplo famoso, es el puente Golden Gate. Recorriendo su longitud, podemos ver un patrón triangular, que se encarga de mantenerlo. Estas son las celosías.
Los estructuras de gran parte de las estructuras no emplean más que estos cuatro componentes básicos. Pero algunos edificios son grandes y requieren algo extra: un núcleo.
Podemos pensar en un núcleo como la columna vertebral de un edificio. Los núcleos están hechos de acero u hormigón y ayudan a canalizar las fuerzas externas. Si los vientos fuertes, o cualquier otra fuerza, ponen la brotación bajo estrés, el núcleo ubicado en el centro la absorbe, canalizando hacia abajo y apenas se flexiona, haciendo que el edificio sea imposible de derribar.
Otros edificios modernos adoptan un enfoque diferente. En lugar de un núcleo interno, utilizan una estructura externa. Estos se llaman diagrids o estructuras con refuerzo externo. Los ejemplos famosos de Tivo son The Gherkin, en Londres, y el Centre Pompidou de París.
La lucha contra los elementos
La gravedad no es una fuerza que deba tomarse a la ligera, pero al menos es predecible, que es más de lo que se puede decir sobre algunas de las otras fuerzas naturales con las que los ingenieros tienen que lidiar.
El viento plantea un problema especialmente delicado. Para estructuras de tamaño modesto, el viento no es un problema importante. Un ingeniero tiene que medir la velocidad del viento en la obra y tener en cuenta algunas otras cosas: cuán lejos está del océano, cuán alto está sobre el nivel del mar y cómo es el terreno circundante. Con esto, se puede calcular con precisión la severidad del efecto de la fuerza del viento.
Las complicaciones aumentan exponencialmente para los rascacielos. En lugar de cálculos abstractos, el ingeniero debe construir un modelo a escala del rascacielos, así como del terreno circundante, y luego probarlo en un túnel de viento. Los rascacielos se encuentran entre los edificios que requieren un núcleo, pero, en algunos casos, un núcleo no es suficiente para evitar que se balanceen con el viento.
Los edificios utilizan un amortiguador de masa sintonizado. Un amortiguador de masa sintonizado es un péndulo gigantesco ubicado en el centro de un edificio. Cuando golpea el viento, el péndulo coincide con la frecuencia de resonancia del edificio, cantando en la dirección opuesta a la oscilación del edificio y cancelando la fuerza del viento.
El Taipei 101, una torre de metros cuadrados en Taiwán, tiene un amortiguador enorme; ubicado entre los pisos ochenta y siete y noventa y dos, pesa 660 toneladas y ya ha salvado la torre al menos una vez. Este edificio mezcla elementos occidentales y asiáticos, adaptando el diseño de las pagodas a un contexto de negocios del siglo XXI.
La pagoda es el edificio de varios niveles común en varios países asiáticos, entre otros China, Vietnam, Japón, Tailandia y Corea. La mayoría de las pagodas se construyeron con fines religiosos, principalmente como parte del Budismo y en algunas ocasiones del Taoísmo, por lo cual se localizan cerca o dentro de templos budistas.
La pagoda moderna es una evolución de la estupa india, una estructura en forma de túmulo donde se guardaban reliquias sagradas.1 La forma arquitectónica de la estupa se extendió por Asia, tomando diversas formas al incorporar detalles específicos de cada localidad.
En 2015, cuando el tifón Sodelor azotó Taiwán, Taipei 101 permaneció en posición vertical; aun cuando su amortiguador registró 1 metro de movimiento.
Pero el viento no es lo único con lo que todos los ingenieros deben lidiar; tienen que pensar en los terremotos, que pueden contrarrestarse con otros tipos de amortiguadores.
Para construir en una región propensa a terremotos, un ingeniero tiene que estudiar las frecuencias de terremotos pasados. Debe asegurarse de que el edificio en el que está trabajando no tenga una frecuencia natural similar, que se mide determinando cuántas veces por segundo vibra un objeto cuando es perturbado.
O bien, se pueden montar las columnas y los cojinetes de la estructura: grandes almohadillas de goma que absorben la vibración, aliviando así la fuerza de los temblores que pudieran ocurrir.
Otro método más común consiste en colocar amortiguadores entre las columnas, vigas y soportes de una estructura. Por ejemplo, La Torre Mayor, una torre en la Ciudad de México, es a prueba de terremotos gracias a una red de amortiguadores hidráulicos (96 en total) colocados en patrones con forma de X a lo largo de la estructura.
En una ocasión, un terremoto de magnitud 7.6 sacudió la ciudad. La Torre Mayor resistió sin daños, y las personas que estaban dentro no tenían idea de que había habido un terremoto.
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