Evolución histórica del SOPORTE como elemento estructural

Evolución Histórica del SOPORTE como Elemento Estructural Fundamental en Arquitectura Apellidos, nombre Arianna Guardiola Víllora ([email protected]) Luisa Basset Salom ([email protected]) Departamento Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Centro Escuela Técnica Superior de Arquitectura Universidad Politécnica de Valencia 1 Resumen de las ideas clave En este artículo se presenta la evolución histórica de uno de los principales elementos estructurales solicitados a compresión: Los soportes, también llamados pilares o columnas. 2 Introducción Los soportes son elementos estructurales básicamente verticales, aunque en determinadas ocasiones, por condicionantes de proyecto, tienen una ligera inclinación. El uso del soporte, como elemento solicitado básicamente a compresión, se remonta al inicio de los tiempos, cuando el hombre necesitado de cobijo construye donde guarecerse. La evolución a lo largo de la historia del soporte como elemento estructural fundamental, se basa en el uso de los materiales disponibles, la utilización de nuevas herramientas, el perfeccionamiento de la técnica constructiva y la compresión de su comportamiento estructural. 3 Objetivos EL alumno, a lo largo de la lectura de este documento, analizará la evolución histórica del elemento estructural soporte, entendiendo las posibilidades que los distintos materiales han ofrecido a lo largo de la historia y las teorías en las que se ha basado su dimensionado, para concluir en algunas de las realizaciones del siglo XX. 4 Los soportes a lo largo de la historia 4.1 Antiguas civilizaciones: En los inicios, los primeros soportes serían elementos fáciles de encontrar en la naturaleza, como troncos de madera, agrupaciones de cañas o piedras apiladas. Sirva como ejemplo el tronco de palmera de la figura 2. Las pocas realizaciones que han llegado hasta nuestros días de la época antigua son edificios monumentales, erigidos por grupos de hombres que vivían en sociedad utilizando principalmente piedra, material más duradero y de mejor calidad que el utilizado en la construcción de los refugios. Ejemplo de estos soportes de piedra encontramos en el conjunto megalítico de Stonehenge (figura 1) construido sobre el año 2500 a.C. en la llanura de Wilshire (Inglaterra). Formados por una única pieza de piedra arenisca de unas 25 a 40 T de peso, la estabilidad de estos soportes queda garantizada al hincar un tercio de la altura total en el terreno. Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 De las civilizaciones mesopotámicas nacidas a las orillas del Tigris y Éufrates y la egipcia, en las riberas del Nilo, apenas quedan restos arquitectónicos. Es posible ver una pequeña parte de los elementos que han sobrevivido en distintos museos europeos. Las columnas de esta época, construidas con varios bloques de piedra superpuestos con juntas a hueso, son esculpidas para darles forma. En la figura 3 se puede admirar la curiosa forma de la columna-papiro de granito (principios de la XVIII Dinastía Egipcia (1500 a.C.) en el British Museum de Londres, o las columnas del altar de Zeus (figura 4) monumento religioso de la época helenística construido en la acrópolis de Pérgamo (Asía menor) el museo de Pérgamo en Berlín. En estos casos se trata de columnas no demasiado esbeltas, que soportan apenas la carga de la techumbre, y trabajan, por tanto, a tensiones muy bajas, bastante alejadas de la tensión de agotamiento del granito o mármol. En el caso de Grecia, y posteriormente Roma, el dimensionado de las mismas se hacía con criterios estéticos. Vitruvio (S.I a.C) estudioso romano de las obras de la antigüedad y autor del tratado “Los diez libros de Arquitectura” describe los órdenes griegos en el capítulo I del libro IV. El texto de la figura 5, corresponde a un fragmento del capítulo “De las tres especies de columnas y de su invención” mencionado en el párrafo anterior, traducida del latín por el presbítero Joseph Ortiz y Sanz en el año 1787. Los dibujos son parte de la lámina XXIX realizada por el mismo autor con objeto de facilitar la interpretación del texto, ya que del texto de Vitruvio no se han encontrado grabados. Queriendo, pues, hacer las colunas del Templo a Apolo Panionio, como no tuviesen regla ninguna para sus proporciones, y discurriendo modo de hacerlas aptas para sostener peso y agradables á la vista, tomaron la medida de un vestigio de pie humano, y hallando ser la sexta parte de la altura del hombre, la trasladaron á la coluna, dando a esta de altura seis veces el grueso de su imoscapo1, incluso el capitel. De esta suerte la coluna Dórica, proporcionada al cuerpo varonil, comenz6 á dar á los edificios firmeza y hermosura. Así mismo, queriendo después edificar un Templo á Diana de nueva forma y belleza, siguiendo los mismos principios, le regularon á la delicadeza del cuerpo femenil. Hicieron, pues, la coluna alta ocho diámetros de su imoscapo, para que fuese mas ayrosa : pusieronla basa debaxo, en significación del calzado: volutas á una y otra parte del capitel, á imitación del cabello rizo y ensortijado, adornando la frente con cimacios y festones, y en toda la caña de la coluna excavaron canales, imitando los pliegues delicados de la túnica matronal. De esta forma vinieron á hallar dos especies de colunas, una varonil y sin adornos y otra con primorosos ornatos y proporciones femeniles. Los Architectos posteriores adelantando sucesivamente en sutileza y elegancia, gustando de lo ayroso y gentil en los miembros, dieron al alzado de la coluna Dórica siete gruesos de su imoscapo, y ocho y medio á la Jónica quedándola este nombre por haber sido los Jonios sus inventores. Figura 5 4.2 La Edad Media En el siglo V, tras la caída del Imperio Romano, y las invasiones de los bárbaros, las condiciones de la producción feudal redujeron la demanda de una ciencia útil al mínimo, siendo la Iglesia Católica la responsable de la supervivencia de la cultura en Occidente, hasta el nacimiento de las universidades en el siglo XI. 1 Imoscapo: diámetro inferior de la columna Durante esta etapa, el manual de Vitruvio, leído y copiado en las escuelas monásticas, debió servir de inspiración a los manuales de las logias de canteros, de los que apenas han llegado fragmentos a nuestros días. Los soportes evolucionarán desde las pesadas moles de los normandos hasta la esbeltez de las columnas góticas. Ejemplos de columnas románicas encontramos en las figuras 6 y 7 que corresponden a la iglesia de Santa María del Naranco en Asturias (S.IX) o en el claustro de la Catedral de la Seu d’Urguell (S.XII) Figura 6 Figura 7 En el Siglo XII nace el Gótico en Francia, estilo en el que las paredes, liberándose de toda misión resistente, se hacen livianas y se diferencian, de forma radical, del esqueleto portante. Los constructores góticos desarrollaron un conocimiento intuitivo importante de la distribución de las fuerzas y, aprovechando al máximo las propiedades de la piedra, la hicieron trabajar más a compresión y menos a flexión. La teoría no desempeñó papel alguno en los alardes estructurales del Gótico. Fueron los maestros de las logias los que establecieron una serie de reglas empíricas que, sancionadas por la experiencia, transmitieron con el máximo secreto entre las distintas generaciones. Un ejemplo literario que describe el proceso constructivo de “prueba-error” de las catedrales góticas lo puedes encontrar en el best seller “Los pilares de la tierra”, del autor británico Ken Follet. Según el profesor Jacques Heyman, los constructores de catedrales medievales cuantificaban la resistencia de la piedra a compresión con un parámetro indirecto: la altura teórica que podría alcanzar una columna prismática antes de que colapsase por su propio peso. Para una arenisca de peso específico 20 kN/m3 y tensión de rotura de 40 kN/m2 esta altura sería de 2 km mientras que columna de granito podría alcanzar los 10 km. Si se considera que la catedral gótica más alta mide 50 m, y que los cuatro pilares del crucero soportan, además de su peso, el de las bóvedas, techumbre de madera, y sobrecarga de viento, se concluye que están trabajando a una tensión media inferior a 1/10 de la resistencia de rotura a compresión. La verticalidad de algunos de estos soportes de piedra se puede apreciar en la figura 8 que corresponde a un soporte de La Sainte Chapèle en Paris (S.XIII), al soporte central de la sala capitular de la Catedral de Wells en Inglaterra (S.XIV) y a uno de los soportes de la Lonja de la Seda de Valencia (S.XV) Figura 8 4.3 El Renacimiento El Renacimiento (siglo XV-XVI) supondrá volver a estudiar a los clásicos y traerá consigo las primeras teorías científicas. Leonardo da Vinci (1452-1519) estudiará el comportamiento de los soportes, analizando en el Códice del Institut de France de París, cómo influye la esbeltez o el área en su resistencia o preguntándose en el Códice de Madrid acerca de la flexión de piezas cargadas a compresión, idea que ilustra con los dibujos de la figura 9, concluyendo que “El soporte del peso forzosamente se dobla o se comprime en aquella parte que se encuentra debajo del peso que lo oprime. Y sea cual sea la posición en que esté colocado el centro del peso sobre el soporte, éste siempre se doblará de modo que la mitad de su altura cerchará hacia adentro” Figura 9 La arquitectura volverá su mirada a los estilos clásicos. Las reglas del Renacimiento, mucho más sencillas de aplicar que las de los maestros medievales, serán fácilmente aceptadas y rápidamente difundidas gracias a la introducción de la imprenta en Europa a mediados del S.XV. León Battista Alberti publicará el primer tratado sobre Arquitectura de esta época: “de Re Aedificatoria” (1485), seguida de la primera edición de I quattri libri dell'Architettura (1570) de Andrea Palladio. Tratados que coexistirán con la reedición de Los diez libros de Arquitectura de Vitruvio. 4.4 El Barroco (S.XVII y XVIII) En 1638 se considera que nace la Mecánica, con la publicación de la obra de Galileo ”Discorsi e dimostrazioni intorno a due nuove scienze” En esta época se consolidará el método experimental con objeto de verificar las teorías propuestas. En 1729 Musschenbroek, concluirá, tras la realización de un número importante de ensayos de barras esbeltas solicitadas a compresión, que la carga de colapso es inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de la pieza. En 1744 Euler obtiene el valor de la carga crítica, (carga que soporta la barra cuando ocurre el pandeo) función de la longitud de la pieza y de una constante C, que denomina coeficiente de elasticidad absoluta de la pieza, (en lugar de la rigidez EI), y para la que da las dimensiones correctas. La expresión de Euler será cuestionada y discutida durante casi 200 años por no coincidir los resultados experimentales con la teoría. Los ingenieros, encontrando excesivamente teóricas las especulaciones de los matemáticos, optarán por aplicar la teoría de rotura propuesta por Coulomb en 1773, recogida por los manuales de ingeniería de la época y aplicable a macizos de mampostería o ladrillo al haber sido sancionada por la experiencia. En este periodo, la división de opiniones entre arquitectos, ingenieros y matemáticos acerca del dimensionado de los soportes a compresión propiciará la realización de numerosos ensayos de resistencia, como por ejemplo los realizados por Gauthiey (1732-1807) con motivo de la construcción del Panteón de París sobre distintos materiales pétreos o por Lamblardie (1747-1797) sobre puntales de madera. El problema de la inestabilidad no quedó resuelto satisfactoriamente hasta finales del XIX cuando el uso del hierro y el acero, materiales de comportamiento más cercano a las hipótesis de partida de Euler extendieron su uso en construcción. (La expresión de Euler es utilizable para grandes esbelteces, lo que exige que materiales muy resistentes estén muy solicitados) En la figura 10 se puede observar la esbeltez relativa de las columnas de mármol de la plaza de San Pedro, con un soporte de mampostería, uno de ladrillo, uno de madera y uno de fundición. Figura 10 4.5 La Revolución Industrial El espectacular aumento de las obras en hierro que se produce en el siglo XIX, propiciado por la Revolución Industrial y el desarrollo del ferrocarril evidencia la necesidad práctica de resolver el problema del pandeo, sobre todo tras una serie de colapsos de puentes de entramados metálicos causados por el pandeo lateral del cordón superior. El profesor Ludwig vonTetmajer (1850-1905), responsable del laboratorio de materiales en el Zürich Polytechnical Institute propondrá, tras la realización de un gran número de ensayos en barras de hierro y acero, una fórmula lineal para obtener la carga crítica de pandeo de barras con esbelteces inferiores a 110, dando por válida la fórmula de Euler para barras con esbelteces mayores. Esta formulación, recogida en las primeras normas estructurales será, a partir de este momento, ampliamente utilizada en toda Europa. La figura 11 del Palacio de Cristal del Parque del Retiro, en Madrid, del arquitecto Ricardo Velázquez Bosco (1877) es un claro ejemplo de la esbeltez que el nuevo material permite a los soportes. Figura 11 Figura 12 En 1879, el constructor francés François Hennebique patentó un sistema de empalme entre soportes y vigas de hormigón armado que facilitó el uso extensivo del nuevo material en edificación. Un anuncio de la época se puede ver en la figura 12. Habían nacido los dos nuevos materiales, protagonistas indiscutibles de la arquitectura del S.XX. 4.6 El Siglo XX El perfeccionamiento en la fabricación del acero, así como la mejora en el conocimiento de su comportamiento propició su uso más allá del comportamiento elástico. Siendo necesario revisar las fórmulas de aplicación práctica del pandeo. Engesser (1848-1931) propuso en 1895 la aplicación de la fórmula de Euler con esbelteces menores utilizando en lugar del módulo de deformación longitudinal del acero, el módulo tangente Et, fórmula modificada posteriormente por von Karman (1910) utilizando el módulo reducido Er La polémica entre la teoría del módulo reducido y el tangente duró medio siglo hasta que Shanley puso de manifiesto en 1947, tras elaborar un modelo que le permitiera describir el comportamiento en régimen plástico, que la teoría del módulo tangente era más realista que la del módulo reducido, lo cual se confirmó experimentalmente.