Les estructures humanes: ponts, canals i ports

Ahir dimecres catorze de juny va venir Antonio Marí catedràtic d’estructures de l’Escola d’Enginyers de Camins, Canals i Ponts de la UPC per parlar-nos de les estructures humanes, la seva especialitat.

Els humans hem construït un món a la nostra mesura, molt per damunt que qualsevol altra espècie sobre el planeta. Què cal tenir en compte en planificar les estructures? Amb quins materials podem comptar? Com ha canviat el disseny al llarg de la historia?

En Toni vol començar centrant la matèria de la seva xerrada: què són les estructures? Ens explica que són sistemes formats per elements interconnectats que compleixen diverses funcions.

Funcions i requisits

Les estructures han de ser segures; si fallen, òbviament comporta una responsabilitat civil. Per això cal que els enginyers tinguin una preparació sòlida.

Les funcions de les estructures poden ser cobrir un espai (cobertes), creuar un accident geogràfic (ponts), arribar a punts elevats (torres de telecomunicacions), emmagatzemar líquids (preses), transportar (canalitzacions), resistir empentes (preses o murs) o simplement culte o símbol, com en el seu moment va ser la Torre Eiffel (ara és també una antena de telecomunicacions).

Les estructures han de complir requisits d’estabilitat, resistència, disseny, funcionalitat i estètica; han de ser duradores (fins als anys seixanta i setanta no es plantejava la durabilitat; ara la vida útil ha de ser de cinquanta anys per edificis i cent per ponts, i incloure el manteniment en el projecte), han de causar baix impacte ambiental, ser econònicament raonables i de construcció factible.

Com a exemple de la importancia de conèixer bé el terreny on construir, Toni ens explica el cas de la línia de l’AVE Madrid-Barcelona, que en la zona de Montblanc es passava per una zona geològica rica de guix, mineral que amb l’aigua, s’infla. Com en les excavacions es fa servir aigua, els processos es van accentuar. Segons dades del mateix ministeri i d’adif, en alguns llocs el terreny es va inflar i la solera del túnel va pujar fins a 0,8m. Corregir la desviació va comportar un sobre-cost notable: va caldre fer un revestiment de formigó molt resistent, una espècie de búnquer, per resistir les enormes pressions mesurades pels aparells instal·lats que en aquell moment varen ser  rècord mundial.

Les càrregues

La construcció ha d’avaluar les càrregues que ha de suportar l’estructura; el pes de la mateixa estructura; els pesos morts (vores, baranes, voravies…), les càrregues de servei (pes dels cotxes, de les persones, del mobiliari…). Les càrregues extraordinàries, com per exemple, en la pilona que subjecta un pont marítim, el possible impacte d’un vaixell. Cal tenir en compte també els canvis deguts al clima o la meteorologia (dilatació o construcció) o el vent (com a la torre de Collserola).

Per mostrar-nos com el vent o els terratrèmols afecten estructures altes, ens duu un model que recorda la torre de Collserola. El model té un període propi de vibració i segons la frequència de les càrregues que l’exciten, es veu poc afectada o molt i fins i tot pot entrar en resonancia. aleshores, els efectes del sisme poden ser devastadors.

El DF, a Mèxic, està construït sobre terra tou i les ones dels terratrèmols són lentes, de període alt. Per això no convè construir edificis en formigó d’entre quinze i vint plantes; i d’entre deu i quinze, si són de metall. Hi ha normativa de construcció per esmorteir l’efecte dels sismes. Sobre terrenys rocosos, per contra, les vibracions són més ràpides i els factors a tenir en compte són uns altres.

Materials

Al llarg de la història els materials han condicionat la forma i la perdurabilitat de les estructures. Les primeres estructures van ser de vegetals: lianes, canya, fustes. Un exemple és el pont de Lucerna, de la fotografia.

Els materials vegetals tenen problemes de preservació. El pont de Carles III a Molins de Rei va resistir tres segles, però els seus fonaments no van resistir el pas dels vehicles i el pes del pont degut a que les extraccions d’àrids varen deixar els pilons exposats a cicles d’humitat i sequera i es van malmetre.

També es va construir amb pedra. I aprofita per explicar-nos que les forces que han de suportar les estructures són de tracció, compressió, flexió i torsió. I, ens ho mostra amb guixos de pissarra: suporten molt bé la compressió, no tant bé la tracció (es trenquen, tot i que costa una mica), molt malament la flexió (en doblegar el cilindre, es trenca) i si girem en trencar-lo, resta una forma helicoïdal.

Una construcció típica en pedra és l’arc, amb les diferents parts: la clau, els ronyons i els estreps, que suporten les forces laterals. Ens duu un arc fet amb peces de fusta, que ha construït amb els seus alumnes. A nosaltres, que no distribuïm bé la càrrega, no ens aguanta tant de pes.

Un arc és un disseny anti-funicular de distribució de les càrregues; és a dir, la imatge especular de la caiguda dels pesos. A fi de comptes, aquest efectede la catenària és el model que feia Gaudi i que després girava en la construcció.

El problema dels arcs és que es poden obrir. Ens posa com a exemple el puente d’Alcántara, a Cáceres. Va ser construït el segle II dC, i no s’ha obert, perquè les fortes pilones no ho permeten. Una altra forma que no s’obri l’arc són els contraforts de les catedrals romàniques o gòtiques.

Pedres artificials

Ens parla de la primera construcció en pedra pre-fabricada: la tova (adobe en castellà), els maons cuits. Per unir les unitats es fa servir ciment des de molt antic; un dels ciments més coneguts va ser el de Pozzuoli, al sud d’Itàlia, fet amb terres volcàniques, i que els romans van fer servir a moltes construccions, per exemple, a Pont du Gard, a prop de Nimes.

Un altre material de cohesió és el ciment pòrtland, fet amb pedra calcària o gres triturats, sorra i argila. Es fa una pasta que s’asseca en un forn i es polvoritza. A l’hora de fer-lo servir es torna a hidratar, prenent la forma del continent.

Un avenç en pedra artificial va ser el formigó armat, inventat per un jardiner de Versalles, que va posar els ferros per evitar que les arrels dels arbres trenquessin els testos que construïa. Va permetre un salt qualitatiu en la construcció d’estructures, perquè es van engrandir la llum de les estructures construïdes.

Metalls

La construcció amb metalls, bàsicament ferro, va ser possible després de la Revolució Industrial. i té altres propietats i vulnerabilitats. Entre les vulnerabilitats hi ha la corrosió i la dificultat d’unir els diversos elements; entre les propietats, el canvi de disseny de les estructures.

Un dels canvis va ser la possibilitat de fer estructures menys pesants mitjançant gelosies, on els components fan forces de compressió i de tracció, com va fer Eiffel en les seves construccions. També va sortir la possibilitat de construir làmines, com al Palau Blaugrana.

Els cables d’acer permeten de construir ponts atirantats de llums més amples. Al pont de Milleau hi ha 342 m entre pilona i pilona.

Ens explica com va ser construït el Puente de los Tilos, a l’illa de La Palma, Canàries, ja que va participar en els càlculs abans de la construcció. Es va construir avançat des dels dos costats en voladís. S’anaven construit trams d’arc penjats de tirants provisionals, es pujaven els pilars i es construia un nou tram del tauler superior, i aixi succesivament. Quan van ajuntar-se les dues parts amb un gat que pressionava sobre les dues bandes de la clau del pont, aquest es va assentar i en acabar l’arc es van poder enretirar els tirants.

També hi ha altres formes d’emprar els metalls: fent catenàries, com al Golden Gate a San Francisco. Els tirants principals es recolzen a les pilones i, en els extrems, en grans blocs de ciment, que suporten la força de tensió.

Quant al manteniment del Golden Gate, diu que sempre es pot veure una cabina penjada, que és la que el duu a terme; i que aproximadament cada dos anys, hi ha hagut un recanvi de materials.

Ens explica que els col·lapse de les Torres Bessones va ser degut a un bon disseny i una bona construcció; sinó, haguessin caigut de costat i hagués estat una catàstrofe major. L’estructura no va suportar la temperatura que es va assolir en cremar-se el querosè que duien els avions tot just enlairats. En fondre’s l’acer , van caure els pisos un sobre l’altra, com en un joc de construcció.

Materials actuals

Els materials actuals són de tres menes. Els polímers reforçats amb fibres són més resistents; entre altres raons, perquè la fibra de vidre, per exemple, deixa menys buits i per això té més reforç. Els materials que tenen memòria de forma i que es fan servir en zones sísmiques. I materials amb nanotubs de carboni.

Quant als materials que recorden la forma, recordem el “secret” d’Uri Geller. Enganyava fent servir materials que recordaven la forma, i la recuperaven a 37ºC; és a dir, en tocar-los.

Passat i futur

Quant a la història, diu que en època de Leonardo, enginyers i els arquitectes eren la mateixa professió i tenien components artistiques i matemàtiques. Amb l’aparició del racionalisme, el segle XVII, hi va haver una separació que s’ha mantingut; però les millors obres, com el pont de Milleau, són les que l’equip està composat per ambdós professionals.

Potser el futur de l’enginyeria pot anar cap a la innovació en les estructures emprades. Per exemple, per què no es pot pensar en fer carreteres que captin energia? Per què no es poden incorporar detectors en talussos, que informin quan són a punt de caure? Per què no s’incorporen sensor de la velocitat del vent en estructures altes, que permetin conèixer millor les càrregue i facilitin la construcció futura?

S’està treballant també en el reciclatge de material de construcció, per aprofitar-lo, potser no per a construcció d’edificis,
però si per fer el sòl de carreteres, per exemple.

Quan preguntem a Toni com es va fer catedràtic d’estructures ens explica que la seva passió d’estudiant era la física, per un professor que va tenir, Carlos Clemente. I que quan va anar a dir-li que es volia fer físic, li va suggerir de fer enginyeria, que és la física aplicada i que tindria més sortides professionals.

Diu que li agrada molt investigar i també ensenyar; que no hi ha res més gratificant que veure com canvia la cara dels seus alumnes quan comprenen el que els explica. Per als participants al cafè científic no hi ha res més gratificant que escoltar una persona que parla amb passió de la seva feina. Gràcies, Toni!

Imatges: de l’autor o Wikimedia commons