Construcción metálica

Inicialmente, el metal se trabajaba como la piedra. Los primeros metales reconocidos por la humanidad como distintos de la piedra, el cobre y el oro, se obtenían de la naturaleza como metales nativos, no como menas. Entre estos metales nativos, el cobre fue el primero en utilizarse (concretamente, en Anatolia, unos 7.000 años a. C.). Una rica colección de objetos de oro que datan del quinto milenio a. C. se descubrió en Varna (Bulgaria), y, además, se desenterraron en Irán algunos singulares objetos del quinto milenio a. C., realizados con hierro nativo, probablemente meteorítico. Posteriormente, se reconocieron nuevas propiedades del cobre, como su maleabilidad, la capacidad de fundir el metal puro con sus aplicaciones en la fundición, la fundición por reducción, que permite obtener el metal de sus menas, y el recocido, que homogeneiza el metal en su totalidad. En sus inicios, la metalurgia apenas requería mucho más que un taller de alfarero, y estas primeras fundiciones se ubicaban tanto en viviendas como en lugares especializados. Las pruebas realizadas con las muestras de casiterita halladas en excavaciones arqueológicas en Kestel o en Arslantepe, donde apareció un mineral de sulfuro complejo (ambas localidades situadas en Turquía), indican que se podían alcanzar temperaturas del orden de 1200 °C en el crisol donde el mineral se mezclaba con carbón vegetal,^[2] suficiente para fundir el cobre (1084 °C).

Es a partir de la Segunda Edad de Hierro cuando se desarrolló una auténtica industria siderúrgica en Europa. El hierro, cuya temperatura de fusión es de 1535 °C, se obtenía mediante cinglado a partir de masas de mineral en un estado pastoso intermedio, denominadas lupas, que se martilleaban para eliminar las escorias. Se han descubierto pasadores de hierro de refuerzo en murallas galas de origen celta.^[3] Las primeras producciones metalúrgicas fueron marginales en comparación con las industrias lítica y cerámica, y tuvieron muy poco interés para la construcción, salvo para las herramientas. En cuanto a herramientas y armas, los primeros ejemplos presentan formas que reproducen modelos hechos de piedra, hueso, cerámica y concha. Reemplazaron a los objetos fabricados con estos materiales tras reconocerse las ventajas de los metales, principalmente las aleaciones de cobre-arsénico y cobre-estaño, ya fuese por su fabricación (rapidez de ejecución, facilidad de fundición y producción de series cortas, posibilidad de reparación y reutilización del metal) o por sus cualidades inherentes (robustez, dureza y filo de las armas). El aspecto externo del bronce, plateado en el caso del bronce de arsénico y dorado en el bronce de estaño, probablemente también era apreciado no solo para joyería, sino también para herramientas y armas ceremoniales.^[4]

El bronce se utilizó en la decoración del Templo de Jerusalén alrededor del año 1000 a. C., y las columnas de Jakin y Boaz, supuestamente fundidas por Hiram, contribuirían posteriormente al simbolismo masónico. Los egipcios, los griegos e incluso los celtas usarían grapas para reforzar muros. Algunas invenciones fueron cruciales, como las sierras para las industrias de la madera y de la piedra, las primeras tuberías halladas en el complejo funerario de Sahura en el Bajo Egipto, el uso temprano de metales en piezas de desgaste en los pistones de las bombas hidráulicas de Ctesibio y de Filón de Bizancio, y los pivotes de las primeras grúas. El uso estructural más significativo del hierro en oriente se dio en numerosas vigas de hierro forjado, grandes y pequeñas, en los templos hindúes de Puri y Konark en Odisha (India, siglo XIII). En la Europa medieval, los arquitectos bizantinos adoptaron tirantes vistos de hierro para limitar el empuje de los arcos y bóvedas de mampostería. En la Europa medieval se emplearon cadenas de fundición de hierro en la mampostería, de donde proviene el término técnico de "encadenamiento". Las placas del fondo de las chimeneas fueron una aplicación fundamental del arrabio. Un tratado sobre cerrajería^[5] escrito por Mathurin Jousse en 1627, describe los procesos empleados por los artesanos medievales. Pero fue necesario esperar hasta finales de siglo XVIII para que se desarrollara el uso estructural e intensivo del bronce, del hierro forjado y del acero.

En Inglaterra, debido a la escasez de madera para producir carbón vegetal, Abraham Darby I, fundidor y metalúrgico de Coalbrookdale, tuvo la idea de sustituir el carbón vegetal por carbón mineral, transformándolo en coque. Alrededor de 1750, obtuvo hierro forjado mediante este proceso. Diversos descubrimientos, incluido el de Benjamin Huntsman, relojero de Sheffield, permitieron producir aceros de calidad cada vez mejor. Las guerras fueron poderosos impulsores del desarrollo industrial, y la guerra de los Siete Años impulsó el establecimiento de grandes instalaciones como las de la fábrica de John Wilkinson.^[6]

A principios del siglo XIX, el auge de la producción de acero cambió radicalmente la forma de construir edificios, ya que anteriormente la construcción se limitaba al uso de madera y de materiales sometidos exclusivamente a compresión, como la piedra o el ladrillo. El uso del acero hizo posible repentinamente la construcción de edificios con un rendimiento estructural inigualable. El hierro es un material duro, plástico, elástico y dúctil; es maleable, se dobla, y se contrae o se expande sin romperse. Al laminarse, se perfila: adopta la forma de barras, placas, chapas, varillas o alambres. Las vigas y las columnas se podían ensamblar mediante remaches, en caliente o en frío, en el taller o en la obra. El montaje de viguetas en celosías multiplicó las posibilidades de construcción (con ejemplos como la Torre Eiffel, donde se emplearon sistemáticamente). Entre 1850 y 1915, el hierro forjado y el acero se utilizaron simultáneamente.^[6]

El uso del hierro, de la fundición y del acero en la construcción estructuras se desarrolló en tres etapas:^[7]

• La llamada era de la fundición (1780-1850), que comenzó con la adopción generalizada de los altos hornos alimentados con coque. Un ejemplo de arquitectura en fundición de hierro es la Bolsa de comercio de París, que sustituyó a un antiguo edificio de madera que se había quemado, construida por François-Joseph Bélanger, hecha de finos elementos de fundición de hierro.

• La era del hierro forjado (1850-1900), que sustituyó gradualmente a la fundición de hierro gracias al desarrollo de la pudelación.

• La era del acero (desde 1880 hasta la actualidad), que sucedió al hierro, con el desarrollo de los convertidores siderúrgicos.

La industria del aluminio no se desarrollaría plenamente hasta el final del siglo XIX.

Las cantidades de hierro producidas inicialmente eran modestas y solo permitían la fabricación de objetos pequeños, como útiles para la construcción y elementos de ensamblaje o refuerzo, así como elementos de cerrajería, actividad que dio nombre a la disciplina que se dedica a la fabricación de objetos de hierro. También se conocía el estampado, una técnica que consiste en martillar el metal caliente en un molde de hierro, y que potencialmente le otorgaba mayor resistencia.

En la Edad Media, el uso de fuelles de gran tamaño permitió aumentar la temperatura de la fundición de hierro, que, una vez licuada, podía introducirse en moldes para producir barras. Estas barras se volvían a fundir y se colocaban en nuevos moldes para producir los elementos deseados. Por lo tanto, antes de la revolución Industrial, el hierro se utilizaba solo marginalmente en forma de placas, grapas, cadenas y rejas. Algunos edificios góticos no se habrían mantenido en pie sin el uso de tirantes ocultos en la mampostería. En el Panteón de París, edificado a mediados del siglo XVIII, los elementos de la estructura de piedra también están reforzados con piezas metálicas (piedra armada).

Con la revolución Industrial, la producción de piezas de hierro, fundición y acero se trasladó de los talleres de los herreros a grandes fábricas. Por ejemplo, en 1842, la Compañía John Cockerill estaba formada por cinco divisiones: minas de carbón; minería; fundición; fábrica de hierro; y talleres de construcción, que sumaban 4200 obreros. Allí se fabricaban todo tipo de productos metálicos: máquinas de vapor, calderas, puentes, barcos con casco de hierro, telares mecánicos para la industria textil, máquinas de cardado, segadoras, husos y diversas clases de herramientas.^[8] Los accesorios y elementos decorativos, columnas y vigas de fundición se fabricaban de forma estandarizada y continua, de manera que para el diseño de los edificios comenzaron a ser fundamentales los catálogos de productos de fundición.^[9] El "Tratado Teórico y Práctico sobre el Arte de la Construcción" (1817) de Jean-Baptiste Rondelet es una fuente de información sobre la aparición del acero en la construcción y un reflejo del estado del conocimiento en metalistería antes de esta transformación. Rondelet describe así el futuro del acero en las estructuras: "El acero es, de hecho, muy similar a la madera en sus propiedades elásticas".

Al final de siglo XVII y principios de siglo XVIII, la idea de una física mecanicista prevalece sobre la física filosófica heredada de Aristóteles. La ciencia física y matemática progresa, y los ingenieros acumulan experimentos sobre la resistencia de la madera, la piedra y el metal. Detectables ya entre 1825 y 1830 en los campos de ingeniería civil y la construcción, los primeros signos de industrialización, la proliferación de teorías físicas y matemáticas y sus objetos de aplicación (como máquinas de vapor, puentes colgantes o ferrocarriles) parecían oponerse al establecimiento de un cuerpo unificado de conocimiento.^[10]

Se realizaron numerosas investigaciones sobre la resistencia de materiales, y más particularmente sobre las propiedades mecánicas del hierro, con un gran número de experimentos, entre los que hay que reseñar los de Buffon (1707-1788), quien en 1768 instaló su propia forja cuyo objetivo era el estudio del material. Los coeficientes de elasticidad del hierro y del acero fueron estudiadas por Coulomb (1736-1806), Alphonse Duleau,^[11][12] Pehr Lagerhjelm, Thomas Tredgold,^[13] Peter Barlow, Thomas Young, John Rennie, Franz Josef von Gerstner, Marc Seguin,^[14] Émile Martin,^[15] Navier,^[16] y otros muchos. Sería Guillaume Wertheim^[17] (1815-1861) quien realizaría los principales experimentos sobre elongación.

En 1806, el oficial de la Marina Real británica Samuel Brown (1776-1852) reemplazó las sogas de cáñamo de los barcos por cadenas de hierro. La compañía que fundó suministró todas las cadenas para la Marina Real británica hasta 1916. Esta aplicación del hierro condujo a una gran cantidad de investigación y experimentación en Inglaterra sobre la resistencia y las propiedades del hierro sometido a tracción y sus diversas cualidades, a veces a escala casi gigantesca,^[18] que se pusieron inmediatamente en uso en la construcción de los puentes colgantes utilizando cadenas. El puente colgante probablemente constituye uno de los primeros tipos de construcción que se pueden calcular por completo.^[10] Después de los experimentos de James Finley en 1801 y de Navier en 1826, el puente colgante de Menai proyectado por Thomas Telford fue un éxito completo. Realizar un puente colgante clásico era imposible en Francia, debido a la mala calidad de las cadenas. Así, el ingeniero Marc Seguin, para la pasarela de Saint-Antoine, propuso en 1823 el uso de haces de alambres de hierro.

Los cables de alambre de acero acabarían reemplazando a las cadenas. El empleo de los cables de acero a mediados del siglo XIX era enorme, y se destinaba a cometidos tan diversos como los elevadores de pozos mineros; los cabestrantes para planos inclinados; las grúas portuarias; los obenques en los barcos; las catenarias de los tranvías; o los funiculares.^[19]

Se siguieron llevando a cabo otros experimentos en vías férreas, en las chapas utilizadas en nuevos perfiles tubulares, en calderas y en tuberías.

La diferencia física entre la fundición de hierro y el hierro forjado radica en el contenido de carbono. El hierro se lamina y forja en plantas metalúrgicas para producir perfiles destinados a ser combinados y ensamblados en unidades más grandes, mientras que la fundición de hierro se moldeaba a pedido según diversos diseños. La fundición de hierro se utilizaba sobre todo en las columnas, por su buena resistencia a la compresión, mientras que el hierro forjado se utilizaba generalmente en las vigas.

En 1779, se construyó el Iron Bridge en fundición de hierro, inspirándose en la mampostería de piedra y en las estructuras de madera para el diseño y la disposición de sus componentes. Obra de Abraham Darby III, todavía cruza sobre el río Severn en Coalbrookdale (Reino Unido).^[1] Las técnicas de ensamblaje fueron las mismas que para la madera: atornillado, espigado y uniones de caja y espiga. En 1801, la construcción del primer puente de las Artes, en París, marcó el deseo de Francia de dominar la técnica de la construcción con fundición de hierro.

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  Abraham Darby III, Iron Bridge, Coalbrookdale. El primer gran puente metálico del mundo - 1779 - fundición de hierro
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  Puente de Eglinton Tournament (Escocia)
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  Puente ferroviario del Tay, con celosía de hierro forjado y pilares de fundición de hierro, cuya caída provocada por el viento causó un grave desastre ferroviario

El puente ferroviario del Tay, que se inauguró en Escocia en 1878, era un diseño de celosía de hierro de una sola vía, y destacaba por su bajo costo y poco peso. Su hundimiento debido a los fuertes vientos el 28 de diciembre de 1879 fue uno de los mayores desastres de la historia de la ingeniería,^[20] y supuso el fin del empleo de piezas de fundición de hierro en los puentes (primero en el Reino Unido y después en el resto del mundo), sustituidas por elementos de hierro forjado, más caros pero de propiedades mecánicas mucho más homogéneas.

En 1818, el Royal Pavilion de Nash utilizó fundición de hierro en sus rejas, convirtiéndose en el estilo de moda, y este material comenzó a ser apreciado para producir elementos decorativos.^[6]

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  Catálogo de información útil y tablas sobre hierro, chapa metálica y otros productos fabricados por Milliken Brothers (1901)
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  Calvert Vaux, Fuente de la Plaza, 1873
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  King's College (Cambridge)
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  Casa Bohé, Route du Polygone, Estrasburgo. Balcón y barandilla de fundición de hierro.
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  París, rue du Bac 26, puerta de fundición de hierro.
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  Bulevar du Temple (París), puerta de fundición de hierro.
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  Puente Alejandro III, farolas diseñadas para el alumbrado de gas - 1900.
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  Alsacia, Bajo Rin, Iglesia de San Martín de Erstein, bancos.
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  Edificio Carson, Chicago, entrada.

La relativa simplicidad estructural de estos tipos de edificaciones se adaptaba perfectamente a la construcción seriada mediante elementos de fundición de hierro y placas de vidrio. Al botánico francés Charles Lucien Bonaparte se le atribuye a menudo la construcción del primer invernadero moderno práctico en Leiden, Holanda, durante el siglo XIX para cultivar plantas tropicales medicinales.^[21] Los franceses llamaron a sus primeros invernaderos "orangeries", ya que se utilizaban para proteger los naranjos de la congelación.

Los invernaderos más grandes jamás concebidos se construyeron en Inglaterra durante la época victoriana.^[22][23] Para mantener la hegemonía británica, los invernaderos se convirtieron en argumentos del poder colonial, haciendo alarde del "control absoluto de los entornos y la flora colonizados... [utilizando las plantas] como símbolo del poder imperial británico".^[24]

Un diseño destacado del siglo XIX fueron los invernaderos con altura suficiente para contener árboles de gran tamaño, llamados casas de la selva, que se ubicaban normalmente en jardines o parques públicos y ejemplificaban el desarrollo de la arquitectura de vidrio y de hierro del siglo XIX. Esta tecnología se utilizó ampliamente en estaciones de tren, mercados, salas de exposiciones y en otros grandes edificios que requerían un espacio interior amplio y abierto. Uno de los primeros ejemplos de un invernadero de palmeras se encuentra en el Jardín Botánico de Belfast. Diseñado por Charles Lanyon, el edificio se terminó de construir en 1840. Fue construido por el maestro de forja Richard Turner, quien posteriormente construiría el Palm House en el Real Jardín Botánico de Kew de Londres, en 1848. Esto ocurrió poco después de construirse el Gran Conservatorio de Chatsworth (1837-1840) y poco antes de erigirse el Crystal Palace (1851), ambos diseñados por Joseph Paxton, y ambos hoy desaparecidos. Paxton, con ocasión de la construcción del Crystal Palace para la Gran Exposición celebrada en Londres en 1851, se convirtió en la figura más destacada de este movimiento.^[25]

Otros grandes invernaderos construidos en el siglo XIX fueron el Crystal Palace de Nueva York, el Glaspalast de Múnich y los Invernaderos Reales de Laeken (1874-1895) para Leopoldo II de Bélgica. En Japón, el primer invernadero fue construido en 1880 por el comerciante británico Samuel Cocking.

El desarrollo durante el siglo XIX de ciudades cada vez más pobladas, generó la necesidad de sustituir los antiguos edificios de madera que solían alojar los mercados públicos, dado que presentaban problemas de salubridad y estaban expuestos al riesgo de incendio. Para evitar estos inconvenientes, era preciso ubicar los antiguos mercados de abastos en edificios amplios, bien aireados e iluminados. La solución vino de la mano de la construcción de grandes naves diáfanas, y para ello, los edificios basados en columnas de fundición de hierro, cerchas de forja, planchas de hierro y placas de vidrio, se revelaron como una solución ideal, gracias a su relativa economía y facilidad y rapidez de ejecución, como ya se había demostrado con los invernaderos. Ejemplos de este tipo de construcciones son el mercado de las Halles de París en Francia (construido entre 1852 y 1870 según proyecto de Victor Baltard),^[26] o el Mercado Central de Zaragoza en España (proyectado en 1895 por Félix Navarro Pérez), que combina una fachada de ladrillo con una estructura de fundición de hierro.^[27]

Las columnas de fundición de hierro constituyen un elemento esencial del vocabulario del estilo arquitectónico que se desarrolló entre 1780 y 1850.

Los primeros y más completos experimentos y observaciones sobre los efectos de las fuerzas de compresión sobre los materiales se atribuyen a Eaton Hodgkinson y se publicaron en las Philosophical Transactions de 1840. Inicialmente se centraron en prismas cortos de madera y luego de fundición de hierro, que colapsaban por aplastamiento y separación lateral de varias maneras. Estos ensayos pasarían a aplicarse en columnas, que se se rompían de una manera intermedia entre el aplastamiento y la flexión lateral. Hodgkinson representó los resultados usando una fórmula de Leonhard Euler, ajustando empíricamente los factores,^[18] deduciendo también unas reglas sencillas para predecir el comportamiento de una columna. Así, una columna de fundición de hierro cuya longitud varía de 0 a 5 veces su diámetro siempre se rompe por aplastamiento simple. Cuando la longitud está entre 5 y 25 veces el diámetro, el fallo es un fenómeno mixto, y se produce tanto aplastamiento simple como flexión. Finalmente, cuando la longitud excede 25 veces el diámetro, el fallo siempre ocurre por flexión. Una vez que comienza la flexión, tiende a aumentar rápidamente incluso con un pequeño aumento en la compresión. Cuando los extremos de las columnas están empotrados, la resistencia es tres veces mayor que cuando están simplemente apoyados.^[28]

Los extremos empotrados de las columnas de fundición de hierro se lograban mediante capiteles y bases firmemente atornillados. Con la misma cantidad de material utilizado, resulta ventajoso dar a la columna una forma bulbosa para reducir la probabilidad de flexión. Con la misma cantidad de material, las columnas huecas resisten mucho mejor que las columnas macizas. Las piezas fundición de hierro con un espesor menor se endurecen mejor, y el aumento del diámetro total reduce la probabilidad de flexión. Es esencial que la columna hueca tenga un espesor uniforme; de lo contrario, su resistencia sería ilusoria.^[28]

Viollet-le-Duc aplicó a sus proyectos las teorías racionalistas de la construcción, que consideraba una forma de reducir tanto el coste como el tiempo de ejecución, desarrollando una arquitectura que, si bien no estaba completamente exenta de referencias al pasado, desarrolló y utilizó estas columnas de fundición de hierro. La iglesia de San Eugenio y Santa Cecilia, obra de Louis-Auguste Boileau, es un ejemplo de ello. El diámetro medio de las columnas de fundición de hierro es de 32 cm y su espesor es de 2 cm. El recinto que rodea la iglesia es de piedra de sillería con relleno de mampostería. Las nervaduras de las bóvedas son de hierro forjado con relleno de mampostería de doble pared, que contiene una cámara de aire para mantener una temperatura constante.^[29]

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  Biblioteca Nacional de Francia, Sitio Richelieu, Sala Labrouste, 1854-1875
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  Tabacalera de Valencia, columna
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  Columna de hierro fundido, calles Broadway y Spring, Aurora
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  Estación Aérea Naval de EE. UU., Pensacola, Condado de Escambia
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  Columna de hierro fundido con bajada de aguas, 1853, Center Market, Wheeling
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  Boston Manufacturing Company, 1852, nave con cinco filas de columnas de fundición

El SoHo, en Manhattan, posee la mayor colección de arquitectura de fundición de hierro del mundo.^[30] Aproximadamente 250 edificios de fundición de hierro se encuentran en la ciudad de Nueva York, la mayoría en el SoHo. Este material se utilizó inicialmente como fachada decorativa en edificios existentes, aportando un aspecto moderno y decorativo que podía atraer nuevos clientes comerciales a estos antiguos edificios industriales. La mayoría de estas fachadas se construyeron entre 1840 y 1880.^[31] Posteriormente, los edificios del SoHo se diseñaron específicamente para utilizar la fundición de hierro, que era más económica para las fachadas que materiales como la piedra o el ladrillo. Los moldes ornamentales, prefabricados en fundiciones, se utilizaban indistintamente para muchos edificios, y una pieza rota podía refundirse fácilmente. Los edificios se podían erigir rápidamente, y algunos se construyeron en cuatro meses. A pesar del breve período de construcción, la calidad de los diseños de fundición de hierro no se vio afectada. Anteriormente, el bronce había sido el metal más utilizado para detalles arquitectónicos, y se descubrió que la fundición de hierro, relativamente económica, podía proporcionar diseños intrincados. Se empleaban con frecuencia motivos ornamentales de la arquitectura clásica francesa e italiana. Dado que la piedra era el material asociado con las obras maestras arquitectónicas, se utilizaba fundición de hierro, pintado en tonos neutros como el beige, para simularla. En la ciudad de Nueva York abundaban las industrias dedicadas a la fundición de hierro, como Badger's Architectural Iron Works, James L. Jackson's Iron Works, Cornell Iron Works y otras. Dado que el hierro era maleable y fácil de fundir, se crearon marcos de ventana con curvas suntuosas, y la resistencia del metal permitía que estos marcos alcanzaran una altura considerable. Por otro lado, los oscuros interiores del distrito industrial, iluminados por gas, se inundaban de luz natural a través de las amplias ventanas. La resistencia de la fundición de hierro permitió techos altos con elegantes columnas de soporte, y los interiores se volvieron amplios y funcionales. Durante el apogeo de la fundición de hierro, muchos arquitectos creían que era estructuralmente más sólido que el acero. También se consideraba resistente al fuego, y se construían fachadas sobre muchos interiores de madera y otros materiales inflamables. Al exponerse al calor, la fundición de hierro se deformaba y posteriormente se agrietaba al entrar en contacto con el agua fría utilizada para extinguir incendios. En 1899, se adoptó un código de construcción que exigía que las fachadas de fundición de hierro se apoyaran en mampostería. La mayoría de los edificios que se conservan hoy en día se construyen de esta manera. La llegada del acero como material de construcción principal puso fin a la era de la fundición de hierro.

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  Sayner Hütte. Fundición de hierro (1865)
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  Fachada de hierro fundido, Hart Block, 728 West Main Street, Louisville, condado de Jefferson
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  Estructura de fundición de la sala de lectura de la Biblioteca de Santa Genoveva. Henri Labrouste, París (1851)

En 1784, el inglés Henry Cort perfeccionó los procesos de pudelación y de laminación: la fundición de hierro se colocaba en un horno con escoria rica en óxido de hierro; al fundirse, el exceso de carbono se combina con el oxígeno del aire, las impurezas pasan a las escorias y los gránulos de hierro se agrupaban en una masa, denominada lupa. Para acelerar esta reacción, el metal fundido se agitaba vigorosamente con un gancho de hierro. Las lupas de hierro, masas de 25 a 30 kilogramos más o menos compactas, se trabajaban con un martillo pilón para someterlas al proceso de cinglado, una operación que daba como resultado la expulsión de la escoria intercalada y la aglomeración de los granos de hierro en una masa compacta.^[6]

El hierro se utilizaba para resistir los esfuerzos de tracción en los puentes colgantes, primero en forma de cadenas y más adelante en forma de cables de acero. En el puente colgante de Menai de Thomas Telford, de 1826, se utilizaron cadenas, mientras que en el puente de Brooklyn de John Augustus Roebling, de 1883, ya se utilizaron cables trenzados de acero.

Los ingenieros Thomas Paine, Thomas Telford, John Rennie y John Urpeth Rastrick contribuyeron a la evolución de este tipo de puentes, dando lugar a estructuras cada vez más ligeras y con un rendimiento cada vez mayor. El "Puente Alto (río Tyne)" (1847-1849) es un gran puente de hierro forjado, diseñado por el ingeniero Robert Stephenson, hijo del pionero ferroviario George Stephenson, en el noreste de Inglaterra.

Las primeras grandes estructuras construidas con este material fueron el puente ferroviario de Conwy (1849; 125 m de luz) y el puente Britannia (1850; con luces de 70+2x142+70 m), dos vigas cajón proyectadas por Robert Stephenson que cruzan los estrechos de Menai. Su novedosa configuración se considera uno de los diseños más innovadores de todas las épocas, convirtiéndose en los primeros grandes puentes viga y vigas cajón de la historia, y en las primeras estructuras en utilizar sistemáticamente el hierro forjado.^[32]

El hierro forjado también permitió el desarrollo de grandes estructuras trianguladas, con ejemplos tan destacables como el puente Royal Albert (1859; dos arcos de 135 m de luz) de Isambard Kingdom Brunel sobre el estuario del río Tamar,^[33] y las numerosas obras proyectadas por el francés Gustave Eiffel, diseñador del viaducto de Garabit (1886; un arco de celosía de 165 m de luz) y del puente Don Luis I (1886; un arco de celosía de 174 m de luz) en Oporto junto con su socio Théophile Seyrig. Otra obra singular de hierro forjado, aunque concebida para cargas más ligeras que las del ferrocarril, fue el puente colgante de Clifton (1864; vano central de 214 m de luz) en Bristol, un puente suspendido de cadenas proyectado a partir de una propuesta de Brunel.^[34]

Los edificios no fueron una excepción en el uso cada vez más generalizado del hierro. La fábrica de algodón Philip & Lee, diseñada por Boulton y Watt, es representativa del tipo de nave industrial que se desarrolló durante la Revolución Industrial. Al igual que una columna de fundición de hierro podía sustituir fácilmente a una de piedra, un riel de acero podía reutilizarse para convertirlo en viguetas, colocando bovedillas de ladrillo entre ellas para completar el suelo de cada planta.

Las salas de exposiciones (como el Crystal Palace de Joseph Paxton), los invernaderos (y sus ampliaciones, como solarios, marquesinas, balcones cubiertos o miradores) combinaban hierro y cristal. Las estaciones de ferrocarril combinaban dos espacios: uno abierto a la ciudad y diseñado por el arquitecto con materiales pesados, y el otro diseñado por el ingeniero y construido con metal y cristal. El mercado de las Halles de París, de Victor Baltard, los Grandes Almacenes Printemps y las Galerías Lafayette, son otros ejemplos de esta arquitectura luminosa que se estaba desarrollando, donde los ingenieros vieron crecer sus competencias frente a los arquitectos.^[6]

En la fábrica del Chocolate Menier se sustituyó la estructura del entramado de madera por una estructura de hierro vista y un revestimiento de ladrillo.

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  Jules Saulnier y Armand Moisant. Fábrica del Chocolate Menier en Noisiel, 1872
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  Isambard Kingdom Brunel, Estación de Paddington, Londres, 1854
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  Johann Eduard Jacobsthal, Estación de Berlín Alexanderplatz, 1885

La disponibilidad de acero brindó una gran ocasión para el desarrollo de proezas técnicas que las naciones exhibieron en las exposiciones universales celebradas desde mediados del siglo XIX hasta principios del siglo XX.

El Crystal Palace, un enorme edificio en fundición de hierro y vidrio, sede de la Gran Exposición en Hyde Park, mostró la superioridad industrial y técnica del Reino Unido en aquel momento.

Le siguió el Crystal Palace de Nueva York en la Exposición Universal de 1853.

Para la Exposición Universal de París de 1889, Gustave Eiffel ideó una torre de 300 metros de altura, la Torre Eiffel, realizada todavía en hierro forjado, en una época en la que el acero ya había demostrado sobradamente su idoneidad para erigir este tipo de construcciones.

Para la Exposición Mundial Colombina celebrada en Chicago, se inauguró la primera noria, con la intención de rivalizar con las dimensiones de la Torre Eiffel.

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  Palacio de la Industria, Exposición Universal de París (1855). La estructura es de acero, pero está oculta por una fachada de piedra natural.
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  La Galería de las Máquinas, Exposición Universal de París (1889), que se alzaba junto a la Torre Eiffel, construida para la ocasión.
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  Exposición Universal de París de 1889, Armand Moisant, Estructura de la Cúpula Central.
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  La primera noria. fabricada para la Exposición Mundial Colombina de Chicago por George Washington Gale Ferris. Su objetivo era superar la proeza técnica de la Torre Eiffel.

Dankmar Adler y Louis Sullivan, Wainwright Building, St. Louis. En construcción en 1890, Catálogo de Milliken Brothers, 1891

Wainwright Building

El acero se obtiene reduciendo el carbono presente en el hierro a menos del 2 %. Esta operación se lleva a cabo quemando las impurezas del arrabio fundido. El principio fue descubierto por Henry Bessemer en 1856, y los ingenieros Pierre-Émile Martin y Sidney Thomas mejoraron aún más la calidad de los aceros producidos con sus propios sistemas de fundición.

No existe un solo tipo de acero, sino muchos. Las propiedades mecánicas de un acero pueden variarse ajustando su contenido en carbono. Su resistencia a la corrosión, o sus características mecánicas, se pueden modificar añadiendo al hierro elementos como carbono, cromo y níquel, lo que da como resultado el acero inoxidable.

El steel framing (estructura de acero) es una técnica de construcción con una estructura de acero formada por columnas verticales y perfiles en I horizontales, dispuesta en una retícula rectangular para soportar los pisos, el techo y las paredes de un edificio, todos ellos unidos a la estructura. El desarrollo de esta técnica hizo posible la construcción de rascacielos.

El uso del acero como sustituto del hierro para fines estructurales fue inicialmente lento. El primer edificio con estructura de hierro, el Ditherington Flax Mill, se había construido en 1797, pero fue solo con el desarrollo del convertidor Bessemer en 1855 cuando la producción de acero se volvió lo suficientemente eficiente como para que el acero se convirtiera en un material ampliamente utilizado. Los aceros económicos, con alta resistencia a la tracción y a la compresión, y buena ductilidad, fueron un factor clave, y los primeros productos siderúrgicos estuvieron disponibles desde alrededor de 1870. Sin embargo, el hierro forjado y la fundición de hierro continuaron satisfaciendo la mayor parte de la demanda de productos de construcción a base de hierro, principalmente debido a los problemas en la producción de acero a partir de minerales alcalinos. Estos problemas, causados principalmente por la presencia de fósforo, se resolvieron mediante el convertidor Thomas, ideado por el inventor galés Sidney Thomas en 1879.

No fue hasta 1880 que comenzó una era de construcción basada en acero dulce mecánicamente fiable. Para entonces, la calidad de los productos de acero se había vuelto razonablemente consistente.

El Home Insurance Building de Chicago, terminado en 1885, fue el primero en utilizar acero en su construcción. En este caso, las columnas de hierro estaban simplemente empotradas en los muros, y su capacidad portante parece ser secundaria con respecto a la capacidad de la mampostería, especialmente para las cargas del viento. En Estados Unidos, el primer edificio con armazón de acero fue el edificio Rand McNally de Chicago, construido en 1890.

El Royal Insurance Building de Liverpool, diseñado por James Francis Doyle en 1895 (construido entre 1896 y 1903), fue el primero en utilizar una estructura de acero en el Reino Unido.^[35]

El perfil de acero laminado o sección de las columnas de acero tiene la forma de la letra "I". Las dos alas anchas de una columna son más gruesas y anchas que las alas de una viga para disponer de una mayor resistencia a las cargas de compresión en la estructura. También se pueden utilizar perfiles tubulares de acero cuadrados y redondos, a menudo rellenos de hormigón. Las vigas de acero se conectan a las columnas mediante pernos y fijaciones roscadas, e históricamente se conectaban mediante remaches. El alma de las vigas en I de acero suele ser más ancha que el alma de una columna, con el fin de resistir los mayores momentos flectores que se producen en las vigas.

La estructura debe estar protegida contra incendios, dado que el acero se ablanda a altas temperaturas, lo que puede provocar el colapso parcial del edificio. En el caso de las columnas, esto suele lograrse recubriéndolas con algún tipo de estructura ignífuga, como mampostería, hormigón o placas de yeso. Las vigas pueden empotrarse en hormigón, revestirse con placas de yeso o recubrirse con un revestimiento para aislarlas del calor del fuego; o bien, pueden protegerse mediante una construcción de techo ignífuga. El asbesto fue un material popular para proteger las estructuras de acero frente al fuego hasta principios de la década de 1970, antes de que se comprendieran plenamente los riesgos para la salud de las fibras de amianto.

La "piel" exterior del edificio se ancla a la estructura mediante diversas técnicas, y siguiendo una amplia variedad de estilos arquitectónicos. Se utilizaron ladrillos, piedra natural, hormigón armado, bloques de vidrio, chapa, o simplemente pintura, para recubrir la estructura y proteger el acero de los elementos.

Posteriormente, el acero tendría que enfrentarse a la competencia del hormigón armado.

El acero, al ser más resistente a la flexión y a las tracciones, permitió el desarrollo de edificios de gran altura, como los rascacielos, basados en una estructura de acero, inicialmente oculta tras una fachada de piedra (Empire State Building, Rockefeller Center), y posteriormente mostrando el acero como un elemento arquitectónico integral. Ludwig Mies van der Rohe fue el primero en exhibir la estructura en sus proyectos con fachadas de acero y vidrio. Los pioneros de esta nueva arquitectura fueron William Le Baron Jenney y los miembros de la Escuela de Chicago.

La Exposición Universal de 1853 celebrada en Nueva York brindó a Elisha Graves Otis la oportunidad de presentar su ascensor, equipado con un dispositivo de seguridad que se activaba automáticamente en caso de rotura del cable de sustentación. Esta invención abordó una importante preocupación pública respecto a la seguridad de este nuevo medio de transporte vertical. El rascacielos surgió en los Estados Unidos hacia finales del siglo XIX. La reconstrucción de Chicago tras el gran incendio de 1871 permitió el nacimiento de un nuevo enfoque en la construcción de edificios para reducir los costos asociados con el aumento del precio del suelo. El acero jugó un papel clave, al igual que el vidrio. La Escuela de Chicago lideró un movimiento arquitectónico y urbanístico caracterizado por la construcción racional y utilitaria de oficinas, grandes almacenes, fábricas, apartamentos y estaciones de tren; y popularizó el uso del acero en la construcción de los rascacielos.

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  Home Insurance Building, obra de William Le Baron Jenney (Chicago, 1885)
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  William Van Alen - Chrysler Building (Nueva York, 1928-1930)
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  Ludwig Mies van der Rohe, Apartementos 860 y 880 de Lake Shore Drive (Chicago -1951)

La fabricación masiva de aceros de buena calidad propició la rápida expansión de los puentes de celosía, con numerosas patentes (como las vigas Pratt, Howe o Warren entre las de mayor difusión),^[36] que entre el siglo XIX y el siglo XX facilitaron la masiva construcción de puentes carreteros y de ferrocarril con luces usualmente comprendidas entre los 25 y los 100 m. La construcción del "puente de Forth" (1882-1890), cerca de Edimburgo, uno de los primeros puentes en voladizo (cantilever), marcó la transición del hierro al acero en el Reino Unido. El puente Alejandro III (1896-1900) en París, construido para la Exposición Universal de París (1900), fue uno de los primeros puentes franceses en acero.^[37]

Variantes de esta tecnología, en las que el entramado de barras de acero tiene un papel primordial, fueron los puentes con la tipología de viga Gerber, como el ya mencionado puente de Forth (1890), con el que se alcanzaron los 520 m de luz; o los puentes en arco metálicos, como el famoso puente de la bahía de Sídney (1932), con 503 m de luz.

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  Puente de Forth (1890), Escocia, 520 m de luz
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  Viaducto des Fades (1909), Francia, 154 m de luz
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  Puente de la bahía de Sídney (1932), Australia, 503 m de luz
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  Puente ferroviario de Dukenburg, (1977), Países Bajos, 110 m de luz

Sin embargo, el desarrollo del hormigón armado y del hormigón pretensado en las primeras décadas del siglo XX, contribuyó a la paulatina desaparición de los puentes de celosía metálica, progresivamente sustituidos primero por las vigas en cajón y después por los puentes de hormigón, debido principalmente a las menores necesidades de mantenimiento de estos últimos.^[38] Esta tipología ha quedado reservada para algunos casos especiales, cuando el espacio disponible para alijar el tablero del puente sobre el obstáculo a salvar es muy reducido.

La generalización del uso del acero en la ingeniería de grandes puentes vio sus primeras realizaciones en los Estados Unidos. Mientras Gustave Eiffel seguía confiando en el hierro pudelado para erigir la Torre Eiffel en 1889, el ingeniero norteamericano James Buchanan Eads ya había concluido en 1874 el puente sobre el Misipi en San Luis (Misuri), una estructura totalmente de acero con sus tres arcos de 158 m de luz.^[39] El impulso definitivo para que el acero se convirtiera en el material empleado en los puentes de luces cada vez mayores vino del éxito del puente de Brooklyn (1883), para el que John Augustus Roebling desarrolló la tecnología pionera de los cables de alambre de acero que fabricaba su empresa. En 1931 se completó el puente George Washington en Nueva York, el primero en superar los 1000 m de luz; al que siguieron puentes de luces cada vez mayores como el famoso Golden Gate (1937) en la bahía de San Francisco, el puente Humber (1981) en el Reino Unido, o el Gran Puente de Akashi Kaikyō (1998) en Japón. En 2022 se inauguró el puente de los Dardanelos en Turquía, el primero en disponer en un vano de más de 2000 m de longitud.

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  Puente de Brooklyn (1883), 487 m de luz
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  Torres desnudas del puente George Washington (1931), 1067 m de luz
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  Golden Gate (1937), San Francisco (California), 1287 m de luz

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  Puente del Humber (1981), Reino Unido, 1410 m de luz
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  Gran Puente de Akashi Kaikyō (1998), Japón, 1991 m de luz
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  Puente de los Dardanelos (2022), en Turquía, 2023 m de luz

En todos estos puentes colgantes, los más largos del mundo en su momento, el acero y las técnicas necesarias para fabricar y tender los cables de suspensión, así como para levantar las torres desde las que cuelgan los cables, siguen siendo la clave de la factibilidad de estas grandes estructuras. Mención aparte merecen los puentes atirantados, en los que el acero sigue desempeñando un papel fundamental en la fabricación de los cables que tesan el tablero.

• En 1859, William Rankine en su «Manual de Ingeniería Civil», basado en la experiencia adquirida en la construcción en madera, estableció las bases de la teoría de la elasticidad y las reglas que permitían al ingeniero dimensionar las estructuras y calcularas directamente sobre la mesa de dibujo, así como determinar la resistencia de los remaches. A partir de entonces fue posible calcular las estructuras portantes más simples.
• Navier estableció las primeras reglas para el cálculo de puentes colgantes.
• El puente Britannia de Robert Stephenson utilizó vigas cajón de chapa metálica remachada.
• Polonceau ideó la viga compuesta.
• Caleb Pratt y Thomas Willis Pratt desarrollaron la viga en celosía.
• Squire Whipple desarrolló el puente de arco tesado.
• Se crean la especialidad de ingeniero civil y las oficinas técnicas especializadas en el cálculo de estructuras.^[6]
• La soldadura reemplaza a los remaches. En los años 1930, la soldadura altera fundamentalmente las técnicas de fabricación. La estabilidad ya no necesita garantizarse mediante ángulos resistentes a la flexión ni refuerzos diagonales, sino que se basa en el principio de la construcción de pórticos, que posteriormente tendrá una gran influencia en la arquitectura. El principio de cálculo ya no considera únicamente la teoría de la elasticidad, sino también la de la plasticidad.^[1]
• En 1837, la cercha Polonceau (ideada por Camille Polonceau) transformó la manera en que se diseñaban los espacios cubiertos.
• En 1902, la viga Virenddeel (ideada por Jules Arthur Vierendeel) revolucionó la forma en la que se diseñaban los puentes metálicos (puente Vierendeel).
• Alrededor de 1930, se desarrolló el acero corten.

La construcción siguió buscando constantemente la innovación. En el campo de las fachadas, Jean Prouvé, metalúrgico de formación, exploró las posibilidades de la chapa metálica. Con el Centro Georges Pompidou, explorando la analogía de un edificio con una máquina. También se exploraron otros materiales, como el acero inoxidable (Lake Shore Drive), el bronce o el titanio (en el Museo Guggenheim de Bilbao), lo que propició el desarrollo de nuevas técnicas de unión entre piezas metálicas.