Viga de ala ahuecada

Brunel trabajó en un periodo de creciente desarrollo del análisis teórico y matemático de puentes y estructuras mecánicas. Junto con el trabajo de William Fairbairn, particularmente en relación con Robert Stephenson y el diseño de sus estructuras tubulares, como el puente ferroviario de Conwy, se logró una mayor comprensión del colapso de las vigas sometidas a flexocompresión motivado por el pandeo.

Una de los criterios de Brunel era su desconfianza hacia la fundición de hierro como material, al menos para vigas de gran tamaño.^[1][2][4] Esta desconfianza en la fundición de hierro se vio justificada cuando se derrumbó en 1847 el puente del Dee (1846), una estructura de hierro fundido construida por su amigo Stephenson. Brunel testificó en su favor en la investigación posterior, pero esto se basó en que Stephenson era un ingeniero competente dentro de los límites del conocimiento de aquella época.^[1] El puente del Dee diseñado por Stephenson había utilizado una viga de celosía, donde una viga de hierro fundido en forma de T invertida estaba sujeta por tirantes de hierro forjado. Este diseño defectuoso fue fundamental en el fallo del puente, dado que la tensión en las barras de la celosía aumentó la compresión en la parte superior de la viga, de tal manera que llegó a colapsar debido al pandeo. A pesar de ello, y aunque conocía la experiencia previa de Stephenson, Brunel utilizaría cadenas a tracción aplicadas de forma similar para su diseño del puente Royal Albert.^[5]

Hacia la década de 1840, los avances en la técnica de la pudelación redujeron el costo del hierro forjado, y las mejoras en el proceso de laminación permitieron la producción de grandes secciones planas. Este hierro resultó ahora económico para la construcción de vigas, ensambladas mediante el remachado de secciones planas.^[6]

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Brunel ya había experimentado con vigas simples de cabeza ahuecada de fundición de hierro para el tramo relativamente corto de 35 pies (10,7 m) del puente Bishop sobre un canal en la Estación de Paddington en Londres. Estas vigas tenían un ala inferior en forma de T sometida a tensión y un bulbo circular más grande en el borde superior,^[8] sometido a compresión.^[9][10] Como era su costumbre, Brunel realizó pruebas hidráulicas de resistencia en muestras de estas vigas en 1838 y registró los resultados en uno de sus cuadernos de "Facts" (Hechos).^[7]

Para desarrollar una viga de celosía fiable para puentes de gran luz, Brunel llevó a cabo un notable experimento con una viga a escala real.^[11] Este experimento utilizó una viga de placas de hierro forjado de 21,34 m (70 pies) de longitud, que se cargó hasta el punto de hacerla colapsar^[12] primero con una carga de 165 toneladas y luego, tras su reparación, con 188 toneladas.^[14] Brunel era consciente de que el probable mecanismo de fallo de esta viga sería el colapso por pandeo del ala superior, que estaría sometida a fuerzas de compresión. Para resistir estas fuerzas, el ala se reforzó con placas trianguladas y también se curvó ligeramente.^[15] El experimento fue un gran éxito, y la viga finalmente colapsó con una carga considerable, lo que representó un uso más eficiente de los materiales de construcción para un puente de esta capacidad, en comparación con diseños anteriores.^[16]

Brunel hizo un uso temprano y generalizado de este tipo de vigas en su Ferrocarril del Sur de Gales. Se utilizó para tramos de hasta 100 pies (30,5 m) de luz, aunque para tramos mayores, se emplearon vigas de celosía de hierro forjado.

Las mejoras en el laminado de chapas permitieron modificar la forma de estas vigas. En lugar de una simple placa superior ligeramente curvada con cartelas triangulares, ahora era posible laminar piezas con forma de semicircunferencia. Esto permitió utilizar la forma de "globo" completamente desarrollada, como se muestra en la segunda sección transversal ilustrada.^[12] El alma superior de la viga era semicircular y estaba remachada a la placa central mediante una tira en L. Las cartelas laterales, también curvas, estaban remachadas paralelamente a los bordes de esta placa superior, en lugar de a través de otra tira en L, como se hacía originalmente. Brunel (probablemente con razón) consideraba que el perfil liso del arco era un diseño más eficiente, influenciado por sus enfoques geométricos del diseño más que por el análisis matemático de Eaton. En la práctica, la junta de solape paralela redujo a la mitad la cantidad de remaches necesarios, en comparación con la tira en L.

No se tiene constancia de que ninguno de estos puentes se conserve con su forma original de vigas rematadas por un arco, aunque una viga de uno de ellos se reutilizó posteriormente para la ampliación de un puente (1861) sobre la carretera de Coity, cerca de Bridgend, y se conservó allí. ^[17] El puente de la carretera de Coityse se había construido antes de esta fecha, pero se amplió para dar cabida al nuevo Ferrocarril de Llynvi Valley. Un lado del puente se desplazó hacia afuera para acomodar la nueva vía, y se instaló una viga de arriostramiento en ese lado. Se cree que esta viga (especialmente porque se instaló después de la muerte de Brunel) se había utilizado previamente en otro lugar del Ferrocarril del Sur de Gales,^[17] aunque se desconoce su fecha y ubicación originales.

Se utilizaron vigas similares para cruzar el río Severn en Over (Tewkesbury).^[12][18]

El siguiente desarrollo conservó el ala superior semicircular, pero se abandonaron por completo los refuerzos laterales, ya que se consideró que la profundidad del ala, incluso sin el apoyo de otra placa, sería suficientemente rígida. Esto también facilitó el acceso al interior para la pintura. Se colocaron diafragmas transversales intermitentes a través del ala para mantener su posición relativa al alma principal y evitar la deformación causada por el balanceo lateral.^[12]

La forma de viga se utilizó ampliamente en la obra de Brunel para el Ferrocarril de Bengala Oriental.^[12]

Cuando Brunel reconstruyó las esclusas de entrada a la cuenca de Cumberland en puerto de Bristol, entre 1848 y 1849, también construyó un 'puente giratorio', el primer puente móvil de Brunel.^[12] Estaba dispuesto sobre un pivote central, pero de configuración muy asimétrica: el lado exterior era casi tres veces más largo que el lado interior, equilibrado por un gran contrapeso de hierro fundido.^[12]

Dado que el puente estaba destinado a una carretera ligera y no tenía que soportar el peso de un ferrocarril, sus vigas eran de construcción ligera, lo que simplificó su fabricación. Se utilizó un ala superior de tipo globo, similar en forma a la de los puentes del Ferrocarril del Sur de Gales, pero el ala se situaba por encima del alma principal de la viga y el alma no la abarcaba ni llegaba hasta la parte superior. Esto simplificó la construcción, ya que evitó la junta en T, las necesarias tiras en L y, por lo tanto, varias filas de remaches.^[12]

El ala inferior tenía una forma completamente novedosa, de sección triangular, aunque con lados cóncavos. De nuevo, el alma principal no abarcaba el ala. Las tres juntas eran ahora juntas solapadas simples con remaches de una sola fila.^[12]

Al igual que ocurrió con varios de los primeros puentes diseñados por Brunel, su participación en ellos quedó prácticamente en el olvido.^[19] En un momento dado, estuvieron bajo seria amenaza de demolición, hasta que se reconoció nuevamente su importancia histórica. En 2014 se lanzó una campaña de recaudación de fondos de 1 millón de libras esterlinas para restaurar el puente.^[20][21]

Un puente giratorio muy similar se construyó unos años después como el puente del muelle de Kronstadt (Доковый мост), localizado en la ciudad de Kronstadt, en Rusia.^[22]

El puente ferroviario de Windsor (1849) es un arco tesado,^[23] compuesto por dos cerchas de celosía. Los cordonnes superiores son arcos que soportan el peso del puente.^[24] El cordón inferior está colgado de los arcos mediante barras verticales, y no necesita soportar su propio peso. La función principal del cordón inferior es actuar como tirante para contrarrestar las fuerzas laterales del arco, evitando el habitual empuje horizontal de un arco sobre sus cimientos. Dado que se trata de un puente ferroviario, el tablero suspendido puede presentar problemas debido al balanceo, por lo que la viga que funciona como cordón inferior también cumple una función de rigidización.

Brunel utilizó una variante de su viga de ala abombada para ambas vigas. La viga del arco superior utiliza la forma triangulada del experimento inicial, con una placa superior plana y sin alma vertical bajo la caja del ala. La viga inferior utiliza la forma abierta del ala, ligeramente curvada y sin placas de refuerzo. Como la viga inferior no soporta su propio peso, no está sujeta a las fuerzas de pandeo habituales.

El puente ferroviario de Chepstow (1852) fue una estructura compleja, que utilizó por primera vez el diseño de la sección de la celosía de Brunel para crear un puente con un tablero colgado de un dintel tubular recto. El puente se extiende a gran altura sobre un canal de navegación. Sin embargo, la orilla oeste en el punto de paso era poco profunda y fangosa, por lo que la mitad de la longitud del puente se construyó con tres tramos de vigas de 30,5 metros (100 pies) de luz, sostenidas por pilares cilíndricos de hierro fundido. Las vigas de estos tres tramos tenían una forma y un tamaño muy similares a los de la viga experimental original.^[25]

Las vigas del lado de tierra se reemplazaron en 1948 y la cercha principal, con sus vigas inferiores, en 1962.^[26] Algunas partes de las vigas se han conservado hasta hoy.

El puente de Crathie (Aberdeenshire) (1854-1857), es una estrutura de un solo vano de 38 metros (125 pies) de luz que cruza sobre el río Dee para permitir el paso del camino que da acceso a la finca del Castillo de Balmoral, propiedad de la corona británica.^{[27][28][29][30]} En los primeros bocetos del puente, se había diseñado con una forma similar a la del puente Royal Albert de Saltash.^[31] El puente, tal como se construyó, utilizaba la forma abierta en C del ala superior, como en el Ferrocarril del Bengala Oriental. Dado que el puente solo soportaba tráfico ligero, también fue posible reemplazar el alma maciza de la viga por encima del nivel de la calzada por una celosía calada, lo que mejoró la vista desde el puente para los ilustres residentes cuando accedían al castillo. A pesar de esto, Su Majestad, la reina Victoria, no quedó muy satisfecha con el puente.^[27][28]

La línea ferroviaria tendida en 1857 a través de Devizes (Wiltshire), descendía de Caen Hill y cruzaba sobre una carretera. El paso del ferrocarril sobre la calzada se resolvió mediante un diseño inusual, que consistía en un puente de vigas de alma llena de forma lenticular, en el que las vigas maestras tenían el cordón superior ahuecado.^[32][33] Esta forma lenticular similar al vientre de un pez le dio su nombre popular de «Puente del Pez». Gracias a su trabajo en el diseño de sus estructuras, Brunel ya conocía las ventajas de la forma lenticular.

El Puente del Pez original fue reemplazado en 1901 por un puente de celosía, también de forma lenticular.^[34] El nombre se mantuvo en uso común, incluso después de que se retirara el ferrocarril durante el Plan Beeching.

• Puente del Enlace de Over, un puente ferroviario que cruza el río Severn en Over, Tewkesbury (1848).^[18]
• Puentes de la cuenca de Cumberland, en el puerto de Bristol (1849).^[35][36] Un tramo fijo ha sido restaurado recientemente para su uso como pasarela peatonal.
• Puente ferroviario de Windsor (1849).
• Puente ferroviario de Chepstow (1852).^[26] Se conservan secciones de las vigas en la Universidad Brunel, en Uxbridge.^[37]
• Puente de Crathie, en Aberdeenshire (1854-1857), en el camino de acceso a la finca real del Castillo de Balmoral.^[28]
• Puente de Coity Road, en Bridgend (1861).^[17]
• Puente de Stoodleigh, en Devon. Viga reticular con ala superior semicircular de base abierta, (hacia 1863).^[38]
• Puente de Peel Street, en Bristol. Viga Viga reticular con ala superior semicircular de base abierta (1878).^[39]
• La sección del puente Bishop sobre el canal, en la Estación de Paddington de Londres, que podría ser el primer uso de esta técnica por parte de Brunel. Fue desmantelado y almacenado en 2004.^[40]