Colapsos estructurales históricos. Parte 4: año 1847

11. El puente ferroviario Dee

Localización: Chester (Inglaterra)

Año: 1847

Causa probable: Fatiga del metal.

Merece la pena analizar con mayor profundidad este colapso histórico por la relevancia que presenta. Fue uno de los primeros casos sobre el que se llevó a cabo una investigación completa de la causa que lo provocó, además de las importantes consecuencias que se generaron por el resultado de dicha investigación.

En 1840 el sistema ferroviario británico se encontraba en plena expansión. Era una época de florecimiento en la ingeniería ferroviaria y se construían kilómetros de nuevas líneas férreas. Ese mismo año se creó el “Railway Inspectorate”, un organismo encargado de la supervisión de seguridad de los ferrocarriles y tranvías de Gran Bretaña.

Una de estas líneas, entre Chester y Holyhead necesitaba un puente para salvar los 76,2 metros del rio Dee. Se encargó al afamado ingeniero Robert Stephenson (1803—1859). Su padre George Stephenson (1781–1848) fue llamado “el padre de los ferrocarriles” pues construyó la primera línea ferroviaria pública y de pasajeros que utilizaba locomotoras a vapor.

El diseño del puente no solo contaba con el reto de la luz, sino que también tendría que tener en consideración el embate de las corrientes provocadas por la marea.Para este puente, Robert pensó inicialmente en un diseño pesado con mampostería tradicional mediante cinco arcos, pero interponer cuatro pilas en el cauce entorpecía el tráfico del río, por lo que finalmente optó por un diseño más ligero mediante vigas apoyadas en dos pilas intermedias. Las vigas se construirían con hierro fundido, reforzadas con hierro forjado. No era ninguna técnica novedosa pues ya la había utilizado antes al igual que otros ingenieros contemporáneos.

En septiembre del año 1846 Stephenson terminó la construcción del puente. Antes de abrirse al servicio, el Consejo de Comercio hizo la inspección de rigor a cargo del general Pasley quien dio su visto bueno el 4 de octubre del mismo año. Un mes más tarde el puente abre al tráfico sin que se hayan concluido los trabajos finales de pintura. Fueron los pintores los que observaron que las vigas flectaban excesivamente al paso del tren (se habló de varias pulgadas en el proceso). Pero, al parecer, no se comunicó esta incidencia a Stephenson. Lo que sí trascendió fue la fractura de una de las vigas en una zona cercana al apoyo. Stephenson lo achacó a un defecto de la fundición y ordenó la sustitución completa de la viga.

En la mañana del 24 de mayo de 1847, seis trenes ya habían pasado por el puente sin que se detectasen incidencias. El mismo Stephenson inspeccionó personalmente el puente ese mismo día. Pensaba que el problema de estabilidad estaba solucionado pero aún estaba preocupado por la exposición de la madera que formaba el tablero a las chispas y cenizas que generaba el paso de los trenes. No era para menos. Aún estaba reciente el caso de incendio que destruyó un puente del “Great Western Railway” por esta causa. Por ello ordenó crear una capa de 5 pulgadas de balasto (12,7 cm) de modo que los raíles quedaran vistos y el tablero protegido. Pero esto suponía una carga adicional de 18 toneladas en cada tramo del puente, y cada viga tenía que soportar 9 toneladas más.

El balasto se terminó de colocar por la tarde. El siguiente tren que salió de Chester inició su paso por el puente a las 18:15. Pesaba unas sesenta toneladas y se desplazaba a cincuenta kilómetros por hora. Cuando completaba el último tramo del puente una de las vigas falló. El experimentado maquinista comprendió lo que estaba ocurriendo y aceleró instintivamente la marcha sin que pusiese evitar que todos los vagones se precipitasen al vacío y algunos se golpeasen con el estribo del puente. Fallecieron 5 personas y otras tantas resultaron heridas de gravedad. Hay que mencionar la valentía del maquinista que, tras el suceso, continua el recorrido para avisar del accidente y cerrar la línea. Posteriormente da la vuelta y vuelve cruzar el puente en sentido contrario por la vía no dañada para dar aviso en la próxima estación.

Tras el accidente se encarga al ingeniero y capitán J.L.A. Simmons la investigación del siniestro. Simmons realiza la inspección preliminar el 27 de mayo donde comprueba la rotura de las vigas y decide realizar algunas pruebas de resistencia. A Simmons, que conoce el relato de los testigos presenciales del suceso, no le cabe duda del fallo estructural, pero Stephenson no estaba convencido del colapso por sobrecarga y envía el 31 de mayo un escrito a las autoridades ferroviarias señalando que el siniestro se origina por el descarrilamiento previo del tren.

El 15 de junio de 1847, tan solo unas tres semanas más tarde del encargo, Simmons publica el informe pericial en el que contó con la ayuda del ingeniero civil James Walker (1781–1862). Antes de adentrarnos en el resultado del informe veamos las características constructivas de la estructura del puente Dee.

Colapsos estructurales históricos. Parte 4: año 1847

Las vigas salvaban una luz aproximada de 30 metros entre apoyos y su diseño era el siguiente:

La sección principal estaba formada por vigas de fundición en I, con las siguientes dimensiones:

Colapsos estructurales históricos. Parte 4 año 1847 foto2Alma: 101,6 x 5,1 cm

Ala superior: 17,8 x 5,1 cm

Ala inferior: 61,0 x 7,0 cm

Sección total de 1.032,3 cm²

Como puede comprobarse en la vista general, la viga contaba con unos resaltos en las zonas de unión entre tramos y en el apoyo en pilas y estribos.

Refuerzos en acero forjado

Cada par de vigas se arriostraba por 13 barras de hierro forjado de 10,2 x 5,1 cm de sección terminadas en cola de milano y sujetas a la zona inferior de la viga mediante unas pestañas de encaje.

 Colapsos estructurales históricos. Parte 4 año 1847 foto3

Las vigas contaban con unas barras de refuerzo también de hierro forjado que se desplazan desde la zona superior en los extremos hasta la zona inferior de la parte central. Estas barras se unían a las vigas principales mediante piezas de hierro fundido.

 Colapsos-estructurales-históricos.-Parte-4-año-1847-foto5

Finalmente el tablero se resolvía con vigas de roble de 25,4 x 25,4 cm simplemente apoyadas en las alas inferiores y un tablero de madera sobre el que se dispuso el balasto.

Colapsos estructurales históricos. Parte 4 año 1847 foto4

En su inspección, Simmons encontró dos roturas en la viga que se muestran en la siguiente imagen. La central (D-E) corresponde a su descripción aunque, al parecer, podría ser algo más compleja (no se habían rescatado todas las piezas del río y, según Simmons, podría haber sufrido golpes tras el colapso). Sin embargo, la más cercana al apoyo (B-C) la describió textualmente con una sola línea de rotura. Croquis de la viga y sus roturas se publicaron en los periódicos británicos.

 Colapsos-estructurales-históricos.-Parte-4-año-1847-foto8

Pero Simmons y Walker no se quedaron ahí. En la vía intacta del puente realizaron una prueba de carga estática con un tren en reposo que proporcionaba una carga de 24 toneladas por viga. Mediante un teodolito se observó una flecha de 6 cm en el centro de la viga. Además, esta viga sufría una deformación de modo que el ala superior se desplazaba unos 12 milímetros hacia el interior y el ala inferior lo hacía en sentido contrario. Repitió el ensayo con el tren moviéndose a unos 32 km/hora (prueba de carga dinámica) comprobando que la flecha disminuía. Situado sobre el tablero pudo comprobar personalmente la oscilación del puente con el paso del tren.

Según el informe de Simmons y Walker las barras de hierro forjado añadidas a la viga principal ofrecieron poco o ningún refuerzo. También averiguaron que el puente había sufrido cargas más pesadas que la que provocó el siniestro: Antes de su puesta en servicio se había realizado una prueba de carga mediante el paso de un convoy de tres locomotoras, y los registros confirmaban que no era el tren más pesado el que precisamente había provocado el colapso. Tampoco se observaron defectos en el material; claro que este se comprobaba golpeándolo con un martillo y escuchando el sonido que producía. Aun así, el entorno de la rotura no presentaba fallos visibles.

Sin conocer exactamente la causa, Simmons llegó a la conclusión de que tanto las cargas estáticas como dinámicas producen lesiones internas en las vigas de hierro fundido que las debilitan. Estaba haciendo de este modo quizás la primera referencia oficial al fenómeno conocido como fatiga. Cuatro años antes otro ingeniero y físico, William Rankine, ya había descrito la fatiga del metal, pero no era aún un tema de aplicación para los profesionales de la época. Rankine ya manifestaba que muchos de los fallos aparentemente inexplicables que se producían en estructuras metálicas podían estar relacionados con la fatiga.

Con toda la documentación se inició el proceso judicial en el que finalmente se dictaminó que no existía negligencia por parte de Stephenson. Se desestimó que la causa fuese el descarrilamiento y se concluyó que este se produjo por el fallo anterior de la viga. Según el jurado las víctimas habían fallecido accidentalmente pero la causa fue la insuficiencia de la estructura y en particular de las vigas.

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En definitiva, se llegaba a la conclusión de que los puentes de vigas de fundición, aun reforzados con elementos de hierro forjado, de los que se conocían más de un centenar, podrían ser inseguros y pidieron al gobierno una investigación al respecto. Este problema se presentaba en los casos en los que estos elementos de fundición se encontraban sometidos a fuerzas distintas a la compresión.

La respuesta del gobierno no se hizo esperar. Una comisión real realizó un amplio estudio desde el año 1847 al 1849 con un resultado que confirmaba la disminución progresiva de la resistencia de las vigas de fundición ante ciclos repetitivos de esfuerzos de flexión. En concreto se estableció que cuando la flecha de deformación era menor de un tercio de la flecha máxima, el acero no se debilitaba. Pero en el caso que se superara la mitad de la flecha máxima la rotura se producía antes de 900 ciclos de carga-descarga. No sirvió esto para asociarlo expresamente con la fatiga, pero se definió un tipo de rotura específico: “fractura cristalina peculiar y pérdida de tenacidad”. Los ensayos llevados a cabo a escala real en dos puentes, contradijeron a Stephenson al confirmar que la flecha aumentaba con la velocidad de travesía del tren.

Teorías actuales de la rotura

Por desgracia las partes fracturadas de la viga central se perdieron en el río, y ni Simmons ni Walker pudieron identificar dónde comenzó a generarse la grieta exactamente.

Rolt (1960) achaca el fallo principal a la rotura del ala superior de la viga a compresión al igual que Henry Robertson, otro ingeniero que participó en el proceso de investigación por parte de la Chester Railway.

Lewis y Gagg (2004) proponen una modelo de rotura en la que la fractura debió originarse en el instante de mayor carga. El ala superior de la viga se vería sometida a compresión y el ala inferior a tracción, además del esfuerzo de torsión por el peso que soportaban las barras de arriostramiento. Por ello estiman que la dirección de la rotura fuese desde la zona inferior a la superior en base a que la fundición es muchísimo más resistente a compresión que a tracción, más llama poderosamente la atención que el croquis de Simmons marcase dos líneas de rotura que terminan desprendiendo un trozo de viga con forma trapezoidal.

Según indicaron testigos presenciales, la rotura se inicia cuando la máquina del tren (de mucho mayor peso que el resto del convoy) se encontraba en el centro del vano, lo cual sería fácilmente identificable por el crujido del metal al partirse. El peso concentra la carga en el ala inferior, una zona ya de por sí debilitad por la fatiga y se ramifica hacia la parte superior. Este breve lapso de tiempo hace que la máquina pueda avanzar (se estima que a 50 km/h) mientras que toda la carga se traslada a las barras de hierro forjado longitudinales y trasversales que poco pueden hacer, pero permiten a la locomotora avanzar hacia una zona ya casi en voladizo, provocando una nueva rotura. La máquina consigue salvarse mientras que los vagones se ven arrastrados al vacío al romperse el enganche.

Como consecuencia de este desastre el resto de puentes construidos con este diseño fueron reemplazados o reforzados.

Robert Stephenson obtuvo el puesto de ingeniero jefe de la “London and Birmingham Railway” la primera línea ferroviaria que entró en Londres. Experto en túneles, diseñó también un sistema de cadenas que permitía a las locomotoras escalar pendientes más pronunciadas. Participó en el ferrocarril del Gard de Beaucaire a Alés en Francia. En España asesoró la construcción de la línea de Vizcaya a Madrid. Fue miembro de la Sociedad de estudios del Canal de Suez y construyó el ferrocarril de Alejandría a El Cairo en Egipto, así como numerosos puentes (el High Level en Newcastle, el Puente Britannia, el puente de Conwy, el Viaducto Arnside de Cumbria, el Royal Border Bridge, etc.) Este caso fue el único lunar en su trayectoria.

Podéis ver a Robert Stephenson como un personaje de la película de animación “Steamboy” (2004) de Katsuhiro Ōtomo (Akira)

Fotografía cabecera: Autor Peterlewis en http://commons.wikimedia.org bajo licencia GNU.
Resto de imágenes. Ver referencia bibliográfica (53).
Referencias bibliográficas (53) y (54)
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