Historia de la Geotecnia - 07 - La Ingeniería Geotécnica Antes del Siglo XVIII

Puente natural en roca
Montañas Amarillas. China

CHINA

En China, las primeras civilizaciones surgieron en torno al año 3200 A.C. a orillas de los principales ríos: el Huang He (Amarillo), el Chang Jiang (Yangtsé) y el Xi Jiang. Al igual que los pueblos de Sumer, Egipto y el valle del Indo, los agricultores chinos dependían de los ríos de su país para el transporte de mercancías y para regar sus cosechas: los arrozales necesitaban las inundaciones de primavera. Pero los chinos también se enfrentaban a dos peligros; las inundaciones excesivas y las incursiones devastadoras de tribus procedentes del norte y del oeste.

Como ocurrió en Egipto, Mesopotamia y las ciudades del valle del Indo, hay un río en los comienzos de la civilización china: el poderoso e impredecible río Amarillo. Hacia 4000 A.C. (casi al mismo tiempo que los mesopotámicos), los chinos comenzaron a cultivar, primero mijo (cereal con el que se elaboraron los primeros fideos) y luego arroz, a lo largo del más septentrional de los principales ríos de China.

Mijo

Las primeras ciudades de China aparecieron en el norte del país hacia el año 3000 A.C., durante el período Longshan, en torno al Huang He (río Amarillo). Según la tradición, Huangdi, el Emperador Amarillo, fue el primer emperador hacia el año 2700 A.C. La primera dinastía fue la Xia, que gobernó durante cuatro siglos desde el año 2200 A.C. Se cree que Yu, su fundador, fue quien «domesticó» los ríos al construir diques para detener las inundaciones y también canales de irrigación.

Mapa del río Amarillo

Los historiadores consideran a la posterior casa Shang, llamada también Yin, como la primera dinastía que unió las antagónicas y guerreras ciudades-estado del río Amarillo, en el siglo XVI A.C. La dinastía Shang gobernó el norte de China durante más de seis siglos. Vivieron en una cadena de ciudades a lo largo del Huang He y tenían su capital en Anyang, una ciudad con muchos palacios y templos, construidos principalmente con madera tallada. La dinastía Zhou sustituyó a la Shang en el año 1122 A.C.

El pueblo Shang cultivaba mijo, trigo y arroz, y también moreras para alimentar a los gusanos de seda, gracias a los que producían un espléndido tejido. Criaban ovejas, cerdos, vacas, perros y gallinas, y cazaban ciervos y jabalíes salvajes. Los Shang empleaban caballos para arrastrar arados, carros y carretas. Al principio utilizaban las conchas de cauri como moneda, y después se sirvieron del bronce. Eran muy hábiles en los trabajos con bronce y jade, y realizaban objetos tanto religiosos como cotidianos muy elaborados.

Hacia el año 1600 A.C., los Shang desarrollaron las primeras formas de la caligrafía china: una escritura pictórica en la que cada letra representaba una palabra. La escritura china que conocemos hoy evolucionó a partir de la escritura shang. Los Shang adoraban a sus antepasados, a quienes consideraban sabios guías de su vida, y consultaban oráculos cuando debían tomar decisiones.

Caligrafía Shang

El bronce es una mezcla de cobre y estaño que, cuando se pule, parece oro. Los Shang prosperaron gracias a su trabajo con este metal, un material muy duro que tenía muchos usos en herramientas, artículos domésticos y armas. El bronce también se utilizaba para fabricar adornos y artículos religiosos o artísticos. Se fundía en moldes de ardua donde se labraban ornamentos o motivos de cualquier índole. El uso del bronce supuso un inmenso avance tecnológico en todo el mundo.

También bajo el gobierno Shang, que establecieron su capital en Anyang (a partir de 1300 A.C.), los chinos primitivos trazaron un mapa del cielo con los movimientos del Sol y las estrellas para predecir la llegada de las estaciones, llevaron registros astronómicos que rivalizan con los egip­cios y diseñaron un excelente calendario de 12 meses.

Reloj de sol en bronce

Durante la dinastía Shang se construyeron muchos diques para riego, aunque no hay evidencia de que se hubieran adoptado medidas para estabilizar cimientos o verificar la erosión causada por las inundaciones. También se dieron recomendaciones para construir caminos y puentes.

La mayoría de los canales construidos tenía el tamaño adecuado para la irrigación, pero no para la navegación. Después de 3000 años, la longitud del sistema de irrigación chino es de más de 320,000 km. El canal más largo, el Yun-ho o Gran Canal, tiene 1920 km y corre desde Tientsin hasta Hangchow; su construcción requirió de 1000 años. Los chinos fueron los primeros constructores de puentes, con características únicas. Lograron uno de los inventos más importante de todos los tiempos, el papel. Después, los árabes aprendieron de los chinos el método de fabricación del papel, y lo produjeron en grandes cantidades.

También se cree que los chinos inventaron la pólvora. Es irónico que esta invención china, junto con el cañón eliminara las murallas. Los chinos fueron los primeros en inventar mecanismos de escape para los relojes. Otro descubrimiento importante de los chinos fue la brújula, que rápidamente se extendió, para ser de uso común alrededor de 1200 D.C.

Con la llegada del budismo a China durante la dinastía Han del Este en el 68 D.C., miles de pagodas se construyeron. Muchas de estas estructuras fueron construidas sobre capas de limo y arcilla blanda. En algunos casos la presión de la fundación excedía la capacidad de soporte del suelo y por lo tanto causaba daños estructurales debidos a los asentamientos.

Pagoda china

La Técnica del Suelo Apisonado

Los Chinos desarrollaron técnicas manuales de compactación mecánica del suelo (mejoramiento), como la del suelo apisonado. La evidencia de los primeros usos de la tierra apisonada se ha visto en el Neolítico, en los sitios arqueológicos de la cultura Yangshao y la cultura Longshan en China a lo largo del río Amarillo, que data de 5000 A.C.. En el año 2000 A.C., la técnica de la tierra apisonada era de uso general en la arquitectura de las paredes y cimientos en China.

Técnica de Compactación del Suelo en la antigua China

Dentro del uso del suelo por parte del hombre, la tierra apisonada es una técnica de construcción antigua, desarrollada de manera independiente en algunas partes de China, Oriente Medio y el norte de África. En ésta, el suelo (o una combinación de pizarra, cal, grava, limo y arcilla) y es tomado del sitio de obra y compactado entre tableros de encofrado vertical, que se retiran dejando una pared de masa de suelo.

Tierra apisonada en India

La técnica se extendió en las regiones donde el suelo no es suficiente para hacer ladrillos de barro secados al sol, o donde la falta de la madera hace que su uso para la construcción sea poco rentable.

Ruinas de una torre de vigilancia china de la dinastía Han
(202 A.C. - 220 D.C.) hecha de tierra apisonada en Dunhuang,
Gansu provincia, el extremo oriental de la Ruta de la Seda.

Ciudades enteras como Jericó y Babilonia fueron construidas utilizando tierra, incluyendo monumentos y templos. Edificaciones históricas construidas con tierra apisonada pueden encontrarse en diferentes lugares del mundo como África, Marruecos, España, India, Nepal y Alemania. La técnica fue llevada a Inglaterra por los Romanos hace aproximadamente 2000 años, así como a Francia y España. Se estima que hoy día el 30% de la población mundial vive en casas construidas con tierra sin secado al horno, el 50% de estas personas corresponden a países en vías de desarrollo y el 20% en áreas urbanas y sub urbanas.

La sección en el desierto de la Gran Muralla de China ( y partes del Palacio de Potala en Lhasa (Tibet) están hechas de tierra apisonada. En el norte de África y España, los musulmanes bereberes utilizan tapial para construir las fortificaciones durante el califato islámico.

Gran Muralla China

Sección de la Gran Muralla China en el desierto construida
en tierra apisonada

Palacio de Potala en Lhasa (Tibet)

Palacio de la Alhambra, Granada, España

La tierra apisonada, también conocida como rammed earth (en inglés), taipa (en portugués), tapial (en español), pisé de terre o simplemente pisé (adobe) (en francés), es una antigua técnica de construcción utilizada en la construcción de las paredes usando las materias primas de la tierra. Los muros de tierra o barro son fáciles de construir, incombustibles, térmicamente masivos, muy fuertes y duraderos. Sin embargo, requieren mucha mano de obra para la construcción sin maquinaria (compactadores motorizados), y, si no son protegidos o mantenidos adecuadamente, son muy susceptibles a la erosión del agua.

La construcción de un muro de tierra apisonada implica la compresión de una mezcla húmeda de suelo con las proporciones adecuadas de arena, grava y arcilla (a veces con adición de un estabilizante) dentro de un encofrado (formaleta) de apoyo externo, un sólido muro de tierra, o entre bloques. Históricamente, los estabilizadores como la cal o sangre de animales, fueron utilizados para estabilizar el material, mientras que la construcción moderna utiliza cal, cemento o emulsiones de asfalto. Algunos constructores modernos también añaden óxidos de colores u otros elementos tales como botellas o trozos de madera para imprimir variedad a la estructura.

Para la construcción de una pared, debe construirse un marco temporal (encofrado) de madera como un molde, para darle la forma deseada y las dimensiones de cada sección de la pared. Los marcos deben ser resistentes y quedar bien atracados, con las dos caras opuestas de la pared apretadas, para evitar abultamiento o deformación debida a las elevadas fuerzas de compresión.

El material húmedo se coloca a una profundidad entre 10 y 25 cm, y se comprime hasta cerca del 50% de su altura original. La compresión del material se realiza iterativamente en lotes, para construir poco a poco por la pared hasta la altura. La compresión a mano se realiza con un palo compactador largo y es muy laboriosa. La construcción moderna puede ser más eficiente mediante el empleo de equipo compactador neumático de alta potencia.

Apisonadores

Encofrados o formaletas

Una vez que la pared está completa, es suficientemente fuerte para que los encofrados puedan ser removidos inmediatamente. Esto es necesario si se desea una textura de la superficie (por ejemplo, aplicada con un cepillo de alambre), ya que las paredes se vuelven muy difíciles de trabajar después de un corto tiempo de desencofradas (una hora). Las paredes quedan mejor construidas en clima cálido para que puedan secarse y endurecerse. Los muros toman algún tiempo para secar totalmente, y pueden tardar hasta dos años para curar por completo. La resistencia a la compresión aumenta con el aumento en el tiempo de curado, y las paredes expuestas deben ser selladas para evitar daños por agua.

En variaciones constructivas modernas del método, los muros suelo apisonado se construyen en la parte superior de zapatas convencionales o de losas de concreto reforzado.

Si se utilizan bloques hechos de tierra apisonada, estos son generalmente apilados como mampostería regular, pero se unen entre sí con una mezcla de barro fino en lugar de cemento. Máquinas especiales, por lo general con motores pequeños y portátiles, se utilizan a menudo para comprimir la tierra en bloques.

Construcción de suelo apisonado sobre la cimentación

La resistencia a la compresión de la tierra apisonada puede ser de hasta 4,3 MPa (620 psi). Esta es menor que la resistencia a la compresión de un espesor de concreto similar, pero suficientemente fuerte para su uso en edificios residenciales. De hecho, un suelo apisonado bien construido puede soportar cargas durante miles de años, como se puede apreciar en muchas de las estructuras antiguas de todo el mundo aún en pie.

La tierra apisonada reforzada con alambre, acero, o tiras de refuerzo de madera o de bambú, puede utilizarse para prevenir la falla estructural causada por terremotos o tormentas fuertes. La mezcla de cemento con la mezcla de tierra también puede aumentar la capacidad de soporte de carga de la estructura, pero sólo se puede utilizar en mezclas con bajo porcentaje de arcilla.

La tierra apisonada se ha utilizado en todo el mundo en una amplia gama de condiciones climáticas, desde el húmedo del norte de Europa hasta las regiones secas de África. El suelo es un recurso de amplia disponibilidad, bajo costo y sostenible, y utilizarlo en la construcción tiene un impacto ambiental mínimo. Esto hace que la construcción con tierra apisonada sea muy asequible y viable para personas de bajos ingresos. Mano de obra no especializada puede hacer la mayoría del trabajo, y hoy más del 30% de la población mundial utiliza la tierra como material de construcción.

Mientras que el costo del material es bajo, la construcción de tierra apisonada, sin herramientas mecánicas puede ser un proyecto muy lento, pero con una compactación mecánica y encofrado prefabricado, se puede tomar 2 a 3 días para construir los 200 a 220 m² de una casa regular.

Una de las ventajas significativas de tierra apisonada es su excelente masa térmica , ya que como el ladrillo o el concreto, puede absorber calor durante el día y liberarlo en la noche. También presenta mínimas variaciones de temperatura y reducir la necesidad de aire acondicionado y calefacción . Sin embargo, la tierra apisonada, también como el ladrillo y el concreto, a menudo requiere de aislamiento en los climas más fríos y debe protegerse de la lluvia intensa y aislarse con barreras de vapor.

En su estado inalterado, las paredes de tierra apisonada presentan el color y la textura de la tierra natural. Las manchas también puede corregirse con una mezcla de suelo como un yeso y arena delgada. Se deben evitar acabados impermeables a la humedad en estos muros, tales como el resane con cemento, ya que se afectará la capacidad de la pared a la de-absorción de humedad, lo que a su vez ocasionará una pérdida de resistencia a la compresión.

El espesor y la densidad de muros de suelo apisonado es normalmente de 30 a 35 centímetros (12 a 14 pulgadas), y se presta naturalmente a la insonorización . Estos muros son resistentes a las termitas, no tóxicos, a prueba de fuego y, biodegradables. Clavos o tornillos se puede hincar fácilmente en las paredes bien curadas, y pueden ser efectivamente resanadas con el mismo material utilizado para su construcción.

Aspectos medioambientales y sostenibilidad de la tierra apisonada

Debido a que las estructuras de tierra apisonada utilizan materiales disponibles localmente, por lo general conllevan un bajo contenido de energía y generan muy pocos residuos. Los suelos utilizados son típicamente bajos en contenido de arcilla, entre el 5% y 15%, por lo general se utiliza la capa superior del suelo retenido para uso agrícola. Idealmente, se puede utilizar la tierra removida para preparar los cimientos de la edificación, reduciendo aún más los costos y la energía utilizada para el transporte.

Las viviendas de tierra apisonada reducen la necesidad de madera debido a que el encofrado es removible y se puede reutilizar continuamente. La tierra apisonada puede controlar con eficacia la humedad en las paredes que contienen arcilla y están expuestas en un espacio interior. La humedad se mantiene entre 40% y 60%, que es el rango de humedad ideal para los enfermos de asma y el almacenamiento de artículos susceptibles, como los libros.

Cuando se utiliza cemento en la mezcla de suelo, beneficios sostenibles, como el bajo consumo de energía incorporada y control de la humedad no se harán realidad. La fabricación de cemento añade a la carga global de dióxido de carbono, una tasa de 1,25 toneladas por tonelada de cemento producida. La sustitución parcial del cemento por otras alternativas como suelo y escoria granulada de alto horno, no ha demostrado ser eficaz y conlleva a otras preguntas de sostenibilidad de la misma.

La tierra apisonada puede contribuir a la eficiencia energética general de los edificios. La densidad, espesor y conductividad térmica de la tierra apisonada, la convierte en un material especialmente adecuado para energía de calefacción solar pasiva. El sol tarda casi 12 horas en calentar un muro de 35 centímetros (14 pulgadas) de espesor.

La masa del material y el contenido de arcilla de la tierra apisonada permite que la edificación "respire" más que las estructuras de concreto, para evitar problemas de condensación sin pérdida importante de calor.

La vivienda de tierra apisonada ha demostrado resolver los problemas de falta de vivienda causada por los altos costos de construcción, así como ayudar a resolver el dilema ecológico de la deforestación y los materiales tóxicos asociados con los métodos convencionales de construcción.

La tierra apisonada desde el siglo XVI

La tierra apisonada siguió siendo utilizada en España bajo el dominio cristiano, y se exportó al Nuevo Mundo en el siglo XVI. En Europa la tierra apisonada fue utilizada como una técnica de construcción vernácula a finales de la Edad Media y se sigue utilizando hoy en el norte de África.

Fortificación en tierra apisonada en España

El siglo XIX vió un renovado interés por la tierra apisonada en el Reino Unido, liderado por Francois Cointeraux, en Francia. Él descubrió la técnica de la tapia en Lyon y comenzó una investigación al respecto, iniciando una Escuela de Tierra Apisonada en 1788. En 1790 y 171 publicó cuatro textos cortos, independientes, sobre herramientas, suelo, encofrado y metodología de construcción. Estos textos al circulas por Inglaterra avivaron el interés por la construcción de edificaciones con tierra apisonada y pizarra, al sur del país en el siglo XIX.

En la segunda década de 1800 en los Estados Unidos, la tierra apisonada fue popularizada por un libro de Economía Rural de S.W. Johnson, que se utilizó para construir la Borough House Plantation (1821) y la Iglesia de la Santa Cruz en Carolina del Sur (1850-1852), que son dos monumentos históricos nacionales de los Estados Unidos. Un ejemplo destacado de tierra apisonada de la construcción en Canadá es la iglesia de San Tomás de la Iglesia Anglicana (Shanty Bay, Ontario) construida entre 1838 y 1841.

Borough House Plantation

Iglesia de la Santa Cruz, Stateburg, Carolina del Sur

La década de 1920 hasta la década de 1940 fue un período de activa investigación de la construcción con tierra apisonada en los EE.UU.. El South Dakota State College llevó a cabo una amplia investigación y construyó cerca de 100 muros de tierra apisonada a la intemperie. Durante un período de treinta años, la universidad investigó el uso de pinturas y revoques en relación con los coloides del suelo. En 1945 el Clemson Agricultural College de Carolina del Sur, publicó sus resultados en la investigación en un folleto llamado "Construcción de Edificaciones de Tierra Apisonada".

En 1936, en una granja cerca de Gardendale, Alabama , el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos construyó una comunidad experimental de edificios de tierra apisonada con el arquitecto Thomas Hibben . Las casas fueron construidas a bajo costo y de venta al público, junto con la tierra suficiente para un jardín y pequeñas parcelas de ganado. El proyecto fue un éxito y proporcionó valiosas casas a familias de bajos ingresos.

La Agencia de Desarrollo Internacional de EE.UU. está trabajando con los países no desarrollados para mejorar la ciencia de la construcción alrededor de casas de tierra apisonada casas. También financió la redacción del "Manual de la Tierra apisonada" por la Texas A & M University y el Instituto de Transporte de Texas.

El interés en la tierra apisonada se redujo después de la II Guerra Mundial, cuando los costos de los materiales de construcción moderna decayeron. El Tapial fue visto como una técnica constructiva inferior, y con frecuencia encuentra la oposición de muchos contratistas, ingenieros y comerciantes que no están familiarizados con esta técnicas de construcción con tierra.

Edificio Eden Project, Cornwall, Inglaterra (2005)

Interior de una vivienda en tierra apisonada

La naturaleza reciclable y los bajos costos de transporte asociados con el uso del suelo excavado in situ, significa que la tierra apisonada ha encontrado un nuevo nicho como material de construcción sostenible.

Mecanismo de estabilidad de la tierra apisonada

Orientación de las partículas de suelo durante un proceso de
compactación

El principio de la tierra apisonada está directamente relacionado con el proceso de compactación de una masa de suelo (proceso de empaquetamiento de las partículas de un suelo lo mas cercanamente posible por un medio físico o mecánico, incrementando la densidad seca), en donde producto de los esfuerzos aplicados se van reorientando las partículas de suelo, rompiendo enlaces interparticulares y se van presentando procesos internos de reordenamiento de tensiones de poros debidos a la succión.

Principio de compactación

Compactación de los granos de suelo

Curvas de compactación para diferentes tipos de suelos

Comparación de diferentes métodos de compactación

Efectos de mejoramiento del suelo mediante compactación

La resistencia de la tierra apisonada se debe a la presencia de puentes de agua entre los granos del suelo, y como tal puede ser tratada como un suelo altamente insaturado (Jaquin, Augarde et al. 2009). Cuando el suelo se satura, estos puentes son eliminados y la tierra apisonada pierde su resistencia y se comporta como un material puramente friccionante. Es entonces el suelo incapaz de mantener las caras verticales necesarias para las paredes, y se apoya a su ángulo de fricción natural.

Unión de partículas de suelo debida a la succión

Jaquin, Augarde et al. (2009) demostraron que un aumento en el contenido de agua de la tierra apisonada reduce su resistencia y rigidez, y aumenta su ductilidad. La tierra apisonada se puede describir como altamente no saturada. El término "no saturado" describe el suelo donde el aire y el agua están presentes en los poros entre las partículas del suelo. En la interfaz del aire y el agua existe un menisco que actúa como una lámina de tensión uniforme, dando lugar al fenómeno de la tensión superficial. Este menisco mantiene el agua en los poros a una presión menor que la presión atmosférica, y la combinación de la menor presión del agua de los poros y la tensión de los meniscos, proporciona una fuerza de atracción a lo largo de los poros entre las partículas del suelo.

Esta fuerza de atracción provee a la tierra apisonada mayor resistencia y rigidez que la de un suelo saturado o completamente seco, donde los poros están totalmente llenos de agua o aire, respectivamente. Jaquin, Augarde et al. (2009) demostraron que la presión (negativa) del agua en los poros (denominada succión) está relacionada con la resistencia y la rigidez de las muestras de tierra apisonada. La resistencia y rigidez de tierra apisonada se reducirá cuando el suelo se satura y la fuerza de atracción entre las partículas del suelo provista por los puentes de líquido se pierde. El tamaño y la fuerza de los puentes líquidos es una función de la humedad relativa del aire en los poros de la pared de tierra apisonada, y con el incremento de la humedad relativa se lleva a la disminución de la resistencia de los puentes líquidos y por tanto de la tierra apisonada. Heath, Lawrence et al. (2009) demostraron que aún al 100% de humedad relativa, las muestras de tierra apisonada no se convierten en saturadas y pierden toda su resistencia. Se ha propuesto que el agua corriendo sobre la superficie de una pared permite la infiltración constante y causa erosión de la tierra apisonada.

El daño a la tierra apisonada causado por el agua es el resultado de que se sature. La magnitud de la infiltración del agua es la que causa daño a la tierra apisonada. El impacto de la lluvia en la cara de un muro de tierra apisonada se describe a menudo como un mecanismo de erosión de las paredes, y por lo tanto, los aleros extendidos son necesarios para evitar que el agua impacte directamente en la superficie de la pared. Sin embargo, se propone que es la velocidad a la que el agua puede entrar en una pared, la que determina si la erosión de la pared ocurre. La infiltración de una sola gota de lluvia en la cara de un muro aumentará la humedad relativa de la pared en una pequeña cantidad, pero este aumento de la humedad se transmite a través de todo el espesor de la pared, lo que significa que se necesita mucho tiempo para que la humedad relativa de los poros en la pared llegue al 100%.

Un ejemplo de la aplicación moderna de la técnica de tierra apisonada, es el de la compactación de pilas de arena, en la cual se densifica el suelo de cimentaciones profundas, reduciendo los espacios vacíos mediante vibración.

Diagrama de fases de la densificación del terreno mediante
compactación de pilas de arena (Barksdale & Takefumi, 1991)

La construcción con tierra apisonada se debe apoyar sobre una cimentación en concreto, de al menos 20 cm de espesor y 5 cm más ancha a cada lado que el espesor del muro que se va a apoyar (Sección 2412 del Código de Construcciones de Nuevo México, 1988). Este perímetro continuo de cimentación mantiene estable el conjunto de muros y los eleva de la superficie del terreno para preservarlos secos. Con frecuencia, se dejan dovelas verticales de refuerzo, empotradas en la cimentación, con el fin de proveer estabilidad al deslizamiento de las paredes ante cargas horizontales.

Construcción de cimentación para proyecto en tierra apisonada

Sección de proyecto en tierra apisonada

Plano de proyecto de tierra apisonada

Una Técnica Similar: Los Muros de Carga

Se denomina muro de carga o muro portante a las paredes de una edificación que poseen función estructural; es decir, aquellas que soportan otros elementos estructurales del edificio, como arcos, bóvedas, vigas o viguetas de forjados o de la cubierta.

Cuando los muros soportan cargas horizontales, como las presiones del terreno contiguo, que confinan, se denominan muros de contención.

Aunque en la antigüedad se construyeron muchos tipos de muros de carga, los más antiguos que se conservan son de adobe o piedra. Se tiene constancia de la existencia de pastas y morteros precursores del hormigón desde los tiempos del Antiguo Egipto, pero fueron los romanos los que impulsaron este material con la técnica del Emplectum, consistente en crear dos hojas exteriores de sillares de piedra, rellenas de un mortero de cal con arena y cascotes. Esta técnica constructiva se ha repetido con ligeras variantes (como el Muro Dacio o Muralla Dacia), a lo largo de la historia.

Mapa de Dacia Romana (actual Rumania)

En los lugares donde la piedra escaseaba o era excesivamente costoso conseguirla, ésta se sustituyó por el barro en forma de adobe: un ladrillo de barro secado al sol. Asimismo, se puede establecer un paralelismo entre el emplectum y el tapial, una forma de construcción consistente en aprisionar barro entre dos placas o encofrados de madera, y compactarlo en sucesivas tongadas mediante mazos o pisones. Una vez se terminaba una hilada de tapiales, se colocaban el encofrado encima, y se repetía la operación. Con estas técnicas de tapial y adobe se lograron erigir edificios de hasta seis alturas, algunos de los cuales perduran en Yemen.

Pero el material más empleado para realizar muros de carga es el ladrillo: una evolución del adobe cuya diferencia estriba en el proceso de cocción, que le confiere mayor resistencia y durabilidad. El ladrillo empleado en muros de carga suele ser macizo, aunque no es inusual encontrar muros de carga de ladrillo perforado o incluso hueco en viviendas de una o dos alturas. Una variante del muro de carga de ladrillo es el realizado con bloque de hormigón, si bien no es posible alcanzar grandes alturas por este método.

Al igual que en las épocas anteriores, también existe un reflejo del emplectum romano en el empleo actual del hormigón en masa, donde, como sucediera en el tapial, el hormigón se confina mediante encofrados hasta que éste fragua y adquiere dureza.

La aparición del acero, capaz de soportar las tensiones de tracción, posibilitó la aparición del hormigón armado y de las estructuras metálicas, que modificó radicalmente la forma de construir, dejando obsoletos los muros de carga. En la actualidad, estos muros sólo se emplean en obras de poca entidad, como muros de contención de terreno en obras públicas y en sótanos, siendo el resto de la estructura una combinación de vigas y pilares, por lo que los muros rara vez adquieren funciones portantes o estructurales, y su único propósito es el de compartimentar o aislar los espacios.

Cimentación

Puesto que la función de los muros de carga es transmitir las cargas al terreno, es necesario que estos muros estén dotados de cimentación, un ensanchamiento del muro en contacto con el terreno que evita que el muro "punzone" –se clave– en el terreno. La cimentación de los muros de carga adopta la forma de zapata lineal o zapata corrida.

Huecos en Muros de Carga

Por su naturaleza, los muros son superficies continuas. Sin embargo, es necesario practicar aberturas en ellos para conformar ventanas o puertas, que iluminen, ventilen o comuniquen las estancias interiores. Para ello se utilizan dos métodos: el dintel, o el arco.

Dintel

El dintel es una pequeña viga que se coloca encima del hueco para desviar las cargas del muro hacia los laterales. Como todas las vigas, funciona principalmente a flexión, por lo que precisa materiales que trabajen bien tanto a compresión como a tracción. Hasta mediados del siglo XIX, con el desarrollo del acero, el único material disponible que reunía estas características era la madera, motivo por el cual los edificios anteriores a esa fecha no pudieron realizar grandes huecos en los muros de carga sin recurrir a los arcos.

Arco

Otra manera de desviar las cargas del muro hacia los lados del hueco es utilizar el arco. Con esta técnica, el material trabaja fundamentalmente a compresión: un tipo de esfuerzo apropiado para la piedra y el ladrillo. De este modo, se consiguieron antiguamente huecos de grandes luces en los edificios, como los vitrales de las catedrales góticas.

Existen no obstante otros dos métodos para abrir huecos en muros, ambos híbridos entre el arco y el dintel: el arco de descarga, y la falsa bóveda, como la empleada en las Pirámides de Egipto.

Tabiques y Muros de Carga en la Edificación

Los muros portantes soportan los forjados de los edificios. Por este motivo, en los edificios que se emplean muros de carga, éstos se sitúan en al menos dos de las fachadas, lugar donde, dado su mayor grosor, son además particularmente adecuados como barrera térmica y acústica. De existir más muros de carga, éstos se dispondrán paralelos a los de fachada. Es relativamente fácil distinguirlos de los tabiques no estructurales por su mayor grosor.

Sin embargo, en edificios mal construidos, especialmente si son antiguos, no es inusual que la estructura se deforme y se asiente, terminando por apoyar en la tabiquería interior, con lo que ésta pasa a formar parte activa de la estructura. Por este motivo, derribar tabiques en este tipo de edificios puede generar patologías en forma de grietas y filtraciones.

Muralla Dacia

La muralla dacia (en latín Murus Dacicus) define un método constructivo usado para los muros defensivos y fortificaciones únicamente en la antigua Dacia antes de la conquista romana. Es una mezcla entre métodos constructivos tradicionales y exclusivos de los dacios y métodos importados de la arquitectura romana. Un típico muro sería de unos 3 metros de grueso y 10 m de alto, con un excepcional acabado para la época. El conjunto de las fortalezas dacias de las montañas Orastia, nombrado Patrimonio de la Humanidad en Europa por la UNESCO en 1999, es un ejemplo de ciudadela construida usando este método. Otro muro dacio está representado por la columna de Trajano en Roma.

Base de la Columna de Trajano (Roma)

INGENIERIA EUROPEA 

La Edad Media, a la que a veces se le conoce como el periodo medieval, abarcó los años 500 hasta 1500 D.C., denominando Oscurantismo al periodo entre los años 600 y 1000 D.C.. Durante este periodo no existieron las profesiones de ingeniero o arquitecto, de manera que esas actividades quedaron en manos de los artesanos, tales como los albañiles maestros. La literatura del Oscurantismo era predominantemente de naturaleza religiosa, y quienes tenían el poder no daban importancia a la ciencia e ingeniería. Los gobernantes feudales eran conservadores, y sobre todo trataban de mantener el estado de las cosas.

La mayoría de las personas debía tener el mismo oficio de sus padres. Sin embargo, en la década de 1500 ocurrió una serie de descubrimientos científicos importantes en la ingeniería y matemáticas, lo que sugiere que aunque se había restado importancia a la ciencia, estaba ocurriendo una revolución en el razonamiento con relación a la naturaleza y actividad de la materia. El movimiento, fuerza y gravedad recibieron considerable atención en plena Edad Media y más adelante. 

Un invento que contribuyó a la terminación de la forma de vida con castillos rodeados de murallas fue el cañón, que apareció en Alemania en el siglo XIV, y para el siglo XV los castillos ya no se podían defender. 

El Renacimiento, que literalmente significa “volver a nacer", comenzó en Italia durante el siglo XV. El redescubrirniento de los clásicos y el resurgimiento en el aprendizaje llevan a una reevaluación de los conceptos científicos de la antigüedad. 

Uno de los límites obvios del desarrollo de la ingeniería ha sido la facilidad con que se podían comunicar y comparar los pensamientos. La invención de los anteojos en 1286, y el incremento considerable en las obras impresas en Europa en el siglo XV, fueron dos acontecimientos trascendentales en la expansión del pensamiento ingenieril. Desde luego, otro factor importante en todo momento es la actitud de una sociedad hacia una profesión. Durante el Renacimiento, los ingenieros nuevamente fueron miembros de una profesión respetada e incluso algunos de ellos recibieron buena paga. Filippo Brunelleschi fue un ingeniero bien conocido de principios de 1400, y como la mayoría de los ingenieros bien conocidos del Renacimiento, era ingeniero militar y civil, al igual que arquitecto y artista. Uno de sus aportes fue el dibujo de perspectiva. 

La República de Venecia estableció en 1474 la primera ley de patentes, y en 1594 se dio a Galileo una patente sobre un dispositivo para elevar agua. Aunque la antigua ley de patentes promulgada en Venecia necesitaba muchas mejoras antes de que pudiera ofrecer protección efectiva, fue el primer intento por estimular las invenciones al proteger la comercialización de los inventos. Sin embargo, el costo actual de adquirir una patente y las demoras en el funcionamiento del sistema de patentes ciertamente limita su efectividad como incentivo para el ciudadano promedio. 

En 1514, el Papa Paulo III tuvo que resolver el problema de sustituir al arquitecto Bramante después de su muerte, ocurrida durante la reconstrucción de la Basílica de San Pedro. Se eligió a un artista e ingeniero llamado Miguel Ángel Buonarroti, al que se le conoce simplemente como Miguel Angel, para concluir el proyecto. Es bien conocida su obra en la terminación de dicha basílica. Sin embargo, es menos conocido que se le llamó en Florencia, y nuevamente en Roma, para que diseñara fortificaciones para esas ciudades. Después de construirlas, se convenció de que éstas no resistirían, debido a la incompetencia de los defensores, individualista testarudo al grado de que un colega escultor le rompió la nariz en una riña. 

Otro de los muchos enemigos de Miguel Ángel fue Leonardo da Vinci, a quien también se le conoce mejor por sus logros artísticos. Sin embargo, era un estudioso activo, casi absorto continuamente. Dominó la astronomía, anatomía, aeronáutica, botánica, geología, geografía, genética y física. Sus estudios de física abarcaron todo lo que se conocía en su tiempo. Tenía una curiosidad científica que alguna vez le causó problemas. El Papa León X lo despidió cuando supo que aprendía anatomía humana disecando cadáveres. Desde el punto de vista puramente científico, ¿existe mejor manera de aprender la anatomía humana? 

En 1483, de Vinci se trasladó a Milán y presentó el siguiente resumen al Duque Ludovico Sforza, esperando conseguir empleo : "Después de ver, Mi Muy Ilustre Señor, y habiendo considerado ahora suficientemente las pruebas de quienes se tienen por maestros y diseñadores de instrumentos de guerra y de que el diseño y operación de los mismos instrumentos no es distinto de los que se usan comúnmente, trataré sin perjuicio de nadie de hacerme comprender con Vuestra Excelencia, revelando mis propios secretos y ofreciendo después a su placer, y en el momento apropiado, poner en efecto todas las cosas que por brevedad se anotan parcialmente en seguida, y muchas más, de acuerdo con la exigencias de los distintos casos. 

Puedo construir puentes muy ligeros y fuertes, que se pueden transportar fácilmente, y con ellos perseguir, o de ser necesario, huir del enemigo, y otros más, seguros y capaces de resistir al fuego y ataque, y fáciles y prácticos para utilizar y quitar; y tengo métodos de quemar y destruir los del enemigo. 

En un sitio bajo asedio, sé cómo quitar el agua de los fosos y cómo hacer infinitos puentes, espalderas, escaleras y otros instrumentos adecuados a dichos propósitos. Además, si en el asedio es imposible usar el bombardeo por causa de la profundidad de las zanjas, o de la fortaleza de la posición y de la situación, puedo destruir toda fortaleza u obra de cualquier otro tipo si no está hecha de piedra. 

También tengo los medios de hacer fácil y conveniente la transportación de cañones, y con ellos arrojar piedras semejantes a una tempestad; y con el humo de ellos provocar gran temor al enemigo, causándole grandes danos y confusión. 

Y de ocurrir en el mar, tengo la manera de construir muchos instrumentos capaces de ataque y defensa, y bajeles que ofrezcan resistencia al ataque de los cañones más grandes, pólvora y humos. 

También tengo los medios, con túneles y pasajes secretos y tortuosos, hechos sin ruido, de llegar a determinado punto, incluso aunque sea necesario pasar bajo zanjas o algún rio. También haré vagones cubiertos, seguros e indestructibles, que al penetrar con su artillería entre el enemigo, romperán el mayor cuerpo de hombres armados. Y detrás de éstos puede seguir la infantería sin sufrir daños y sin encontrar oposición. 

Si también hay necesidad, haré cañones, morteros y piezas de campo de formas hermosas y útiles, distintas de las de uso común. Cuando se pueda usar el cañón, puedo fabricar catapultas lanza cántaros y máquinas para arrojar fuego, y otros instrumentos de eficiencia admirable, que no se usa comúnmente y en breve, de acuerdo como sea el caso, imaginaré diversos aparatos infinitos para el ataque y defensa. 

En tiempo de paz, creo que puedo dar satisfacción igual a la de cualquier Otro en arquitecturas en el diseño de edificios públicos y privados y en la conducción de agua de un lugar a otro. También puedo realizar esculturas en mármol, bronce o terracota; igual sucede con la pintura, la que puedo hacer tan bien como cualquier otro, quienquiera que sea. 

Más aún, será posible comenzar a trabajar en el caballo de bronce, que servirá para recordar la gloria inmortal y honor eterno de la feliz memoria de vuestro padre, Mi Señor, y de la ilustre Casa de los Sforza. 

Y si hay alguien a quien parezcan imposibles o irrealizables cualquiera de las cosas antes mencionadas, me ofrezco para hacer una prueba de ellas en su parque o en el lugar que plazca a Vuestra Excelencia; a quien me encomiendo lo más humildemente que puedo." 

Evidentemente, el Duque Ludovico Sforza no se impresionó y no contrató a da Vinci después de leer su resumen; sin embargo, sí comísionó a da Vinci más tarde, como resultado de una asociación de éste con otro artista. El duque tenía el hábito de pagar tarde, cuando lo hacía, lo que obligó a que da Vinci renunciara una vez; sin embargo, lo reconsideró más adelante. 

Leonardo da Vinci fue uno de los grandes genios de todos los tiempos. Anticipó muchos adelantos del futuro; por nombrar algunos: la máquina de vapor, la ametralladora, cámara oscura, el submarino y el helicóptero. Pero, es probable que tuvieran poca influencia en el pensamiento de la ingeniería de su tiempo. Sus investigaciones eran una mezcolanza no publicada de pensamientos e ilustraciones. Era un investigador impulsivo, y jamás resumía su investigación para beneficio de otros a través de la publicación. En sus cuadernos hacía la anotación de sus investigaciones de derecha a izquierda, posiblemente por comodidad, debido a que era zurdo. 

Otro gran genio de ese tiempo fue Galileo, quien a la edad de 25 años fue nombrado profesor de matemáticas en la Universidad de Pisa. Estudió mecánica, descubrió la ley fundamental de la caída de los cuerpos y estudió el comportamiento del movimiento armónico del péndulo. Dictó conferencias sobre astronomía en Padua y Florencia, y posteriormente fue acusado ante la Inquisición, en 1633, debido a su creencia de que el Sol y no la Tierra, era el centro de nuestro universo. En 1638 publicó su máxima obra matemática, que poco después fue colocada en el MDCX Expurgatorius, quedando prohibida su lectura en todos los países católicos. En las postrimerías de su vida, bajo arresto domiciliario, se concentró en el tema menos controvertido de la mecánica. 

En el periodo medieval se empleaban armaduras para soportar los techos, pero eran burdas y con frecuencia aumentaban el peso del edificio, sin contribuir a su resistencia. En ese tiempo no se comprendía bien el diseño de las armaduras. Debido al uso de métodos empíricos en el diseño de miembros estructurales, los edificios públicos, especialmente las iglesias, tenían fama de desplomarse sobre los confiados visitantes. El techo de la Catedral de Beauvais se desplomó dos veces en el siglo XIII, y en el siglo XVI se agregó un campanario que poco después caía al suelo. Desde luego, las catedrales eran y siguen siendo obras monumentales con grandes vanos que siempre han exigido alarde de ingenio de arquitectos e ingenieros. Se cree que fue Andrea Palladio el primer ingeniero que comprendió realmente las fuerzas en las armaduras. En 1570 diseñó puentes para Venecia, en que todos los miembros del puente tenían un propósito útil. En 1560, Giovanni Battista della Porta inició una sociedad en Nápoles llamada la Academia de los Secretos de la Naturaleza. Era semejante a otras anteriores como la Academia de Platón, el Liceo de Aristóteles y el Museo de Alejandría. Durante este tiempo había mucha comunicación entre los científicos europeos. Sin embargo, esa academia se cerró debido a sospechas del clero. En 1603 se fundó la Academia Lincea que existe hasta la fecha. Galileo fue uno de sus miembros. Estos pretendían fundar monasterios laicos en distintas partes del mundo. La Real Sociedad de Londres fue hecha legalmente pública en 1662, después de una serie de reuniones secretas. Boyle, Hooke y Newton estuvieron entre sus miembros. En 1666 se formó la Academia Francesa, y en 1700 se inició la existencia de la Academia de Berlín. 

En 1540, Biringuccio escribió un destacado tratado sobre metalúrgia, y en 1912 lo tradujeron al inglés Herbert y Lou Henry Hoover. Herbert Hoover era un joven ingeniero por ese tiempo; es el único ingeniero de la historia de Estados Unidos que llegó a presidente de su país. 

Uno de los descubrimientos más importantes en la historia de la ingeniería mecánica lo realizó Simón Stevin en Holanda, a fines de la década de 1500. Mediante el “triángulo de fuerzas", permitió a los ingenieros manejar fuerzas resultantes que actuaban en los miembros estructurales. Stevin escribió un tratado sobre fracciones y también realizó trabajos que llevaron al desarrollo del sistema métrico. 

Por el mismo tiempo tuvo lugar una diversidad de descubrimientos matemáticos de consideración. Alrededor de 1640, Fermat y Descartes descubrieron independientemente la geometría analítica. Un sacerdote inglés llamado William Oughtred, aproximadamente en 1622, diseñó la primera regla de cálculo basada en la suma de logaritmos para obtener el producto de dos números. 

Ya desde antes de la Edad Media había ocurrido un cambio importante en el enfoque de la ciencia. Fue el concepto de que una hipótesis se debía rechazar o aceptar en base al resultado de un experimento. Había comenzado el “método científico". Ahora sabemos que el avance es lento si no se cuenta con este método. 

Descartes y Leibmz descubrieron en forma independiente el cálculo diferencial. Newton descubrió el cálculo integral, y luego describió la relación recíproca entre los cálculos diferencial e integral. Sus descubrimientos ocurrieron en Woolsthorpe, aproximadamente en 1665, debido a que Cambridge estaba cerrada como resultado de una epidemia. 

Jean Baptiste Colbert fue ministro bajo Luis XIV y estableció la primera escuela formal de ingeniería en 1675. El Corps du Génie, como eran conocidos, eran ingenieros militares entrenados por Sébastien le Prestre de Vauban, ingeniero militar francés muy conocido. 

En 1771 un pequeño grupo de ingenieros, a los que se llamaba frecuentemente para dar su testimonio sobre proyectos de puertos y canales, formó la Sociedad de Ingenieros. John Smeaton, director del grupo, fue el primero en darse el título de ingeniero “civil" para señalar que su incumbencia no era militar. Esta sociedad se constituyó en la Institution of Civil Engineering en 1828, iniciando con ello una especialización dentro de la ingeniería. 

En 1795, Napoleón autorizó el establecimiento de la fcole Poly-technique, que fue la primera de este tipo de escuelas que aparecieron en Europa durante el siglo XIX. Otras siguieron, tales como el Eidgenos-sisches Polytechnicum en Zurich en 1855, las escuelas politécnicas en Delft en 1864, y otras en Chemnitz, Turín y Karlsruhe. En 1865 se fundó el Massachusetts Institute of Technology, el primero de su tipo en los Estados Unidos. 

Durante el periodo medieval, las principales fuentes de energía eran el agua, viento y animales. La cola de abanico se inventó basta el siglo XVIII. Mediante engranajes mantenía orientadas las palas principales de los molinos de viento siendo uno de los primeros dispositivos autorregulados conocidos de la historia de la ingeniería. 

Thomas Savery tuvo el gran mérito de idear la máquina de vapor, aunque otros anteriores a él aportaron ciertos adelantos menores en ese campo. En 1698 recibió una patente por un dispositivo operado por vapor para drenar minas; lo anunció en un libro que escribió más tarde, y que intituló Tire Mines Friend. En 1712, Thomas Newcomen mejoró mucho la máquina de vapor, la que también se usaba para bombear agua de una mina. Estas primeras máquinas eran muy deficientes, aunque representaban el desarrollo inicial de la energía a partir de máquinas térmicas. Es difícil imaginar el punto en que estaría nuestra civilización en la actualidad sin esas máquinas. 

Antes de la máquina de vapor hubo toda una serie de adelantos científicos en el siglo XVII. Robert Boyle estudió la elasticidad del aire y descubrió la ley que relaciona la temperatura, presión y volumen, que hoy día lleva su nombre. Robert Hooke experimentó con la elasticidad de los metales y descubrió la ley de la elasticidad que también lleva su nombre. Christian Huygens determinó las relaciones de la fuerza centrípeta y Sir Isaac Newton estableció las tres leyes básicas del movimiento. 

Siguiendo a Newcomen, James Watt hizo tales mejoras significativas a la máquina de vapor, que con frecuencia se le atribuye parcialmente la invención inicial, junto con Savery y Newcomen. Durante un experimento en 1782, encontró que un “caballo de cervecería” desarrollaba 33 000 pies libra (unos 44 700 joules) por minuto, iguales a 1 caballo de fuerza. A la fecha todavía se usa esta equivalencia. 

En 1804, Richard Trevithick fue el primero en lograr que una locomotora de vapor corriera sobre rieles. Más tarde demostró que las ruedas lisas podían correr sobre rieles lisos si las pendientes no eran demasiado excesivas. Una de las locomotoras de Trevithick se exhibió en una vía circular en Londres en 1808, pero descarriló y volcó. Se habían pagado tan pocos chelines por verla, que no se volvió a colocar sobre la vía. 

George Stephenson, después de ser empleado como vaquero, sirvió como fogonero de una máquina de vapor y luego como cuidador de una máquina de bomba. A los treinta y dos años, construyó su primera locomotora de vapor, y luego abogó insistentemente por la enmienda a un acta, aprobada en 1821, para que se empleara la locomoción a vapor en vez de caballos en un ferrocarril que correría desde Stockton hasta la mina de carbón de Willow Park. Utilizó el riel de 1.42 m que se había usado anteriormente para vagones tirados por caballos. Todavía, este calibre de vía es el de uso más común en todo el mundo. 

Como sabemos, después del desarrollo de los sistemas ferroviarios en Europa y América, los adelantos ingenieria se sucedieron a una tasa cada vez más creciente. La primera mitad del siglo xx produjo un número casi increíble de avances en ingeniería, al grado de que queda poca duda sobre que las dos guerras mundiales fueron catalizadores de gran parte de ese progreso. 

La invención de los automóviles y aeroplanos en los Estados Unidos fueron factores significativos en el desarrollo ingenierill del siglo XX. Los inventos de Tomás Edison, que iniciaron la industria de la energía, y el invento de Lee De Forest de la “válvula electrónica" (tubo al vacío), que dieron considerable ímpetu a la industria de las comunicaciones también fueron acontecimientos muy significativos. 

Hasta 1880, la ingeniería fue civil o militar, mientras que hasta esa fecha había sido ambas cosas simultáneamente. En 1880 se fundó la American Society of Mechanical Engineers, seguida de la American Society of Electrícal Engineers en 1884 y el American Institute of Chemical Engineers en 1908. El American Institute of Industrial Engineers se fundó en 1948 y fue el último campo importante de la ingeniería en organizarse.

Los avances técnicos del siglo XIX ampliaron en gran medida el campo de la ingeniería e introdujeron un gran número de especializaciones. Las incesantes demandas del entorno socioeconómico del siglo XX han incrementado aún más su campo de acción; y se ha producido una gran diferenciación de disciplinas, con distinción de múltiples ramas en ámbitos tales como la aeronáutica, la química, la construcción naval, de caminos, canales y puertos, las telecomunicaciones, la electrónica, la ingeniería industrial, naval, militar, de minas, la geotecnia y geología e informática. Además en los últimos tiempos se han incorporado campos del conocimiento que antes eran ajenos a la ingeniería como la investigación genética y nuclear.

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