1. Del hierro al acero
Francis Pfenniger
El hierro es un mineral que está presente en forma bastante abundante en la corteza terrestre (aproximadamente un 4,5%), la mayor parte en forma de óxidos. Probablemente esto explique en parte el desarrollo más tardío de la metalurgia del hierro comparada con la de otros materiales, como el oro y el cobre que suelen encontrarse en estados de alta pureza más fáciles de explotar y/o fundir. Aún así, es sabido que el hierro fue usado ya en la prehistoria, aunque en una muy reducida escala y, ciertamente, no en la construcción. La pieza de hierro más antigua descubierta se cree que fue elaborada hacia 4 mil años antes de nuestra era en Egipto. Coincidentemente, la más antigua referencia al hierro se encuentra en el Capítulo IV del Libro del Génesis -que se presume escrita también alrededor de 4 mil años a.C.- y que menciona a “Tubal-Caín; ése es el que forja toda clase de herramientas de cobre y hierro”. Piezas encontradas que datan de entre 4 mil y 2 mil quinientos aC se han encontrado en diversas regiones del creciente fértil y de Egipto, pero dan cuenta de un uso muy aislado y esporádico de este metal, muchas veces proveniente de meteoritos. Esta característica del hierro meteórico acentúa su valor que, en casos como en América Andina o en Yucatán, superaba al del oro.
No fue hasta aproximadamente el 1.700 aC que se inicia un uso más intensivo del hierro. Durante el reinado de Ramsés II en Egipto (1.292 a 1125 aC) son frecuentes los usos en armas, llantas de ruedas, puntas de flecha, anillos y otros elementos elaborados presumiblemente bajo supervisión de los hititas, que parecen haber sido los poseedores del secreto de su manufactura. Una carta del rey de los Hititas Hattusilis III (1.275 a 1250 aC) presumiblemente al rey de los Asirios, en que lamenta no poder hacerle llegar el hierro solicitado y se excusa ofreciéndole de regalo una daga de hierro, da cuenta del alto valor asignado a este mineral y a su manufactura. El uso del hierro también está limitado por a la tecnología aún simple de producción en hornos abiertos a los vientos que, alcanzando temperaturas relativamente bajas, apenas permitían la formación de una masa pastosa que era forjada a golpes de martillo. Este hierro forjado a golpes de martillo y de alto contenido de carbono era de baja dureza y su aplicación en herramientas y armas competía dificultosamente con el bronce que sí podía ser moldeado. Excepción a lo anterior son los desarrollos de tecnologías de hierro colado logrados en la India y China que permitieron producir aleaciones de bajo contenido de carbono (hierro “wootz” en India). Este uso limitado del hierro se mantuvo hasta que fuera descubierto que manteniendo el hierro calentado largamente al rojo y combinado con carbón encendido se otorgaba al metal mayor dureza. Este tipo de hierro tenía, además, la ventaja de poder ser sometido a tratamientos térmicos (templado) que le otorgaron mayor dureza. Esta técnica fue conocida de los griegos y es mencionada por Homero en La Odisea. En los dos o tres últimos siglos aC en la cuenca del Mediterráneo se desarrolla la minería y metalurgia que deja al futuro conquistador romano economías con empresas metalúrgicas prósperas. Con el tiempo, la extracción en minas cada vez más profundas se tornó más difícil y costosa, pese al trabajo de esclavos por lo que la producción se limita a las necesidades de la guerra hasta el siglo II de nuestra era. La posterior caída del Imperio Romano y la conquista y control de Europa por las tribus y hordas germánicas y asiáticas limita el desarrollo de la metalurgia a artesanías de fabricación de cascos y armaduras. Recién en el siglo XV se produce el invento de los hornos conocidos como “Stückofen” en Harz, Alemania, permitiendo por primera vez la licuefacción del metal. Este tipo de hornos se hicieron muy comunes en Europa entre los años 1400 al 1500, siendo el hierro fundido utilizado, entre otras cosa a partir del descubrimiento de la pólvora, en la fabricación de las armas de fuego y especialmente, en la fundición de los cañones. En el siglo XVII se reconoce el acero Blister, en Suecia, que no es propiamente un acero en la forma en que se define hoy sino, más bien, hierro forjado carburizado. A fines del siglo XVII se producen en Europa principalmente el hierro forjado maleable de la forja Catalana y el más tenaz acero alemán (Hartz).
Durante el siglo XVIII la producción de acero se acelera y mejora su tecnología: primero con el uso del carbón coke en reemplazo de carbón vegetal como combustible propuesto por A. Darby (posteriormente importante en la construcción del puente sobre el río Severn, el proceso Pudding y el proceso Blister, antecesores del desarrollo de la tecnología que se inicia en los siglos XIX y XX.
La llamada Revolución Industrial que se instala a mediados del siglo XVIII es el resultado de la convergencia de una serie de hechos complejos, descubrimientos científicos y técnicos (el papel, la imprenta, la pólvora, la brújula, etc.), de condiciones sociales, económicas y políticas, de la explosión demográfica y la concentración urbana, del desarrollo de una industria incipiente que reemplaza la fabricación artesanal y da inicio a un proceso en el que, en parte, estamos inmersos aún hoy. Sin embargo, es opinión de muchos que la Revolución Industrial sólo es posible gracias al hierro y el acero. El impacto de la producción de acero a menor costo y a mucha mayor velocidad es notable (se pasa de un plazo de 10 días para transformar 500kg de hierro en acero a 36 horas a principios del siglo XIX y con el proceso desarrollado por Bessemer, el plazo se reduce a poco más de 20 minutos). Este impacto, que se expresa en la producción de energía como la máquina a vapor, en el transporte terrestre y marítimo, en la industria textil, en los posteriores inventos de motores eléctricos y de explosión, entre tantos largos de enumerar, nos permite afirmar, sin mucho riesgo de error que la civilización y la cultura actuales son, para bien o para mal, el resultado del desarrollo de la industria del acero. Hoy, en el siglo XXI, en el mundo globalizado, informatizado y comunicado, el desafío que enfrenta el planeta es el desarrollo sustentable que permita entregar a las futuras generaciones un mundo posible, amigable, responsable del medio ambiente: en este escenario desafiante el acero como material, como industria y como recurso tiene, nuevamente un gran aporte que hacer, toda vez que es, como se ha dicho, un material cien por ciento e indefinidamente reciclable, aspecto que lo destaca, especialmente en al universo de los materiales de construcción.
2. El hierro y el acero en la arquitectura y la construcción
Aunque en la antigüedad fue usado eventual y accidentalmente como elemento de trabazón, el hierro no es usado como material propio de la construcción hasta el siglo XVII. Durante los períodos Gótico y el Renacimiento se le encuentra como material complementario de componentes de madera (clavos y herrajes hechos en forma manual) y en la construcción de algunas máquinas y herramientas que facilitaron tanto la elaboración como el montaje de los elementos y partes de las construcciones. El hierro fundido se usa en función de su alta resistencia a la compresión pero su escasa capacidad de tomar esfuerzos de flexión debido a su fragilidad, limitan su aplicación en elementos mayores en la arquitectura. En una segunda fase de su uso es en la sustitución de estructuras o partes sometidas a compresión, como el pilar y el arco. Un ejemplo del uso temprano de elementos aislados de hierro son las columnas que sostienen la campana de las cocinas del Monasterio de Santa María de Alcobaza, en Portugal, construidas en 1752. Comenta A. Montealegre que existen pocas excepciones a lo anterior, como “el uso que hace Vasari en los Ufizi para refuerzo en los pisos superiores, consiguiendo con ello un aligeramiento de la fachada y mayor transparencia e iluminación”[1]. Por su parte, Claude Perrault y Charles Le Brun utilizan refuerzos de hierro en la columnata del Louvre (1670). Ambos ejemplos ponen de manifiesto los atributos del material y los aportes que han representado el hierro y el acero a la arquitectura y la construcción hasta el presente.
Poca o ninguna expresión en la arquitectura o la estructura es conocida del período, sin embargo, se hace presente en elementos ornamentales y de cerramientos, como rejas, protecciones, algunas de notable factura y complejo diseño.
Por otra parte, el sistema de cañerías de hierro fundido que surte las fuentes de los Jardines de Versalles construido a fines del siglo XVII y que sigue operativo hasta nuestros días, habla del desarrollo incipiente de una tecnología que impactará fuertemente en la arquitectura, la ingeniería y la construcción a partir de los siglos XVIII y XIX.
Luego de un intento fallido de construir un puente en hierro sobre el Ródano en 1755, limitado por la imposibilidad de fundir piezas de las dimensiones requeridas, se construye el primer puente sobre el río Severn, en Coalbrookdale, Shropshire, Inglaterra, en 1775. Reconocido como el primer puente estructurado en hierro, el Iron Bridge salva una luz de 30m y fue construido en dos medios arcos compuestos de 15m cada uno de hierro fundido cuyo concepto estructural se acerca más a la madera que al acero: la mayor parte de sus elementos estructurales están comprimidos y sus elaborados y complejos sistemas de uniones recuerdan mucho a los sistemas de caja y espiga propios de las uniones de elementos estructurales de madera.
El desarrollo del ferrocarril, que se inicia en las faenas mineras con rieles de madera a los que se les agregaba guías de hierro colado en las curvas para evitar que se salieran del carril, es un campo fértil para el uso del ingenio y del hierro. Con el tiempo, las huellas completas fueron elaboradas en hierro con una pestaña para conservar el curso de los carros, relegando a la madera a los durmientes que estabilizan las vías. A fines del siglo XVII el ingeniero John Smeaton concibe la idea -sada hasta el presente- de trasladar la pestaña del riel a la rueda. Por la misma época, se introducen los rieles de hierro colado.
Poco a poco se avanza en el uso del hierro en la construcción, en parte como respuesta a los riesgos de incendios de las estructuras de madera de la naciente industria. Un ejemplo destacado de este reemplazo es el Edificio de la Bolsa de Comercio de París. Esta búsqueda de la incombustibilidad resulta paradojal si se la contrasta con la preocupación actual de proteger las estructuras metálicas contra los efectos del fuego. Originalmente conocida como la Halle au Blé, cuyo domo se pierde en un incendio a principios del siglo XIX, la cúpula del edificio es reconstruida en hierro en 1811. En 1888 se transforma en Bolsa de Comercio.
Hay que tener presente las limitaciones técnicas que representa el hierro colado para la construcción y que lo diferencias dramáticamente del acero que conocemos hoy: tiene una baja resistencia a la tracción, no es laminable ni es soldable. Las conexiones de clara inspiración en el lenguaje de la madera que podemos apreciar en el Iron Bridge (foto del detalle) avanzan hacia el desarrollote los roblones (à ver), que permiten conexiones muy eficientes. Esta técnica es usada también no solo para conectar elementos entre sí (como columnas y vigas) sino para crear elementos de nuevas y mayores secciones que tuvieran prestaciones estructurales superiores.
Los primeros edificios industriales se construyeron con muros perimetrales de albañilería y estructuras interiores de columnas y vigas de madera que soportaban pisos, también de madera. Como se ha comentado, el riesgo de los incendios motiva la sustitución progresiva de los elementos de madera por elementos de hierro forjado. La columna tubular hueca se inventa alrededor de 1780. A fines del siglo XVIII se construye una de las primeras experiencias de entramados interiores en hierro que responde a una tipología que luego se hizo muy común. Se trata de la fábrica Textil Benyon, Bage & Marshall (1797) cuyo edificio de 5 pisos tiene un muro perimetral de albañilería que en su interior se estructura en base a un entramado de 3 filas de columnas de hierro distanciados a 2,65m y conectadas por vigas de sección más ancha en su cara inferior, que permitían el apoyo de bovedillas para conformar el entrepiso.
El Siglo XIX
Recién comenzado el siglo, Boulton y Watt inventan la viga doble T y la usan por primera vez en combinación con columnas tubulares y un sistema de bovedillas de ladrillo para los entrepisos. El proceso de desarrollo del conocimiento de los atributos del hierro así como las nuevas técnicas de producción, estructuración y desarrollo de sistemas constructivos, se mantuvo durante los primeros años del siglo XIX. Un ejemplo de lo anterior es la viga moldeada de sección T invertida utilizada en el pabellón de los enfermos del antiguo Hospital Charing Cross, en 1830 en Londres. (imagenes ..algo de historia FPB),
En 1834, William Fairbairn recoge el modelo de entramado propuesto por Boulton y Watt en el proyecto de la Fábrica Orrel, proyectada en 1834 en la que se introducen las vigas doble T, lo que permite cubrir luces mayores (7,25m), reduciendo el costo del hierro incorporado a la estructura entre un 20 a 30%. A partir de 1846 fabrica en su maestranza en Manchester, elementos estructurales de varias piezas laminadas en hierro colado conectadas entre sí con uniones roblonadas. Esto significó un avance notable ya que permite superar las limitaciones dimensionales que imponía la técnica del hierro fundido. Ejemplos de ello son los puentes sobre los estrechos de Menai y el Britannia Tubular Bridge, de 1852.
Un ejemplo destacado de los macizos muros perimetrales y los interiores de hierro corresponden a los proyectos de Henri Labrouste (1801 – 1875) para la Biblioteca Sainte Genevieve (1851) y para la Biblioteca Nationale (1858-68). Labrouste, que hizo una brillante carrera académica, ganó el Gran Premio de Roma a los 23 años, lo que le permitió conocer y estudiar la antigüedad clásica durante 5 años. Su interés se centró en estudiar los viaductos y templos, buscando en ellos el espíritu que hace de una buena construcción una buena obra de arquitectura. Esta posición de arquitecto-constructor debe esperar más de diez años hasta lograr su primer contrato importante, la biblioteca Santa Genoveva. Esta obre se reconoce como uno de los primeros intentos de construir un edificio estructurado enteramente en bóvedas de cañón en base a arcos de hierro forjado y fundido apoyados en columnas muy esbeltas. Al igual que las obras industriales inglesas comentadas, el edificio de la Biblioteca Santa Genoveva está rodeado de muros perimetrales, esta vez de fábrica de piedra. Sin embargo, la solución estructural de Labrouste libera a los muros del perímetro de toda carga lateral, haciendo que el conjunto de columnas y arcos y la cubierta de hierro sean independientes del perímetro. Años después, le es encomendado el proyecto de la Biblioteca Nacional, en que reemplaza la bóveda por un sistema de cúpulas que conforman un espacio notable en la sala de lectura. Pese a lo destacado de este espacio conformado por bóvedas esféricas compuestas por cerámica vidriada en cuyo centro se abre una abertura circular que asegura una buena iluminación a los puestos de lectura, Giedion destaca mucho más la solución del magazín central, el depósito de libros, como un hito precursor de la arquitectura moderna. Esta parte tiene 4 pisos más un subterráneo y alberga 900.000 volúmenes, un problema nuevo para la arquitectura de bibliotecas que hasta entonces compartían las dimensiones de la sala de lectura y el depósito. Con una cubierta de vidrio, la luz se derrama entre las rejillas que conforman los pisos, algo usado hasta entonces sólo en las salas de máquinas de los barcos. Según Giedion, el proyecto de un espacio no previsto para ser abierto al público libera al arquitecto de la presión del gusto popular y le permite desplegar su innegable talento y visión, configurando un espacio desprovisto de todo ornamento en el que, utilizando los recursos tecnológicos disponibles, logra una solución que tiene el sello de la corrección intemporal. Las rejillas de los entrepisos, así como el uso de grandes mamparas vidriadas son sólo algunas de las innovaciones introducidas por Labrouste en este proyecto.
Biblioteca Sainte Genevieve (1851)
Biblioteca Nationale (1858-68)
Las grandes exposiciones mundiales organizadas por los países europeos como muestra de su progreso y el poderío de su industria fueron un escenario propicio para la experimentación arquitectónica y constructiva en la que el hierro le cupo un protagonismo importante. “The Great Exhibition” de 1851 en Inglaterra es la oportunidad en que Sir Joseph Paxton, levanta en un tiempo récord de 6 meses el conocido “Cristal Palace”. Aunque no salva grandes luces (la nave principal era de 22,0m de ancho y una altura de 33,0m), el Cristal Palace está enteramente estructurado en marcos de columnas de hierro fundido y vigas reticuladas. La cubierta y los cerramientos eran de vidrio y cubrían unas dimensiones totales sorprendentes: 563m de largo y 124m de ancho con un total de 72.000m2 construidos. El Cristal Palace es, también, un paradigma de la prefabricación y coordinación dimensional. La estandarización de los elementos repetitivos que lo conforman, son parte de una solución integral que permite una rápida fabricación y construcción (3 meses para cada una de las etapas), todo un logro para la época. Trasladado en 1854 a Sydenham, el edificio concebido con una clara intención de transitoriedad en su emplazamiento inicial en el Hyde Park, es utilizado y renovado hasta que en 1936 es destruido por un incendio. Siguiendo este mismo modelo, en 1854, Auguste von Voit construye el Palacio del Vidrio en Munich usando los mismos materiales y el sistema de grilla, aunque reemplazando el arco por una viga recta. También fue destruido por un incendio en 1931.
Francia no es ajena a estos esfuerzos que representan las grandes ferias y exposiciones. A la Exposición Universal de 1798 le siguen la de 1867 y la de 1878. La última de la serie fue la de 1889, que es la oportunidad de dos obras señeras de la arquitectura y construcción en hierro del siglo XIX: la Torre Eiffel y la Galería de Máquinas.
Gustave Eiffel (1832-1923) fue un ingeniero de notable cuya importancia para el acero es innegable. A la conocida torre de 305m de altura, que exhibe orgullosa las posibilidades estéticas y estructurales del hierro, hoy convertida en símbolo de París aunque inicialmente muy resistida y criticada, hay que agregar una importante obra en puentes, entre los que destacan en Puente sobre el Río Duero (1875) y el Viaducto de Garabit (1880-1884).
Viaducto Garabit
A Ferdinand Dutert, arquitecto y Victor Contamin, ingeniero, se debe el notable proyecto de la Galería de las Máquinas, que usa por primera vez el marco triarticulado en edificios, modelo estructural aún plenamente vigente y permite cubrir sus 115m de luz ycon una altura de 43,5m logrando un espacio interior de dimensiones inimaginables antes. Gideon destaca en este edificio el valor de la union e interpenetración del edificio y el espacio exterior, del que se separa con una leve fachada de vidrio en los testeros. Sin embargo, lo más destacado parece estar en que la solución estructural trastoca, finalmente, las sensaciones estáticas tradicionales: la articulación de las cerchas en el punto central de la nave, la reducción de la sección a medida que se acercan al terreno para apoyarse, levemente, en la articulación. Dice Giedion:
“La diferenciación entre carga y soporte queda desdibujada…La acción de las descomunales fuerzas se mantiene en un equilibrio que es compensado más que rígido.
Es el equilibrio del astil de una balanza, audazmente contrapesado por fuerzas que varían continuamente.
Se crea así una nueva armonía oscilante.
Se logra una compensación elástica que absorbe los cambios producidos en el interior, en el exterior y en la cimentación.
Esta compensación se adapta a las fluctuaciones del terreno.
Se alcanza un equilibrio frente a los cambios en la estructura molecular del propio edificio.
Se alcanza un equilibrio frente a la presión externa, el viento y la nieve.
La construcción se vuelve expresión.
La construcción se vuelve forma” [2]