Puente Tay

El Puente Tay (gaélico escocés: Drochaid-rèile na Tatha) lleva el ferrocarril a través del Firth of Tay en Escocia entre Dundee y el suburbio. de Wormit en Fife. Su extensión es de 2,75 millas (4,43 kilómetros). Es el segundo puente en ocupar el sitio.

Los planes para un puente sobre el Tay para reemplazar el servicio de ferry surgieron en 1854, pero el primer puente Tay no se abrió hasta 1878. Era un diseño de celosía liviano de costo relativamente bajo con una sola vía. El 28 de diciembre de 1879, el puente se derrumbó repentinamente por los fuertes vientos mientras cruzaba un tren, matando a todos a bordo. El incidente es uno de los peores desastres de ingeniería relacionados con puentes de la historia. Una investigación determinó que el puente no estaba lo suficientemente diseñado para hacer frente a los fuertes vientos.

Fue sustituido por un segundo puente construido en hierro y acero, de doble vía, paralelo a los restos del primer puente. El trabajo comenzó el 6 de julio de 1883 y el puente se inauguró en 1887. El nuevo puente estuvo sujeto a extensas pruebas por parte de la Junta de Comercio, que resultó en un informe favorable. En 2003, el puente se reforzó y renovó, ganando un Premio de Ingeniería de la Industria de la Construcción Británica para marcar la escala y la dificultad del proyecto.

Primer puente

Orígenes y concepto

Las propuestas para construir un puente a través del río Tay datan de 1854, pero no fue hasta el 15 de julio de 1870 que la Ley del Puente Tay del Ferrocarril Británico del Norte recibió la aprobación real. El 22 de julio de 1871 se colocó la primera piedra del puente.

El puente fue diseñado por el ingeniero Thomas Bouch, quien recibió el título de caballero tras la finalización del puente. El puente tenía un diseño de rejilla de celosía, que combinaba hierro fundido y forjado. El diseño había sido utilizado por Thomas W. Kennard en el viaducto de Crumlin en Gales del Sur en 1858, después del uso de hierro fundido en The Crystal Palace. El Crystal Palace no estaba tan cargado como un puente ferroviario. Un diseño anterior de hierro fundido, el puente Dee se derrumbó en 1847, después de haber fallado debido al mal uso de las vigas de hierro fundido. Gustave Eiffel usó un diseño similar para crear varios viaductos grandes en el Macizo Central en 1867.

Al atardecer. Uno de los bultos del puente original es siluetado contra la abertura solar Firth.

El diseño original era para vigas de celosía sostenidas por pilares de ladrillo que descansaban sobre el lecho rocoso, que se demostró mediante perforaciones de prueba que yacen a poca profundidad bajo el río. En cada extremo del puente, la vía única pasaba por encima de la viga del puente, la mayoría de las cuales se encontraban debajo de la parte superior de los pilares. En la sección central del puente (las vigas altas), el ferrocarril corría dentro de la viga del puente, que estaba por encima de la parte superior de los pilares para dejar espacio para el paso de los barcos de vela. Para adaptarse a la expansión térmica, había conexiones no rígidas entre las vigas y los pilares.

A medida que el puente se adentraba en el río, en diciembre de 1873, quedó claro que el lecho rocoso era mucho más profundo; demasiado profundo para actuar como base para los pilares del puente. Bouch rediseñó el puente para reducir el número de pilares y aumentar la luz de las vigas. Los cimientos del muelle ya no descansaban sobre el lecho rocoso; en cambio, se construyeron hundiendo cajones de hierro forjado revestidos de ladrillos en el lecho del río, quitando arena hasta que descansaron sobre la capa de grava consolidada que se había informado erróneamente como roca y luego llenando los cajones con hormigón.

Para reducir el peso que tendría que soportar el suelo debajo de los cajones, los pilares de ladrillo fueron reemplazados por pilares de esqueleto de hierro de celosía abierta. Cada pilar tenía múltiples columnas de hierro fundido que soportaban el peso de las vigas puente, con tirantes horizontales de hierro forjado y tirantes diagonales que unían las columnas para dar rigidez y estabilidad. El concepto básico era bien conocido, ya que Kennard lo utilizó en el viaducto de Crumlin en el sur de Gales en 1858. Bouch había utilizado la técnica para viaductos, incluido el viaducto de Belah (1860) en South Durham & La línea ferroviaria de Lancashire Union sobre Stainmore, pero para el puente Tay, incluso con los cajones practicables más grandes, las dimensiones del muelle estaban limitadas por su tamaño. El diseño del pilar de Bouch estableció seis columnas en un hexágono que maximiza el ancho del pilar pero no el número de tirantes diagonales que resisten directamente las fuerzas laterales.

Detalles de diseño

El segundo puente Tay Rail de Wormit en la orilla sur

El actual puente Tay Rail como se ve a través del Estuario Tay de Newport-on-Tay

Los detalles de ingeniería en el puente Tay fueron considerablemente más simples, livianos y económicos que en los viaductos anteriores. La base mecanizada de cada sección de la columna se acopló de forma segura a una sección ampliada mecanizada de la parte superior de la sección inferior. Luego, la unión se aseguró con pernos a través de orificios coincidentes en orejetas (Crumlin) o bridas (Belah) en las dos secciones. Este 'grifo y grifo' Se utilizó la configuración, aparentemente sin mecanizar, en algunas columnas del muelle del puente Tay, pero en algunas se confió en los pernos para garantizar la alineación correcta. En su caso, las uniones se realizaron con pernos de menor tamaño, de menor diámetro que el que pasaría justo por el orificio. Esto facilitó el montaje de la columna, ya que los orificios de los pernos no tendrían que alinearse exactamente antes de insertar el perno. Sin embargo, esto permitió que los dos miembros, así unidos, se movieran entre sí bajo carga, debilitando la columna.

En el puente Tay, el arriostramiento diagonal se realizó mediante barras planas que iban desde la parte superior de una sección de columna en diagonal hacia abajo hasta la parte inferior de la sección de columna adyacente. La conexión superior era a una orejeta que era parte integral de la fundición de la columna. La conexión inferior era a dos placas de eslinga atornilladas a la base de la sección equivalente en una columna adyacente. La barra y las placas de la eslinga tenían ranuras longitudinales a juego. La barra de unión se colocó entre las placas de eslinga con las tres ranuras alineadas y superpuestas. Se condujo un gib a través de las tres ranuras y se aseguró. Luego se colocaron dos chavetas, cuñas de metal, para llenar el resto de la superposición de la ranura, y se clavaron con fuerza para poner la unión bajo tensión. El arriostramiento horizontal fue proporcionado por canales de hierro forjado. Las diversas cabezas de los pernos estaban demasiado cerca unas de otras y de la columna para apretarlas fácilmente con llaves; esto, sumado a la falta de precisión en la preparación de las riostras de canal de hierro, condujo a varios procedimientos de ajuste en el sitio (uno de ellos descrito por un testigo de la investigación como "el trabajo más descuidado que he visto en mi vida"). vida".

En los viaductos de Crumlin y Belah, sin embargo, el arriostramiento horizontal fue proporcionado por vigas de hierro fundido ajustadas sólidamente unidas de manera segura a las columnas, y luego las riostras diagonales se unieron a las vigas. El presidente del Tribunal de Investigación citó extensamente un libro contemporáneo que elogiaba la ingeniería detallada de los pilares del viaducto de Belah y describía el viaducto como uno de los más livianos y económicos del tipo que jamás se había construido.

... Es una característica distintiva en este viaducto que la cruz, o las vigas de distancia de los piers rodean las columnas, que se dan vuelta en ese punto, las vigas que se aburren para adaptarse a la parte girada con gran precisión. No se usó cemento de ningún tipo en toda la estructura, y los muelles cuando se completó, y los sujetadores verticales y horizontales de hierro forjado, son casi tan rígidos como si fueran una pieza sólida...

... El ajuste fue hecho por máquinas, que fueron especialmente diseñadas para el propósito, y terminó el trabajo con precisión matemática Las bridas de la columna se enfrentaron y sus bordes se convirtieron, y cada columna fue pisada en la de abajo con un labio de alrededor de 5/8 de una pulgada en profundidad, el labio y el enchufe para que se volviera y se aburriera. Esa parte de la columna contra la que descansaban las vigas se volvió también. El conjunto de estas operaciones se realizaron en un momento, siendo la columna centrada en un mandril hueco-lathe. Después de girar las columnas pasaron a una máquina de perforación, en la que todos los agujeros en cada brida fueron perforados fuera del sólido simultáneamente. Y como esto se hizo con todos ellos en la misma máquina, los agujeros por supuesto, perfectamente coinciden cuando las columnas fueron colocadas una sobre la otra en el progreso de la erección. Se tomó un cuidado similar con los guías cruzados, que se aburrían en los extremos por máquinas diseñadas para ese propósito. Así, cuando las piezas del viaducto tenían que ser reunidas en el lugar de la erección, literalmente no había una herramienta necesaria, y ni chipping ni presentación para retrasar el progreso de la obra.

O bien, dijo el presidente, el viaducto de Belah se había diseñado en exceso, o el puente Tay no se había diseñado correctamente.

Construcción

Mientras Bouch estaba revisando su diseño, la empresa a la que se le había adjudicado el contrato para la construcción del puente, los Sres. De Bergue de Cardiff, cerró. Durante junio de 1874, se emitió un contrato de reemplazo para el trabajo a Hopkin Gilkes and Company, sucesores de la empresa Middlesbrough que anteriormente había proporcionado la estructura de hierro para el viaducto de Belah. Gilkes originalmente tenía la intención de producir todo el trabajo de hierro del puente en Teesside, pero finalmente continuó utilizando una fundición en Wormit para producir los componentes de hierro fundido y para llevar a cabo operaciones limitadas de mecanizado posterior a la fundición.

El cambio en el diseño aumentó el costo y requirió demoras, que se intensificaron después de que dos de las vigas altas cayeron cuando se colocaron en su lugar durante la noche del viernes 3 de febrero de 1877.

Las vigas caídas tenían que ser removidas y las nuevas construidas. y los muelles para ser erigidos de nuevo; y esto amenazó seriamente con interferir con la expectativa de que el puente terminara para el paso de un tren para septiembre. Sólo ocho meses estaban disponibles para la erección y flotando de seis, y el levantamiento de diez 245 pies [75 m] lapsos. Cinco y siete respectivamente de los lapsos de 145 pies [44 m] todavía no habían pasado por el mismo proceso. Aún no se habían construido siete piers grandes y tres pequeños. El peso del hierro que había que poner en su lugar era 2.700 toneladas largas [3.000 toneladas cortas], y parecía increíble que todo esto pudiera hacerse en ocho meses. Un buen trato dependería del clima, pero esto estaba lejos de ser favorable.

A pesar de esto, el 22 de septiembre de 1877, la primera locomotora cruzó el puente y, una vez finalizado a principios de 1878, el puente Tay era el más largo del mundo. Mientras visitaba la ciudad, Ulysses S. Grant comentó que era "un gran puente para una ciudad pequeña".

Inspección y apertura

El puente original de Tay antes del colapso de 1879

Como todas las líneas ferroviarias del Reino Unido, el Puente Tay estuvo sujeto a una inspección de la Junta de Comercio antes de que pudiera transportar trenes de pasajeros. La inspección fue realizada del 25 al 27 de febrero de 1878 por el Mayor General Hutchinson de la Inspección de Ferrocarriles, quien midió la deflexión de las vigas del puente de 245 pies (75 m) bajo una carga distribuida de 1,5 toneladas por pie (5 t/m) debido a la pesada locomotoras, viajando hasta a 40 mph (64 km/h), como menos de 2 pulgadas (51 mm). Informó que "en mi opinión, estos resultados deben considerarse satisfactorios. La oscilación lateral [movimiento rítmico y tosco de un lado a otro], observada por el teodolito cuando los motores se aceleraban, era leve y la estructura en general mostraba una gran rigidez.

Hutchinson requirió que se realizaran algunos trabajos de reparación menores y también emitió una "recomendación" imponer un límite de velocidad de 25 mph (40 km/h) al tráfico que pasa por el puente. Posteriormente, Hutchinson explicó a la Investigación que había sugerido este límite de velocidad debido a la disminución mínima de los muelles. El informe de inspección agregó: "Cuando vuelva a visitar el lugar, desearía, si es posible, tener la oportunidad de observar los efectos de los fuertes vientos cuando un tren de vagones pasa por el puente".

Tay bridge following the collapse

El 1 de junio de 1878, el puente Tay se abrió al tráfico de pasajeros, y el día anterior se celebraron ceremonias formales de apertura, durante las cuales Thomas Bouch fue nombrado ciudadano de Dundee "en respeto a su meritorios servicios como ingeniero del puente...." El 20 de junio de 1879, la reina Victoria cruzó el puente durante su regreso al sur de su estancia en Balmoral; Bouch le fue presentado antes de que lo hiciera. El 26 de junio de 1879, la reina lo nombró caballero en el castillo de Windsor.

Fallo catastrófico

Girders caídos cerca del puente Tay

La noche del 28 de diciembre de 1879 a las 7:15 p. m., el puente se derrumbó después de que sus vanos centrales cedieron durante los fuertes vendavales de invierno. Un tren de seis vagones que transportaba setenta y cinco pasajeros y tripulantes, que cruzaba en el momento del derrumbe, se hundió en las gélidas aguas del Tay. Las setenta y cinco personas a bordo murieron. El desastre sorprendió a todo el país y conmocionó a la comunidad de ingenieros de Victoria. La investigación posterior reveló que el diseño del puente no se había adaptado a los fuertes vientos. En el momento del colapso, un vendaval estimado en fuerza diez u once (vientos con fuerza de tormenta tropical: 55–72 mph (89–116 km/h) había estado soplando por el estuario Tay en ángulo recto con el puente. La locomotora del tren (North British Railway no. 224) fue rescatado del río y posteriormente restaurado para el servicio en el ferrocarril.

El colapso del puente, a pesar de que se abrió solo diecinueve meses antes después de que la Junta de Comercio lo encontrara seguro, tuvo un efecto a largo plazo en la sociedad en general. Según algunos comentaristas, todavía se considera que ha sido el desastre de puente más notorio que jamás haya ocurrido en las Islas Británicas. El desastre se conmemoró en 'El desastre del puente Tay', uno de los esfuerzos en verso más conocidos de William McGonagall. Hoy en día, los tocones de los pilares originales del puente aún son visibles sobre la superficie del Tay, incluso durante la marea alta.

En 2005, el dramaturgo escocés Mike Gibb y la compositora Mairi Paton estrenaron su musical titulado Five Pound and Twa Bairns en Dundee. Se centra en tres mujeres ficticias de orígenes muy diferentes que pierden hombres en el desastre. El musical ha tenido varias producciones más, incluidas tres funciones separadas con entradas agotadas en Dundee Rep Theatre.

segmento norte del segundo puente de Tay, mostrando bultos de los muelles del puente original sobre el Tay

Segundo puente

Propuestas

Casi inmediatamente después de la falla del Puente Tay, la compañía North British Railway comenzó a desarrollar planes para su reconstrucción o reemplazo. Durante 1880, apenas seis meses después del accidente, se presentó al Parlamento el proyecto de ley North British Railway (Tay Bridge) para la construcción de un nuevo puente. El proyecto de ley fue revisado por un comité especial, presidido por Sir Lopes Massey Lopes, 3er Baronet; Lopes llamó la atención sobre la presión sustancial para que se consideren los factores de seguridad a la luz de la pérdida del puente anterior, incluida la necesidad de examinar la idoneidad de la ubicación. En respuesta a esta consulta, el Sr. Walker, director general de North British Railway, manifestó su opinión de que no había un lugar más adecuado que el elegido, destacando el intercambio de tráfico relativamente grande en la zona y la importancia de hacer que el línea lo más directa posible en la práctica. Además, varios testigos locales, entre los que se encontraban varios comerciantes destacados de Dundee, hablaron favorablemente de la ubicación propuesta.

Los planos para el puente reconstruido fueron presentados por el ingeniero civil Sir James Brunlees. Su diseño propuesto habría implicado duplicar los pilares del primer puente instalando las nuevas columnas en el lado este de cada uno de los pilares existentes, mientras que se habría utilizado ladrillo arqueado para unir los elementos antiguos y nuevos por igual. En la parte superior de estos cimientos, se colocaría una plataforma de ladrillo que fuera lo suficientemente ancha como para soportar dos juegos de vigas, así como un diseño de doble vía. Brunlees propuso que la vía permanente se colocara en los brazos superiores de las vigas. Se consideró que la adición de vigas de cuerda de arco, colocadas a 20 pies (6,1 m) de altura sobre la calle, tenía una exposición mucho menor al viento y una mayor rigidez lateral que las vigas del primer puente. Las vigas también se habrían duplicado para poder resistir 200 libras (91 kg) por pie cuadrado de presión del viento, mientras que los pilares, tal como se diseñaron, debían poder resistir una presión de 900 libras por pie cuadrado. En general, Brunlees' estructura propuesta habría poseído una mayor fuerza para resistir la presión lateral sobre la original. Esta propuesta tuvo un costo total estimado de £356,323. Si bien se consideró cuidadosamente, la Junta de Comercio consideró peligrosa la práctica de conectar el puente viejo a un nuevo diseño. Rechazó tanto el diseño propuesto como el proyecto de ley general.

El Ferrocarril Británico del Norte, al otorgar gran importancia a la conexión entre Fife y Forfarshire, se comprometió a desarrollar un diseño viable. Durante agosto de 1880, el célebre ingeniero ferroviario William Henry Barlow, de Barlow & Sons, Londres, fue consultado sobre el asunto. Tras los experimentos con los restos del primer puente, Barlow opinó que las partes intactas deberían abandonarse en favor de una nueva estructura que se extienda entre las dos orillas. Adoptando esto como la base de su próxima presentación, se planteó un nuevo proyecto de ley y se presentó ante un comité selecto de la Cámara de los Comunes el 10 de mayo de 1881. Con pocas modificaciones o sugerencias emitidas, pronto se aprobó. Durante noviembre de 1881, se adjudicó un contrato para la construcción del nuevo puente a los Sres. William Arrol & Co de Glasgow. Para el diseño del nuevo puente, los Sres. Barlow optaron por abstenerse de utilizar principios de ingeniería no probados y optaron por adherirse estrictamente a la metodología establecida.

Detalles de diseño

Puente de Tay y caja de señales

El segundo puente Tay es un puente de vigas de entramado y pilares sencillo; Aparte de su considerable longitud, carece de características distintivas. Tiene una longitud total de 10 780 pies (3290 m), que está cubierta por un total de 85 vanos. Estos tramos son arcos de ladrillo ordinarios, respaldados por hormigón de cemento y colocados sobre pilares que están sostenidos por pares de columnas. Queriendo evitar que se repita el destino del primer puente Tay, una intención principal del diseño es la estabilidad, seguida en importancia por medidas para minimizar el peso del puente y la adopción de formas estéticamente agradables donde sea posible sin comprometer la estructura. fortaleza.

Los pilares, que se construyen principalmente de ladrillo y hormigón, están encerrados por un cajón de hierro forjado hasta la marca de bajamar, por encima de la cual se utiliza un exterior de ladrillo, que no puede ser infiltrado por el agua. Las partes sumergidas están revestidas con ladrillo vitrificado azul. Por encima de la marca de la marea alta, cada par de pilares tiene una sección de mampostería de conexión, que termina en la base de la superestructura. Debido a la alta proporción de mampostería en los pilares, estos eran extremadamente pesados, por lo que los Sres. Barlow trabajaron para minimizar el peso de la estructura sin que los pilares se debilitaran. Como tal, se adoptó una elegante superestructura de hierro.

Sobre el enladrillado, dos columnas octogonales firmemente arriostradas continuaban hacia arriba para encontrarse con los elementos interiores en forma de arco. Se usaron otros miembros para proporcionar un lecho para las vigas para proporcionar un pilar sustancial que quitó gran parte de su peso del área basal. Desde la finalización del segundo puente Tay, la disposición de vigas de celosía se ha convertido en una característica común, adoptada casi universalmente para la construcción de puentes. La configuración proporciona altos niveles de tensión de compresión a pesar de que las vigas son comparativamente ligeras. La plataforma está compuesta de acero y está rodeada a ambos lados del puente por una celosía muy unida, que funciona como una pantalla contra el viento y también protege un poco a los trabajadores.

Construcción

El 9 de marzo de 1882, comenzó el trabajo en el segundo puente, ubicado 18 metros (59 pies) aguas arriba y paralelo al puente original. Las primeras partes del puente que se erigió se construyeron en la orilla sur; el trabajo prosiguió durante algún tiempo antes de que se iniciaran las actividades de construcción en la costa norte. A pesar de esto, la mayor parte del puente se erigió simultáneamente en ambos extremos, continuando hasta que se conectaron las vigas centrales y se completó la unión. Solo algunas de las vigas del antiguo puente fueron reutilizadas para la nueva estructura, y ninguna fue utilizada sin haber sido sometida a considerables pruebas previas. Se cree que catorce hombres murieron durante la construcción del puente, la mayoría ahogados.

Se utilizaron grandes cantidades de materiales en la construcción del puente. En cuanto a hierro forjado, se utilizaron 16.300 toneladas para las pilas y vigas; si se incluyen las 118 vigas del puente anterior, se cree que el peso total asciende a unas 19.000 toneladas. También se utilizaron 3.500 toneladas de acero, mientras que los elementos de hierro fundido de los pilares pesan 2.500 toneladas, para un total de 25.000 toneladas de hierro y acero que se han utilizado. Se utilizaron alrededor de 10 millones de ladrillos, con un peso combinado de 37.500 toneladas, para construir tanto los accesos al puente como los cilindros. El peso total del hormigón utilizado es de 70.000 toneladas. Además, el puente contiene alrededor de 3.000.000 de remaches.

El costo estimado del segundo puente fue de £640 000; si bien esta cifra se superó, no resultó ser demasiado optimista. Cuando se descompuso el trabajo de construcción, se calculó que la fundación de los pilares costó 282.000 libras esterlinas, la instalación de las vigas y parapetos 268.000 libras esterlinas, mientras que la producción de los accesos y arcos involucró 90.000 libras esterlinas. Se habían incurrido en algunos costos adicionales de aproximadamente £ 16,000 para mejorar el acceso al puente desde Newport; el ramal fue reconstruido por una distancia de media milla hacia el este. Cuando se combinó con el costo de £ 350,000 del primer puente Tay, North British Railway había gastado aproximadamente un millón de libras para unir el Tay.

Uso operativo

Un Diagrama de Juncción de la Casa de Limpieza de Ferrocarriles 1910 que muestra el Puente de Tay y las líneas de conexión, también el ferry que conecta Tayport con Ferry Broughty

Antes de entrar en servicio, la estructura completa se sometió a un examen exhaustivo por parte de inspectores que trabajaban para la Junta de Comercio. Con el deseo de evitar que se repitiera el desastre del primer puente Tay, el segundo puente se sometió a pruebas estrictas, que en algunos casos simularon condiciones que superaban con creces las que probablemente se encontrarían durante la totalidad de su vida útil. De acuerdo con los informes presentados, los resultados de estas pruebas fueron satisfactorios, despejando el camino para el uso operativo. El 11 de junio de 1887, los primeros trenes de pasajeros pasaron por el segundo puente Tay. El 20 de junio de 1887, que también coincidió con el 50 aniversario del ascenso al trono de la reina Victoria, el puente se abrió para el tráfico general.

El segundo puente Tay se ha mantenido en uso hasta el día de hoy. Para proteger la estructura de daños, el doble rumbo de las locomotoras está restringido en los trenes que atraviesan el puente; se ha estipulado que algunas combinaciones de locomotoras consecutivas deben estar separadas por al menos 60 pies (18 m) utilizando vagones de barrera o alcance.

Durante 2003, un proyecto de renovación y refuerzo de 20,85 millones de libras esterlinas en el puente ganó el Premio de Ingeniería Civil de la Industria de la Construcción Británica, en consideración a la asombrosa escala y la logística involucrada. Se rasparon más de 1000 toneladas métricas (1100 toneladas cortas) de excrementos de aves de la celosía de hierro del puente con herramientas manuales y se empaquetaron en sacos de 25 kilogramos (55 lb). Al mismo tiempo, se quitaron y reemplazaron cientos de miles de remaches, todo lo cual fue realizado por trabajadores que estaban en condiciones expuestas mientras estaban en lo alto de un estuario con mareas rápidas.