El viaducto de Santa Ana, construido en 1915, estuvo operativo más de 100 años, como parte de la línea de tren entre Alicante y Dénia, en España. Fue el puente real en el que se basó la simulación 3D utilizada por los investigadores. José M. Adam.

Cuando circulamos por nuestras carreteras o vías férreas, atravesamos con frecuencia puentes que salvan obstáculos naturales o cruces con otras vías de comunicación. Algunos de ellos son celosías metálicas: estructuras en las que una serie de barras de acero se unen entre sí formando celdas triangulares. Estos puentes eran frecuentes a principios del siglo XX, tanto en la red de carreteras como en las entonces incipientes redes ferroviarias. Y no solo son bastantes los que se conservan o siguen en servicio, sino que incluso se han seguido construyendo hasta la actualidad.

Por desgracia, de vez en cuando recibimos noticias del colapso de algún puente de este tipo. Fue tristemente famoso el hundimiento repentino del puente de la autopista I-35 sobre el río Mississippi en el año 2007. Y más recientemente, en 2024, el derrumbe del puente Francis Scott en Baltimore por el impacto de un buque. En otros casos, se han detectado daños en algunos de sus elementos que no han llegado a progresar, y ha dado tiempo a tomar medidas para evitar una desgracia.

Derrumbe del puente Francis Scott Key, en Baltimore, EE. UU. Wikimedia Commons., CC BY

¿Por qué algunos puentes fallan catastróficamente?

¿Por qué algunos puentes fallan catastróficamente y otros no? Esta es la pregunta que motiva el artículo que investigadores de la Universitat Politècnica de València y la Universidade de Vigo publicamos hoy en la revista Nature. Después de un trabajo intenso de tres años, que incluye ensayos en laboratorio a escala y simulaciones computacionales masivas, hemos logrado darle respuesta.

En las estructuras de edificación, los mecanismos resistentes tras un fallo inicial son bien conocidos, ya que son objeto de investigación desde hace décadas. No sucede así en los puentes en celosía, cuyos mecanismos resistentes secundarios apenas se habían estudiado hasta ahora.

Caminos alternativos de carga

Sabemos que, cuando se produce un fallo local en una construcción (por ejemplo, el fallo de una unión entre barras), los esfuerzos resistidos por los elementos estructurales se redistribuyen para adaptarse a la nueva situación. De manera gráfica, decimos que las cargas exteriores toman un camino alternativo dentro de la estructura para llegar a los apoyos.

En un puente en celosía, hay múltiples caminos posibles, debido a la propia configuración de la estructura. La forma de resistir las cargas exteriores puede ser completamente diferente de la prevista en el diseño inicial, y es la que va a determinar si la estructura puede resistir en pie o no tras el daño.

La analogía de la tela de araña

Tal y como ha demostrado la ciencia en numerosas ocasiones, es positivo aprender de la naturaleza que nos rodea. Durante la fase final de nuestra investigación, encontramos un artículo publicado en Nature sobre la robustez de las telarañas, cuyas conclusiones mostraban paralelismos con los resultados de nuestro trabajo. Al analizarlo, advertimos las sorprendentes semejanzas entre las telarañas y los puentes de celosía.

Ambas estructuras están formadas por elementos lineales y se caracterizan por una notable redundancia, en la que el impacto de un fallo depende de la función que desempeñe el hilo o elemento afectado dentro de la estructura.

Gracias a estas características, incluso frente a un fallo crítico, la extraordinaria capacidad para redistribuir las cargas puede evitar el colapso y mantener niveles de resistencia próximos (o superiores, en el caso de las telarañas) a los de la estructura intacta. Estas similitudes muestran cómo la naturaleza ofrece soluciones que la ingeniería aún sigue perfeccionando.

Ensayos y simulaciones

Para desvelar los mecanismos resistentes secundarios actuamos en dos frentes. En primer lugar, mediante ensayos de laboratorio en un modelo a escala 1:3,5, se recrearon nueve escenarios de fallo característicos de los puentes de celosía metálica y se aplicaron cargas equivalentes al paso de un tren. Además, se instaló un amplio sistema de monitorización que permitió detectar con precisión las variaciones en la respuesta del puente.

Los investigadores de ICITECH-UPV reproduciendo las estructuras del puente para los experimentos en el laboratorio. José M. Adam.

De este modo, observamos cómo variaba la respuesta ante la pérdida de sus elementos y, en consecuencia, pudimos empezar a entender cómo se manifestaban los mecanismos resistentes latentes. También estudiamos cómo se propaga el fallo, incrementando la carga en el último de los escenarios hasta el colapso de la estructura.

Por otra parte, un amplio programa de simulaciones computacionales (222 en total) nos permitió analizar cómo varían las respuestas estructurales del puente, sometido a la carga del tren, ante el fallo de cada uno de sus componentes individuales. Gracias a ello fue posible identificar patrones de comportamiento y complementar la información obtenida en la campaña experimental.

Los investigadores de ICITECH-UPV en sus experimentos con la estructura del puente en el laboratorio. José M. Adam.

Finalmente, se llevaron a cabo otras diez simulaciones en las que se aplicó una carga incremental hasta provocar el colapso total de la estructura. El objetivo era comprender con mayor profundidad la redistribución de esfuerzos y el papel que desempeña cada elemento en la robustez del conjunto.

¿Qué hemos aprendido?

Después de analizar los datos experimentales y las simulaciones, sabemos que el fallo de un elemento del puente en celosía puede desencadenar una combinación de hasta seis tipos de mecanismos resistentes secundarios que redistribuyen las cargas de la estructura. Estos pueden ser clave para evitar el colapso. Los mecanismos involucrados y su interacción dependen de qué elemento falla inicialmente.

También hemos analizado la progresión del fallo más allá de la redistribución inicial, y hemos mostrado que la celosía dañada puede tener una capacidad resistente residual significativamente mayor que la prevista para las cargas de diseño.

Esperamos que estos hallazgos puedan influir en el modo en el que se reacondicionan y reparan estructuras antiguas de este tipo, así como en el diseño de puentes en celosía nuevos, para incrementar la seguridad de uso, extender su vida útil y reducir el riesgo de colapso.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation, un sitio de noticias sin fines de lucro dedicado a compartir ideas de expertos académicos.

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