Investigación aplicada en la Ingeniería

Colapso progresivo y robustez de edificios y puentes

José Miguel Adam Martínez

Catedrático de universidad.

Doctor ingeniero de caminos, canales y puertos.

ICITECH, Universitat Politècnica de València.

©Toya Legido y Tomás Zarza

En los últimos años se han producido colapsos en edificios y puentes que han conmocionado a la sociedad. En el ámbito de los puentes, algunos de los casos recientes con mayor impacto han sido los colapsos del puente de Génova en 2017, el puente Nanfang’ao en Taiwán en 2019, el viaducto del metro de México DF en 2021 y el puente Fern Hollow en Pittsburgh en 2022. En lo relativo a edificios, podemos mencionar los colapsos ocurridos en el año 2021 en las torres Champlain de Miami, el hotel Siji Kaiyuan en Jiangsu y el edificio residencial de Peñíscola. Muchos de estos colapsos se clasificarían en lo que se denomina como “colapso progresivo”; es decir, un fallo local-inicial se propaga al resto de la estructura, provocando el colapso de toda la estructura o de una parte desproporcionada de ella.

Estos recientes colapsos han transmitido a la sociedad la señal errónea de que nuestras infraestructuras y edificios no son seguros. No hay que negar que en los últimos años se ha producido un número significativo de colapsos en edificios y puentes. Sin embargo, no podemos afirmar que, en general, estas estructuras no sean seguras o que su diseño o concepción sean inadecuados.

Sin duda, los edificios y puentes están cada vez más expuestos a las devastadoras consecuencias de situaciones extremas causadas por el cambio climático, amenazas terroristas, su propio envejecimiento o un mantenimiento y conservación inadecuados. Entre dichas situaciones nos podemos encontrar, por ejemplo, riadas, deslizamientos de ladera, explosiones de gas, impacto de vehículos, huracanes, sismos de gran magnitud, atentados terroristas, etc. A todo ello se une el hecho de que muchas de estas estructuras están llegando al final de su vida útil, y que en muchas situaciones las cargas actuantes sobre ellas son superiores a las previstas en su diseño inicial.

Este artículo presenta las investigaciones que llevamos en marcha actualmente en el grupo de investigación Building Resilient, en el marco del instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València. El objetivo de la investigación que llevamos a cabo es contribuir a mejorar la resiliencia de edificios y puentes y, por tanto, evitar posibles colapsos o, al menos, minimizar sus consecuencias. Las investigaciones que llevamos a cabo las centramos en ensayos sobre probetas a escala real. En concreto, en este artículo mostramos los trabajos realizados sobre:

  1. estructuras de cimbrado de edificios;
  2. edificios de hormigón in situ con forjados de losa maciza;
  3. edificios con estructura prefabricada de hormigón;
  4. puentes de acero en celosía;
  5. la definición de una nueva filosofía de diseño basada en conectar segmentos de edificios con fusibles estructurales.

En todos los ensayos realizados se ha estudiado cómo un fallo local-inicial se puede propagar al resto de la estructura. El conocimiento adquirido está permitiendo:

  1. definir estrategias de diseño y construcción para conseguir estructuras resilientes;
  2. definir actuaciones para reducir la vulnerabilidad de edificios y puentes frente a eventos extremos;
  3. proponer pautas de monitorización para detectar a tiempo el potencial riesgo de colapso progresivo.

Conseguir sociedades resilientes pasa por tener edificios e infraestructuras también resilientes

Colapso progresivo y robustez estructural

Un colapso progresivo ocurre cuando un fallo inicial, en una parte de una estructura, inicia un efecto dominó que lleva al colapso de toda la estructura o de una parte desproporcionada de ella. Este tipo de colapso va habitualmente asociado a graves pérdidas humanas y materiales. Algunos de los casos más conocidos de colapso progresivo de edificios son los ya clásicos de Ronan Point (Londres, 1969), Capitán Arenas (Barcelona, 1972), U.S. Marine Barracks (Beirut, 1983), la Asociación Argentina Israelita (Buenos Aires, 1994), y el A.P Murrah Federal Building (Oklahoma, 1995). Más recientemente, los colapsos de las torres Champlain de Miami y el edificio residencial de Peñíscola, ambos en 2021, también se clasifican como colapsos progresivos.

En el ámbito de los puentes, un clásico ejemplo de colapso progresivo es el del puente de Quebec, que colapsó en 1907 durante su construcción debido al pandeo de unas barras de acero. Más recientemente, tenemos el colapso del puente I-35W en Minneapolis 2007, que colapsó por completo debido al fallo de una única cartela, o el del puente de Chauras, que colapsó en India en el año 2012 debido al diseño erróneo de unas pocas barras de acero.

Considerando la importancia que tiene evitar colapsos progresivos, los códigos actuales de diseño han introducido el concepto “robustez”, entendido como la insensibilidad a un fallo inicial-local. Conseguir sociedades resilientes pasa por tener edificios e infraestructuras también resilientes. Por ello, en estos momentos existe una clara necesidad de tener edificios y puentes robustos, en los cuales no se propaguen los fallos locales-iniciales provocados por situaciones extremas de diversa índole. Prueba de esta necesidad es la continua actualización de las normas actuales de diseño de estructuras y el crecimiento en el número de publicaciones científicas relacionadas con la robustez estructural (El-Tawil et al. 2014; Adam et al. 2018).

Una estructura robusta deberá ser capaz de activar caminos de carga alternativos tras un fallo local-inicial. De este modo, la carga que soportaba el elemento que ha fallado se podrá redistribuir al resto de la estructura. Esta capacidad de activar caminos de carga alternativos se consigue habitualmente dotando a las estructuras de continuidad, redundancia y ductilidad.

Investigación sobre robustez y colapso progresivo de edificios y puentes

En el grupo de investigación Building Resilient llevamos a cabo nuestro trabajo en el marco del instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València, siendo nuestro objetivo contribuir a mejorar la resiliencia de edificios y puentes. Para conseguir este objetivo, investigamos en dos campos: 1) evaluación estructural, incluyendo la monitorización de estructuras y análisis de riesgos; y 2) colapso progresivo y robustez de estructuras.

Figura 1. Simulación computacional de la propagación de un fallo en una cimbra.
Figura 2. Edificio-probeta en construcción para validar el comportamiento de fusibles estructurales.

Tradicionalmente, la investigación en el campo de la robustez y colapso progresivo de estructuras se ha centrado en simulaciones computacionales y ensayos de laboratorio sobre probetas a escala reducida. En Building Resilient vamos más allá y centramos nuestros trabajos en la experimentación con probetas a escala real. A continuación, se describen brevemente cinco de las investigaciones que tenemos en marcha actualmente en el campo de la robustez y colapso progresivo de edificios y puentes.

1) Cimbrado de edificios

Considerando las consecuencias que tienen los fallos durante la construcción de estructuras de edificios (Carper 1987; Hadipriono y Wang 1987; Buitrago et al. 2018a), en 2014 arrancamos una nueva línea de investigación relacionada con la robustez y el colapso progresivo de edificios en construcción. Esta investigación fue financiada por el Ministerio de Educación y Formación Profesional y la Generalitat Valenciana. La investigación ha sido pionera a nivel mundial por ser la primera vez que se analiza cómo el fallo de uno o varios elementos de una cimbra puede llevar al colapso progresivo de toda la cimbra (Fig. 1) o incluso de todo el edificio en construcción. La investigación ha permitido identificar los caminos de carga alternativos que se pueden movilizar ante el fallo de uno o varios elementos de una cimbra (Buitrago et al. 2018b).

Lo más innovador y de mayor impacto ha venido con el diseño de un novedoso fusible estructural (véase recuadro). Este fusible se coloca en los puntales y, tal y como hemos conseguido demostrar mediante una ambiciosa campaña experimental (Fig. 2) y simulaciones computacionales (Buitrago et al. 2021), mejora la robustez de la cimbra y, por tanto, evita la propagación de fallos locales en edificios en construcción (Buitrago et al. 2020). Este dispositivo ha sido patentado, siendo la primera referencia que se tiene del uso de fusibles para evitar el colapso progresivo de estructuras.

  1. Edificios con estructura de hormigón in situ

La Clave

Fusible estructural

El principio de funcionamiento es similar al de las redes eléctricas, donde se intercala un elemento más débil en el circuito (fusible), de manera tal que cuando la corriente alcanza niveles que podrían dañar a los componentes del mismo (sobrecarga), el fusible se funde e interrumpe la circulación de la corriente, pero sin dañar el circuito entero.

Gracias a la financiación recibida por la Fundación BBVA a través de una Beca Leonardo, hemos llevado a cabo un proyecto de investigación en el que se ha ensayado un edificio-probeta a escala real, que ha sido sometido a diferentes escenarios de fallo en sus columnas de esquina (Fig. 3). Precisamente, las columnas de esquina de un edificio son las más expuestas a eventos extremos, como pueden ser los debidos a ataques terroristas, impactos de vehículos o acciones medioambientales extremas. Al fallar una columna de esquina, es difícil encontrar caminos de carga alternativos.

Esta investigación ha permitido conocer y evaluar los caminos de carga alternativos que se pueden activar tras el fallo de columnas de esquina, teniendo en cuenta los efectos dinámicos provocados por la retirada repentina de la columna (Adam et al. 2020; Garzón-Roca et al. 2021). Considerando la magnitud de los ensayos, esta es una de las investigaciones más ambiciosas que se han llevado a cabo hasta la fecha en el campo de la robustez y colapso progresivo de edificios. La campaña experimental también incluyó un escenario de ensayo en el cual se disponían cerramientos de ladrillo (Fig. 4), con el fin de estudiar cómo dichos elementos contribuyen a activar caminos de carga alternativos (Buitrago et al. 2021). El trabajo actual se está centrando en la simulación computacional avanzada (Buitrago et al. 2020), con el fin de extrapolar los resultados experimentales a situaciones diferentes a las ensayadas.

Figura 3. Edificio-probeta preparado para la retirada repentina de una columna.
Figura 4. Ensayo sobre edificio-probeta para analizar la contribución de los cerramientos de ladrillo.

Gracias a la financiación recibida por la Fundación BBVA a través de una Beca Leonardo, hemos llevado a cabo un proyecto de investigación en el que se ha ensayado un edificio-probeta a escala real, que ha sido sometido a diferentes escenarios de fallo en sus columnas de esquina (Fig. 3). Precisamente, las columnas de esquina de un edificio son las más expuestas a eventos extremos, como pueden ser los debidos a ataques terroristas, impactos de vehículos o acciones medioambientales extremas. Al fallar una columna de esquina, es difícil encontrar caminos de carga alternativos.

Esta investigación ha permitido conocer y evaluar los caminos de carga alternativos que se pueden activar tras el fallo de columnas de esquina, teniendo en cuenta los efectos dinámicos provocados por la retirada repentina de la columna (Adam et al. 2020; Garzón-Roca et al. 2021). Considerando la magnitud de los ensayos, esta es una de las investigaciones más ambiciosas que se han llevado a cabo hasta la fecha en el campo de la robustez y colapso progresivo de edificios. La campaña experimental también incluyó un escenario de ensayo en el cual se disponían cerramientos de ladrillo (Fig. 4), con el fin de estudiar cómo dichos elementos contribuyen a activar caminos de carga alternativos (Buitrago et al. 2021). El trabajo actual se está centrando en la simulación computacional avanzada (Buitrago et al. 2020), con el fin de extrapolar los resultados experimentales a situaciones diferentes a las ensayadas.

  1. Edificios con estructura prefabricada de hormigón

La construcción con elementos prefabricados de hormigón tiene cada vez más protagonismo en el ámbito de la edificación. Las especiales características de estas construcciones, sobre todo en lo que a las uniones entre elementos se refiere, las hacen, a priori, más vulnerables a eventos extremos. Con el proyecto PREBUST, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, estamos trabajando para mejorar la robustez de edificios con estructura prefabricada de hormigón.

La parte más ambiciosa de PREBUST es la campaña experimental que estamos llevando a cabo sobre un edificio-probeta a escala real, construido específicamente para este proyecto. El edificio tiene dos alturas y unas dimensiones en planta de 15×12 m2. Dicho edificio está siendo sometido a la retirada repentina de una serie de columnas, en tres escenarios de ensayo diferentes. Los resultados preliminares de que se dispone (Makoond et al. 2021) indican que, con adecuados detalles constructivos, las estructuras prefabricadas aportan la robustez suficiente para evitar la propagación de fallos locales-iniciales. De este modo, es posible construir edificios con elementos prefabricados que sean seguros ante situaciones extremas (Fig. 5).

Simulación computacional de fallo de diversas columnas en un edificio con estructura prefabricada
Figura 5.
  1. Puentes de acero en celosía

Los puentes metálicos en celosía son especialmente sensibles al colapso progresivo. Esto significa que un fallo local se puede propagar al resto del puente, con consecuencias catastróficas. En Building Resilient y en la empresa spin-off de Calsens estamos investigando el modo en que se activan caminos de carga alternativos tras fallos locales-iniciales en este tipo de puentes. Para ello, hemos contado con la financiación de FGV (Ferrocarrils de la Generalitat Valenciana) y de la UTE formada por las empresas FCC, Convensa y CHM. Actualmente recibimos financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación.

El trabajo llevado a cabo ha incluido el ensayo en laboratorio de un tramo de puente de ferrocarril de 21 m de longitud (Fig. 6), sobre el cual se han eliminado una serie de barras con el fin de evaluar la posible propagación del daño (Buitrago et al. 2021). Esta campaña experimental ha permitido evaluar la robustez del puente y definir pautas de monitorización para localizar potenciales fallos locales que se puedan propagar, así como definir árboles de fallo para evaluar la seguridad de puentes de acero históricos (Sangiorgio et al. 2022). El trabajo actual lo llevamos a cabo con simulaciones computacionales, en las cuales analizamos diferentes escenarios de fallo y su posible propagación al resto del puente (Fig. 7). El conocimiento adquirido lo estamos aplicando a tres puentes reales de ferrocarril, que están ampliamente monitorizados y controlados a tiempo real las 24 horas del día (Adam et al. 2021).

Figura 6. Vano de puente de ferrocarril en los laboratorios del ICITECH.
Figura 7. Simulación computacional de un fallo local en un puente de acero en celosía
  1. Proyecto Endure

Los códigos actuales de diseño de edificios se basan en dotar a las estructuras de un alto grado de continuidad. De este modo, cuando falla un elemento, su carga se podrá redistribuir entre el resto de elementos de la estructura. Aunque esta filosofía de diseño ha sido efectiva en muchas ocasiones, existen ciertos escenarios en que no lo es, llegando incluso a incrementar el riesgo de colapso progresivo (Adam et al. 2019). Por lo tanto, se precisa definir nuevos paradigmas con que superar las limitaciones de los códigos actuales de diseño.

Figura 8. Esquema de un edificio-probeta a ensayar en el marco de Endure

El objetivo del proyecto Endure es desarrollar una nueva filosofía de diseño de edificios basada en la segmentación con fusibles, con el fin de evitar la propagación de fallos. Con esta nueva filosofía se pretende proteger los edificios frente al colapso progresivo, conectando diferentes segmentos de un edificio mediante fusibles estructurales. Estos fusibles darán continuidad a la estructura ante las situaciones expresadas en los códigos actuales de diseño, separando los diferentes segmentos en situaciones excepcionales en las que los códigos de diseño no son eficaces y la propagación de un fallo es inevitable. Este proyecto, que ha sido financiado por el Consejo Europeo de Investigación (European Research Council) con 2,5 millones de euros, conllevará: 1) el desarrollo teórico de la nueva filosofía de diseño, 2) el diseño y fabricación de fusibles, y 3) la implementación y validación de la nueva filosofía en dos edificios reales (Fig. 8).

Conclusiones

Uno de los retos sociales actuales está en conseguir infraestructuras y edificios resilientes, que sean capaces de recuperarse tras situaciones extremas o anormales. Estas situaciones suelen provocar daños locales-iniciales en los elementos críticos de puentes y edificios, que pueden desencadenar en colapsos progresivos. Conseguir sociedades resilientes pasa por que sus edificios y puentes también lo sean. Por tanto, un aspecto clave es prevenir la ocurrencia de colapsos progresivos.

En este artículo se han mostrado los trabajos que se vienen llevando a cabo en el instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València en el marco del colapso progresivo y robustez de edificios y puentes. Estos trabajos están dando sus frutos al conseguir una mejor comprensión de los caminos de carga alternativos que se activan ante fallos locales-iniciales en edificios y puentes. Con ello, se están definiendo: 1) dispositivos que evitan la propagación de fallos en cimbras; 2) pautas de diseño simplificado de edificios robustos con forjados de losa maciza de hormigón in situ; 3) detalles constructivos para que los edificios resueltos con elementos prefabricados sea robustos; 4) pautas de monitorización para puentes metálicos en celosía que detecten la potencial propagación de fallos locales; y 5) una nueva filosofía de diseño de edificios que compense las limitaciones de los códigos actuales.

 

Agradecimientos

El trabajo presentado en este artículo es fruto de la dedicación e ilusión de muchas personas, mereciendo un agradecimiento especial: Manuel Buitrago, Pedro A. Calderón, Juan J. Moragues, Elisa Bertolesi y Nirvan Makoond.

Estos trabajos no hubieran dado sus frutos sin la financiación y ayuda recibidas por: FGV (Ferrocarrils de la Generalitat Valenciana), Calsens, Ministerio de Ciencia e Innovación, Generalitat Valenciana, Ministerio de Educación y Formación Profesional, Fundación BBVA, European Research Council, LIC – Levantina, Ingeniería y Construcción, y Encofrados Alsina.

Referencias

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2

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3

Carper, K.L. (1987). “Structural failures during construction.” Journal of Performance of Constructed Facilities, 1, 132-144.

4

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5

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6

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7

Buitrago, M., Calderón, P.A., Moragues, J.J., Alvarado, Y.A., Adam, J.M. (2021). “Load limiters on temporary shoring structures: tests on a full-scale building structure under construction”. Journal of Structural Engineering, 147(3), 04020345.

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Adam, J.M., Buitrago, M., Bertolesi, E., Sagaseta, J., Moragues, J.J. (2020). “Dynamic performance of a real-scale reinforced concrete building test under a corner-column failure scenario”. Engineering Structures, 210, 110414.

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Garzón-Roca, J., Sagaseta, J., Buitrago, M., Adam, J.M. (2021). “Dynamic punching assessment of edge columns after sudden corner column removal”. ACI Structural Journal, 2021, 118(2), 299–311.

11

Buitrago, M., Bertolesi, E., Sagaseta, J., Calderón, P.A., Adam, J.M. (2021). “Robustness of RC building structures with infill masonry walls: Tests on a purpose-built structure”. Engineering Structures, 226, 111384.

12

Buitrago, M., Bertolesi, E., Garzón-Roca, J., Sagaseta, J., Adam, J.M. (2020). “A parametric computational study of rc building structures under corner-column removal situations”. Applied Sciences 10(24), 1–27, 8911.

13

Makoond, N., Buitrago, M., Adam, J.M. (2021). “Progressive collapse assessment of precast reinforced concrete structures using the Applied Element Method (AEM)”. 6th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2021. Valladolid, España.

14

Buitrago, M., Bertolesi, E., Calderón, P.A., Adam, J.M. (2021). “Robustness of steel truss bridges: Laboratory testing of a full-scale 21-metre bridge span”. Structures, 29, 691–700.

15

Sangiorgio, V., Nettis, A., Uva, G., Pellegrino, F., Varum, H., Adam, J.M. (2022). “Analytical fault tree and diagnostic aids for the preservation of historical steel truss bridges”. Engineering Failure Analysis, 2022, 133, 105996.

16

Adam, J.M., Calderón, P.A., Buitrago, M., Bertolesi, E., Moragues, J.J., Ivorra, S., Torres, B. (2021). “Fatigue assessment of old riveted railway bridges: Laboratory testing of a real bridge”. 12th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, SAHC 2021. Barcelona, Spain

17

Adam, J.M., Buitrago, M., Bertolesi, E. (2019). “How to limit failure propagation in building structures: a novel design approach”. 3rd International Conference on Recent Advances in Nonlinear Design, Resilience and Rehabilitation of Structures, CoRASS 2019. Coimbra, Portugal.