¿Cómo están los puentes? Revelamos el secreto de su resistencia

Cuando circulamos nuestras formas o ferrocarriles, a menudo cruzamos puentes que ahorran obstáculos naturales o cruzan otros canales de comunicación. Algunos de ellos son agridaciones de metal: estructuras en las que una serie de barras de acero se unen a otra formación de células triangulares. Estos puentes eran comunes a principios del siglo XX, tanto en el camino como en las redes de redes ferroviarias. Y no solo que aquellos que han sido conservados o continuados en el servicio, sino que continuaron construyendo hasta el día de hoy.

Desafortunadamente, de vez en cuando recibimos noticias del colapso de algunos puentes de este tipo. Una carretera repentina del Puente Hunding I-35 en el río Mississippi en 2007. Y es más en 2024. Año en 2024. Año, el colapso del puente escocés Francis en Baltimore de la influencia del barco fue desafortunadamente conocido. En otros casos, se descubrió daños en algunos de sus elementos que no han progresado y han dado tiempo para tomar medidas para evitar accidentes.

Drapple de Francis Scott Key Bridge, en Baltimore, EE. UU.

¿Por qué algunos puentes fallan catastróficos y otros? Esta es una pregunta que motiva los artículos publicados hoy e investigadores de la Universidad de Valencia y la Universidad de Vigou publicados hoy en el Journal of Nature. Después de un intenso trabajo triple, que incluye pruebas de laboratorio en una escala y simulaciones de computadoras masivas, logramos responder.

En la construcción, los mecanismos resistentes después de la falla inicial son bien conocidos, porque están sujetos a investigaciones durante décadas. No sucede en los puentes en Celaosia, cuyos mecanismos secundarios resistentes apenas han llegado hasta ahora.

Carreteras de carga alternativas

Sabemos que, cuando ocurre la falla local (por ejemplo, la falla de la unión entre los bares), los esfuerzos resistidos por los elementos estructurales se redistribuyen para adaptarse a la nueva situación. Graphographicalmente, las cargas externas tienen una ruta alternativa dentro de la estructura para alcanzar el soporte.

Hay varias rutas posibles en el puente en la parrilla, debido a la configuración de la estructura en sí. La forma de resistir las cargas externas puede ser completamente diferente del planeado en el diseño inicial y es una que determinará si la estructura puede resistir o no después del daño.

Analogía web de araña

Como la ciencia ha demostrado 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 la araña, cuyas conclusiones mostraron paralelos con los resultados de nuestro trabajo. Al analizarlo, notamos similitudes sorprendentemente entre arañas y puentes de celos.

Ambas estructuras forman elementos lineales y los caracterizan significativamente excedente, en el que el impacto de la falla depende de la función para realizar el hilo o el elemento afectado en la estructura.

Gracias a estas características, incluso por una falla crítica de conflicto, la capacidad extraordinaria para redistribuir tarifas puede evitar colapsos y mantener niveles de resistencia cercanos (o superiores, en el caso de las telarañas) a esas estructuras intactas. Estas similitudes muestran cómo la naturaleza ofrece soluciones que la ingeniería continúa mejorando.

Ensayos y simulaciones

Para revelar mecanismos resistentes secundarios, actuamos en dos frentes. En primer lugar, a través de pruebas de laboratorio en la escala del Modelo 1: 3.5, nueve escenarios característicos de puentes y cargas de red metálica aplicadas al pasaje de conducción. Además, se ha instalado un amplio sistema de monitoreo que permitió la detección precisa de variaciones en la respuesta del puente.

Los investigadores de ILITH UPV interpretan las estructuras del puente para experimentos de laboratorio. José M. Adam.

De esta manera, notamos que la respuesta varió debido a la pérdida de sus elementos y, por lo tanto, podríamos comenzar a comprender cómo se manifestaron los mecanismos resistentes latentes. También estudiamos cómo se está expandiendo la falla, aumentando la carga en los últimos escenarios al colapso de la estructura.

Por otro lado, un programa integral de simulación de computadora (le permite analizar el puente de respuesta estructural, bajo la carga de trabajo de capacitación, antes de no identificar los patrones de comportamiento y el complemento de la información obtenida en una campaña experimental.

Investigadores de Ilith UPV en sus experimentos con una estructura del puente en el laboratorio. José M. Adam.

Finalmente, se hicieron diez simulaciones más en las que se aplicó la carga incremental hasta que se causa el colapso total de la estructura. El objetivo era comprender la redistribución de los esfuerzos y los roles en una profundidad mayor, que cada elemento juega en la robustez del set.

¿Qué aprendimos?

Después del análisis de datos y simulaciones experimentales, sabemos que la falla del elemento del puente en la cuadrícula puede desencadenar una combinación de hasta seis mecanismos resistentes secundarios que redistribuyen las cargas de estructura. Esto puede ser clave para evitar el colapso. Los mecanismos involucrados y su interacción depende de qué elemento no tenga éxito inicialmente.

También analizamos el avance del juicio fuera de la redistribución inicial y demostramos que la red dañada puede tener capacidades restantes significativamente más altas de lo esperado para cargar el diseño.

Esperamos que estos hallazgos puedan verse afectados por las antiguas estructuras de este tipo de renovado y reparado, así como en el diseño de nuevos puentes, para aumentar la seguridad del uso, ampliar su vida útil y reducir el riesgo de colapso.