Segmentación con fusibles para evitar la propagación de fallos en estructuras de edificios de hormigón armado

[ES] El incremento de los eventos extremos y la creciente vulnerabilidad del entorno construido han evidenciado la necesidad de desarrollar estrategias de diseño estructural orientadas a mejorar la robustez y la resiliencia de los edificios. En este contexto, las estructuras de hormigón armado ejecutadas in situ ofrecen ventajas significativas debido a su elevada continuidad estructural y a su capacidad de redistribución de esfuerzos. Sin embargo, esta misma continuidad puede favorecer la propagación del daño ante fallos locales severos, lo que genera escenarios de colapso progresivo. El análisis de colapsos históricos y de la literatura científica evidencia que los enfoques tradicionales de diseño se han centrado principalmente en maximizar la continuidad estructural mediante mecanismos de redistribución de cargas, como el enfoque de caminos de carga alternativos. No obstante, diversos estudios muestran que una continuidad excesiva puede facilitar la propagación del daño a lo largo del sistema estructural. Esta dualidad ha puesto de manifiesto la necesidad de explorar estrategias que combinen continuidad estructural con mecanismos de segmentación controlada. En este marco conceptual, surge la incorporación de fusibles estructurales como estrategia innovadora para controlar el colapso progresivo. Estos dispositivos se diseñan para activarse únicamente en escenarios extremos, introduciendo una jerarquía resistente que prioriza la protección de elementos críticos, como las columnas, mientras permite reducir la demanda mediante fallos controlados en elementos secundarios. De este modo, se establece un mecanismo de control del daño que compatibiliza la continuidad estructural en condiciones normales con la segmentación del sistema en situaciones críticas. Para materializar esta estrategia, se desarrolló un sistema de limitadores de fuerza basado en la modificación de los acopladores de barras de armado, lo que permite ajustar con precisión su capacidad resistente y controlar el momento de activación del fusible. Esta solución mantiene la compatibilidad con las técnicas constructivas convencionales, lo que facilita su implementación práctica en estructuras de hormigón armado ejecutadas in situ. Los ensayos experimentales confirmaron la viabilidad del dispositivo y su capacidad para actuar como elemento de control en la transferencia de esfuerzos. Finalmente, mediante una combinación de simulación numérica y ensayos experimentales en subestructuras representativas, se validó el comportamiento global del sistema estructural equipado con fusibles. Los resultados demuestran que, bajo condiciones adecuadas de rigidez global, los fusibles concentran las deformaciones y limitan la transmisión de esfuerzos a los elementos principales, lo que contribuye a interrumpir la propagación del colapso. En conjunto, esta investigación confirma que la implementación estratégica de fusibles estructurales constituye una herramienta eficaz para mejorar la robustez y controlar el mecanismo de colapso progresivo en edificios de hormigón armado.

[EN] The increasing frequency of extreme events and the growing vulnerability of the built environment have highlighted the need to develop structural design strategies to improve the robustness and resilience of buildings. In this context, cast-in-place reinforced concrete structures offer significant advantages due to their high structural continuity and load redistribution capacity. However, this same continuity may facilitate the propagation of damage under severe local failures, potentially leading to progressive collapse. The analysis of historical collapses and the scientific literature shows that traditional design approaches have mainly focused on maximising structural continuity through load redistribution mechanisms, such as the alternate load path approach. Nevertheless, several studies indicate that excessive continuity may also facilitate the propagation of damage throughout the structural system. This duality underscores the need to explore strategies that combine structural continuity with controlled segmentation. Within this conceptual framework, the incorporation of structural fuses emerges as an innovative strategy for controlling progressive collapse. These devices are designed to activate only under extreme scenarios, introducing a resistance hierarchy that prioritises the protection of critical elements, such as columns, while reducing demand through controlled failures in secondary elements. In this way, a damage-control mechanism is established that reconciles structural continuity under normal conditions with system segmentation under critical situations. To implement this strategy, a force-limiting system was developed by modifying reinforcing bar couplers, allowing their resistance to be precisely adjusted and enabling control over the activation of the structural fuse. This solution remains compatible with conventional construction techniques, facilitating its practical implementation in cast-in-place reinforced concrete structures. Experimental tests confirmed the device's feasibility and its ability to act as a control element in force transfer. Finally, through a combination of numerical simulations and experimental tests on representative substructures, the global behaviour of the structural system equipped with fuses was validated. The results demonstrate that, under adequate global stiffness conditions, the fuses concentrate deformations and limit the transmission of forces to the primary structural elements, thereby contributing to interrupting collapse propagation. Overall, this research confirms that the strategic implementation of structural fuses constitutes an effective approach to improving robustness and controlling progressive collapse mechanisms in reinforced concrete buildings.

[CA] El increment dels esdeveniments extrems i la creixent vulnerabilitat de l'entorn construït han evidenciat la necessitat de desenvolupar estratègies de disseny estructural orientades a millorar la robustesa i la resiliència dels edificis. En aquest context, les estructures de formigó armat executades in situ ofereixen avantatges significatius a causa de la seua elevada continuïtat estructural i de la seua capacitat de redistribució d'esforços. No obstant això, aquesta mateixa continuïtat pot afavorir la propagació del dany davant fallades locals severes, la qual cosa pot generar escenaris de col·lapse progressiu. L'anàlisi de col·lapses històrics i de la literatura científica evidencia que els enfocaments tradicionals de disseny s'han centrat principalment a maximitzar la continuïtat estructural mitjançant mecanismes de redistribució de càrregues, com l'enfocament de camins alternatius de càrrega. Tanmateix, diversos estudis mostren que una continuïtat excessiva pot facilitar la propagació del dany al llarg del sistema estructural. Aquesta dualitat ha posat de manifest la necessitat d'explorar estratègies que combinen la continuïtat estructural amb mecanismes de segmentació controlada. En aquest marc conceptual, la incorporació de fusibles estructurals apareix com una estratègia innovadora per a controlar el col·lapse progressiu. Aquests dispositius estan dissenyats per activar-se únicament en escenaris extrems, introduint una jerarquia resistent que prioritza la protecció d'elements crítics, com ara les columnes, mentre permet reduir la demanda mitjançant fallades controlades en elements secundaris. D'aquesta manera, s'estableix un mecanisme de control del dany que compatibilitza la continuïtat estructural en condicions normals amb la segmentació del sistema en situacions crítiques. Per a materialitzar aquesta estratègia, es va desenvolupar un sistema de limitadors de força basat en la modificació dels acobladors de barres d'armat, cosa que permet ajustar amb precisió la seua capacitat resistent i controlar el moment d'activació del fusible. Aquesta solució manté la compatibilitat amb les tècniques constructives convencionals, fet que facilita la seua implementació pràctica en estructures de formigó armat executades in situ. Els assaigs experimentals van confirmar la viabilitat del dispositiu i la seua capacitat per actuar com a element de control en la transferència d'esforços. Finalment, mitjançant una combinació de simulació numèrica i assaigs experimentals en subestructures representatives, es va validar el comportament global del sistema estructural equipat amb fusibles. Els resultats demostren que, sota condicions adequades de rigidesa global, els fusibles concentren les deformacions i limiten la transmissió d'esforços cap als elements principals, cosa que contribueix a interrompre la propagació del col·lapse. En conjunt, aquesta investigació confirma que la implementació estratègica de fusibles estructurals constitueix una eina eficaç per a millorar la robustesa i controlar el mecanisme de col·lapse progressiu en edificis de formigó armat.