Evaluación de la robustez en puentes de celosía metálica para localizar y anticipar fallos locales y evitar colapsos progresivos

[ES] Las redes de transporte terrestre constituyen uno de los principales pilares de la sociedad, siendo esenciales para su funcionamiento social y económico. En este contexto, la resiliencia de sus infraestructuras resulta clave frente a adversidades y eventos extremos. Entre sus elementos más críticos se encuentran los puentes, cuya vulnerabilidad aumenta con el tiempo debido a procesos de deterioro, incrementos en las cargas de servicio y cambios en las condiciones operacionales. La aparición de fallos locales puede desencadenar fenómenos de colapso progresivo; sin embargo, en numerosos casos, dichos fallos no conducen a la pérdida global de la estructura. Esta observación plantea la necesidad de comprender los mecanismos resistentes latentes que permiten a los puentes de celosía metálica resistir la pérdida local de cualquiera de sus componentes sin desencadenar un colapso progresivo. La construcción del estado del arte sobre colapsos y robustez estructural en puentes permitió identificar un vacío relativo a la caracterización sistemática de estos mecanismos en puentes de celosía metálica. Mientras que en edificios esta línea de investigación ha derivado en reglas prescriptivas y metodologías de diseño consolidadas, en puentes el desarrollo es aún limitado y carece de evidencia experimental sistemática. La presente tesis doctoral aborda esta brecha mediante la evaluación exhaustiva de la robustez estructural de un puente de celosía metálica representativo, tomando como eje central un estudio experimental a gran escala. El modelo experimental fue diseñado aplicando la teoría de similitud apoyada en el análisis dimensional, garantizando la reproducción fiable del comportamiento estructural y de los procesos de redistribución de cargas. Se ensayó un amplio conjunto de escenarios de fallo correspondientes a la pérdida de elementos pertenecientes a distintos niveles estructurales, bajo configuraciones de carga equivalentes a las del puente real. La respuesta estructural se registró mediante un plan de monitorización extensivo, permitiendo analizar, a nivel de elemento, funcionalidad estructural y sistema global, la activación de caminos alternativos de carga (ALP) y el desarrollo de mecanismos resistentes. El modelo fue además llevado hasta el fallo global mediante carga incremental para estudiar su comportamiento en régimen no lineal. Los resultados experimentales se complementaron con simulaciones computacionales e interpretaciones analíticas fundamentadas en la mecánica estructural, posibilitando un estudio sistemático de todos los escenarios de fallo de componentes individuales y su influencia en la respuesta estructural. Como principal contribución, se identificaron y caracterizaron seis mecanismos resistentes latentes que describen la respuesta estructural del puente frente a distintos escenarios de fallo y explican su capacidad para evitar el colapso progresivo bajo determinadas condiciones. Los hallazgos constituyen una aportación a la comprensión fundamental del comportamiento estructural ante fallos locales en puentes de celosía metálica y establecen una base conceptual y metodológica para la evaluación de su robustez estructural. La caracterización sistemática de estos mecanismos proporciona criterios técnicos que pueden servir de referencia para el desarrollo futuro de metodologías de diseño, evaluación y monitorización orientadas a mejorar la seguridad y resiliencia de estas infraestructuras.

[EN] Terrestrial transport networks constitute one of the main pillars of society, being essential for its social and economic functioning. In this context, the resilience of their infrastructures is key in the face of adversities and extreme events. Among their most critical elements are bridges, whose vulnerability increases over time due to deterioration processes, increases in service loads, and changes in operational conditions. The occurrence of local failures may trigger progressive collapse phenomena; however, in numerous cases, such failures do not lead to the global loss of the structure. This observation raises the need to understand the latent resisting mechanisms that enable steel truss bridges to withstand the local loss of any of their components without triggering progressive collapse. The development of the state of the art on collapses and structural robustness in bridges made it possible to identify a gap regarding the systematic characterization of these mechanisms in steel truss bridges. While in buildings this line of research has led to prescriptive rules and consolidated design methodologies, in bridges development remains limited and lacks systematic experimental evidence. This doctoral thesis addresses this gap through the comprehensive evaluation of the structural robustness of a representative steel truss bridge, taking as its central axis a large-scale experimental study. The experimental model was designed by applying similarity theory supported by dimensional analysis, ensuring reliable reproduction of structural behavior and load redistribution processes. A wide set of failure scenarios corresponding to the loss of elements belonging to different structural levels was tested under loading configurations equivalent to those of the real bridge. The structural response was recorded through an extensive monitoring plan, allowing analysis¿at the element level, structural functionality level, and global system level¿of the activation of alternate load paths (ALP) and the development of resisting mechanisms. The model was also taken to global failure through incremental loading to study its behavior in the nonlinear regime. The experimental results were complemented by computational simulations and analytical interpretations grounded in structural mechanics, enabling a systematic study of all individual component failure scenarios and their influence on the structural response. As the main contribution, six latent resisting mechanisms were identified and characterized, describing the structural response of the bridge under different failure scenarios and explaining its capacity to prevent progressive collapse under certain conditions. The findings constitute a contribution to the fundamental understanding of structural behavior under local failures in steel truss bridges and establish a conceptual and methodological basis for the assessment of their structural robustness. The systematic characterization of these mechanisms provides technical criteria that may serve as a reference for the future development of design, assessment, and monitoring methodologies aimed at improving the safety and resilience of these infrastructures.

[CA] Les xarxes de transport terrestre constitueixen un dels principals pilars de la societat, essent essencials per al seu funcionament social i econòmic. En aquest context, la resiliència de les seues infraestructures resulta clau davant adversitats i esdeveniments extrems. Entre els seus elements més crítics es troben els ponts, la vulnerabilitat dels quals augmenta amb el temps a causa de processos de deteriorament, increments en les càrregues de servei i canvis en les condicions operacionals. L'aparició de fallades locals pot desencadenar fenòmens de col·lapse progressiu; no obstant això, en nombrosos casos, aquestes fallades no condueixen a la pèrdua global de l'estructura. Aquesta observació planteja la necessitat de comprendre els mecanismes resistents latents que permeten als ponts de gelosia metàl·lica resistir la pèrdua local de qualsevol dels seus components sense desencadenar un col·lapse progressiu. La construcció de l'estat de l'art sobre col·lapses i robustesa estructural en ponts va permetre identificar un buit relatiu a la caracterització sistemàtica d'aquests mecanismes en ponts de gelosia metàl·lica. Mentre que en edificis aquesta línia d'investigació ha derivat en regles prescriptives i metodologies de disseny consolidades, en ponts el desenvolupament és encara limitat i manca d'evidència experimental sistemàtica. La present tesi doctoral aborda aquesta bretxa mitjançant l'avaluació exhaustiva de la robustesa estructural d'un pont de gelosia metàl·lica representatiu, prenent com a eix central un estudi experimental a gran escala. El model experimental va ser dissenyat aplicant la teoria de la similitud recolzada en l'anàlisi dimensional, garantint la reproducció fiable del comportament estructural i dels processos de redistribució de càrregues. Es va assajar un ampli conjunt d'escenaris de fallada corresponents a la pèrdua d'elements pertanyents a diferents nivells estructurals, sota configuracions de càrrega equivalents a les del pont real. La resposta estructural es va registrar mitjançant un pla de monitoratge extensiu, permetent analitzar, a nivell d'element, funcionalitat estructural i sistema global, l'activació de camins alternatius de càrrega (ALP) i el desenvolupament de mecanismes resistents. El model va ser a més portat fins a la fallada global mitjançant càrrega incremental per a estudiar el seu comportament en règim no lineal. Els resultats experimentals es van complementar amb simulacions computacionals i interpretacions analítiques fonamentades en la mecànica estructural, possibilitant un estudi sistemàtic de tots els escenaris de fallada de components individuals i la seua influència en la resposta estructural. Com a principal contribució, es van identificar i caracteritzar sis mecanismes resistents latents que descriuen la resposta estructural del pont davant diferents escenaris de fallada i expliquen la seua capacitat per a evitar el col·lapse progressiu sota determinades condicions. Les troballes constitueixen una aportació a la comprensió fonamental del comportament estructural davant fallades locals en ponts de gelosia metàl·lica i estableixen una base conceptual i metodològica per a l'avaluació de la seua robustesa estructural. La caracterització sistemàtica d'aquests mecanismes proporciona criteris tècnics que poden servir de referència per al desenvolupament futur de metodologies de disseny, avaluació i monitoratge orientades a millorar la seguretat i resiliència d'aquestes infraestructures.