Tesis:
Assessment of the lateral vibration serviceability limit state of slender footbridges including the postlock-in behaviour
- Autor: GARCÍA CUEVAS, Rocío
- Título: Assessment of the lateral vibration serviceability limit state of slender footbridges including the postlock-in behaviour
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69592/
- Director/a 1º: MUÑOZ DÍAZ, Iván
- Director/a 2º: MARTINEZ CUTILLAS, Francisco
- Resumen: The lateral vibrations of slender footbridges caused by walking pedestrians have been the subject of many studies over the last few decades. However, despite the large amount of research, a common design guidance has not been set yet. The phenomenon of experiencing excessive lateral accelerations (generally known as the lock-in effect) occurs in low-damped structures with natural frequencies in the range 0.4–1.3 Hz when the number of pedestrians on the footbridge is above a certain “critical number”. The lock-in behaviour is characterised by a sudden increase in the amplitude of vibrations, usually associated with resonant loads but that can also be explained by the phenomenon of interaction between pedestrians and the structure. Pedestrians are biomechanical systems that generate ground reaction forces while walking, due to the acceleration or deceleration of their centre of mass. The lateral force is the consequence of the action of keeping the body balance during walking and can be affected by the ground stability. As people perceive the floor vibration, they modify their gait in order to avoid losing balance. People interact with the structure, generating the auto-induced force in the natural frequency of the footbridge, with independence of the pedestrian frequency. This phenomenon, known as human-structure interaction (HSI), is widely accepted as the main cause of the sudden onset of high amplitudes of vibration. However, the current design recommendations do not include an expression for the auto-induced component of the pedestrian action and, as a consequence, it is not possible to evaluate the footbridge comfort once the lock-in effect has developed. Hence, the main purpose of this Thesis is to propose an easy-to-apply but general formulation, useful for practical engineering applications, to evaluate the lateral vibration serviceability limit state of slender footbridges, even when the crowd density exceeds the “critical number” (postlock-in behaviour). The key finding of the study is that the proposed method, based on the frequency domain analysis, allows expressing the response due to the auto-induced component of the pedestrian load in terms of amplification ratio of the response with no interaction. The ratio only depends on the dynamic properties of the structure, making it very simple to estimate the dynamic response and the structural damping required for any possible pedestrian traffic scenario, as well as to analyse the footbridge sensitivity to the HSI phenomenon. The performance of the method is successfully verified by simulations of the numerical response of real footbridges, as its predictions are in good agreement with the experimental data recorded. Furthermore, the method predicts well the lock-in point and estimates the response after HSI develops. Additionally, the lateral response of the structures is also verified by using the methodologies found in the current state-of-art. Moreover, as mentioned earlier, the structural dynamic response depends on the modal parameters of the structure, the natural frequency and the damping ratio. Since footbridges are subject to environmental and operational changes, these parameters may not have a fixed value during the footbridge overall life cycle; they are stochastic variables, since it is not possible to assign them a value without a level of uncertainty and variability. Hence, the lateral response is also evaluated under uncertain conditions by using the proposed method. The consideration of these uncertainties is done with a probabilistic approach and a fuzzy approach (possibility theory). In both cases, the proposed method, results to be very useful for highlighting the impact of environmental and operational changes on the lateral response of footbridges, which represents an important advantage over most current design guidelines. Finally, in order to provide further confirmation of the proposed method, the Thesis includes the experimental lateral vibration assessment of two in-service footbridges: La Paz footbridge (Madrid) and Zuheros footbridge (Córdoba). The results of the full-scale crowd pedestrian test performed in Zuheros footbridge (June 2021), are used for the experimental validation of the proposed method, and in addition, to verify the HSI phenomenon. ----------RESUMEN---------- La evaluación del estado límite de servicio de vibraciones laterales en pasarelas peatonales ha sido objeto de intenso estudio durante las últimas décadas. Sin embargo, todavía no se ha alcanzado un consenso en este campo que permita establecer criterios generales de diseño. El desencadenamiento de un incremento rápido y elevado de la amplitud de vibración lateral (también conocido como efecto “lock-in”), sucede en pasarelas poco amortiguadas con frecuencias naturales en el intervalo 0.4–1.3 Hz, cuando el número de peatones que circula por la pasarela excede un “número crítico”. Este fenómeno se asocia normalmente a cargas resonantes, pero en el caso particular de las estructuras peatonales, también puede explicarse por el fenómeno de interacción entre peatón y estructura. Los peatones son sistemas biomecánicos que ejercen una fuerza de reacción contra el suelo al caminar debido a la aceleración o deceleración de su centro de masa. En concreto, la acción lateral se genera al intentar mantener el equilibrio al caminar, y por tanto está afectada por la estabilidad del tablero. Cuando los peatones perciben la vibración lateral, modifican su paso para mantener el equilibrio e interactúan con la estructura, generando la componente autoinducida de la acción del peatón. Este fenómeno de interacción peatón-estructura se considera, en la mayoría de la literatura científica, como la causa principal del efecto “lock-in”. Sin embargo, las recomendaciones de diseño de pasarelas, no incluyen una expresión de la acción lateral autoinducida que permita evaluar el nivel de confort de la estructura en situaciones de carga superiores al número crítico. Por tanto, el objetivo principal de esta Tesis es proponer una formulación general, pero a la vez sencilla de aplicar, que permita evaluar el estado límite de servicio de vibraciones laterales en pasarelas peatonales, incluyendo las situaciones de tráfico por encima del “número crítico” (situación de “postlock-in”). La principal aportación del estudio es que el método propuesto, que utiliza el dominio de la frecuencia como herramienta de análisis, permite calcular la respuesta debida a la componente autoinducida de la acción del peatón simplemente multiplicando la respuesta sin considerar la interacción peatón-estructura por un coeficiente de amplificación. Dicho coeficiente solo depende de las propiedades dinámicas de la estructura, resultando sencillo evaluar la respuesta en cualquier situación de tráfico, así como determinar el amortiguamiento necesario para mejorar el confort de la pasarela. El método propuesto, se valida mediante simulaciones de la respuesta numérica de varias pasarelas en servicio. Las predicciones del método se comparan con la respuesta medida en ensayos a escala real realizados en estas pasarelas, que están documentados en la literatura científica. El método predice con suficiente exactitud el número crítico de peatones, y estima adecuadamente la respuesta para tráfico por encima del número crítico. Asimismo, el método se valida utilizando las metodologías desarrolladas en el estado del arte, tanto para el análisis de la fase de “prelock-in” como para analizar la situación de” postlock-in”. Adicionalmente, y como extensión del alcance de la Tesis, se estudia la incertidumbre asociada a las propiedades dinámicas de la estructura (frecuencia propia y amortiguamiento), las cuales, como se ha explicado antes, determinan directamente la respuesta de la estructura. Estas propiedades no tienen un valor fijo, sino que cambian a lo largo de la vida útil de una estructura debido a factores medioambientales y operacionales. Así, la respuesta lateral de las pasarelas analizadas, se evalúa considerando la incertidumbre asociada a la frecuencia propia y al amortiguamiento. La incertidumbre se trata utilizando la teoría de la probabilidad y la teoría de la posibilidad (conjuntos difusos). En ambos casos el método propuesto en la Tesis resulta eficiente para resaltar la influencia de los factores medioambientales y operacionales en la respuesta. Finalmente, con objeto de obtener mayor confirmación de la metodología de cálculo propuesta, la Tesis incluye la evaluación experimental de dos pasarelas en servicio: La Paz (Madrid) y Zuheros (Córdoba). En la Pasarela de Zuheros se ha realizado un ensayo con alta densidad de tráfico en junio de 2021. Los resultados del ensayo sirven para validar experimentalmente el método de evaluación propuesto en la Tesis. Además, los resultados obtenidos en la Pasarela de Zuheros, verifican el fenómeno de interacción peatón-estructura, clave de la propuesta metodológica desarrollada.