Análise da resposta dinâmica de passarelas de pedestres considerando-se uma modelagem probabilística do caminhar humano.

Passarelas de pedestres com arquitetura moderna, esbeltas e leves são uma constante nos dias atuais, apresentando grandes vãos e novos materiais. Este arrojo arquitetônico tem gerado inúmeros problemas de vibrações excessivas, especialmente sobre passarelas mistas (aço-concreto). As normas e recomendações de projeto consideram, ainda, que as forças induzidas pelo caminhar humano são determinísticas. Todavia, o caminhar humano e as respectivas forças dinâmicas geradas apresentam comportamento randômico. Deste modo, o presente trabalho de pesquisa objetiva contribuir com os projetistas estruturais, a partir do emprego de uma abordagem probabilística para avaliação do estado limite de utilização deste tipo de estrutura, associado a vibrações excessivas que podem vir a causar desconforto humano. Para tal, utiliza-se como modelo estrutural uma passarela de pedestres mista (aço-concreto) construída no campus do Instituto de Traumatologia e Ortopedia (INTO), na cidade do Rio de Janeiro. Com base na utilização dos métodos probabilísticos, torna-se possível determinar a probabilidade dos valores das acelerações de pico da estrutura ultrapassarem ou não os critérios de conforto humano estabelecidos em normas e recomendações de projeto. Os resultados apontam para o fato de que os valores das acelerações de pico calculadas com base exclusivamente nos métodos determinísticos podem ser superestimados em algumas situações de projeto.

Análise dinâmica e controle de vibrações de passarelas de pedestres submetidas ao caminhar humano.

Passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) e de aço são frequentemente submetidas a ações dinâmicas de magnitude variável, devido à travessia de pedestres sobre a laje de concreto. Estas ações dinâmicas podem produzir vibrações excessivas e dependendo de sua magnitude e intensidade, estes efeitos adversos podem comprometer a confiabilidade e a resposta do sistema estrutural e, também, podem levar a uma redução da expectativa de vida útil da passarela. Por outro lado, a experiência e o conhecimento dos engenheiros estruturais em conjunto com o uso de novos materiais e tecnologias construtivas têm produzido projetos de passarelas mistas (aço-concreto) bastante arrojados. Uma consequência direta desta tendência de projeto é um aumento considerável das vibrações estruturais. Com base neste cenário, esta dissertação visa investigar o comportamento dinâmico de três passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) localizadas no Rio de Janeiro, submetidas ao caminhar humano. Estes sistemas estruturais são constituídos por uma estrutura principal de aço e laje em concreto e são destinados à travessia de pedestres. Deste modo, foram desenvolvidos modelos numérico-computacionais, adotando-se as técnicas tradicionais de refinamento presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no uso do software ANSYS. Estes modelos numéricos permitiram uma completa avaliação dinâmica das passarelas investigadas, especialmente em termos de conforto humano. As respostas dinâmicas foram obtidas em termos de acelerações de pico e comparadas com valores limites propostas por diversos autores e normas de projeto. Os valores de aceleração de pico e aceleração rms encontrados na presente investigação indicaram que as passarelas analisadas apresentaram problemas relacionados com o conforto humano. Assim sendo, considerando-se que foi detectado que estas estruturas poderiam atingir níveis elevados de vibração que possam vir a comprometer o conforto dos usuários, foi verificado que uma estratégia para o controle estrutural era necessária, a fim de reduzir as vibrações excessivas nas passarelas. Finalmente, uma investigação foi realizada com base em alternativas de controle estrutural objetivando atenuar vibrações excessivas, a partir do emprego de sistemas de atenuadores dinâmicos sintonizados (ADS).

Modelagem do caminhar humano e avaliação de conforto humano de passarelas de pedestres.

Com o passar dos anos a engenharia estrutural passou a lidar com a exigência cada vez maior de estruturas que ocupem menos espaço e sejam consideravelmente mais leves. No caso de passarelas de pedestres, a esbeltez da estrutura aliada a um baixo peso pode acarretar em problemas de vibrações devido à ressonância com o caminhar dos pedestres. Estes problemas podem variar desde uma simples sensação de desconforto até problemas mais graves como o colapso estrutural. Com base nestas premissas, esta dissertação visa investigar dois modelos estruturais, um em concreto armado e outro misto, do tipo aço concreto, onde os modelos serão estudados mediante o emprego do método dos elementos finitos através do programa ANSYS. Os modelos numéricos permitem determinar as frequências naturais da estrutura e consequentemente estudar as respostas dos modelos mediante análises de vibrações forçadas. As respostas dinâmicas da estrutura serão obtidas em termos dos valores dos deslocamentos máximos e das acelerações de pico. Os resultados obtidos foram comparados com os principais guias que regem o conforto humano no caso de caminhar de pessoas em passarelas de pedestres, de forma que houve indicativos de possíveis desconfortos após a análise dos resultados obtidos ao longo da investigação. Finalmente, foi feito um estudo considerando-se movimentos aleatórios dos pedestres sobre as passarelas, objetivando estudar os níveis da resposta dinâmica das estruturas nestas situações.

Optical fiber accelerometer system for structural dynamic monitoring

In this study, the implementation of an optical accelerometer unit based on fiber Bragg gratings, suitable to monitor structures with frequencies up to 45 Hz, is reported. The developed optical system was used to estimate the structure eigenfrequencies of a steel footbridge, with a total length of 300 m, over the Sao Pedro Creek, located at University of Aveiro Campus, in Portugal. The acceleration records measured with this solution are compared with those obtained by traditional commercial electronic devices, revealing a root-mean-square error of 2.53 x 10(-5) G.

Sensores ópticos para monitorização dinâmica de estruturas

O presente trabalho centra-se no desenvolvimento e aplicação de sensores de aceleração ópticos, baseados em redes de Bragg gravadas em fibras ópticas, para monitorização da integridade estrutural de estruturas de engenharia civil. Foram implementados dois acelerómetros uniaxiais e um acelerómetro biaxial. Recorreu-se a uma ferramenta de simulação baseada no método dos elementos finitos que permitiu optimizar, sem custos de produção, as características dos sensores, nomeadamente a sua frequência de ressonância. A caracterização dos sensores foi realizada em ambiente laboratorial e a sua resposta comparada com os resultados de simulação, de modo a validar os modelos numéricos. A aplicabilidade e demonstração de conceito foram realizadas na monitorização de estruturas com testes de campo. Foi monitorizado um teste destrutivo de uma parede de adobe, construída à escala real no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro, onde foram utilizados sensores estáticos e dinâmicos baseados em redes de Bragg gravadas em fibra óptica. Foram realizadas medidas dinâmicas na ponte pedonal do Campus Universitário da Universidade de Aveiro, onde se compararam os resultados obtidos com os sensores ópticos com resultados de sensores electrónicos comerciais. O acelerómetro biaxial foi testado na monitorização de estruturas esbeltas, nomeadamente na monitorização de duas torres de telecomunicações móveis, onde se demonstrou a possibilidade da utilização de sensores ópticos na caracterização dinâmica deste tipo de estruturas. Outro tipo de estruturas de engenharia civil onde foi demonstrada a aplicabilidade dos sensores ópticos desenvolvidos na monitorização estrutural foram os reservatórios de água elevados. Foi realizada a monitorização dinâmica de um exemplo deste tipo de estruturas, localizado no Campus Universitário da Universidade de Aveiro. A monitorização foi realizada recorrendo ao sensor biaxial desenvolvido e a um sismógrafo, ficando o sensor óptico instalado na estrutura de modo a permitir futuras leituras e assim a monitorização periódica da estrutura. Foi ainda desenvolvido um sensor de humidade relativa do ar, com um material sol-gel, que permitiu registar o nível de humidade relativa no interior de blocos de betão, durante um ano. Este sensor pode ser incluído numa rede de sensores multiplexados, na caracterização e monitorização da integridade estrutural de certas estruturas de engenharia civil.

Operational Modal Analysis: the CEME Skywalk at UBC, Vancouver

Slender and lighter footbridges are becoming more and more popular to meet the transportation demand and the aesthetical requirements of the modern society. The widespread presence of such particular structures has become possible thanks to the availability of new, lightweight and still capable of carrying heavy loads material . Therefore, these kind of structure, are particularly sensitive to vibration serviceability problems, especially induced by human activities. As a consequence, it has been imperative to study the dynamic behaviour of such slender pedestrian bridges in order to define their modal characteristics. As an alternative to a Finite Element Analysis to find natural frequencies, damping and mode shape, a so-called Operational Modal Analysis is a valid tool to obtain these parameters through an ambient vibration test. This work provides a useful insight into the Operational Modal Analysis technique and It reports the investigation of the CEME Skywalk, a pedestrian bridge located at the University of British Columbia, in Vancouver, Canada. Furthermore, human-induced vibration tests have been performed and the dynamic characteristics derived with these tests have been compared with the ones from the ambient vibration tests. The effect of the dynamic properties of the two buildings supporting the CEME Skywalk on the dynamic behaviour of the bridge has been also investigated.

Pasarela peatonal sobre el río Ulla, provincia de Lugo (Galicia)

Se trata de un proyecto de pasarela peatonal colgante sobre el río Ulla, de aproximadamente 36 metros de luz. La especial belleza del área natural en que se situará llevó a la opción de un diseño claro y sencillo para lograr su integración en el lugar. Se busca que la pasarela pase lo más desapercibida posible y deje el protagonismo para el entorno, el río y la naturaleza misma. La difícil accesibilidad de la zona condicionó el diseño y los procedimientos constructivos a adoptar. Se optó por una tipología de pasarela colgante de cables de acero, tablero de madera de castaño y soportes de madera laminada cilíndrica, sobre unos estribos de hormigón armado parcialmente ocultos gracias a su integración en la topografía del lugar. El diseño modular del tablero, construido a base de piezas prefabricadas de madera de castaño que se ensamblan entre sí, permite el montaje en seco mediante avance del tablero sin necesidad de cimbra. Su diseño con dos capas cruzadas de entablado solidarizadas proporciona al conjunto un comportamiento estructural similar al de una placa maciza de madera. This is the project of a suspension footbridge over the Ulla River. It has a span of about 36 meters. The beauty of the natural surroundings where it is located guided the design to the option of a clear and simple proposal with the aim of achieving an integrated project for the area. The footbridge tries to be as invisible as possible with the purpose of maintaining the natural quality of the river and its surroundings. The difficult access to the area conditioned the design and the construction procedures chosen. A suspension footbridge with stainless steel cables, chestnut timber deck and cylindrical glulam piles was designed in the end. The reinforced concrete abutments are partially concealed thanks to their integration in the topography of the area. The deck is built of prefabricated chestnut timber modules that can be joined together at the construction site and can be assembled without the necessity of scaffolding over the river. The design of the deck, with two crossed layers of chestnut boards screwed down together, permits a structural behaviour similar to a solid wooden slab.

Control de vibraciones en pasarelas peatonales

En los últimos años se ha construido un gran número de pasarelas peatonales como respuesta a la demanda de nuevas vías de paso en las ciudades. Estas estructuras tienen requisitos constructivos menos exigentes en comparación con otros tipos de puentes, lo cual ha facilitado el desarrollo de diseños con nuevos esquemas resistentes, complicadas geometrías y el empleo de nuevos materiales. En general estas estructuras son esbeltas, ligeras y poco amortiguadas, lo que en ocasiones ha generado problemas de vi-braciones al paso de peatones una vez puestas en servicio. Las normativas actuales son cada vez más sensibles a esta problemática, recomendando diseños cuyas frecuencias naturales deben estar alejadas de los rangos de frecuencia de paso típicos de los peatones y fijando límites de confort en forma de valores máximos de aceleración permitidos, asegurándose así un correcto comportamiento de la estructura. En el presente artículo se analiza esta problemática desde un punto de vista práctico. Para ello se muestran los puntos clave de las normativas y guías de diseño de pasarelas que se pueden encontrar actualmente en la bibliografía, se presentan las técnicas que habitualmente se emplean en el análisis dinámico experimental de estas estructuras, y se comentan las soluciones a las que generalmente se recurre para mejorar su comportamiento dinámico. Por último, se muestran los trabajos llevados a cabo por el Centro Tecnológico CARTIF en colaboración con las Universidades de Valladolid y Castilla-La Mancha en la pasarela peatonal del Museo de la Ciencia de Valladolid. Estos trabajos incluyen: (1) el estudio dinámico de los tres vanos metálicos de dicha pasarela, (2) el diseño e implementación de un amortiguador de masa sintonizado en el vano más sensible a las vibraciones, (3) la implementación de un amortiguador de masa activo utilizando un excitador electrodinámico, y (4) el desarrollo de pruebas para la verificación del estado de servicio de la pasarela. In the last years, a wide number of footbridges have been built as demand response of more direct pathways in cities. These structures have lower building requirements as compared with standard bridges. This circumstance has facilitated the development of new structural design with complex geometries and innovative materials. As a result, these structures may be slender, light and low damped, leading to vibration problems once in service. The current codes take into account this problem, and recommend designs with natural frequencies away from the typical pedestrian pacing rates and fix comfort limits to guarantee the serviceability of the structure.This paper studies this problem from a practical point of view. Thus, the key points of codes and footbridges guidelines are showed, the typical experimental dynamic analysis techniques are presented, and the usual solutions adopted to improve the dynamic performance of these structures are discussed. Finally, the works carried out on the Valladolid Science Museum Footbridge by Centro Tecnológico CARTIF in collaboration with the Universities of Valladolid and Castilla-La Mancha are showed. These works include: (1) the dynamic study of the three steel spans of the footbridge, (2) the design and implementation of a tuned mass damper in the liveliest span, (3) the implementation of an active mass damper using an electrodynamic shaker, and (4) the development of field tests to assess the serviceability of such span.

Joint statistical analysis of multiple measurement setups for the estimation of vibrational modes

Computing the modal parameters of large structures in Operational Modal Analysis often requires to process data from multiple non simultaneously recorded setups of sensors. These setups share some sensors in common, the so-called reference sensors that are fixed for all the measurements, while the other sensors are moved from one setup to the next. One possibility is to process the setups separately what result in different modal parameter estimates for each setup. Then the reference sensors are used to merge or glue the different parts of the mode shapes to obtain global modes, while the natural frequencies and damping ratios are usually averaged. In this paper we present a state space model that can be used to process all setups at once so the global mode shapes are obtained automatically and subsequently only a value for the natural frequency and damping ratio of each mode is computed. We also present how this model can be estimated using maximum likelihood and the Expectation Maximization algorithm. We apply this technique to real data measured at a footbridge.

Uncertainties in the modal estimation from output-only data in civil structures

Cualquier estructura vibra según unas frecuencias propias definidas por sus parámetros modales (frecuencias naturales, amortiguamientos y formas modales). A través de las mediciones de la vibración en puntos clave de la estructura, los parámetros modales pueden ser estimados. En estructuras civiles, es difícil excitar una estructura de manera controlada, por lo tanto, las técnicas que implican la estimación de los parámetros modales sólo registrando su respuesta son de vital importancia para este tipo de estructuras. Esta técnica se conoce como Análisis Modal Operacional (OMA). La técnica del OMA no necesita excitar artificialmente la estructura, atendiendo únicamente a su comportamiento en servicio. La motivación para llevar a cabo pruebas de OMA surge en el campo de la Ingeniería Civil, debido a que excitar artificialmente con éxito grandes estructuras no sólo resulta difícil y costoso, sino que puede incluso dañarse la estructura. Su importancia reside en que el comportamiento global de una estructura está directamente relacionado con sus parámetros modales, y cualquier variación de rigidez, masa o condiciones de apoyo, aunque sean locales, quedan reflejadas en los parámetros modales. Por lo tanto, esta identificación puede integrarse en un sistema de vigilancia de la integridad estructural. La principal dificultad para el uso de los parámetros modales estimados mediante OMA son las incertidumbres asociadas a este proceso de estimación. Existen incertidumbres en el valor de los parámetros modales asociadas al proceso de cálculo (internos) y también asociadas a la influencia de los factores ambientales (externas), como es la temperatura. Este Trabajo Fin de Máster analiza estas dos fuentes de incertidumbre. Es decir, en primer lugar, para una estructura de laboratorio, se estudian y cuantifican las incertidumbres asociadas al programa de OMA utilizado. En segundo lugar, para una estructura en servicio (una pasarela de banda tesa), se estudian tanto el efecto del programa OMA como la influencia del factor ambiental en la estimación de los parámetros modales. Más concretamente, se ha propuesto un método para hacer un seguimiento de las frecuencias naturales de un mismo modo. Este método incluye un modelo de regresión lineal múltiple que permite eliminar la influencia de estos agentes externos. A structure vibrates according to some of its vibration modes, defined by their modal parameters (natural frequencies, damping ratios and modal shapes). Through the measurements of the vibration at key points of the structure, the modal parameters can be estimated. In civil engineering structures, it is difficult to excite structures in a controlled manner, thus, techniques involving output-only modal estimation are of vital importance for these structure. This techniques are known as Operational Modal Analysis (OMA). The OMA technique does not need to excite artificially the structure, this considers its behavior in service only. The motivation for carrying out OMA tests arises in the area of Civil Engineering, because successfully artificially excite large structures is difficult and expensive. It also may even damage the structure. The main goal is that the global behavior of a structure is directly related to their modal parameters, and any variation of stiffness, mass or support conditions, although it is local, is also reflected in the modal parameters. Therefore, this identification may be within a Structural Health Monitoring system. The main difficulty for using the modal parameters estimated by an OMA is the uncertainties associated to this estimation process. Thus, there are uncertainties in the value of the modal parameters associated to the computing process (internal) and the influence of environmental factors (external), such as the temperature. This Master’s Thesis analyzes these two sources of uncertainties. That is, firstly, for a lab structure, the uncertainties associated to the OMA program used are studied and quantified. Secondly, for an in-service structure (a stress-ribbon footbridge), both the effect of the OMA program and the influence of environmental factor on the modal parameters estimation are studied. More concretely, a method to track natural frequencies of the same mode has been proposed. This method includes a multiple linear regression model that allows to remove the influence of these external agents.

A procedure to track vibration modes under changing external factors: application to a pedestrian bridge

A low-cost vibration monitoring system has been developed and installed on an urban steel- plated stress-ribbon footbridge. The system continuously measures: the acceleration (using 18 triaxial MEMS accelerometers distributed along the structure), the ambient temperature and the wind velocity and direction. Automated output-only modal parameter estimation based on the Stochastic Subspace Identification (SSI) is carried out in order to extract the modal parameters, i.e., the natural frequencies, damping ratios and modal shapes. Thus, this paper analyzes the time evolution of the modal parameters over a whole-year data monitoring. Firstly, for similar environmental/operational factors, the uncertainties associated to the time window size used are studied and quantified. Secondly, a methodology to track the vibration modes has been established since several of them with closely-spaced natural frequencies are identified. Thirdly, the modal parameters have been correlated against external factors. It has been shown that this stress-ribbon structure is highly sensitive to temperature variation (frequency changes of more than 20%) with strongly seasonal and daily trends

Passarela estaiada com tabuleiro de madeira laminada protendida em módulos curvos

É inegável a importância do desenvolvimento de tecnologias de uso racional da madeira e de solução de problemas de transportes em nossas cidades, principalmente por causa do processo crescente de urbanização do mundo. Existe também, a necessidade estética de se unir à alta tecnologia, o belo. As passarelas estaiadas com tabuleiro de madeira laminada protendida, em módulos curvos, atendem a todas estas exigências. A construção de um protótipo permitiu que a realização de ensaios estáticos e dinâmicos, cujos resultados evidenciaram a viabilidade técnica e econômica de passarelas estaiadas usando madeira de reflorestamento, de tabuleiros compostos apenas por placas de madeira laminada protendida e da construção de placas curvas de madeira laminada protendida. Também foi possível comprovar que as vibrações induzidas por pedestres são a condição mais crítica de projeto. A investigação da perda de curvatura do tabuleiro demonstrou o sucesso do projeto, embora mais estudos ao longo do tempo sejam necessários. Baseando-se nos resultados experimentais, realizou-se a calibração do modelo numérico, que permitiu realizar simulações para determinar quais variáveis definem a resposta da passarela construída. Sugestões de procedimentos de elaboração e construção de passarelas, assim como de criação de norma brasileira específica para pontes e passarelas de madeira, são apresentadas.

Analysis of a metallic pedestrian bridge under dynamic human loads in pre and post reinforcement phases

The purpose of this work is to study the dynamic behavior of a pedestrian bridge in Alicante, Spain. It is a very slender footbridge with vertical and horizontal vibration problems during the passage of pedestrians. Accelerations have been recorded by accelerometers installed at various locations of the bridge. Two scenarios, in free vibration (after the passage of a certain number of pedestrians on the bridge) and forced vibration produced by a fixed number of pedestrians walking on the bridge at a certain speed and frequency. In each test, the effect on the comfort of the pedestrians, the natural frequencies of vibration, the mode shapes and damping factors have been estimated. It has been found that the acceleration levels are much higher than the allowable by the Spanish standards and this should be considered in the restoration of the footbridge.

A framework for experimental determination of localised vertical pedestrian forces on full-scale structures using wireless attitude and heading reference systems

A major weakness among loading models for pedestrians walking on flexible structures proposed in recent years is the various uncorroborated assumptions made in their development. This applies to spatio-temporal characteristics of pedestrian loading and the nature of multi-object interactions. To alleviate this problem, a framework for the determination of localised pedestrian forces on full-scale structures is presented using a wireless attitude and heading reference systems (AHRS). An AHRS comprises a triad of tri-axial accelerometers, gyroscopes and magnetometers managed by a dedicated data processing unit, allowing motion in three-dimensional space to be reconstructed. A pedestrian loading model based on a single point inertial measurement from an AHRS is derived and shown to perform well against benchmark data collected on an instrumented treadmill. Unlike other models, the current model does not take any predefined form nor does it require any extrapolations as to the timing and amplitude of pedestrian loading. In order to assess correctly the influence of the moving pedestrian on behaviour of a structure, an algorithm for tracking the point of application of pedestrian force is developed based on data from a single AHRS attached to a foot. A set of controlled walking tests with a single pedestrian is conducted on a real footbridge for validation purposes. A remarkably good match between the measured and simulated bridge response is found, indeed confirming applicability of the proposed framework.