Footbridge system identification using wireless inertial measurement units for force and response measurements

With the main focus on safety, design of structures for vibration serviceability is often overlooked or mismanaged, resulting in some high profile structures failing publicly to perform adequately under human dynamic loading due to walking, running or jumping. A standard tool to inform better design, prove fitness for purpose before entering service and design retrofits is modal testing, a procedure that typically involves acceleration measurements using an array of wired sensors and force generation using a mechanical shaker. A critical but often overlooked aspect is using input (force) to output (response) relationships to enable estimation of modal mass, which is a key parameter directly controlling vibration levels in service.

This paper describes the use of wireless inertial measurement units (IMUs), designed for biomechanics motion capture applications, for the modal testing of a 109 m footbridge. IMUs were first used for an output-only vibration survey to identify mode frequencies, shapes and damping ratios, then for simultaneous measurement of body accelerations of a human subject jumping to excite specific vibrations modes and build up bridge deck accelerations at the jumping location. Using the mode shapes and the vertical acceleration data from a suitable body landmark scaled by body mass, thus providing jumping force data, it was possible to create frequency response functions and estimate modal masses.

The modal mass estimates for this bridge were checked against estimates obtained using an instrumented hammer and known mass distributions, showing consistency among the experimental estimates. Finally, the method was used in an applied research application on a short span footbridge where the benefits of logistical and operational simplicity afforded by the highly portable and easy to use IMUs proved extremely useful for an efficient evaluation of vibration serviceability, including estimation of modal masses.

Vibration characteristics of slender structures under human induced loads

This paper presents the outcome of investigations and studies of the vibratioon characteristics and response of low frequency structural systems for a composite concrete steel floor plate and a reverse profiled cable tensioned foot bridge. These highly dynamic and slender structure are the engineering response to planning, aesthetic and environmental influences, but are prone to excessive and complex vibration. A number of design codes and practice guides provided information to engineers for vibration mitigation However, they are limited to very simple load function applied to a few uncoupled translational modes of excitation. Motivated by the need to address the knowledge gaps in this area, the investigations described in this paper focused on synchronous multi-modal and coupled excitation of the floor plate and footbridge with considerations for torsinal effects. The results showed the potential for adverse dynamic response from multi-modal and coupled excitation influenced by patterned loading, structure geometry, stiffness distribution, directional effects, forcing functions based on activity frequency and duration of foot contact, and modal participation. It was also shown that higher harmonics of the load frequency can excite higher modes in the composite floor structure. Such responsive behaviour is prevalent mainly in slender and lightweight construction and not in stiffer and heavier structural systems. The analytical techniques and methods used in these investigations can supplement the current limited code and best practice provisions for mitigating the impact of human induced vibrations in slender structural systems.

Structural dynamics research and applications

Research in structural dynamics has received considerable attention due to problems associated with emerging slender structures, increased vulnerability of structures to random loads and aging infrastructure. This paper briefly describes some such research carried out on i) dynamics of composite floor structure, ii) dynamics of cable supported footbridge, iii) seismic mitigation of frame-shear wall structure using passive dampers and iv) development of a damage assessment model for use in structural health modelling.

Human activity-induced vibration in slender structural systems

Human activity-induced vibrations in slender structural sys tems become apparent in many different excitation modes and consequent action effects that cause discomfort to occupants, crowd panic and damage to public infrastructure. Resulting loss of public confidence in safety of structures, economic losses, cost of retrofit and repairs can be significant. Advanced computational and visualisation techniques enable engineers and architects to evolve bold and innovative structural forms, very often without precedence. New composite and hybrid materials that are making their presence in structural systems lack historical evidence of satisfactory performance over anticipated design life. These structural systems are susceptible to multi-modal and coupled excitation that are very complex and have inadequate design guidance in the present codes and good practice guides. Many incidents of amplified resonant response have been reported in buildings, footbridges, stadia a nd other crowded structures with adverse consequences. As a result, attenuation of human-induced vibration of innovative and slender structural systems very ofte n requires special studies during the design process. Dynamic activities possess variable characteristics and thereby induce complex responses in structures that are sensitive to parametric variations. Rigorous analytical techniques are available for investigation of such complex actions and responses to produce acceptable performance in structural systems. This paper presents an overview and a critique of existing code provisions for human-induced vibration followed by studies on the performance of three contrasting structural systems that exhibit complex vibration. The dynamic responses of these systems under human-induced vibrations have been carried out using experimentally validated computer simulation techniques. The outcomes of these studies will have engineering applications for safe and sustainable structures and a basis for developing design guidance.

Modelagem do comportamento dinâmico de passarelas tubulares em aço e mistas (aço-concreto)

A experiência dos engenheiros estruturais e os conhecimentos adquiridos pelo uso de materiais e novas tecnologias, têm ocasionado estruturas de aço e mistas (aço-concreto) de passarelas cada vez mais ousadas. Este fato tem gerado estruturas de passarelas esbeltas, e consequentemente, alterando os seus estados de limite de serviço e último associados ao seu projeto. Uma consequência direta desta tendência de projeto é o aumento considerável das vibrações das estruturas. Portanto, a presente investigação foi realizada com base em um modelo de carregamento mais realista, desenvolvido para incorporar os efeitos dinâmicos induzidos pela caminhada de pessoas. O modelo de carregamento considera a subida e a descida da massa efetiva do corpo em cada passo. A posição da carga dinâmica também foi alterada de acordo com a posição do pedestre sobre a estrutura e a função do tempo gerada, possui uma variação espacial e temporal. O efeito do calcanhar do pedestre também foi incorporado na análise. O modelo estrutural investigado baseia-se em uma passarela tubular (aço-concreto), medindo 82,5m. A estrutura é composta por três vãos (32,5 m, 20,0 m e 17,5 m, respectivamente) e dois balanços (7,5 m e 5,0 m, respectivamente). O sistema estrutural é constituído por perfis de aço tubular e uma laje de concreto, e é atualmente utilizada para travessia de pedestres. Esta investigação é realizada com base em resultados experimentais, relacionando a resposta dinâmica da passarela com as obtidas via modelos de elementos finitos. O modelo computacional proposto adota as técnicas de refinamento de malha, usualmente presente em simulações pelo método de elementos finitos. O modelo de elementos finitos foi desenvolvido e validado com resultados experimentais. Este modelo de passarela tubular permitiu uma avaliação dinâmica completa, investigando especialmente ao conforto humano e seus limites de utilização associados à vibração. A resposta dinâmica do sistema, em termos de acelerações de pico, foi obtida e comparada com os valores limites propostos por diversos autores e padrões de projeto. As acelerações de pico encontradas na presente análise indicou que a passarela tubular investigada apresentou problemas relacionados com o conforto humano. Por isso, foi detectado que este tipo de estrutura pode atingir níveis de vibrações excessivas que podem comprometer o conforto do usuário na passarela e especialmente a sua segurança.

Análise da resposta dinâmica experimental de uma passarela tubular mista, aço-concreto, submetida ao caminhar humano.

Este trabalho de pesquisa apresenta como objetivo principal o desenvolvimento de investigação experimental dinâmica sobre estrutura real de uma passarela tubular mista aço-concreto. O sistema estrutural objeto deste trabalho corresponde a uma passarela composta por três vãos (32,5m, 17,5m e 20,0m, respectivamente) e dois balanços (7,50m e 5,0m, respectivamente), com comprimento total de 82,5m. A passarela com estrutura contínua de aço com as ligações soldadas se apoia em quatro pórticos também de aço. Estruturalmente está constituída por duas treliças planas que se interligam através de contraventamentos horizontais fixados na corda superior e inferior da treliça e lajes de concreto, formando um sistema misto com interação completa. A estrutura está submetida correntemente à travessia de pedestres e ciclistas. Testes experimentais foram realizados sobre o sistema estrutural e confrontados com resultados numéricos. Para a modelagem numérica do sistema são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Os resultados experimentais são analisados de acordo com a metodologia desenvolvida, sendo realizada análise modal experimental para a determinação das propriedades dinâmicas: freqüências, modos e taxa de amortecimento, enquanto que os resultados da estrutura, em termos de aceleração de pico, são comparados com os valores limites propostos por diversos autores, normas e recomendações de projeto, para uma avaliação do desempenho da estrutura em relação a vibração quando solicitada pelo caminhar dos pedestres no que diz respeito a critério para conforto humano.