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.

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).

Análise dinâmica de passarelas de pedestres mistas (açoconcreto)com aberturas na alma das vigas de aço.

Limitações de altura têm sido impostas sobre edificações por regulamentos de zoneamento urbano e aspectos econômicos e estéticos. Além disso, para se proporcionar a passagem de tubulações de grande diâmetro sob vigas de aço, um pé-direito alto é normalmente requerido. Uma solução frequentemente utilizada em projeto diz respeito à abertura de furos na alma das vigas de aço para passagem das tubulações de serviço. Assim sendo, este trabalho de pesquisa objetiva a avaliação da resposta dinâmica de passarelas para pedestres, onde o projeto estrutural prevê a utilização de vigas celulares em aço. Objetiva-se verificar a influência das aberturas nas almas dessas vigas sobre a resposta dinâmica das passarelas. As ações dinâmicas representativas do caminhar dos pedestres são simuladas por meio de um modelo matemático que considera uma descrição espacial e temporal e, ainda, inclui o efeito do impacto do calcanhar humano. Os modelos estruturais investigados correspondem a passarelas mistas (aço-concreto) com 10m a 30m de extensão. São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos, por meio do programa Ansys. A resposta dinâmica das passarelas é obtida para duas situações distintas: vigas de alma cheia e vigas celulares. Uma avaliação crítica sobre a resposta dinâmica das passarelas possibilita verificar a influência dos furos nas almas das vigas metálicas, mediante a obtenção das acelerações de pico, focando aspectos associados ao conforto humano, considerando-se comparações com normas e recomendações de projeto.

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.

Comprehensive Property Retrieval and Measurement of Concrete Spalling Using Machine Vision for Post-Earthquake Safety Assessments

Active vibration control (AVC) is a relatively new technology for the mitigation of annoying human-induced vibrations in floors. However, recent technological developments have demonstrated its great potential application in this field. Despite this, when a floor is found to have problematic floor vibrations after construction the unfamiliar technology of AVC is usually avoided in favour of more common techniques, such as Tuned Mass Dampers (TMDs) which have a proven track record of successful application, particularly for footbridges and staircases. This study aims to investigate the advantages and disadvantages that AVC has, when compared with TMDs, for the application of mitigation of pedestrian-induced floor vibrations in offices. Simulations are performed using the results from a finite element model of a typical office layout that has a high vibration response level. The vibration problems on this floor are then alleviated through the use of both AVC and TMDs and the results of each mitigation configuration compared. The results of this study will enable a more informed decision to be made by building owners and structural engineers regarding suitable technologies for reducing floor vibrations.

Use of a Single L1 GPS Receiver for Monitoring Structures: First Results of the Detection of Millimetric Dynamic Oscillations

This paper presents preliminary results to determine small displacements of a global positioning system (GPS) antenna fastened to a structure using only one L1 GPS receiver. Vibrations, periodic or not, are common in large structures, such as bridges, footbridges, tall buildings, and towers under dynamic loads. The behavior in time and frequency leads to structural analysis studies. The hypothesis of this article is that any large structure that presents vibrations in the centimeter-to-millimeter range can be monitored by phase measurements of a single L1 receiver with a high data rate, as long as the direction of the displacement is pointing to a particular satellite. Within this scenario, the carrier phase will be modulated by antenna displacement. During a period of a few dozen seconds, the relative displacement to the satellite, the satellite clock, and the atmospheric phase delays can be assumed as a polynomial time function. The residuals from a polynomial adjustment contain the phase modulation owing to small displacements, random noise, receiver clock short time instabilities, and multipath. The results showed that it is possible to detect displacements of centimeters in the phase data of a single satellite and millimeters in the difference between the phases of two satellites. After applying a periodic nonsinusoidal displacement of 10 m to the antenna, it is clearly recovered in the difference of the residuals. The time domain spectrum obtained by the fast Fourier transform (FFT) exhibited a defined peak of the third harmonic much more than the random noise using the proposed third-degree polynomial model. DOI: 10.1061/(ASCE)SU.1943-5428.0000070. (C) 2012 American Society of Civil Engineers.

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.