A interação entre humanos em movimento e estruturas, geralmente, ocorre em estruturas esbeltas, na qual o nível de vibração é potencialmente elevado. Além disso, há a adição de massa para o sistema estrutural, devido à presença de pessoas e um aumento de amortecimento devido à capacidade do corpo humano em absorver energia vibratória. Neste trabalho, uma campanha de testes foi realizada para obtenção de parâmetros de um modelo biodinâmico de um único grau de liberdade (SDOF) que representa a ação de um pedestre caminhando na direção vertical. Os parâmetros deste modelo são a massa modal (m), amortecimento (c) e rigidez (k). As medições experimentais são realizadas em uma plataforma de forças, os dados de entrada do modelo são as amplitudes de aceleração espectral dos três primeiros harmônicos ao nível da cintura dos indivíduos testados e as amplitudes correspondentes dos três primeiros harmônicos da força de reação do solo vertical. Isto conduz a um sistema de equações não lineares que são resolvidos usando um algoritmo de otimização baseado em gradientes. Vários indivíduos participaram dos testes para garantir variabilidade interindividual, e expressões de regressão e uma rede neural artificial (RNA) são utilizadas para relacionar os parâmetros biodinâmicos com a taxa de passos e a massa corporal dos pedestres. Os resultados mostram alguma dispersão no amortecimento e rigidez que não são precisamente correlacionadas com a massa e taxa de passo dos pedestres. O uso da RNA resulta em melhorias significativas nas expressões dos parâmetros com uma menor incerteza. Além disso, dois modelos são usados para representar a força dos pedestres: (a) modelo de força simples (MFS) onde a força de passos sucessivos é representada pela série de Fourier, com velocidade constante do pedestre, atuando em uma linha reta no sentido da caminhada; (b) modelo de força completamente sincronizado (MFCS) onde as componentes da força são representadas considerando parâmetros cinéticos e cinemáticos da marcha e são sincronizados no tempo e no espaço. Os resultados mostram que pode haver diferenças importantes no comportamento estrutural quando é usado um MFCS, especialmente em passarelas com elevada flexibilidade. Finalmente, as acelerações verticais medidas em uma passarela protótipo mostram a adequação do modelo numérico para a representação dos efeitos de pedestres caminhando em uma estrutura. Os resultados são consistentes para várias densidades de pedestres. / The interaction between moving humans and structures usually occurs in slender structures where the level of vibration is potentially high. Furthermore, there is the addition of mass to the structural system due to the presence of people and an increase in damping due to the human body´s ability to absorb vibrational energy. In this work, a test campaign is presented to obtain parameters for a single degree of freedom (SDOF) biodynamic model that represents the action of a walking pedestrian in the vertical direction. The parameters of this model are the modal mass (m), damping (c) and stiffness (k). The experimental measurements are performed on a force platform, and the inputs are the spectral acceleration amplitudes of the first three harmonics at the waist level of the tested subjects and the corresponding amplitudes of the first three harmonics of the vertical ground reaction force. This leads to a system of nonlinear equations that are solved using a gradient-based optimization algorithm. A set of individuals took part in the tests to ensure inter-subject variability, and, regression expressions and an artificial neural network (ANN) were used to relate the biodynamic parameters to the pacing rate and the body mass of the pedestrians. The results showed some scatter in damping and stiffness that could not be precisely correlated with the mass and pacing rates of the subjects. The use of the ANN resulted in significant improvements in the parameter expressions with a low uncertainty. Moreover, two models were used to represent the pedestrian loading: (a) simple force model (SFM) where the force from successive footfalls is represented by the Fourier series, with a constant pedestrian speed, acting on a straight line in the direction of walking; (b) fully synchronized force model (FSFM) where the load components are represented considering kinetic and kinematic parameters and are synchronized in time and space. The results show that there may be important differences in structural behavior when a FSFM is used, especially in footbridges with high flexibility. Finally, the measured vertical accelerations on a prototype footbridge show the adequacy of the numerical model for the representation of the effects of walking pedestrians on the structure. The results are consistent for several crowd densities.

Dos sistemas de pontes suspensas por cabos, as estaiadas tem sido largamente utilizadas devido a sua capacidade de vencer grandes vãos e, além dessa vantagem estrutural, são esteticamente bem aceitas pela sociedade, valorizando o espaço urbano e muitas vezes tornando-o ponto de referência. Atualmente, em que a otimização da infraestrutura viária é de extrema importância, as pontes estaiadas são bastante exploradas por suas vantagens construtivas, não demandando grandes áreas de apoio durante a construção que possam interferir no fluxo de veículos ou embarcações existente. Em conjunto a isso, a escolha do tipo de obra de arte se deve a diversos outros fatores, tais como as condições locais da fundação, o consumo de materiais e mão de obra, facilidades construtivas, etc. Muitas vezes é necessário estudar outras formas de utilização desse tipo de estruturas, como é o caso de pontes curvas, em que um traçado reto não bastaria para transpor um obstáculo e respeitar o traçado projetado ao viário. Para isso, o conhecimento das técnicas e teorias que fundamentam pontes estaiadas curvas é requisito para o estudo de uma concepção mais favorável e/ou otimizada, onde devem ser avaliados todos os fatores que influem em seu comportamento. Este trabalho apresenta a avaliação de esforços no tabuleiro e no mastro para diversos modelos estruturais. Na primeira etapa será discutida a forma de concepção dos modelos aplicados a um estudo de caso através de comparação dos esforços para avaliar a viabilidade de simular o tensionamento inicial nos cabos através da aplicação de uma queda de temperatura. Em seguida, serão avaliados os efeitos da posição do mastro e do posicionamento unilateral dos estais, permitindo obter a configuração que apresente um melhor desempenho geral. Por fim, as análises serão aplicadas a um estudo de caso com tabuleiro de maior largura. Dos resultados obtidos verificou-se que a configuração de tabuleiro suspenso pelo lado interno, única que não invade o gabarito de pedestres ou veículos, se mostrou viável sem, contudo, apresentar todas as vantagens estruturais, de modo que há torção significativa. Em compensação, a flexão se mostrou reduzida. / In systems of suspended cable bridges, the cable-stayed bridges had been widely used because of its capacity to overcome large spans and for being aesthetically well accepted by society, valuing the urban space and often making it a landmark. Currently, where the optimization of road infrastructure is of utmost importance, cable-stayed bridges are quite exploited by their constructive advantages, not requiring large areas of support during construction that may affect the existing traffic flow. In addition to this, the choice of the type of structure is due to several other factors such as local conditions of the foundation, the consumption of materials and labor, construction facilities, etc. It is necessary to study other forms of use of such structures, as in the case of curved bridges, where a straight path would not be enough to overcome an obstacle and respect the geometry of the road. For this, the knowledge of the techniques and theories behind curved cable-stayed bridges is a requisite for the study of a more favorable and/or optimized design, where all the factors that influence their behavior should be evaluated. This paper presents the assessment of forces on the deck and pylon for several structural models. In the first step, the models design will be discussed applied to a case by comparing the forces to evaluate the feasibility of simulating the initial tensioning in the cables through the application of a temperature drop. Next, the effects of the pylon position and the unilateral positioning of the cables will be evaluated, allowing to obtain the configuration that presents a better overall performance. Finally, the analyzes will be applied to a case with a wider deck. From the obtained results, it has been found that the configuration of deck suspended by the inner side, which does not invade the pedestrian or vehicle clearance, has proved to be feasible without, however, presenting all the structural advantages, so that there is significant torsion. In contrast, flexion was reduced.

Dos sistemas de pontes suspensas por cabos, as estaiadas tem sido largamente utilizadas devido a sua capacidade de vencer grandes vãos e, além dessa vantagem estrutural, são esteticamente bem aceitas pela sociedade, valorizando o espaço urbano e muitas vezes tornando-o ponto de referência. Atualmente, em que a otimização da infraestrutura viária é de extrema importância, as pontes estaiadas são bastante exploradas por suas vantagens construtivas, não demandando grandes áreas de apoio durante a construção que possam interferir no fluxo de veículos ou embarcações existente. Em conjunto a isso, a escolha do tipo de obra de arte se deve a diversos outros fatores, tais como as condições locais da fundação, o consumo de materiais e mão de obra, facilidades construtivas, etc. Muitas vezes é necessário estudar outras formas de utilização desse tipo de estruturas, como é o caso de pontes curvas, em que um traçado reto não bastaria para transpor um obstáculo e respeitar o traçado projetado ao viário. Para isso, o conhecimento das técnicas e teorias que fundamentam pontes estaiadas curvas é requisito para o estudo de uma concepção mais favorável e/ou otimizada, onde devem ser avaliados todos os fatores que influem em seu comportamento. Este trabalho apresenta a avaliação de esforços no tabuleiro e no mastro para diversos modelos estruturais. Na primeira etapa será discutida a forma de concepção dos modelos aplicados a um estudo de caso através de comparação dos esforços para avaliar a viabilidade de simular o tensionamento inicial nos cabos através da aplicação de uma queda de temperatura. Em seguida, serão avaliados os efeitos da posição do mastro e do posicionamento unilateral dos estais, permitindo obter a configuração que apresente um melhor desempenho geral. Por fim, as análises serão aplicadas a um estudo de caso com tabuleiro de maior largura. Dos resultados obtidos verificou-se que a configuração de tabuleiro suspenso pelo lado interno, única que não invade o gabarito de pedestres ou veículos, se mostrou viável sem, contudo, apresentar todas as vantagens estruturais, de modo que há torção significativa. Em compensação, a flexão se mostrou reduzida. / In systems of suspended cable bridges, the cable-stayed bridges had been widely used because of its capacity to overcome large spans and for being aesthetically well accepted by society, valuing the urban space and often making it a landmark. Currently, where the optimization of road infrastructure is of utmost importance, cable-stayed bridges are quite exploited by their constructive advantages, not requiring large areas of support during construction that may affect the existing traffic flow. In addition to this, the choice of the type of structure is due to several other factors such as local conditions of the foundation, the consumption of materials and labor, construction facilities, etc. It is necessary to study other forms of use of such structures, as in the case of curved bridges, where a straight path would not be enough to overcome an obstacle and respect the geometry of the road. For this, the knowledge of the techniques and theories behind curved cable-stayed bridges is a requisite for the study of a more favorable and/or optimized design, where all the factors that influence their behavior should be evaluated. This paper presents the assessment of forces on the deck and pylon for several structural models. In the first step, the models design will be discussed applied to a case by comparing the forces to evaluate the feasibility of simulating the initial tensioning in the cables through the application of a temperature drop. Next, the effects of the pylon position and the unilateral positioning of the cables will be evaluated, allowing to obtain the configuration that presents a better overall performance. Finally, the analyzes will be applied to a case with a wider deck. From the obtained results, it has been found that the configuration of deck suspended by the inner side, which does not invade the pedestrian or vehicle clearance, has proved to be feasible without, however, presenting all the structural advantages, so that there is significant torsion. In contrast, flexion was reduced.

A interação entre humanos em movimento e estruturas, geralmente, ocorre em estruturas esbeltas, na qual o nível de vibração é potencialmente elevado. Além disso, há a adição de massa para o sistema estrutural, devido à presença de pessoas e um aumento de amortecimento devido à capacidade do corpo humano em absorver energia vibratória. Neste trabalho, uma campanha de testes foi realizada para obtenção de parâmetros de um modelo biodinâmico de um único grau de liberdade (SDOF) que representa a ação de um pedestre caminhando na direção vertical. Os parâmetros deste modelo são a massa modal (m), amortecimento (c) e rigidez (k). As medições experimentais são realizadas em uma plataforma de forças, os dados de entrada do modelo são as amplitudes de aceleração espectral dos três primeiros harmônicos ao nível da cintura dos indivíduos testados e as amplitudes correspondentes dos três primeiros harmônicos da força de reação do solo vertical. Isto conduz a um sistema de equações não lineares que são resolvidos usando um algoritmo de otimização baseado em gradientes. Vários indivíduos participaram dos testes para garantir variabilidade interindividual, e expressões de regressão e uma rede neural artificial (RNA) são utilizadas para relacionar os parâmetros biodinâmicos com a taxa de passos e a massa corporal dos pedestres. Os resultados mostram alguma dispersão no amortecimento e rigidez que não são precisamente correlacionadas com a massa e taxa de passo dos pedestres. O uso da RNA resulta em melhorias significativas nas expressões dos parâmetros com uma menor incerteza. Além disso, dois modelos são usados para representar a força dos pedestres: (a) modelo de força simples (MFS) onde a força de passos sucessivos é representada pela série de Fourier, com velocidade constante do pedestre, atuando em uma linha reta no sentido da caminhada; (b) modelo de força completamente sincronizado (MFCS) onde as componentes da força são representadas considerando parâmetros cinéticos e cinemáticos da marcha e são sincronizados no tempo e no espaço. Os resultados mostram que pode haver diferenças importantes no comportamento estrutural quando é usado um MFCS, especialmente em passarelas com elevada flexibilidade. Finalmente, as acelerações verticais medidas em uma passarela protótipo mostram a adequação do modelo numérico para a representação dos efeitos de pedestres caminhando em uma estrutura. Os resultados são consistentes para várias densidades de pedestres. / The interaction between moving humans and structures usually occurs in slender structures where the level of vibration is potentially high. Furthermore, there is the addition of mass to the structural system due to the presence of people and an increase in damping due to the human body´s ability to absorb vibrational energy. In this work, a test campaign is presented to obtain parameters for a single degree of freedom (SDOF) biodynamic model that represents the action of a walking pedestrian in the vertical direction. The parameters of this model are the modal mass (m), damping (c) and stiffness (k). The experimental measurements are performed on a force platform, and the inputs are the spectral acceleration amplitudes of the first three harmonics at the waist level of the tested subjects and the corresponding amplitudes of the first three harmonics of the vertical ground reaction force. This leads to a system of nonlinear equations that are solved using a gradient-based optimization algorithm. A set of individuals took part in the tests to ensure inter-subject variability, and, regression expressions and an artificial neural network (ANN) were used to relate the biodynamic parameters to the pacing rate and the body mass of the pedestrians. The results showed some scatter in damping and stiffness that could not be precisely correlated with the mass and pacing rates of the subjects. The use of the ANN resulted in significant improvements in the parameter expressions with a low uncertainty. Moreover, two models were used to represent the pedestrian loading: (a) simple force model (SFM) where the force from successive footfalls is represented by the Fourier series, with a constant pedestrian speed, acting on a straight line in the direction of walking; (b) fully synchronized force model (FSFM) where the load components are represented considering kinetic and kinematic parameters and are synchronized in time and space. The results show that there may be important differences in structural behavior when a FSFM is used, especially in footbridges with high flexibility. Finally, the measured vertical accelerations on a prototype footbridge show the adequacy of the numerical model for the representation of the effects of walking pedestrians on the structure. The results are consistent for several crowd densities.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2780411 bytes, checksum: 0329fcdeb165d275516bd7d7ab9092b9 (MD5) Previous issue date: 2011-10-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / One of the standard procedures for analyzing the dynamic behavior of a footbridge is to build a virtual model and do simulations considering the mechanics involved. Until recently, in terms of forces applied on structures by pedestrians, only the forces applied by the feet of the pedestrians while they walk were considered. For single individuals crossings a footbridge, the force model is a good representation of the dynamic action of the pedestrian, but in cases of crossings of groups and crowds there were differences between the response obtained from the responses of force model and measured responses on actual structures. Some studies have found evidence that groups of people change the system by adding mass and damping. To fill this gap between the force model and experimental response, the e pedestrian was modeled not only through the forces applied on the structure when walking, but also adding to this force a S1GL to take into account the contributions of mass and damping of the human body structure. This dynamic system that represents each individual is called biodynamic model and the crowd of pedestrians were formed by a group of these systems. The parameters of this model were determined through a process of minimization of equations obtained from the generic response of a S1GL, taking as input the forces applied by foot to the floor, the body mass of the individual, the step rate and the acceleration measured near the individual center of gravity while walking. This process led to correlation expressions where it was possible to obtain the parameters of S1GL from body mass and step rates for a given individual. In sequence, these models were coupled to the model of a footbridge in an amount corresponding to the occupancy rate, so as to compare the responses of the model with actual experimental measurements on the footbridge. It was observed that the responses of a footbridge model with the inclusion of biodynamic models showed a very close agreement to the corresponding response measured on the actual structure, confirming the initial premise. / Um dos procedimentos padrão para se analisar o comportamento dinâmico de uma passarela de pedestres consiste em construir um modelo virtual e fazer simulações considerando a mecânica envolvida. Até há pouco tempo, em termos de forças aplicadas pelos pedestres à estrutura, considerava-se apenas as forças que os pés destes aplicavam diretamente na estrutura no ato da pisada. Para travessias de indivíduos o modelo de força representa bem a ação dinâmica do pedestre, porém em casos de travessias de grupos e multidões vêm se observando discrepâncias entre a resposta obtida do modelo de força e as respostas medidas na estrutura real. Alguns estudos mostraram evidências de que grupos de pessoas modificam o sistema pela adição de massa e amortecimento. Para preencher esta lacuna entre o modelo e a resposta experimental, modelou-se o pedestre não apenas através das forças que os pés destes aplicam na estrutura ao caminhar, mas adicionalmente a esta força um sistema de 1 grau de liberdade (S1GL) para levar em consideração as contribuições de massa e amortecimento do corpo humano à estrutura. Os parâmetros deste modelo foram determinados através de um processo de minimização de equações obtidas da resposta genérica do S1GL, tendo como entrada as forças aplicadas pelos pés ao piso, a massa corpórea do indivíduo, a taxa de passos e aceleração medida próximo ao centro de gravidade de uma pessoa caminhando. Este processo gerou expressões de correlação onde é possível obter os parâmetros do S1GL a partir da massa corpórea e taxa de passos de um determinado indivíduo. Em seqüência, estes modelos biodinâmicos foram acoplados em um modelo de passarela de pedestres em quantidade correspondente à taxa de ocupação, comparando-se as respostas do modelo com as medições experimentais na passarela real. Foi observado que as respostas do modelo de passarela com a inclusão dos biodinâmicos apresentaram uma resposta bastante próxima à resposta correspondente medida na estrutura real, confirmando a premissa inicial.

A interação entre humanos em movimento e estruturas, geralmente, ocorre em estruturas esbeltas, na qual o nível de vibração é potencialmente elevado. Além disso, há a adição de massa para o sistema estrutural, devido à presença de pessoas e um aumento de amortecimento devido à capacidade do corpo humano em absorver energia vibratória. Neste trabalho, uma campanha de testes foi realizada para obtenção de parâmetros de um modelo biodinâmico de um único grau de liberdade (SDOF) que representa a ação de um pedestre caminhando na direção vertical. Os parâmetros deste modelo são a massa modal (m), amortecimento (c) e rigidez (k). As medições experimentais são realizadas em uma plataforma de forças, os dados de entrada do modelo são as amplitudes de aceleração espectral dos três primeiros harmônicos ao nível da cintura dos indivíduos testados e as amplitudes correspondentes dos três primeiros harmônicos da força de reação do solo vertical. Isto conduz a um sistema de equações não lineares que são resolvidos usando um algoritmo de otimização baseado em gradientes. Vários indivíduos participaram dos testes para garantir variabilidade interindividual, e expressões de regressão e uma rede neural artificial (RNA) são utilizadas para relacionar os parâmetros biodinâmicos com a taxa de passos e a massa corporal dos pedestres. Os resultados mostram alguma dispersão no amortecimento e rigidez que não são precisamente correlacionadas com a massa e taxa de passo dos pedestres. O uso da RNA resulta em melhorias significativas nas expressões dos parâmetros com uma menor incerteza. Além disso, dois modelos são usados para representar a força dos pedestres: (a) modelo de força simples (MFS) onde a força de passos sucessivos é representada pela série de Fourier, com velocidade constante do pedestre, atuando em uma linha reta no sentido da caminhada; (b) modelo de força completamente sincronizado (MFCS) onde as componentes da força são representadas considerando parâmetros cinéticos e cinemáticos da marcha e são sincronizados no tempo e no espaço. Os resultados mostram que pode haver diferenças importantes no comportamento estrutural quando é usado um MFCS, especialmente em passarelas com elevada flexibilidade. Finalmente, as acelerações verticais medidas em uma passarela protótipo mostram a adequação do modelo numérico para a representação dos efeitos de pedestres caminhando em uma estrutura. Os resultados são consistentes para várias densidades de pedestres. / The interaction between moving humans and structures usually occurs in slender structures where the level of vibration is potentially high. Furthermore, there is the addition of mass to the structural system due to the presence of people and an increase in damping due to the human body´s ability to absorb vibrational energy. In this work, a test campaign is presented to obtain parameters for a single degree of freedom (SDOF) biodynamic model that represents the action of a walking pedestrian in the vertical direction. The parameters of this model are the modal mass (m), damping (c) and stiffness (k). The experimental measurements are performed on a force platform, and the inputs are the spectral acceleration amplitudes of the first three harmonics at the waist level of the tested subjects and the corresponding amplitudes of the first three harmonics of the vertical ground reaction force. This leads to a system of nonlinear equations that are solved using a gradient-based optimization algorithm. A set of individuals took part in the tests to ensure inter-subject variability, and, regression expressions and an artificial neural network (ANN) were used to relate the biodynamic parameters to the pacing rate and the body mass of the pedestrians. The results showed some scatter in damping and stiffness that could not be precisely correlated with the mass and pacing rates of the subjects. The use of the ANN resulted in significant improvements in the parameter expressions with a low uncertainty. Moreover, two models were used to represent the pedestrian loading: (a) simple force model (SFM) where the force from successive footfalls is represented by the Fourier series, with a constant pedestrian speed, acting on a straight line in the direction of walking; (b) fully synchronized force model (FSFM) where the load components are represented considering kinetic and kinematic parameters and are synchronized in time and space. The results show that there may be important differences in structural behavior when a FSFM is used, especially in footbridges with high flexibility. Finally, the measured vertical accelerations on a prototype footbridge show the adequacy of the numerical model for the representation of the effects of walking pedestrians on the structure. The results are consistent for several crowd densities.

The main goal of this diploma thesis is a design and verification of a steel footbridge crossing the river Dřevnice in Zlín. As the basic material steel S355 and for selected members steel S235 was chosen. There are two structural variants designed in the introductory part of the thesis. These variants are then compared and in the next part only selected, more favourable variant, is addressed. The selected variant is a truss footbridge with a bridge deck at the bottom and curved top chords. The bridge deck consists of floor beams and steel plate with longitudinal stiffeners. The span of the structure is 35.0 m, the width of the footbridge is 3.9 m and its height in the middle of the span is 4.2 m.

Master´s thesis describes the design of the railway bridge in Ústí nad Labem. Length of the structure is 200.00 meters, the height of the structure is 32.61 m and width of the structure is 12.10 m. Main structural system is composed of a spatial strut-frame structures. The bridge carries an important railway stations between Usti nad Labem Západ, Usti nad Labem Střekov. Part of the proposal is a footbridge for pedestrians.

The subject of this master’s thesis is to design an arch structure of a footbridge. The bridge deck will be formed by a stress ribbon and could be divided into three parts. The middle part will be suspended (on the outer edges) on composite steel and concrete arches. Outer parts of the bridge deck will be formed by stress ribbons. The model of this construction is created in a computational program ANSYS and the solution is non-linear. The design is according to European standards.

The diploma thesis deals with design of plan – curved footbridge over Berounka river near the town of Čivice. Three different options were developed. First option includes a single – beam prestressed integral construction with haunches. The second option includes suspension footbridge construction, where the bridge deck is suspended at one side. In the third option the main span is built from concrete segments. Those are suspended on a pair of steel arches. The access ramps are cast – in – place, and they are supported by round steel piers. This variant was finally chosen as the best one and it was further processed. The construction was analyzed with Scia Engineer 2015 software, considering the construction process. The footbridge was loaded with dead loads and live loads including traffic and thermal actions. The internal forces were calculated and the construction was assess to the serviceability and ultimate limit states. In terms of serviceability, stress in concrete sections and deformations were checked. In terms of the ultimate limit state, the ultimate load capacities were calculated. The steel arches and piers were checked for possibility of loss of stability by buckling. The loss of stability was also checked by the software. Finally the dynamic behaviour of the construction was assessed, especially the harmonic excitation response. Then the construction plan and the drawings were made. The drawings include overview drawings and detailed drawings.