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 2015-05-14T12:09:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1082290 bytes, checksum: 1f7e83bb24335482592d0583b23b2e9b (MD5) Previous issue date: 2008-09-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Footbridges are special works of art, present in large urban centers and along the highways. They are built above the roads to improve the safety of pedestrians and facilitate the flow of traffic, since they eliminate the points of conflict between pedestrians and vehicles. The occurrence of the phenomenon lock-in has implied the closing for repair of footbridges subject to dynamic loading induced by crowds of walking pedestrians. This is because the synchronization between the movement of pedestrians and the displacement of the structure has resulted in the occurrence of excessive vibration, when the frequency of excitation generated due to walking is close to the natural frequency of the footbridge. Despite several works about the lock-in, little has been concluded to try to develop a mathematical model to represent the onset of the phenomenon. In principle, another type of synchronization, which occurs among pedestrians, due to densification in crowd situations, would start rising vibrations in the structure, initiating the lock-in. However, there is a lack of experimental data in the literature to prove that theory. An experimental study on the synchronization between pedestrians due to densification was carried out in this research. Experimental tests were conducted on a prototype footbridge with different densities of pedestrians. For the densities investigated (0,3, 0,7 and 0,9 pedestrians/m²) with the pedestrian walking with their natural pacing rate, no evidence of synchronization was found. Tests were also conducted with induced pacing rate, to check the robustness of the methodology used. The results showed that the procedure adopted was valid and can be applied to other densities of interest. / As passarelas são obras de arte especiais, presentes nos grandes centros urbanos e ao longo das rodovias. Tratam-se de travessias em desnível construídas para aumentar a segurança dos pedestres e facilitar o fluxo de tráfego, já que eliminam os pontos de conflito entre pedestres e veículos. A ocorrência do fenômeno lock-in tem levado à interdição para reparos passarelas sujeitas ao carregamento dinâmico induzido por multidões de pedestres ao caminhar. Isso porque a sincronização entre o movimento dos pedestres e os deslocamentos da estrutura tem resultado na ocorrência de vibrações excessivas, nos casos em que a freqüência de excitação produzida pelo caminhar dos pedestres se aproxima da freqüência natural da passarela. Apesar de diversas pesquisas a respeito do lock-in, os resultados ainda são escassos para embasar o desenvolvimento de modelos matemáticos que representem o fenômeno. A princípio, um outro tipo de sincronização, que ocorre entre pedestres em situações de multidão, devido à densificação, daria início às vibrações na estrutura que originariam o lock-in. Contudo, faltam na literatura dados experimentais que comprovem essa teoria. Um estudo experimental a respeito da sincronização entre pedestres devido à densificação foi feito nesta pesquisa. Testes experimentais foram realizados num protótipo de passarela com diferentes densidades de pedestres. Para as densidades investigadas (0,3, 0,7 e 0,9 pedestres/m²), com os pedestres caminhando com sua taxa de passo natural, nenhum indício de sincronização foi verificado. Também foram realizados testes com taxa de passo induzida para verificar a robustez da metodologia utilizada. Os resultados mostraram que o procedimento adotado é válido e pode ser aplicado para outras densidades de interesse.

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.

Este trabalho aborda um tipo de passarela que está ganhando bastante notoriedade internacionalmente. Inúmeras obras vêm sendo construídas em diversos países, embora no Brasil ainda seja quase desconhecida. Basicamente, a estrutura é composta por cabos livremente suspensos, sobre os quais se apóia o tabuleiro formado por elementos pré-moldados de concreto. A protensão é utilizada como forma de enrijecer o conjunto. Dentre suas principais características, estão a rapidez e a facilidade de execução, a estética bastante agradável e o custo competitivo. Inicialmente, apresenta-se uma conceituação básica e um estado da arte. Em seguida, é estudado o comportamento estrutural da passarela. Alguns tópicos relativos à análise dinâmica e às fundações são brevemente comentados. Finalizando a dissertação, é feita uma aplicação numérica, enfatizando os aspectos que a diferenciam das estruturas convencionais / This work treats a kind of pedestrian bridge that is standing out internationally. Several structures have been built in different countries, although they are almost unknown in Brazil. Basically, the deck is formed by precast concrete elements over free suspended cables. Prestressing is applied behind the abutments to provide rigidity to the structure. Quick and easy to assemble, aesthetically beautiful and the competitive cost are some of their main features. First, the basic concepts and a state of art are presented. Then, the structural behavior is studied. Some questions related to dynamic analysis and foundations are briefly commented. Ending the dissertation, an example is done, with emphasis to the aspects that make the stress-ribbon a non-conventional structure

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / 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. / The structural engineers experience and knowledge allied by the use newly developed materials and technologies have produced steel and composite (steel-concrete) footbridges with daring structures. This fact have generated very slender structural footbridges and consequently changed the serviceability and ultimate limit states associated to their design. A direct consequence of this design trend is a considerable increase of structural vibrations. Therefore, the present investigation was carried out based on a more realistic load model developed to incorporate the dynamic effects induced by people walking. The load model considered the ascent and descending movement of the human body effective mass at each step. The position of the dynamic load was also changed according to the individual position and the generated time function, having a space and time description. The effect of the human heel was also incorporated in the analysis. The investigated structural model was based on a tubular composite (steel-concrete) footbridge, spanning 82.5 m. The structure is composed by three spans (32.5 m, 17.5 m and 20.0 m, respectively) and two overhangs (7.5 m and 5.0 m, respectively). The structural system is constituted by tubular steel sections and a concrete slab and is currently used for pedestrian crossing. This investigation is carried out based on correlations between the experimental results related to the footbridge dynamic response and those obtained with finite element models. The proposed computational model adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations. The finite element model has been developed and validated with the experimental results. This model enabled a complete dynamic evaluation of the investigated tubular footbridge especially in terms of human comfort and its associated vibration serviceability limit states. The system dynamic response, in terms of peak accelerations, was obtained and compared to the limiting values proposed by several authors and design standards. The peak accelerations found in the present analysis indicated that the investigated tubular footbridge presented problems related with human comfort. Hence it was detected that this type of structure can reach high vibration levels that can compromise the footbridge users comfort and especially its safety.

Nowadays, the pedestrian footbridges present greater slenderness and have been constructed with increasingly daring structures. This fact have generated very slender footbridges and consequently changed the serviceability and ultimate limit states associated to their design. Therefore, in this investigation, the walking loading was modelled based on a probabilistic approach, in order to describe the walking force in a given pedestrian population, aiming a human comfort analysis. The pedestrian walking dynamic action is modelled considering the random nature of the following parameters: pedestrian weight, step frequency and dynamic coefficients. The mathematical model is then applied to calculate the probability of having the structure dynamic response in a particular acceleration range. The investigated structural model is associated to a steel-concrete composite footbridge, built in the campus of the Institute of Traumatology and Orthopaedics (INTO), at the city of Rio de Janeiro, Brazil. Based on the use of probabilistic methods, it was possible to determine whether the footbridge peak accelerations exceed or not the human comfort criteria established in the design standards and recommendations. The results have indicated that the peak accelerations calculated based on the deterministic methods may be overestimated in some design situations / 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.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 2316235 bytes, checksum: 0033949f9aa3743186479e5db2794978 (MD5) Previous issue date: 2011-03-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In large span footbridges, it has been observed that pedestrian traffic can induce low frequency oscillations. The proximity between the natural frequencies of the structure and the frequencies of the excitation can result in the occurrence of resonance phenomenon, causing difficulties to use the structure for fear of its collapse on the part of users. Notably, the increased amplitude of the vibration, in the lateral direction that have been induced by crowds of pedestrians were brought to attention by the behavior of some footbridges that presented excessive vibration in this direction such as the Millennium Bridge in London, Solferino Bridge in Paris, among others. The lateral movement can cause alteration on the movement of the center of gravity of the pedestrian during the crossing and thus discomfort to transit on it. On the other hand, the lateral movement of the structure can induce synchronization between pedestrians and the structure s own move, resulting in amplification of vibrations, a phenomenon identified in the literature by lock-in. However, research on the relationship between frequency and amplitude of motion of the structure and percentage of synchronization that this motion induces on the pedestrians are incipient, which hampers the development of mathematical models to analyze the phenomenon. To investigate this phenomenon, we developed a control system using fuzzy logic to control a pneumatic system excitation applied in a prototype footbridge built in the laboratory. The system was conceived to provide oscillatory movement, with control of frequency and amplitude. Results showed that pedestrians tend to synchronize with the footbridge, causing the lock-in effect in the lateral direction, when the footbridge lateral oscillation approaches by half of the pedestrian pacing rate in vertical direction. / Em passarelas de grande vão, vêm sendo observado que o tráfego de pedestres pode induzir oscilações de baixas frequências. A proximidade entre as frequências naturais da estrutura e as frequências de excitação pode resultar na ocorrência do fenômeno de ressonância, ocasionando dificuldades de uso da estrutura por receio de seu colapso por parte dos usuários. Notadamente, o aumento da amplitude das vibrações, na direção lateral, induzidas por multidões de pedestres, chamou à atenção pelo comportamento de várias passarelas que apresentaram vibrações excessivas nesta direção, tais como a Millennium Bridge, em Londres; Solferino Bridge em Paris; entre outras. O efeito do movimento lateral da passarela ocasiona alteração do movimento do centro de gravidade do pedestre durante seu percurso sobre a mesma e, desta forma, desconforto ao transitar sobre ela. Por outro lado, tal efeito pode induzir uma sincronização entre o caminhar dos pedestres na estrutura e o próprio movimento da estrutura, resultando em amplificação das vibrações, um fenômeno identificado na literatura por lock-in. Entretanto, investigações sobre a relação entre amplitudes e frequências do movimento da estrutura e percentual de sincronização que tal movimento induz nos pedestres são incipientes, o que dificulta o desenvolvimento de modelos matemáticos para analisar o fenômeno. Para investigação desse fenômeno, foi desenvolvido um sistema de controle, utilizando lógica fuzzy, para controlar um sistema pneumático de excitação aplicado em um protótipo de passarela construído em laboratório. Assim, tal sistema deve proporcionar a atuação de uma força oscilatória na passarela, com frequência e amplitude controladas. Os resultados da investigação mostraram que os pedestres tendem a sincronizar-se com a passarela, provocando o efeito lock-in na direção lateral, quando a passarela oscila lateralmente próximo da metade do valor da taxa de passo do pedestre na direção vertical.