Instrumentação e modelos biodinâmicos para simulação de carregamentos em estruturas submetidas a esforços da caminhada humana

Abstract

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.