Comparative analysis of dynamic load models generated by runners on footbridges

• Autorzy: Pańtak Marek

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.144165

Warianty tytułu

PL

Analiza porównawcza modeli obciążeń dynamicznych generowanych przez osoby biegnące na kładkach dla pieszych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Footbridges, like all building structures, must be designed in a way that ensures their safe and comfortable use. Steel footbridges characterised by low vibration damping often turn out to be a structure susceptible to the dynamic influence of users during various forms of their activity. For these structures, the impact of running users may be a key type of dynamic load for the verification of the serviceability limit state due to vibrations. In the literature, there are several proposals for models of dynamic load generated by runners (models of ground reaction forces - GRF). The paper presents the characteristics, analyses and comparisons of selected GRF load models. The analyses were performed using the GRF recorded during the laboratory tests of runners (tests planned and carried out by the author) and the GRF determined using various load models. In order to illustrate the accuracy of the estimation of the dynamic response of the structure, depending on the GRF model used, dynamic field tests and dynamic numerical analyses of the selected steel footbridge were carried out. The obtained results were analysed and compared.

PL

W artykule przedstawiono charakterystyki i analizy porównawcze wybranych modeli GRF. Analizy przeprowadzono z wykorzystaniem GRF zarejestrowanych podczas badań laboratoryjnych osób biegnących (badania własne autora) oraz GRF wyznaczonych z wykorzystaniem różnych modeli. W celu zobrazowania dokładności oszacowania odpowiedzi dynamicznej konstrukcji, w zależności od zastosowanego modelu GRF, przeprowadzono dynamiczne badania terenowe oraz dynamiczne analizy numeryczne stalowej kładki dla pieszych podatnej na oddziaływanie osób biegnących. Przeprowadzone analizy pozwoliły ustalić poprawność odwzorowania przebiegów GRF oraz dokładność wyznaczania odpowiedzi dynamicznej konstrukcji narażonych na dynamiczne oddziaływanie osób biegnących. W artykule przedstawiono własne zalecenia dotyczące modelowania oddziaływania osób biegnących na kładki dla pieszych oraz własne zalecenia dotyczące doboru parametrów wybranych modeli GRF opracowane na podstawie własnych badań sił reakcji podłoża generowanych podczas biegu. Zalecenia te pozwalają zwiększyć dokładność odwzorowania przebiegów GRF oraz dokładność oszacowania odpowiedzi dynamicznej konstrukcji narażonych na dynamiczne oddziaływanie osób biegnących. W szczególności: zaproponowano rozróżnianie technik biegu w celu dokładniejszego odwzorowania oddziaływań dynamicznych osób biegnących na konstrukcje, przedstawiono wartości współczynników Fouriera i przesunięć fazowych dla różnych technik biegu na potrzeby modelu bazującego na szeregu Fouriera, przedstawiono zalecenia dotyczące doboru wartości czasu kontaktu stopy z podłożem tcr dla różnych technik biegu na potrzeby modelu półsinusoidalnego (ang.: half-sine model), przedstawiono zalecenia dotyczące maksymalnych amplitud GRF dla różnych technik biegu oraz scharakteryzowano własną propozycję odwzorowania przebiegów GRF za pomocą funkcji Gaussa.

Słowa kluczowe

EN

running; vibration; dynamics; footbridge; ground reaction force

PL

bieganie; drganie; dynamika; kładka dla pieszych; siła reakcji podłoża

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 1
• Strony: 147--162
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Pańtak Marek

• Cracow University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4807-4212

Bibliografia

• [1] H. Bachmann, W. Ammann, F. Deischl, et al., Vibration problems in structures: practical guideline. Basel, Boston, Berlin: Birkhäuser Verlag, 1995.
• [2] M. Salamak, “Experimental methods for determining the level of vibration damping in footbridges”, PhD thesis, Silesian University of Technology, Gliwice, 2003.
• [3] M. Schlaich, K. Brownlie, J. Conzet, et al., Guidelines for the design of footbridges. fib Bulletin No. 32. Lausanne: Federation Internationale du Beton (fib), 2005.
• [4] M. Pańtak, B. Jarek, and K. Marecik, “Vibration damping in steel footbridges”, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 419, art. no. 012029, 2018, DOI: 10.1088/1757-899X/419/1/012029.
• [5] X. Wei, J. Russell, S. Živanović, and T. Mottram, “Measured dynamic properties for FRP footbridges and their critical comparison against structures made of conventional construction materials”, Composite Structures, vol. 223, art. no. 110956, 2019, DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.110956.
• [6] K. Żółtowski, A Banaś, M. Binczyk, and P. Kalitowski, “Control of the bridge span vibration with high coefficient passive damper. Theoretical consideration and application”, Engineering Structures, vol. 254, art. no. 113781, 2022, DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113781.
• [7] H. Bachmann, “Lively” footbridges - a real challenge”, in Footbridge 2002, Proceedings of the International Conference on the Design and Dynamic Behaviour of Footbridges. Paris, 2002.
• [8] P. Hawryszków, “Analysis of human induced vibrations on footbridges”, in Proceedings of the 9th International Conference on Structural Dynamics, EURODYN 2014, Porto, Portugal. 2014, pp. 951-958.
• [9] T. Siwowski, H. Zobel, T. Al-Khafaji, and W. Karwowski, “FRP bridges in Poland: state of practice”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 3, pp. 5-27, 2021, DOI: 10.24425/ace.2021.138040.
• [10] ISO 10137:2007 Bases for design of structures. Serviceability of buildings and walkways against vibrations. Geneva: International Organization for Standardization, 2007.
• [11] V. Racic and J. B. Morin, “Data-driven modelling of vertical dynamic excitation of bridges induced by people running”, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 43, no. 1-2, pp. 153-170, 2014, DOI: 10.1016/j.ymssp.2013.10.006.
• [12] J. H. Rainer and G. Pernica, “Vertical dynamic forces from footsteps”, Canadian Acoustics, vol. 14, no. 2, pp. 12-21, 1986. [Online]. Available: https://jcaa.caa-aca.ca/index.php/jcaa/article/view/559. [Accessed: 27 May 2022].
• [13] J. H. Rainer, G. Pernica, and D. E. Allen, “Dynamic loading and response of footbridges”, Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 15, no. 1, pp. 66-71, 1988, DOI: 10.1139/l88-007.
• [14] P. Hawryszków, R. Pimentel, R. Silva, and F. Silva, “Vertical vibrations of footbridges due to group loading: effect of pedestrian-structure interaction”, Applied Sciences, vol. 11, no. 4, art. no. 1355, 2021, DOI: 10.3390/app11041355.
• [15] P. Hawryszków, R. Pimentel, and F. Silva, “Vibration effects of loads due to groups crossing a lively footbridge”, Procedia Engineering, vol. 199, pp. 2808-2813, 2017, DOI: 10.1016/j.proeng.2017.09.565.
• [16] H. Bachmann and W. Ammann, Vibrations in structures induced by man and machines. Zurich: International Association for Bridge and Structural Engineering IABSE, 1987.
• [17] A. Occhiuzi, M. Spizzuoco, and F. Ricciardelli, “Loading models and response control of footbridges excited by running pedestrians”, Structural Control and Health Monitoring, vol. 15, no. 3, pp. 349-368, 2008, DOI: 10.1002/stc.248.
• [18] M. Feldmann, Ch. Heinemeyer, E. Caetano, et al., Human induced Vibration of Steel Structure (HIVOSS): Background Document. Luxembourg: Publication Office of the European Union, 2008.
• [19] M. Pańtak, “Vertical dynamic loads on footbridges generated by people running”, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, vol. 15, no. 1, pp. 47-75, 2020, DOI: 10.7250/bjrbe.2020-15.461.
• [20] P. Hawryszków and B. Czaplewski, “Application of Matlab software in static calculations of bridge structures”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 1, pp. 299-317, 2022, DOI: 10.24425/ace.2022.140169.