Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Footbridge Dynamics: Human-Structure Interaction
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Structural Engineering and Bridges.ORCID iD: 0000-0001-7081-7532
2018 (English)Licentiate thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

For aesthetic reasons and due to an increased demand for cost-effective and environmentally friendly civil engineering structures, there is a trend in designing light and slender structures. Consequently, many modern footbridges are susceptible to excessive vibrations caused by human-induced loads. To counteract this, today's design guidelines for footbridges generally require verification of the comfort criteria for footbridges with natural frequencies in the range of pedestrian step frequencies. To ensure that a certain acceleration limit is not exceeded, the guidelines provide simplified methodologies for vibration serviceability assessment.

However, shortcomings of these methodologies have been identified. First, for certain footbridges, human-structure interaction (HSI) effects might have a significant impact on the dynamic response. One such effect is that the modal properties of the bridge change in the presence of a crowd; most importantly, the damping of the bridge is increased. If this effect is neglected, predicted acceleration levels might be overestimated. Second, as a running person induces a force of greater amplitude than a walking person, a single runner might cause a footbridge to vibrate excessively. Hence, the running load case is highly relevant. These two aspects have in common that they are disregarded in existing design guidelines.

For the stated reasons, the demand for improvements of the guidelines is currently high and, prospectively, it might be necessary to require the consideration of both the HSI effect and running loads. Therefore, this licentiate thesis aims at deepening the understanding of these subjects, with the main focus being placed on the HSI effect and, more precisely, on how it can be accounted for in an efficient way.

A numerical investigation of the HSI effect and its impact on the vertical acceleration response of a footbridge was performed. The results show that the HSI effect reduces the peak acceleration and that the greatest reduction is obtained for a crowd to bridge frequency ratio close to unity and a high crowd to bridge mass ratio. Furthermore, the performance of two simplified modelling approaches for consideration of the HSI effect was evaluated. Both simplified models can be easily implemented and proved the ability to predict the change in modal properties as well as the structural response of the bridge. Besides that, the computational cost was reduced, compared to more advanced models.

Moreover, a case study comprising field tests and simulations was performed to investigate the effect of runners on footbridges. The acceleration limit given in the design guideline was exceeded for one single person running across the bridge while a group of seven people walking across the bridge did not cause exceedance of the limit. Hence, it was concluded that running loads require consideration in the design of a footbridge.

Abstract [sv]

På grund av estetiska skäl och en ökad efterfrågan på kostnadseffektiva och miljövänliga konstruktioner är merparten av de gångbroar som konstrueras idag förhållandevis lätta och slanka. Med anledning av detta ökar risken för att stora svängningar uppstår på grund av dynamisk belastning från människor på bron. För att motverka att detta inträffar kräver dagens normer att komforten verifieras för gångbroar med egenfrekvenser inom området för människans stegfrekvens. Komforten verifieras genom att säkerställa att ett visst accelerationskriterium inte överskrids. För detta ändamål finns handböcker som tillhandahåller förenklade beräkningsmetoder för uppskattning av accelerationsnivåer.

Brister i dessa beräkningsmetoder har emellertid identifierats. För det första kan olika typer av människa-bro-interaktion (HSI) ha en betydande inverkan på responsen hos vissa broar. Exempel på en HSI-effekt är att brons modala egenskaper förändras när människor befinner sig på bron; i huvudsak sker en ökning av brons dämpning. Om denna effekt inte tas i beaktande föreligger stor risk att överskatta förväntade accelerationsnivåer. För det andra är kraften från en löpare större än kraften från en gående person vilket gör att en ensam löpare på en gångbro kan ge upphov till accelerationsnivåer som överskrider gränsvärdena för komfort. Löpande personer är därför ett mycket relevant lastfall. Befintliga normer uttrycker inte explicit att någon av dessa aspekter bör tas i beaktande.

Behovet av förbättrade riktlinjer för hur normerna bör tillämpas är därför mycket stort och i framtiden kan det bli nödvändigt att kräva att både HSI-effekter och löparlaster tas i beaktande. Därför syftar denna licentiatavhandling till att bidra till en fördjupad förståelse inom dessa två ämnen, med huvudfokus på ovan nämnda HSI-effekt i allmänhet och hur den kan beaktas på ett enkelt, noggrant och tidseffektivt sätt i synnerhet.

En numerisk undersökning av HSI-effekten och dess inverkan på den vertikala responsen hos en gångbro genomfördes. Resultaten visar att HSI-effekten reducerar den maximala accelerationen och att störst reduktion erhålls då folksamlingen och bron har ungefär samma egenfrekvens och då folksamlingens massa är stor i förhållande till brons massa. Vidare utvärderades två förenklade metoder för beaktande av HSI-effekten vilka kan implementeras av konstruktörer med grundläggande kunskaper inom strukturdynamik. Det konstaterades att båda metoderna uppskattar HSI-effekten såväl som brons respons förhållandevis väl samtidigt som de reducerar beräkningstiden något jämfört med mer avancerade metoder.

Effekten av löpare på gångbroar studerades genom en fallstudie med fältmätningar. Utifrån resultaten från dessa fältmätningar kunde det konstateras att accelerationsgränsen som anges i normerna överskreds när en ensam löpare sprang över bron men inte när en grupp på sju personer gick i takt över samma bro. Därför drogs slutsatsen att löparlaster bör tas i beaktande vid dimensionering av en gångbro.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. , p. 69
Series
TRITA-ABE-DLT ; 183
Keywords [en]
Dynamics, vibration, footbridge, pedestrian bridge, human-structure interaction, runner, running loads, simplified models
Keywords [sv]
Dynamik, vibration, gångbro, människa-bro-interaktion, löpare, löparlaster, förenklade modeller
National Category
Infrastructure Engineering
Research subject
Civil and Architectural Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-224527ISBN: 978-91-7729-721-5 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-224527DiVA, id: diva2:1191568
Presentation
2018-04-13, M108, KTH, Brinellvägen 23, Stockholm, 13:30 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20180320

Available from: 2018-03-20 Created: 2018-03-19 Last updated: 2018-03-20Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3522 kB)300 downloads
File information
File name FULLTEXT03.pdfFile size 3522 kBChecksum SHA-512
bf25cfdb1b9e7a1f81c0eaa7f44e53f405e022de13636598353712840ff7c9342620c2565178942490981106755eeabd16af31f012cc2fe8d02f1721b771186b
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Zäll, Emma
By organisation
Structural Engineering and Bridges
Infrastructure Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 300 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 600 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf