Optimized design of suspended footbridges: vibrational dis-comfort mitigation systems

In the thesis work the problem associated to human induced vibrations on footbridges is analysed, aiming to optimize the mitigation systems design. Referring to an existing suspended footbridge, the objectives of this work are the following: 1. Induce some principal critical modes out of the critical frequencies ranges interested by walking and running, to avoid resonant effect. 2. Mitigate the accelerations values to guarantee a minimum comfort class, using mitigation systems alternative to the tuned mass dampers system which the studied footbridge is equipped of. The first two chapters of the thesis introduce the vibrations problem which involves this kind of structures. In detail, the first chapter reviews different typologies of existing footbridges showing the frequencies of their first principal modes. The second chapter, instead, reminds the theoretical concepts of vibrations, referring to the simple oscillator as the used element to describe the mechanics of vibrations. The third chapter reviews the Eurocodes’ requirements about the design of footbridges. In addition, some guidelines, which deal with this topic in more detailed way than Eurocodes, are discussed. Particularly, Sétra and HiVoSS guidelines are mentioned. In the fourth chapter, some of the most used mitigation systems presented in literature are described. On this point, it is analysed the operation principles of tuned mass dampers (TMD), viscoelastic and viscous dampers and liquid mass dampers. Other mitigation systems addressed in this chapter consist both in the addition of inclined stays linked between the top of the tower and deck, and in modified hanger systems. In the fifth chapter, it is studied a suspended footbridge situated in Seriate (BG). This structure presents five tuned mass dampers, installed to mitigate both frequencies and accelerations which the bridge is subjected to. The case study starts with the validation of the footbridge before and after the TMD’s installation, from available results of dynamic tests performed in the past. First, the model without TMDs is validated in terms of frequencies and modal shapes of the vibrational principal modes. Second, five spring-dampers elements are introduced and this numerical model is also validated in terms of frequencies and modal shapes. In the thesis, two alternative mitigation systems are proposed. The first solution involves the addition of four inclined stays linked between the top of the tower and the deck. The second solutions, instead, proposes a combined mitigation system using two TMDs and four inclined stays. Both these two models appear to be effective, reducing all accelerations under the limit value of 2.5 m/s2 suggested by Sétra guidelines.

Nel presente lavoro di tesi si è affrontato il problema delle vibrazioni che interessano le passerelle pedonali, con lo scopo di ottimizzare la progettazione dei dispositivi di mitigazione delle stesse. Con riferimento ad un ponte pedonale sospeso esistente, gli obiettivi perseguiti sono stati i seguenti: 1. Indurre i modi propri di vibrazione al di fuori degli intervalli di frequenze che interessano la camminata e la corsa, al fine di evitare che si verifichino fenomeni di risonanza. 2. Mitigare le accelerazioni sui punti dell’impalcato al fine di garantire che la struttura sia in una classe di comfort minimo, attraverso l’impiego di sistemi di mitigazione alternativi ai TMD di cui la passerella è dotata. I primi due capitoli del presente lavoro di tesi introducono il problema delle vibrazioni delle passerelle pedonali. In particolare, nel primo capitolo sono state descritte brevemente differenti tipologie di passerelle pedonali esistenti, riportando le frequenze dei primi modi propri corrispondenti. Nel secondo capitolo, invece, è stata richiamata la teoria delle vibrazioni, con riferimento all’oscillatore semplice, che rappresenta l’elemento base usato per descrive la meccanica delle vibrazioni. Successivamente, nel terzo capitolo, sono state riportate le prescrizioni relative alla progettazione dei ponti pedonali, presenti nelle normative europee e in alcune linee guida esistenti; queste ultime si occupano in maniera più dettagliata della progettazione delle passerelle rispetto agli Eurocodici (in particolare si menzionano le linee guida Sétra e HiVoSS). Nel quarto capitolo sono stati presentati alcuni tra i metodi di mitigazione più diffusi presenti in letteratura. A tal proposito, è stato descritto il funzionamento dei tuned mass dampers (TMD), degli smorzatori viscoelastici e viscosi, degli smorzatori a massa liquida. Altri metodi di mitigazione riportati nel capitolo, consistono nell’impiego di sistemi di cavi inclinati collegati tra la sommità dell’antenna e l’impalcato e nell’utilizzo di sistemi di pendini inclinati piuttosto che verticali. Nel quinto capitolo è stato affrontato il caso studio, che ha come oggetto l’analisi di un ponte pedonale esistente situato a Seriate (BG). La struttura è dotata di cinque tuned mass dampers (TMD), installati per mitigare le cinque frequenze critiche a cui la passerella è soggetta. Disponendo dei risultati sperimentali ottenuti da prove dinamiche eseguite in passato sulla passerella, sono stati validati i modelli numerici della struttura prima e dopo la modellazione dei TMD. La validazione è avvenuta in termini di frequenze e forme modali. Nel lavoro di tesi, inoltre, sono state proposte soluzioni di mitigazione alternative ai TMD. La prima ha previsto l’inserimento nella struttura di quattro cavi inclinati in acciaio, fissati alla sommità dell’antenna e all’impalcato. Nella seconda soluzione studiata sono stati combinati i due differenti sistemi di mitigazione precedentemente analizzati, ovvero TMD e tiranti. Il modello in questione è stato realizzato inserendo nella struttura quattro cavi inclinati e due TMD. Entrambe le soluzioni progettuali analizzate sono risultate efficaci, in quanto le accelerazioni ottenute sono tutte inferiori al limite di 2.5 m/s2 imposto dalle linee guida Sètra.