Contextualization of a historical suspension footbridge in the modern design approach : experimental and numerical analysis

Nowadays the study of pedestrian bridges is of great interest, especially in relation to the dynamic response of the structure if excited by periodic mobile loads characterized by a certain periodicity. The vibrations induced by pedestrians represent these kinds of periodic loads; if the eigen frequencies of the bridge are close to those produced by human walking, this could trigger resonance and high accelerations, disadvantaging mainly the comfort level and, in some cases, the safety. The study case examines a historic suspension bridge in Ribeira de Pena in the North of Portugal. Built more than a century ago, with poor engineering, this bridge is particularly suitable for to the study of structural resonance phenomena certainly not considered in that historical and geographical context. Furthermore, the torsional behaviour of the bridge had already been the subject of investigations concerning the risk associated with it in the event of high vibrations or vandalism. The objective of the study, conducted with an experimental campaign coupled with the finite element modelling implemented with SAP2000, was to characterize the dynamic behaviour of the structure. The study is aimed at identifying the problems associated with a reallocation of the bridge with the current geometry. The structural modelling has allowed not only to explore the effects of the modelling with SAP2000, based on the adoption of cable elements and orthotropic shells, but also to develop simulations and explore in depth some behaviour of the structure. The numerical simulation of the human walking has allowed to characterize the bridge even better and to carry on a constant parallelism with the experimental tests. Once the model has been calibrated, on the basis of a few parameters known a priori, its response has been compared with the one expected based on the European HiVoSS Guidelines. The comparison is relevant because the Guidelines concern much more modern structures; it was therefore important to evaluate the applicability of the latter in this case, especially regarding the torsional eigenmodes.

Lo studio di ponti pedonali è di grande interesse in questi anni, soprattutto in relazione alla risposta dinamica della struttura sollecitata da carichi mobili di natura periodica. Le vibrazioni indotte dai pedoni in movimento rientrano in questa categoria; se le frequenze proprie del ponte sono vicine a quelle prodotte dalla camminata umana, questa potrebbe innescare una risposta in risonanza ed elevate accelerazioni, a discapito principalmente del comfort e, in taluni casi, della sicurezza. Il lavoro di tesi riguarda un ponte storico sospeso nella località di Ribeira de Pena nel Nord del Portogallo. Costruito più di un secolo fa, con una scarsa ingegnerizzazione, il ponte ben si presta allo studio dei fenomeni di risonanza strutturale, certamente non tenuti in considerazione nel particolare contesto storico e geografico all’epoca della realizzazione. Inoltre, il comportamento torsionale del camminamento del ponte era già stato oggetto di indagini per il rischio ad esso collegato in caso di sollecitazioni elevate o vandaliche. L’obiettivo dello studio, condotto con una campagna sperimentale affiancata alla modellazione ad elementi finiti implementata con SAP2000, è la caratterizzazione del comportamento dinamico della struttura. Lo studio è finalizzato all’individuazione delle problematiche associate ad una nuova collocazione del ponte con il mantenimento dell’attuale geometria. La modellazione strutturale ha permesso sia di esplorare l’effetto della modellazione, tramite il programma SAP2000, basata sull’adozione di elementi cable e piastre ortotrope, sia di avviare delle simulazioni per approfondire alcuni comportamenti della struttura. La simulazione numerica della camminata umana ha permesso di caratterizzare ancora meglio il comportamento dinamico del ponte, calibrando il modello numerico sulla base dei test sperimentali. A calibrazione effettuata, sulla base di pochi parametri noti a priori, la risposta del ponte è stata confrontata con quella attesa sulla base delle linee guida europee HiVoSS. Il confronto è rilevante, visto che le linee guida riguardano strutture ben più moderne, ed ha consentito di valutare l’applicabilità di queste ultime nel caso in esame, soprattutto per quanto riguarda i modi torsionali.