Studio numerico e valutazione sperimentale delle proprietà dinamiche di una passerella pedonale

In the field of civil engineering, technological progress has allowed the creation of structures with an elegant design and a reduced amount of material used. In the area of pedestrian footbridges, this has led to the creation of slender and light structures, characterized by natural frequencies that are in the same range of those produced by pedestrians. As a result, a resonant structural response was found in numerous footbridges, characterized by excessive vibration amplitudes generated by the transit of pedestrians on the deck. In this thesis the dynamic behaviour of a footbridge located in Cerro al Lambro (MI), was studied. This footbridge was the subject of two experimental campaigns made few years ago. In the first campaign, the dynamic properties of the footbridge from free vibrations due to environmental excitation were identified. Since the first experimental frequency falls into the typical field of human walking, in the second campaign the footbridge was excited by the transit of groups of pedestrians. In order to numerically simulate the results of the tests with the pedestrians, this work has the main goal of deriving a numerical model of the structure that accurately represents its dynamic behaviour as identified in the Ambient Vibration Tests (AVT). Starting from numerical models created in previous Master's thesis works, a new model was created with the ANSYS Mechanical APDL software which, overcoming the limitations of previous works, accurately represents all the experimentally identified modes. In order to use the structural matrices of the model in a calculation code written in FORTRAN that studies the pedestrian-structure interaction, particular attention was paid to the numbering of the nodes, in order to keep the band width of the matrices limited. The final part of this work was dedicated to examining the second experimental campaign, with the aim of synthesizing the large amount of experimental results. These results have been studied in terms of peak values, time histories and frequency analysis. The results showed a great variability due both to the way of walking of the individual pedestrian and to the configuration of the pedestrians on the deck. The availability of both an experimentally validated finite element model and a series of tests in which the footbridge is excited by the transit of a group of pedestrians makes it possible to study pedestrian-structure interaction phenomena, allowing to simulate the dynamic response of the bridge to the human walk.

Nell’ambito dell’ingegneria civile, il progresso tecnologico ha permesso la realizzazione di opere dal design elegante e dal quantitativo di materiale utilizzato ridotto. Nell’ambito delle passerelle pedonali ciò ha portato alla realizzazione di strutture snelle e leggere, caratterizzate da frequenze proprie che ricadono nel range di quelle prodotte dai pedoni in movimento. Come conseguenza, in numerose passerelle si è riscontrata una risposta strutturale in risonanza, caratterizzata da ampiezze di vibrazioni eccessive generate dal transito dei pedoni sull’impalcato. In questo elaborato è stato studiato il comportamento dinamico di una passerella pedonale situata a Cerro al Lambro (MI), che è stata oggetto alcuni anni fa di due campagne sperimentali. Nella prima si sono identificate le proprietà dinamiche della passerella dalle vibrazioni libere dovute a eccitazione ambientale. Poiché la prima frequenza sperimentale ricade nel campo tipico della camminata umana, nella seconda campagna la passerella è stata eccitata dal transito di gruppi di pedoni. Allo scopo di simulare numericamente le prove sperimentali di transito dei pedoni, questo lavoro ha avuto l’obiettivo primario di derivare un modello numerico della struttura che rappresenti in maniera accurata il suo comportamento dinamico così come identificato negli Ambient Vibration Tests (AVT). A partire da modelli numerici creati in precedenti lavori di tesi di Laurea Magistrale, si è creato con il software ANSYS Mechanical APDL un nuovo modello che, superando i limiti dei lavori precedenti, rappresenta in maniera precisa tutti i modi sperimentalmente identificati. Per rendere possibile l’utilizzo delle matrici strutturali del modello all’interno di un codice di calcolo in FORTRAN che studia l’interazione pedone-struttura, particolare cura è stata dedicata alla numerazione dei nodi, al fine di mantenere limitata la larghezza di banda delle matrici stesse. La parte finale di questo lavoro è stata dedicata all’esame della seconda campagna sperimentale, con l’obiettivo di sintetizzare la gran mole di risultati sperimentali, analizzati in termini di valori di picco, storie temporali e contenuto in frequenza. I risultati hanno mostrato una grande variabilità legata sia al modo di camminare dei singoli, sia alla configurazione dei pedoni sul ponte. La disponibilità sia di un modello a elementi finiti validato sperimentalmente, sia di una serie di prove in cui la passerella è eccitata dal transito di un gruppo di pedoni, rende possibile lo studio dei fenomeni di interazione pedone-struttura, permettendo di simulare la risposta dinamica della passerella alla camminata umana.