Studio numerico e sperimentale sull'interazione uomo struttura

This work is concerned to define and validate a numerical model in order to predict changes of the modal parameters of a structure when occupied by people. It is well known that people who interact with a structure are not just a source of forcing, but they also modify the dynamic behaviour. The proposed model requires knowledge of the dynamic behaviour of the structure alone (i.e. not occupied by people) in terms of modal parameters. People, synthesized through a biomechanical model of the human body, are then introduced on the empty structure, in order to obtain a description of the dynamic behaviour of the system made by structure and people. To validate the numerical model have been carried out experimental tests on a civil structure by evaluating the effect of some people in assigned positions. To forecast the behaviour of the biomechanical system representing each person, both measurement of the response of some people involved in testing and analytical models known by literature were used. The modal parameters, obtained experimentally and characterizing the structure occupied by people standing in assigned positions, were compared with those obtained using the model in order to provide a validation. A comparison between the two approaches pointed out that this model reflects well the experimental evidence. The model was then extended to the case of a person walking on the spot, to see if it was possible to consider separately the effect of those changes in terms of modal parameters and forcing given by walk. To do this it was necessary therefore to provide for an estimate of the forces that are discharged to the ground by man through the metrological characterization of measuring instruments suitable for the purpose. Validation of the model for the case of the walk has planned to compare the response of the structure, when subjected to the load transmitted by a person, with that predicted numerically by introducing the same force in the model. Even in this case the results of the model were in good agreement with the experimental ones.

Il presente lavoro si occupa di definire e validare un modello numerico per prevedere i cambiamenti in termini di parametri modali di una struttura quando occupata da persone. È noto che le persone che interagiscono con una struttura non sono solo una fonte di forzamento, ma ne modificano anche il comportamento dinamico. Il modello proposto richiede la conoscenza del comportamento dinamico della sola struttura non occupata, in termini di parametri modali. Sulla struttura a vuoto vengono poi introdotte le persone, sintetizzate attraverso un modello biomeccanico del corpo umano, per ottenere una descrizione del comportamento dinamico del sistema comprensivo di struttura e persone. Per validare il modello numerico sono stati eseguiti test sperimentali su una struttura civile valutando l’effetto di alcune persone in posizioni assegnate. Per modellare il comportamento del sistema biomeccanico rappresentante ciascuna persona si è ricorso sia all’utilizzo di una misura della risposta di alcuni soggetti coinvolti nei test, sia a modelli analitici noti in letteratura. I parametri modali, ottenuti sperimentalmente e caratterizzanti la struttura occupata da persone ferme in posizioni assegnate, sono stati confrontati con quelli ottenuti mediante il modello al fine di fornire una validazione di quest’ultimo. Da un confronto tra i due approcci si è visto come il modello proposto rispecchi bene l’evidenza sperimentale. Il modello è stato quindi esteso al caso di persona in camminata sul posto, per verificare se fosse possibile considerare separatamente l’effetto delle persone in termini di modifica dei parametri modali e di forzamento dato dalla camminata. Per far ciò è stato necessario quindi provvedere ad una stima delle forze scaricate al suolo da parte dell’uomo attraverso la caratterizzazione metrologica di strumenti di misura adatti per lo scopo. La validazione del modello per il caso della camminata ha previsto di confrontare la risposta della struttura, quando soggetta al carico trasmesso da una persona, con quella predetta numericamente introducendo la stessa forza nel modello. Anche in questo caso i risultati del modello sono stati in buon accordo con quelli sperimentali.