An innovative approach to evaluate people's effects on the dynamic behavior of structures

People acting on pedestrian structures behave as dynamical systems capable of modifying the dynamics of the structure itself as well as of introducing a load. At present the knowledge of this phenomenon, commonly referred to as Human-Structure Interaction, is still limited. Indeed, the determination of vibration amplitudes of structures occupied by people is a very complex task. This work mainly focuses on the analysis of vertical vibrations of slender structures. As regards vertical vibrations, the experimental evidence suggests that people interacting with a structure are a source of added damping. For this reason, considering the dynamic properties of the empty structure to estimate the structural response can lead to a high overestimation of the vibration amplitudes. Thus, an innovative approach to include the effect of people’s presence when simulating the dynamics of joint Human-Structure systems is proposed. By using the proposed approach, reliable predictions of the dynamic behaviour of joint Human-Structure systems could be obtained. First, the work focused on the analysis of passive people’s effect. To this purpose an appropriate model is proposed and validated. The proposed approach only requires the knowledge of the modal model of the empty structure and of the driving point Frequency Response Functions of each subject on the structure. No restriction on the structural degrees of freedom is required. The method was then extended with the purpose of quantifying the in-service vibration amplitudes. The idea behind such an extension is the identification of an equivalent dynamic model to represent the dynamic behaviour of the joint structure-moving people system. An appropriate active force is then applied to this equivalent model in order to get a prediction of vibration levels. Also in this case experiments and numerical simulations were performed to validate the proposed method. The approach was also used to perform a theoretical analysis of Human-Structure Interaction. The differences between a complete model of Human-Structure systems and the use of the modal superposition method in case of Multi Degree of Freedom structures were investigated. Possible effects due to people in different postures and due to different directions of vibrations are also investigated. At last, the proposed approach was applied to predict the dynamic behaviour of a stadium grandstand, to test it on a more complex case structure.

Le persone, utilizzando strutture pedonali quali passerelle, ponti o scale, non solo introducono un carico attivo ma si comportano come sistemi dinamici capaci di modificare la dinamica della struttura stessa. Attualmente la conoscenza di questo fenomeno, comunemente noto come Interazione Uomo-Struttura, è tuttavia ancora limitata e non risulta semplice determinare le ampiezze di vibrazione di tali strutture. Questo lavoro si concentra principalmente sull’analisi delle vibrazioni verticali di strutture snelle. Per quanto riguarda le vibrazioni verticali, l'evidenza sperimentale mostra che le persone aggiungono smorzamento alla struttura. Per questo motivo, considerare le proprietà dinamiche della struttura vuota per stimare la risposta strutturale può causare un alta sovrastima delle ampiezze di vibrazione. Pertanto, il lavoro propone un approccio innovativo per includere l'effetto della presenza delle persone nella simulazione della dinamica di strutture pedonali. Utilizzando l'approccio proposto in questo lavoro è possibile ottenere delle previsioni affidabili del comportamento dinamico di tali strutture. La prima parte del lavoro si concentra sull'analisi dell'effetto di persone ferme. L'approccio proposto richiede unicamente la conoscenza del modello modale della struttura vuota della funzione di trasferimento di ciascun soggetto nel punto di contatto con la struttura, mentre non viene posto nessun vincolo sul numero di gradi di libertà della struttura. Il metodo è stato quindi esteso con lo scopo di quantificare le ampiezze di vibrazione in condizioni operative. L'idea alla base di tale estensione è l'identificazione di un modello dinamico equivalente per rappresentare il comportamento dinamico del sistema persone-struttura. Utilizzando questo modello equivalente viene quindi applicata una forza attiva per ottenere una stima dei livelli di vibrazione. In tutti i casi sono stati eseguiti esperimenti e simulazioni numeriche per validare il metodo. L'approccio è stato quindi utilizzato anche per eseguire un'analisi teorica del fenomeno di Interazione Uomo-Struttura. In particolare sono state analizzate le differenze tra l’utilizzo di un modello a più gradi di libertà della struttura e la sovrapposizione degli effetti. Inoltre sono stati investigati gli effetti della distribuzione di persone sulla struttura, della postura delle stesse e della direzione di vibrazione. Infine, allo scopo di testare il metodo su una struttura complessa, lo stesso è stato utilizzato per prevedere il comportamento dinamico di una tribuna dello stadio San Siro.