Dynamic analysis and vibration control of lightweight FRP footbridges considering human-structure interaction

Los Polímeros Reforzados con Fibras (FRPs, por sus siglas en inglés) han demostrado ser alternativas viables a los materiales tradicionales de construcción en la Ingeniería de Puentes, ofreciendo varios beneficios, como alta relación resistencia-peso, bajo coste de mantenimiento, reducción de carga muerta, transparencia electro-magnética, resistencia a la corrosión y rápida instalación. Debido a la historia reciente de estos materiales en la industria de la construcción, la falta de una normativa estándar para diseñar estructuras de FRP es una de las principales desventajas que limita su uso generalizado, particularmente frente al diseño ante acciones dinámicas peatonales. De hecho, la vibración inducida por humanos en pasarelas es un tema que debe abordarse adecuadamente dada la ligereza de los FRPs. Por lo tanto, esta investigación busca: (i) mejorar el entendimiento sobre la respuesta dinámica de pasarelas livianas de FRP ante acciones peatonales, y (ii) establecer una guía para estimar adecuadamente las vibraciones en estructuras peatonales de materiales compuestos en el Estado Límite de Servicio de Vibraciones (VSLS). Los objetivos antes mencionados se han pretendido alcanzar mediante la realización de cuatro tareas principales. En primer lugar, se ha diseñado una pasarela simplemente apoyada de FRP de 10 m de largo, cumpliendo con los requisitos del Estado Límite de Servicio de Deflexiones (DSLS) y del Estado Límite Último (ULS). Como se adoptó un enfoque de diseño basado en el movimiento, la estructura construida en el Laboratorio de Estructuras de la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos - Universidad Politécnica de Madrid, presenta una masa lineal de solo 80 kg/m. En segundo lugar, se han identificado los parámetros modales de la estructura de FRP y se ha llevado a cabo una campaña experimental para evaluar la respuesta en servicio de la pasarela bajo dos acciones peatonales. Se han considerando personas rebotando (bouncing) y caminando. Los resultados experimentales han dado como resultado vibraciones verticales excesivas en la estructura debido a armónicos más elevados de la acción peatonal. También se ha determinado la influencia de peatones pasivos (de pie) y activos (caminando) en el modo de vibración fundamental de la pasarela de material compuesto, obteniendo un incremento en el amortiguamiento del sistema humano-estructura. En tercer lugar, se ha estimado erróneamente la respuesta dinámica de la estructura FRP utilizando modelos de carga que omiten la Interacción Humano-Estructura (HSI). Por lo tanto, se ha adoptado un sistema de Masa-Resorte-Amortiguador-Actuador (MSDA), para considerar el fenómeno de interacción y armónicos más altos de la acciones peatonales. En base a los resultados experimentales, se han identificado dos modelos de carga utilizando este sistema para representar a: (i) una persona rebotando, y (ii) un peatón caminando. Además, se ha propuesto un procedimiento para tener un cuenta la Interacción Peatones-Estructura (CSI) para evaluar la respuesta dinámica de estructuras simplemente soportadas. Se ha definido el flujo de peatones caminando sobre una pasarela como un sistema equivalente invariante en el tiempo. En cuarto lugar, se ha propuesto un enfoque en el dominio de la frecuencia, basado en un sistema acoplado humano-estructura-controlador, para diseñar absorbedores de vibraciones sintonizados (TVAs) para estructuras peatonales ligeras considerando HSI. Empleando esta propuesta, se ha diseñado, ensamblado e instalado un TVA en la pasarela de FRP para mitigar las vibraciones excesivas. Por lo tanto, se ha completado el diseño basado en el movimiento adoptado inicialmente. A pesar de observarse un leve desintonizado del TVA a medida que la cantidad de personas caminando sobre la estructura de FRP aumenta, el dispositivo ha demostrado un comportamiento adecuado. En esta tesis, se han discutido enfoques para evaluar la respuesta dinámica de pasarelas y controlar vibraciones inducidas por humanos en términos de una estructura ultraligera de FRP. Sin embargo, los modelos de carga identificados y los procedimientos propuestos son generales, ya que pueden aplicarse a otras estructuras peatonales ligeras, independientemente del material utilizado para su construcción. ----------ABSTRACT---------- Fibre Reinforced Polymers (FRPs) have demonstrated to be feasible alternatives to traditional construction materials in Bridge Engineering, offering several benefits such as high strength-to-weight ratio, low maintenance cost, dead load reduction, electrical transparency, corrosion resistance, and fast installation. Due to the recent history of these materials in the construction industry, lack of a well-established standard to design FRP structures is one the major disadvantages that constrains the widespread use of composites, particularly the design against pedestrian dynamic actions. Indeed, human-induced vibration problematic remains as a subject to be properly addressed given the lightweight of FRPs. Therefore, this research aims to: (i) improve the understanding about the dynamic response of lightweight FRP footbridges subjected to pedestrian actions, and (ii) set guidance to estimate vibrations accurately on composite structures at Vibration Serviceability Limit State (VSLS). The aforementioned objectives have meant to be accomplished by carrying out four major tasks. First, a 10-m long FRP footbridge that fulfils requirements at Deflection Serviceability Limit State (DSLS) and Ultimate Limit State (ULS) has been designed. As a motion-based design approach has been followed, the simply supported structure, built at the Laboratory of Structures of the School of Civil Engineering - Universidad Politécnica de Madrid, presents a linear mass of only 80 kg/m. Second, the modal parameters of the FRP footbridge has been identified, and an experimental campaign has been carried out to evaluate the in-service dynamic response of the laboratory bridge under two pedestrian actions. People bouncing and walking have been considered. Experimental results have shown excessive vertical vibrations on the structure due to higher harmonics of the pedestrian actions. Additionally, the influence of passive (standing) and active (walking) people on the fundamental vibration mode of the FRP footbridge has been assessed, obtaining that the damping of the human-structure system is increased. Third, the dynamic response of the FRP structure has been poorly estimated using load models that omit Human-Structure Interaction (HSI). Thus, a Mass-Spring- Damper-Actuator (MSDA) system has been adopted, to account for HSI and higher harmonics of human action. Based on the experimental results, two load models have been identified considering this system to represent: (i) a person bouncing, and (ii) a pedestrian walking. In addition, a procedure to account for Crowd-Structure Interaction (CSI) has been proposed to assess the dynamic response of simply supported structures. The flow of pedestrians walking on the footbridge has been defined as an equivalent time-invariant system. Fourth, a frequency domain approach, based on a coupled human-structure controller system, has been proposed to design Tuned Vibration Absorbers (TVAs) for lively pedestrian structures considering HSI. Employing the proposal, a TVA has been designed, assembled and installed on the FRP footbridge to control the excessive vertical vibrations. Thus, the motion-based design approach adopted initially has been completed. Although a slight detuning of the TVA has been observed when the number of people walking on the bridge increases, the vibration control device has demonstrated an adequate performance. In this thesis, the approaches to assess the dynamic response of footbridges and control human-induced vibrations have been mainly discussed in terms of an ultra-lightweight FRP structure. Nevertheless, the identified HSI models and proposed procedures are general, since they can be applied to other lightweight pedestrian structures, regardless of the material employed for the construction