Vibration Response of Footbridges under Pedestrian Loading: A Review and Analysis of Guidelines and Numerical Models

Abstract

Svingninger forårsaket av fotgjengere på gangbruer blir stadig viktigere å ta med i betraktning under dimensjoneringsfasen. Ambisiøse arkitekter og økende fokus på miljøhensyn driver moderne gangbrudesign mot å bli slankere og lettere. Dette resulterer i gangbruer som er mer mottagelige til svingninger forårsaket av fotgjengere.

Denne avhandlingen undersøker belastning fra fotgjengere på gangbruer gjennom metoder fra retningslinjer og gjennom numerisk modellering. Målet med avhandlingen er å forbedre metoder presentert i retningslinjer, for å oppnå mer presis dimensjonering. Retningslinjene som er inkludert i avhandlingen er Sétra, NS-EN 1995-2, britisk nasjonalt tillegg til EN 1991-2, prEN 1991-2, ISO 10137 og HIVOSS.

Dagens retningslinjer forenkler den stokastiske naturen til fotgjenger, og inkludere ikke faktorer som interaksjon mellom menneske og konstruksjon (HSI), noe som kan påvirke responsen. For å ta hensyn til disse forenklingene bruker denne avhandlingen tre numeriske modeller; bevegelig kraft (MF), fjær-masse-demper (SMD) og en forenklet metode for HSI. SMD-modellen inkludere hele effekten av HSI, mens den forenklede metoden kombinerer MF- og SMD-modellene. Den største fordelen med den forenklede metoden er redusert beregningstid sammenlignet med SMD-modellen. Modellene brukes til å analysere forskjellige trafikk scenarioer på bruene. MF- og SMD-modellene ser på; en enkelt fotgjenger, en grupper med 5 og 15 fotgjengere, og folkemengder med tetthet på 0.5, 0.8, og 1.0 pers/m$^2$. Den forenklete metoden ser bare på folkemengde scenarioene. Avhandlingen antar SMD-modellen som den mest realistiske representasjonen på belastning fra en fotgjenger, og brukes som referanse for de antatte virkelige responsene.

Ved evaluering av retningslinjene og de numeriske modellene for samme belastning scenarioer, viser resultatene at de numeriske modellene har en tendens til å gi langt lavere svingningsresponser sammenlignet med retningslinjene. Spesielt ved inkludering av HSI overestimerer retningslinjene responsen enormt sammenlignet med SMD-modellen. For belastning fra folkemasser antar retningslinjene 150-2500\% høyere respons. I midlertidig ble broene i denne avhandlingen valgt for å gi mest respons og få mye reduksjon gjennom HSI, noe som gir dem veldig høye forskjeller. Av de ulike retningslinjene gir det britiske nasjonale tillegg til EN 1991-2 de mest like responsene sammenlignet med de numeriske modellene. Inntil videre forskning er utført, kan denne retningslinjen kan foretrekkes når gangbruer skal dimensjoneres.

Grunnet resultatene i denne avhandlingen foreslås det å inkludere HSI i utrekninger som omhandler vibrasjoner til lette, slanke gangbruer. Dette er spesielt viktig for konstruksjoner med egenfrekvens nær den gjennomsnittlige skrittfrekvensen på 2 HZ. Inkluderingen av HSI reduserer responsen betydelig for de fleste bruer. Resultater fra den forenklede metoden for HSI viser god nøyaktighet i forhold til kompleksitet, og anbefales å bruke ved dimensjonering av bruer.

The vibration serviceability of footbridges under pedestrian loading is becoming an increasingly important design consideration. Ambitious architectural goals, as well as increasing environmental considerations, drive modern structural design towards slender and lightweight footbridges. This results in footbridges that are more responsive to pedestrian loading, and vibration serviceability criteria take precedence over other design criteria.

This thesis examines pedestrian loading on footbridges through current methodologies from guidelines, and numerical modeling. The objective is to improve the current methods to achieve more precise and realistic design outcomes. The included guidelines are Sétra, NS-EN 1995-2, The UK National Annex to EN 1991-2, prEN 1991-2, ISO 10137, and HIVOSS.

Current guidelines simplify the stochastic nature of pedestrian walking, and neglect to incorporate factors such as human structure interaction (HSI) that can influence the response. To address these simplifications, this thesis employs three numerical models; the moving force (MF) model, the spring-mass-damper (SMD) model, and a simplified method for human structure interaction. The SMD model incorporates the full effects of HSI, while the simplified method combines the MF and SMD models. The main benefit of the simplified method is reduced computational time compared to the SMD model. The MF and SMD models are used to analyze the pedestrian load scenarios; single pedestrians, groups of 5 and 15 pedestrians, and crowds with densities of 0.5, 0.8, and 1.0 pers/m$^2$. The simplified method is only used to analyze the crowd scenarios. Throughout the thesis, the SMD model is considered the most realistic representation of pedestrian loading, serving as the benchmark for the assumed real responses.

When evaluating the guidelines and the numerical models for the same pedestrian load scenarios, the results show that the numerical models tend to yield far lower vibration responses in comparison with the guidelines. Especially when incorporating HSI, the guidelines overestimate the response by 150-2500\% compared to the SMD model for crowd loads. However, the bridges in this thesis were chosen to produce the most response and get a lot of reduction from HSI, making these values very high. Among the guidelines, the UK National Annex to EN 1991-2 provides the most similar predictions to the numerical models. This guideline could be preferred when designing footbridges until further research has been conducted.

From the results of this thesis, it is suggested to include some form of HSI during vibration serviceability assessments for slender bridges. Particularly for structures with a natural frequency close to the mean step frequency of 2 Hz. Incorporating HSI significantly reduces the response for most bridges. The results from the simplified method show that it could be a great compromise between accuracy and complexity, predicting only slightly conservative results. The simplified method is recommended when designing for crowd scenarios.