Please use this identifier to cite or link to this item: http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/68449
Title: Análisis de la interacción humano-estructura en el diseño de puentes peatonales modulares con sección trapezoidal en acero plegado en frío
Authors: Arteaga Flores, Ronnie Atair
García Troncoso, Natividad Leonor, Director
Keywords: Resonancia
Vibración
Subsistema
Confort y acoplamiento
Issue Date: 2025
Publisher: ESPOL.FICT
Citation: Arteaga Flores R.A. (2025) Análisis de la interacción humano-estructura en el diseño de puentes peatonales modulares con sección trapezoidal en acero plegado en frío [Proyecto Graduación] Escuela Superior Politécnica del Litoral. Guayaquil, 77 páginas
Abstract: the last century, as society has advanced at an accelerated pace, structural systems have evolved in response to societal needs. Among these structures, numerous civil engineering works—such as stairways, footbridges, grandstands, and pedestrian bridges—have exhibited problems related to excessive vibrations. These structures often present high flexibility and low damping, which significantly increases their susceptibility to vibration-related issues, particularly due to the phenomenon known as human–structure interaction. This phenomenon originates from the coupling of two subsystems: human locomotion and the structural response of the bridge to dynamic excitation. Resonance may occur when the natural frequency of the structure coincides with or approaches the frequency associated with human walking. Although most pedestrian bridges are designed in accordance with current design codes, considerable uncertainty remains regarding their behavior under dynamic loads induced by pedestrians. Such loads may lead to undesirable responses, potentially resulting in structural deficiencies or serviceability failures due to excessive vibrations. This study focuses on the analysis of pedestrian bridges with composite sections, consisting of a cold-formed trapezoidal steel girder and a prefabricated reinforced concrete deck slab. A numerically coupled pedestrian–bridge model was developed using Octave, in which the pedestrian is represented as a biodynamic subsystem and the bridge structure is modeled as a finite element subsystem. This approach allows for the explicit evaluation of the bidirectional interaction between both subsystems. Three different bridge cross-sections and two typical span lengths (13 m and 20 m) were analyzed. The corresponding natural frequencies and maximum accelerations induced by a representative pedestrian were evaluated. The results demonstrate that the fundamental natural frequency of the bridge is the dominant parameter governing its vibratory response. Furthermore, it was determined that structures with natural frequencies below 3.5 Hz exhibit high acceleration levels that exceed the comfort limits established by international design codes such as AASHTO LRFD, leading to unacceptable serviceability conditions. IV Conversely, bridge sections with higher natural frequencies exhibit stable dynamic responses, characterized by acceleration levels that are imperceptible to pedestrians. This graduation project investigates the phenomenon of human–structure interaction in modular pedestrian bridges, considering its direct influence on dynamic behavior, user comfort, and structural performance. The primary objective is to quantify maximum acceleration levels and assess the comfort performance of each bridge configuration, particularly in light of the fact that current design codes do not mandate dynamic serviceability analyses for pedestrian bridges nor establish explicit control parameters to prevent failures associated with human–structure interaction. Keywords: Resonance, vibration, subsystem, comfort, coupling
Description: En el último siglo, a medida que la sociedad avanza a pasos gigantes, las estructuras avanzan de acuerdo con las necesidades de la sociedad, entre estas estructuras, muchas obras civiles han presentado problemas con exceso de vibraciones, como escaleras, pasarelas, graderíos para estados, puentes peatonales, etc. Estas estructuras muchas veces presentan mucha flexibilidad y poco amortiguamiento aumentado potencialmente fallas por vibraciones exageradas sobre todo por el fenómeno de la interacción humano-estructura. El fenómeno de la interacción se origina a partir del acoplamiento de dos subsistemas, entre la locomoción humana y la respuesta del puente ante esta excitación pudiendo generar resonancia cuando la frecuencia del puente es igual o se aproxima a la frecuencia de los pasos humanos. Si bien la mayoría de los puentes peatonales se diseñan conforme a las normativas vigentes, aún se tiene mucha incertidumbre sobre el comportamiento de estas estructuras ante cargas dinámicas como la de los peatones que pueden coincidir en comportamientos no deseables, que terminan generando fallas estructurales o fallas por servicio ante vibraciones excesivas. Este estudio tiene como centro el análisis de puentes peatonales de sección compuesta conformado por una viga de acero plegada en frío con geometría trapezoidal y la losa de hormigón armado prefabricado. Dicho estudio desarrolló mediante el software Octave un modelo numérico acoplado entre el peatón y el puente en el cual el peatón se presenta como un subsistema dinámico biodinámico y la estructura del puente como un subsistema de elementos finitos, de tal manera que se permita evaluar de manera explícita la interacción bidireccional entre estos subsistemas. Se analizaron 3 secciones transversales de puentes y 2 longitudes típicas de vanos de puentes (13 y 20 m), evaluando sus frecuencias naturales y las aceleraciones máximas inducidas por el paso de un peatón representativo, estos valores evidencian que la frecuencia natural fundamental del puente, es el parámetro dominante que gobierna la respuesta vibratoria del puente, además se determinó que las estructuras con frecuencias inferiores a 3.5 Hz presentan aceleraciones elevadas que superan los II límites de confort establecidos por los diferentes códigos internacionales como la AASHTO LRFD, generando condiciones de servicio inaceptables. También se evidenció que, para secciones con frecuencias altas, las respuestas dinámicas son estables, esto quiere decir, que las aceleraciones obtenidas son imperceptibles para los peatones. El presente proyecto de titulación analiza el fenómeno de la interacción humano-estructura en puentes peatonales modulares en los cuales, considera su influencia de manera directa en el comportamiento dinámico, el confort de los usuarios y del desempeño estructural con el objetivo de cuantificar sus aceleraciones máximas y poder determinar el nivel de confort en cada puente, dado que las normas actuales no obligan a realizar un análisis dinámico por servicios y vibraciones en los puentes peatonales y no establecen parámetros de control para evitar fallas por la interacción humano-estructura.
URI: http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/68449
Appears in Collections:Tesis de Maestría en Estructuras Civiles Sismorresistentes

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
T-116081 POSTG232 ARTEAGA FLORES.pdf2.35 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.