Comparative analysis of dynamic load models generated by runners on footbridges

Footbridges, like all building structures, must be designed in a way that ensures their safe and comfortable use. Steel footbridges characterised by low vibration damping often turn out to be a structure susceptible to the dynamic influence of users during various forms of their activity. For these structures, the impact of running users may be a key type of dynamic load for the verification of the serviceability limit state due to vibrations. In the literature, there are several proposals for models of dynamic load generated by runners (models of ground reaction forces – GRF). The paper presents the characteristics, analyses and comparisons of selected GRF load models. The analyses were performed using the GRF recorded during the laboratory tests of runners (tests planned and carried out by the author) and the GRF determined using various load models. In order to illustrate the accuracy of the estimation of the dynamic response of the structure, depending on the GRF model used, dynamic field tests and dynamic numerical analyses of the selected steel footbridge were carried out. The obtained results were analysed and compared.

W artykule przedstawiono charakterystyki i analizy porównawcze wybranych modeli GRF. Analizy przeprowadzono z wykorzystaniem GRF zarejestrowanych podczas badań laboratoryjnych osób biegnących (badania własne autora) oraz GRF wyznaczonych z wykorzystaniem różnych modeli. W celu zobrazowania dokładności oszacowania odpowiedzi dynamicznej konstrukcji, w zależności od zastosowanego modelu GRF, przeprowadzono dynamiczne badania terenowe oraz dynamiczne analizy numeryczne stalowej kładki dla pieszych podatnej na oddziaływanie osób biegnących. Przeprowadzone analizy pozwoliły ustalić poprawność odwzorowania przebiegów GRF oraz dokładność wyznaczania odpowiedzi dynamicznej konstrukcji narażonych na dynamiczne oddziaływanie osób biegnących. W artykule przedstawiono własne zalecenia dotyczące modelowania oddziaływania osób biegnących na kładki dla pieszych oraz własne zalecenia dotyczące doboru parametrów wybranych modeli GRF opracowane na podstawie własnych badań sił reakcji podłoża generowanych podczas biegu. Zalecenia te pozwalają zwiększyć dokładność odwzorowania przebiegów GRF oraz dokładność oszacowania odpowiedzi dynamicznej konstrukcji narażonych na dynamiczne oddziaływanie osób biegnących. W szczególności: zaproponowano rozróżnianie technik biegu w celu dokładniejszego odwzorowania oddziaływań dynamicznych osób biegnących na konstrukcje, przedstawiono wartości współczynników Fouriera i przesunięć fazowych dla różnych technik biegu na potrzeby modelu bazującego na szeregu Fouriera, przedstawiono zalecenia dotyczące doboru wartości czasu kontaktu stopy z podłożem tcr dla różnych technik biegu na potrzeby modelu półsinusoidalnego (ang.: half-sine model), przedstawiono zalecenia dotyczące maksymalnych amplitud GRF dla różnych technik biegu oraz scharakteryzowano własną propozycję odwzorowania przebiegów GRF za pomocą funkcji Gaussa.