Verifica in esercizio di ponti pedonali soggetti a vibrazioni verticali flessionali e torsionali: modellazione semplificata della folla e monitoraggio tramite visione artificiale

Contemporary architectural trends are driving engineers to design increasingly slender footbridges, whose natural frequencies are often susceptible to pedestrian-induced vibrations. As a result, ensuring vertical vibration performance has become essential to guarantee both comfort and safety in modern structures. To assess footbridge serviceability, it is essential to dynamically characterize both the pedestrian action as the vibration source and the footbridge as the vibration path. Regarding human excitation, the dynamic load from a single pedestrian is well known and computationally manageable, whereas crowd loading remains challenging and time-consuming. This complexity stems for factors such as the density-dependent randomness in pedestrian gait and the inter-pedestrian behavioural influence, which affect how individuals move within a crowd. To facilitate crowd modelling, this thesis proposes a simplified method based on the multiplication factor approach, enabling the prediction of vertical vibrations induced by crowds using an amplified ideal single pedestrian. The method is supported by extensive numerical simulations that consider human interactions and pedestrian step variability, while also allowing for the inclusion of human-structure interaction effects. Additionally, torsional vibrations caused by pedestrians are investigated, an area that remains under-explored in current research but is crucial for accurate assessments, particularly in footbridges with asymmetric geometries or eccentric pedestrian loading. Experimental tests on footbridges in Italy and Norway have been conducted for validation purposes, to check the effectiveness of proposed models in predicting structural vibrations to pedestrian excitation. To obtain reliable results, key aspects are the experimental characterization of the footbridge dynamic properties and the accurate evaluation of the footbridge vibrations, in terms of acceleration or displacement time histories. Traditionally, structural dynamic tests rely on wired-sensor networks recording acceleration data, used for displacement reconstruction and modal analysis. Despite the consolidation of this approach, remote technologies such as vision-based systems are gaining popularity due to their faster set-up, lower costs and minimal disruption to structures. However, vision-based techniques have only recently been adapted to large-scale civil constructions, and their accuracy in full-scale outdoor tests is still being evaluated. In this context, a video processing procedure has been assessed and tested on real case studies, to explore the potential and the criticisms of on-site dynamic vision-based monitoring. All this is meant to provide a streamlined approach for the serviceability check of footbridges, significantly reducing the computational burden associated with crowd modelling and the testing effort required for structural dynamic monitoring.

Le attuali tendenze architettoniche richiedono la progettazione di ponti pedonali sempre più snelli, con frequenze naturali spesso vulnerabili alle vibrazioni indotte dai pedoni. Garantire prestazioni adeguate in termini di vibrazioni verticali ha dunque assunto fondamentale importanza nell'assicurare comfort e sicurezza. La verifica in esercizio delle passerelle richiede la caratterizzazione dinamica sia dell'azione pedonale, come fonte di vibrazione, sia della struttura, quale percorso di propagazione. Mentre il carico dinamico generato da un singolo individuo è ben noto e gestibile a livello computazionale, il carico di una folla necessita una modellazione più complessa e dispendiosa, a causa di fattori quali la natura aleatoria della deambulazione e le interazioni comportamentali tra i pedoni. Per facilitare la modellazione della folla, la presente tesi propone un metodo basato sull'approccio del fattore moltiplicativo, che consente di prevedere le vibrazioni verticali indotte dalla folla attraverso un pedone ideale amplificato. Il metodo si basa su ampie simulazioni numeriche che considerano le interazioni tra i pedoni e la variabilità nel passo, permettendo anche l'inclusione degli effetti di interazione tra pedoni e struttura. Inoltre, vengono analizzate le vibrazioni torsionali indotte dai pedoni, un ambito poco esplorato nella ricerca attuale, ma cruciale per valutazioni accurate, specialmente in passerelle con geometrie asimmetriche o carichi pedonali eccentrici. Test sperimentali sono stati condotti su passerelle in Italia e Norvegia, per convalidare l'affidabilità dei modelli proposti nella previsione delle vibrazioni strutturali. Per ottenere risultati attendibili, è essenziale effettuare una caratterizzazione sperimentale delle proprietà dinamiche della passerella e una valutazione accurata delle vibrazioni strutturali, tramite serie temporali di accelerazione o spostamento. Tradizionalmente, le prove dinamiche strutturali si avvalgono di reti di sensori cablati, che registrano dati accelerometrici da cui dedurre spostamenti e parametri modali. Nonostante l’efficacia consolidata di questo approccio, le tecnologie remote, come quelle basate sull’analisi delle immagini, stanno guadagnando attenzione grazie alla loro rapida installazione, costi ridotti e minimo impatto sulle strutture. Tuttavia, questi sistemi sono stati solo di recente applicati alle costruzioni civili, dunque la loro accuratezza in prove su larga scala è ancora in fase di valutazione. In questo contesto, è stata sviluppata una procedura di elaborazione video, sperimentata su casi studio reali, per esplorare le potenzialità e le criticità del monitoraggio dinamico in situ tramite visione artificiale. Lo scopo è fornire un approccio semplificato alla verifica in esercizio delle passerelle, riducendo il carico computazionale associato alla modellazione della folla e le risorse necessarie per il monitoraggio dinamico strutturale.