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CARACTERIZACIÓN DEL EFECTO DE LA INTERACCIÓN HUMANO-ESTRUCTURA EN PUENTES PEATONALES DE LA CIUDAD DE CALI.

ALBERT RICARDO ORTIZ LASPRILLA

ESTUDIANTE DE MAESTRÍA EN INGENIERÍA CON ÉNFASIS EN INGENIERÍACIVIL

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Y GEOMÁTICA

SANTIAGO DE CALI, 28 DE MAYO DE 2009



CARACTERIZACIÓN DEL EFECTO DE LA INTERACCIÓN HUMANO-ESTRUCTURA EN PUENTES PEATONALES DE LA CIUDAD DE CALI.

ALBERT RICARDO ORTIZ LASPRILLA

Anteproyecto de Tesis de Grado presentado como requisito parcial para optar al título deMagister en Ingeniería Civil

PETER THOMSON

DIRECTOR DE LA INVESTIGACIÓN

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Y GEOMÁTICA

SANTIAGO DE CALI, 28 DE MAYO DE 2009



Nota de Aceptación

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___________________________________

PETER THOMSON. Ph. D.

Directo

___________________________________

ALBERT RICARDO ORTIZ LASPRILLA. Ing.

Estudiante



FICHA DEL PROYECTO

TÍTULO: Caracterización del efecto de la interacción humano-estructura enpuentes peatonales de la ciudad de Cali.

FACULTAD: Facultad de Ingeniería

PROGRAMA ACADÉMICO: Maestría en Ingeniería – Énfasis en Ingeniería Civil

ESTUDIANTE: Albert Ricardo Ortiz Lasprilla

DIRECTOR: Peter Thomson

GRUPO DE INVESTIGACIÓN: Grupo de Investigación en Ingeniería Sísmica,Ingeniería Eólica y Estructuras Inteligentes (G-7)

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Vibraciones en estructuras, Dinámica Estructural

PALABRAS CLAVE: Puentes Peatonales, Interacción Humano-Estructura,instrumentación dinámica, vibraciones en estructuras civiles.

DURACIÓN: 12 meses

FUENTE DE FINANCIACIÓN: Universidad del Valle – Colciencias



CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 6

2. PROBLEMA ...................................................................................................... 7

3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 9

4. OBJETIVOS .................................................................................................... 10

5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Y ESTADO DEL ARTE ................................... 11

5.1 Formulación teórica y clasificación de las cargas ............................................ 12

5.2 Criterios de vibración en puentes peatonales .................................................. 15

5.3 Características Dinámicas de los puentes peatonales ..................................... 18

6. METODOLOGÍA .............................................................................................. 19

7. CRONOGRAMA .............................................................................................. 20

8. PRESUPUESTO ............................................................................................. 21

9. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 23



1. INTRODUCCIÓN

Los problemas de vibraciones en estructuras sometidas a la acción

dinámica de las personas representan en la actualidad un campo en desarrollo de

la ingeniería estructural; discotecas, gimnasios, puentes peatonales y estadios

son estructuras que actualmente se encuentran susceptibles a presentar estos

problemas debido a la falta de atención de las normas de diseño estructural a los

nuevos comportamientos del público y a los nuevos materiales usados que siendo

más livianos provocan la construcción de estructuras más flexibles.

El tema de las vibraciones producidas por los humanos motivó la

generación de un nuevo campo de conocimiento llamado interacción humano-

estructura, el cual estudia la relación que se presenta entre la estructura y las

personas ya sea de forma independiente o en grupo, este campo ha tomado

mucha fuerza en los últimos 20 años debido a que son estos efectos de

interacción los que generan los problemas de vibraciones en las estructuras

debido a que modifican los parámetros dinámicos de las estructuras y se acoplan

a ellos, lo cual altera las características de servicio a través de vibraciones

excesivas que incluso pueden generar fallas estructurales.

El presente trabajo propone la evaluación y caracterización de los

problemas de vibraciones causados por la acción de los peatones en los tipos de

puentes peatonales existentes en la ciudad de Cali, la metodología consiste en la

realización de ensayos de campo sobre estructuras seleccionadas con el fin de

evaluar la influencia de los peatones en las frecuencias naturales de la estructura

y el amortiguamiento. Los resultados serán publicados en un documento cuya

finalidad será servir como guía de recomendaciones a los ingenieros encargados

de diseñar este tipo de estructuras.



2. PROBLEMA

Los puentes peatonales son estructuras elevadas usadas para permitir el

paso de las personas por autopistas y avenidas principales de dos o más carriles

en una o varias calzadas, lo que implica la utilización de elementos estructurales

con más de 10 metros de luz. Debido a esta condición geométrica, el

comportamiento dinámico de este tipo de estructuras está sujeto a modos de

vibración asociados a frecuencias bajas (entre 1 y 10 Hz); de igual forma, la masa

de este tipo de estructuras es significativamente inferior a la de otro tipo de

estructuras civiles como edificios o puentes vehiculares, lo que significa que una

masa adicional, tal como la producida por un grupo de personas al cruzar laestructura, modifica notoriamente las características dinámicas naturales del

puente.

Una primera aproximación de la excitación a la que están sometidos los

puentes peatonales, consiste en asumir el movimiento de los transeúntes como

cargas dinámicas externas a la estructura producidas por los peatones al caminar,

trotar, saltar o correr; la frecuencia producida por una persona al caminar se

encuentra en el rango de 1.6 a 2.4 Hz, sin embargo, al trotar o correr lasfrecuencias producidas por las personas pueden alcanzar valores hasta de 4 Hz;

esto quiere decir que el rango de frecuencias de la fuerza de excitación a las que

está sometido el puente peatonal se encuentran dentro del rango de frecuencias

naturales de la estructura, lo cual se traduce en un aumento de la respuesta de la

estructura y genera problemas de vibraciones al ser puestos en servicio.

Una aproximación más rigurosa consiste en la modelación del cuerpo

humano como un sistema dinámico y no como una carga excitadora, esta

aproximación involucra en el análisis los cambios producidos en el

comportamiento dinámico de la estructura debido al aumento del amortiguamiento

y de la masa inicial. A estos efectos producidos por la interrelación de los dos

sistemas dinámicos es a lo que se le llama efectos de Interacción Humano



Estructura y son los puentes peatonales los que dadas sus características,

permiten evidenciar con mayor claridad los efectos.

El problema de las vibraciones en puentes peatonales a causa del

movimiento de las personas ha sido estudiado intensamente en los países

desarrollados durante los últimos 15 años (Pavic et al, 2005). Los resultados de

estas investigaciones han generado documentos anexos a las normas de diseño

que incluyen recomendaciones y chequeos de diseño para tener en cuenta los

efectos dinámicos de las cargas vivas. (Allen, 1997; AASHTO, 1997) sin embargo,

actualmente en Colombia no existe una norma colombiana para el diseño de

puentes peatonales, los ingenieros estructurales se remiten a la Normas de

Diseño y Construcción Sismo-Resistente de 1998 (NSR-98) (AIS, 1997) y el

Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes (AIS, 1995), los cuales

centran su atención en el diseño para fuerzas sísmicas y puentes vehiculares

respectivamente, sólo la nueva NSR-09 presenta algunas especificaciones en

rangos de frecuencias para estructuras en servicio en el título B.4.7., expresando

que para las “estructuras sometidas a peatones (…) deben evitarse las

frecuencias propias entre 1.6Hz y 2.4Hz.”. (AIS, 2009).

La no inclusión de los efectos dinámicos en los cálculos estructurales

realizados por los ingenieros locales ha permitido que existan puentes con

vibraciones excesivas, los cuales han sido reportados por diferentes medios de

comunicación en Medellín y Bogotá (El Colombiano, 2009; Bogotá Positiva, 2008).

En Cali son varias las estructuras que presentan problemas de este tipo, a pesar

de no estar reportados por los medios de comunicación ni entidades académicas

y administrativas.



3. JUSTIFICACIÓN

La evaluación de los efectos de interacción en los puentes peatonales

representa un aumento del conocimiento del fenómeno hasta ahora pococonocido en el país. La ampliación en el estado del arte a escala nacional va a

permitir una mejor comprensión del problema por parte de los ingenieros

estructurales, brindando herramientas adicionales a tener en cuenta en los

diseños de proyectos futuros.

Actualmente en la ciudad de Cali existen aproximadamente 52 puentes

peatonales (según cálculos propios), los cuales fueron construidos teniendo en

cuenta las condiciones estipuladas por la NSR-98 o por códigos de diseño sismo-

resistente anteriores, esto lleva a pensar que para el diseño de la gran mayoría de

estas estructuras no se tuvieron en cuenta los efectos dinámicos producidos por

las cargas. Por esta razón es pertinente realizar una evaluación de los efectos de

interacción humano-estructura que permitan conocer la debilidad o fortaleza de

los diferentes sistemas estructurales utilizados en este tipo de estructuras.

La próxima norma NSR-09 incluirá los efectos dinámicos de las cargas

según el tipo de estructura, sin embargo dentro de los efectos dinámicos

evaluados no se tienen en cuenta los efectos de interacción, tales como factores

de impacto, variación del amortiguamiento y variación de las frecuencias

asociadas a los modos naturales, por tal razón es pertinente la elaboración de un

documento anexo que presente resultados experimentales realizados sobre

estructuras reales.



4. OBJETIVOS

4.1 Objetivo general

Caracterizar los efectos de la interacción humano-estructura en los puentespeatonales de la ciudad de Cali.

4.2 Objetivos específicos

• Clasificar y agrupar los puentes peatonales de la ciudad de Cali según su luz ysistema estructural.

• Identificar las características dinámicas naturales de los tipos de puentespeatonales identificados.

• Evaluar experimentalmente los efectos de interacción a través de ensayosdinámicos sobre la estructura que involucren personas en movimiento.

• Realizar modelos analíticos de la estructura, calibrarlos con los resultadosobtenidos experimentalmente y modelar los efectos de interacción.

• Elaborar una guía de recomendaciones para la introducción de los efectos de laIHE en las estructuras analizadas este tipo de estructuras.



5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Y ESTADO DEL ARTE

La interacción humano estructura es un campo de investigación en donde

se estudia la relación que se produce entre la estructura y las personas al estar enmovimiento. El constante movimiento produce cargas dinámicas inerciales

pequeñas cuando cada individuo lo hace aleatoriamente, pero que en

coordinación genera cargas considerables (Blakeborough et al).

Idealmente no se puede modelar el comportamiento de una persona en

una estructura debido a la propia naturaleza humana, la fuerza generada al saltar,

la velocidad al caminar y todos los demás movimientos producidos están en

función de diversas variables como los sentimientos, el estado de ánimo, el

entorno (clima, temperatura, cantidad de personas). Adicional a las condiciones

externas, el cuerpo humano es un sistema dinámico que según las condiciones

externas e internas modifica sus propios parámetros dinámicos.

En los últimos 20 años, diferentes investigadores de todo el mundo se

dedicaron a caracterizar el sistema dinámico humano (Farley y Gonza, 1996;

Ferris y Farley, 1997; Hoffman et al., 1997; Farley et al., 1998; Minetti et al., 1998;

Farley y Morgenroth, 1999, todos citados en Pavic et al, 2005), los investigadores

llegaron a la conclusión de que a pesar de la aleatoriedad del movimiento

producido por las personas, las cargas dinámicas producidas por el público

pueden clasificarse en función de algunas variables como: rangos de frecuencias,

factores de impacto, radios de contacto, etc., para representar las características

de cada tipo de movimiento. El público se mueve condicionado por factores

externos a su propia voluntad, por ejemplo, la música influye en el

comportamiento de las personas a través de ritmos que hacen un movimientomás rápido o más lento según el género; en el caso de las barras, la coordinación

se hace a través de instrumentos musicales como tambores ó bombos que

marcan un compás y sirven para coordinar a las personas. En los puentes

peatonales los parámetros más significativos son las frecuencias generadas al



caminar y correr, que dependen de la cantidad de personas que simultáneamente

están sobre el puente, pero también de la flexibilidad de la estructura.

5.1 Formulación teórica y clasificación de las cargas

Newland en el 2005, formuló el problema representando los efectos de

interacción humano-estructura como dos sistemas acoplados que presentan un

efecto de interacción entre ellos:

Figura 1.

El círculo representa una compleja interacción entre los peatones y el

puente; en esta formulación el sistema humano esta modelado en función de

factores de sincronización y razones de desplazamientos entre el centro de masa

de la persona y el pavimento.

Según la acción de las personas sobre la estructura, las cargas producidas

sobre las estructuras han sido clasificadas de la siguiente forma (H H Sim, 2006):

Cargas Pasivas

Cuando las personas se encuentran en un estado estacionario sobre la

estructura, ya sea de pie o sentados sin producir ninguna carga dinámica, estas

cargas estáticas hacen parte del sistema estructural como un aumento de la masa

de la estructura. En este caso el análisis de la interacción humano/estructura se

realiza teniendo en cuenta la masa de las personas y la forma como varían las

propiedades naturales de la estructura como modos de vibración y

amortiguamiento. En la ecuación de movimiento del sistema la carga pasiva

producida por el público aumenta la masa del sistema:



( ) 0est per

m m u cu ku+ ⋅ + + =&& & Ec. 1. 1

Donde mest es la masa de la estructura y mper es la masa de las personas.

En este caso la fuerza excitadora P(t) es igual a cero debido a que no existe

ninguna carga dinámica que excite el sistema. Los parámetros dinámicos

asociados al sistema se modifican de la forma:

IHE

est per

k

m mω =

+

y( )2

est per IHE

c

m mξ

ω =

⋅ + ⋅

Cargas Activas:

Cuando las personas se encuentran en movimiento sobre la estructura

producen cargas externas y deben modelarse como tal en el sistema:

( )t pkuucum =++ &&& Ec. 1. 2

Donde p(t) es la carga dinámica o carga activa producida por las personas debida

al efecto de interacción, en este caso la función de carga está afectada por el

comportamiento natural de la estructura a través del factor α y el factor β, los

cuales representan el desplazamiento relativo entre el centro de masa de la

persona y la estructura, y la participación efectiva de la masa del peatón (Newlan,

2005). Para una carga armónica la ecuación diferencial que describe el

movimiento es (Chopra, 2001):

Ec. 1. 6

La deformación de Estado Uniforme del sistema, bajo una carga armónica es:

Ec. 1.7

Y la deflexión dinámica máxima, uo, de dicho oscilador bajo respuesta continua,

está dada por:



* ( ) * / o st o p

u Rd u Rd W k α = = Ec. 1. 9

donde (ust)o es la deflexión estática máxima debido a la componente dinámica de

la carga (αWp), y Rd se define como el Factor de Respuesta de Desplazamiento.y se expresa como:

( ) ( )( )2 22

1

1 / 2 / n n

Rd

ω ω ζ ω ω

=

− +

Ec. 1. 10

donde:

2n cr

c c

m cζ

ω = = Ec. 1. 11

Cuando se presenta resonancia, la respuesta aumenta en gran medida después

de elevarse sobre un cierto número de ciclos. (Figura 2)

Figura 2: Representación de la resonancia

La Aceleración máxima, se define a partir de la ecuación 1.10 como sigue:



2 2* * * ( )

m o st oa u Rd uω ω = =

Ec. 1. 12

Por lo tanto, la aceleración máxima puede determinarse mediante las ecuaciones

1.10 a la 1.12, que representan el componente dinámico de la carga, la frecuenciade excitación, la rigidez de la viga y su frecuencia natural.

5.2 Criterios de vibración en puentes peatonales

Actualmente las normas inglesas y canadienses establecen los criterios de

vibración en estructuras civiles según el comportamiento dinámico natural de la

estructura, los resultados son curvas de aceleración vs. Frecuencia, basados en

la capacidad de tolerancia de las personas hacia el movimiento de piso, esta

capacidad depende del tipo de estructura en que se encuentre y su uso (Allen y

Murray, 1993). Pavic y otros (2005) establecieron un resumen de las

recomendaciones de diseño para puentes peatonales (Figura 3):

Figura 3. Vibraciones mínimas para puentes según diversos autores.



Estos autores en su trabajo de revisión de la literatura, muestran la

caracterización del factor α (aumento de la masa de los peatones) descrito en los

efectos de interacción mostrados en la figura 1:

Figura 4. Factores de Amplificación de Carga (en inglés DLF) en función de

la frecuencia y por grupos de personas al caminar.

Según el nivel de sincronización de las personas, las cargas activas se

pueden clasificar en rítmicas y no rítmicas (Ellis et al, 2004), y por el tipo demovimiento se pueden clasificar en: de sitio o móviles. De acuerdo a las

clasificaciones observadas, las cargas generadas sobre los puentes peatonales

son del tipo activo, rítmico y móvil. La siguiente tabla muestra algunas

propiedades dinámicas para la excitación producida por los peatones:

Tabla 1. Características dinámicas de una persona corriendo y caminando.



Fuente: Bachman y Ammann (1987), en Newland (2004)

Para el paso a velocidad baja (slow walk), Bachman y Ammann (xxx) formularon

después de ensayos experimentales una función representa el comportamiento

producido por un peatón a lo largo del tiempo (Figura 5):

Figura 5. Factor de amplificación dinámica de la carga para una persona

caminando suavemente.

Fuente: Artículo human structure dynamic interaction



5.3 Características Dinámicas de los puentes peatonales

Un objetivo parcial a desarrollar en este proyecto consiste en la

clasificación y agrupación de los puentes peatonales según su luz y sistemaestructural, este objetivo se debe a que la luz estructural es un parámetro que

incide categóricamente en el comportamiento dinámico de la estructura. Estudios

realizados por Tilly y otros (1984) y Dallar y otros (2001), demostraron que existe

correlación entre el material de la estructura, la luz del puente y la frecuencia

natural (Figura 2).

Figura 6. Frecuencias Verticales (a) y Laterales (b) en función de la luz y el

material de puentes peatonales.



6. METODOLOGÍA

El desarrollo de la investigación comprende dos fases globales, la primera

fase o fase experimental comprende la realización de pruebas de vibraciones en 3o 4 puentes peatonales reales, escogidos debido a la representatividad de la

estructura. La segunda fase o fase de oficina comprende el procesamiento de

registros, la realización y posterior calibración de modelos de las estructuras

analizadas; de igual forma en esta fase se encuentra la redacción del documento.

Para el desarrollo de la primera fase será necesario realizar una

clasificación de los puentes peatonales elevados en la ciudad de acuerdo a las

características de material, sistema estructural y longitud, esto con el objetivo de

agrupar y estudiar sólo un puente por cada sistema estructural y/o material. Una

vez obtenidos los puentes que se van estudiar, se realizará un levantamiento

estructural, se obtendrán las características dinámicas naturales a través de

registros de vibración ambiental y se realizaran ensayos para inducir los efectos

de interacción utilizando estudiantes universitarios.

Después del trabajo experimental sobre la estructura, inicia un periodo de

procesamiento de registros y modelación de la estructura. Los modelos serán

calibrados de acuerdo a la información obtenida de campo y servirán para

homologar los resultados experimentales obtenidos en estructuras con diferentes

características geométricas (p.e. un puente con el mismo sistema estructural pero

con mayor luz).

La parte final de esta segunda fase consiste en la redacción de resultados,

los cuales serán realizados no sólo en el documento final de la tesis de maestría

sino que se creará un documento guía en donde se exprese el comportamiento de

cada uno de los sistemas estructurales ante los efectos de interacción inducidos,

esto con el fin de presentar los sistemas más eficientes de acuerdo a las

condiciones geométricas de la estructura.



7. CRONOGRAMA

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADESMES

1

MES

2

MES

3

MES

4

MES

5

MES

6

MES

7

MES

8

MES

9

M

1

FASE 1

1.1 Recopilación de información bibliográfica

1.2 Clasificación y agrupación de sistemas estructurales

1.3 Mediciones experimentales

FASE 2

2.1 Procesamiento de Registros

2.2 Modelo analítico y calibración

2.3 Evaluación de resultados

2.4 Redacción de Documentos



8. PRESUPUESTO

COSTOINVESTIGADORES UNIVERSIDAD OTROS

$ [$] $ [$] $ [$]

COSTOS OPERATIVOS 1’450.000 7’750.000 14’250.000

SERVICIOS PERSONALES 6’500.000 7’100.000

Investigador6’500.000

Director7’100.00

GASTOS GENERALES 1’450.000 1’250.000 7’150.000

PC Universidad 1’500.000

PC Investigador 500.000

Software 750.000 2’250.000

Equipo de Adquisición 3’000.000

Transporte400.000

Comunicaciones400.000 400.000

Papelería350.000

Insumos200.000

Fotocopias 100.000

COSTOS DE INVERSIÓN 400.000

o Equipo100.000

o Bibliografía300.000

SUBTOTAL1’850.000 7’750.000 14’250.000

$ 1’850.000

[$] 22’000.000

TOTAL 23’850.000



9. BIBLIOGRAFIA

AIS. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. (1997). Norma Sismo Resistente de1998, NSR-98. Bogotá.

AIS. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. (2005). Código Colombiano dediseño sísmico de puentes. Tercera Edición. Bogotá: Ministerio de Transportes.

AIS. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. (2009). Norma Sismo Resistente de2009. NSR-98. Versión online no definitiva, disponible en: http://www.asosismica.org.co.(Último acceso: mayo 2009)

American Association of State Highway and Transportation Officials. (1997). Guidespecifications for design of pedestrian Bridges.Washinton DC: AASHTO.

Allen D., Murray T., Ungar E.; (1997) Floor vibrations due to human activity. American

Institute of Steel Construction. Guide No 11.Allen, D. E. and Murray, T. M., (1993). Design Criterion for Vibrations due to Walking,"Engineering Journal, 4th Qtr, AISC, pp. 117-129.

Blakeborough A., Williams M. S., “Human-structure interaction in cantilever grandstands”.Department of engineering science, University of Oxford.

Bogotá Positiva (2008). Refuerzan puente peatonal de Los Héroes para mayor seguridad.En:http://www.samuelalcalde.gov.co/index.php?option=com_content&view=article&id=3210%3Aidu&Itemid=82 (Ultimo acceso: Mayo 2009)

Chopra A. K. (2001). Dynamics of structures: Theory and applications to EarthquakeEngineering. Estados Unidos: Prentice-Hall.

Dallard, P.; T. Fitzpatrick, A. Flint, A. Low, R. Ridsdill-Smith, M. Willford and M. Roche,(2001). London Millennium Bridge pedestrian-induced lateral vibration, Journal of BridgeEngineering 6 (6), pp. 412–417.

Ellis B. R., Littler J. D., (2004). MIStructE, “Response of cantilever grandstands to crowload. Part II: Load estimation” en Structures & Buildings 157. páginas 297-307.

El Colombiano (2009). Seguro, pero se mueve puente de La Macarena. Artículo deprensa. Medellín: Periódico El Colombiano, edición 24 enero de 2009.

H H Sim, J. (2006) “Human-structure interaction in cantilever grandstands”. Thesis ofPhilosophy of doctor. University of Oxford.

Newland, D. (2004). Pedestrian excitation of bridges - Recent results. En: 10ºInternational Congress on Sound and Vibration. Stockholm, Sweden.



Pavić, A.; Živanović, S.; Reynolds, P. (2005) Vibration serviceability of footbridges underhuman-induced excitation: a literature review. Journal of Sound and Vibration , Vol. 279,No. 1-2, pp. 1-74.

Tilly, G.P., D.W. Cullington, R. Eyre, Dynamic behaviour of footbridges, IABSE Surveys S-

26/84, IABSE Periodica, No. 2/84, 1984, pp. 13–24.

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