Interaction foule-structure sur les planchers à usage événementiel

Crowd-structure interaction on building floors for event use

• Auteur / Autrice : Vincent Baumann
• Direction : Pierre Argoul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2024
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Expérimentation et modélisation pour le génie civil et urbain (Marne-la-Vallée) - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Expérimentation et modélisation pour le génie civil et urbain (Marne-la-Vallée)l
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Thouverez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Argoul, Vitomir Racic, Roger Serra, Fabienne Anfosso-Lédée, Sandrine Dubouihl, Michalis Fragiadakis, Lucas Hector Adélaïde
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vitomir Racic, Roger Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Événements spéciaux

Simulation, Méthodes de

Constructions -- Dynamique

Foules

Essais

Matériaux -- Fatigue

Dynamique

Planchers

Mots clés libres

Dynamique des planchers

Concert

Mouvement de foule

Amortissement

Interaction foule-Structure

Essais en vrai grandeur

Floors structural dynamics

Concert

Crowd motion

Damping

Crowd-Structure interaction

Full scale testing

Résumé

La plupart des travaux réalisés sur la dynamique des planchers se concentrent en général sur une approche de confort et il s'agit aussi pour le concepteur de disposer de raisonnements pratiques permettant de limiter les ruptures des structures dans des cas d'usages spécifiques sur le court terme (résonance avec excitation généralisée) et le long terme (fatigue). Certaines sollicitations complexes rendent difficile la détermination des charges supportées par l'ouvrage, tant en amplitude qu'en fréquence. C'est le cas des mouvements de foule qui génèrent un chargement dynamique avec une spécificité liée au comportement humain. La modélisation précise de l'action de la foule revêt un intérêt particulier pour les bâtiments aux planchers légers et élancés. Avec les retours d'expérience depuis les années 1990 dans les tribunes de stade ou les salles de concert, des recherches ont été amorcées autour de l'interaction dynamique entre la foule et la structure. Après une introduction générale au contexte de l'étude, l'état de l'art de la modélisation de l'action verticale de la foule selon le type d'activité est rappelé. Pour un individu en mouvement, l'excitation induite est usuellement considérée périodique et donc développable en séries de Fourier. On détermine ainsi l'action verticale globale de la foule qui doit tenir compte de paramètres complémentaires comme la répartition spatiale et la variabilité de la nature de l'action suivant les personnes. En plus de l'aptitude des individus à se synchroniser individuellement avec la source musicale, il s'agit de caractériser la coordination entre les individus et leur capacité à maintenir l'excitation dans le temps. Une fois l'action définie, il faut caractériser l'interaction entre la foule et le plancher. En effet, la réponse de la structure peut modifier en retour l'action de la foule. En fonction des niveaux de vibrations ressentis, l'individu peut modifier son action en amplitude, en fréquence et en phase. Dans l'autre sens, on constate une modification des paramètres modaux du système structurel global dans le cas de la présence d'une foule active ou statique. Les principales méthodes de modélisation dans la littérature sont ainsi rappelées.Dans une troisième partie, un cas d'étude permet d'illustrer les enjeux scientifiques et normatifs associés au dimensionnement des planchers soumis aux usages événementiels. Les principes de vérification pratique en confort, en résistance ultime et en fatigue sont évoqués de sorte à identifier les paramètres clefs et les ordres de grandeur. Pour finir, un moyen de correction dynamique par amortisseur visqueux est exposé. La quatrième partie est dédiée à la description d'un prototype expérimental inspiré du cas d'étude et assimilable à une passerelle mixte acier-béton. Une première campagne d'essais vise à identifier les caractéristiques modales de l'ouvrage et notamment l'évolution de l'amortissement en fonction de l'amplitude de vibration. L'ouvrage est étudié avec et sans son système d'amortisseurs amovibles. Dans une cinquième partie, les caractéristiques modales de l'ouvrage à vide sont identifiées et on présente les résultats d'essais d'amortissement avec des individus statiques et mobiles obtenus par excitation mécanique contrôlée. Enfin, on présente les essais avec des groupes de personnes actifs de 12 à 108 individus. Les résultats d'essais sont décrits en mettant en regard l'évolution de la sollicitation et la réponse de l'ouvrage.Dans une sixième partie, on spécifie les différents paramètres importants pouvant influer sur le comportement de la foule. L'élément central de cette thèse expérimentale est la détermination de la coordination des participants comparée à la littérature. En effet, cette étude permet de prolonger des courbes expérimentales de coordination jusqu'à 100 personnes. Dans un second temps, on évalue l'amortissement apporté par la foule suivant le type d'activité

Most of the work on floors structural dynamics generally focuses on a comfort approach and it is also useful for the designer to get practical guidelines allowing to prevent structural failure in cases of specific uses on the short-term (resonance with generalized excitation) and long-term (fatigue). Some complex loadings make it difficult to determine the loads on the structure, both in amplitude and frequency. This is the case with crowd motion, which generates a dynamic load with a specificity linked to human behaviour. Accurate modelling of crowd dynamic loading is of particular interest for buildings with light and slender floors. With the experience gained since the 1990s in grandstands or concert halls, research has begun to study the dynamic interaction between the crowd and the structure.After a general introduction to the context of the study, we recall the theoretical basis for modelling vertical action according to the type of activity. For an individual in motion, induced excitation is usually considered to be periodic, and is therefore decomposed in Fourier series. This determines the overall vertical action of the crowd, which must take into account complementary parameters such as spatial distribution and the variability of action between individuals. In addition to the ability of individuals to synchronize individually with the music source, the aim is to characterize the level of coordination between individuals and their ability to maintain the action over time. Once the action has been defined, it is necessary to describe the interaction between the crowd and the floor. The response of the structure can indeed modify the action of the crowd. Depending on the vibration levels felt, the individual can modify his or her action in amplitude, frequency, and phase. On the other hand, modal parameters of the overall structural system are also modified in the case of an active or static crowd. The various modelling methods for considering the interaction depending on the activity are reviewed.In a third part, a case study highlights the scientific and normative issues associated with event uses on floors. Practical design principles for comfort, resistance and fatigue are exposed to identify the main influential parameters and orders of magnitude. As a conclusion, the dimensioning of a viscous damper system is proposed.The fourth part is dedicated to the description of an experimental prototype inspired by the reference project comparable to a steel-concrete composite bridge. A first test campaign aims to identify the modal characteristics of the structure and the evolution of damping as a function of vibration amplitude. The structure is also studied with a system of removable viscous dampers. In a fifth section, the modal characteristics of the empty structure are identified and the results of damping tests with static and mobile individuals obtained by controlled mechanical excitation are presented. Finally, we present progressive tests with groups of active people ranging from 12 to 108. The results of the tests are described by comparing the evolution of the load and the response of the structure.In a sixth section, we specify the various important parameters that can influence the crowd behaviour. The main contribution of this experimental thesis is the evaluation of the coordination compared to the literature. This study allows to extend experimental charts up to 100 people at the same time. Secondly, we evaluate damping brought by the crowd according to the type of activity.