Estudo numérico-experimental para proposição de modelo biodinâmico do corpo-humano submetido a vibrações verticais

Abstract

As edificações concebidas nos últimos anos são cada vez mais leves e esbeltas, e em geral com baixo fator de amortecimento estrutural, provocando redução nas frequências naturais das estruturas e tornando-as mais suscetíveis a carregamentos dinâmicos, já que suas frequências naturais passam a ficar cada vez mais próximas das frequências de excitação. Assim, ao projetar-se uma edificação é necessário quantificar em que níveis de vibração os ocupantes serão expostos. As estruturas são dimensionadas de modo a atender os requisitos referentes ao estado de ruína, contudo, pode estar suscetível a vibrações que proporcionem desconforto humano. No entanto, não é esperado que ocupantes de edifícios estejam expostos a níveis da vibração que causam danos físicos diretamente ao corpo. Portanto, admite-se que a vibração de um edifício pode afetar a saúde de forma indireta, causando, por exemplo, uma diminuição da concentração nas pessoas ou um estresse ambiental adicional que possa afetar a saúde mental, o estado emocional e etc. Na prática torna-se difícil fornecer um modelo ou método apropriado de verificação e análise que prediga estes efeitos no corpo humano. Este trabalho tem como objetivo realizar um estudo experimental para determinação da transmissibilidade das vibrações na cabeça/assento e cabeça/laje com vistas de verificar se atendem os requisitos de conforto, no tocante a adequabilidade das edificações quanto às vibrações e propor um modelo biodinâmico para o corpo humano. Na primeira etapa, os ensaios são realizados com oito indivíduos sobre a laje, com a sua excitação produzida pela caminhada de dois, quatros e seis pessoas e uma na postura sentada; e, na segunda etapa pelo pulo dos indivíduos sobre a laje mantendo a postura sentada; Posteriormente, o indivíduo monitorado permanece na postura em pé, realizando novamente as excitações de caminhada e pulo. Em todas as etapas, os níveis de vibração são aplicados de forma progressiva, aumentado aos poucos o número de indivíduos que caminham ou pulam sobre a laje para quantificar os efeitos da vibração em seres humanos. As aferições são realizadas ao longo do eixo z, de acordo com as definições das normas ISO 2631 (1997), utilizando-se de acelerômetros triaxiais, com sinais adquiridos por meio do ADS 2000, amplificador de sinais e o equipamento Human Vibration Meter (HVM 100 - medidor de vibração no corpo humano). Um modelo linear de seis graus de liberdade foi desenvolvido para representar o comportamento biodinâmico de indivíduos submetidos à vibração e ajustado com base nos resultados experimentais da transmissibilidade da vibração. Os resultados indicaram que a curva de transmissibilidade numérica e experimental para a população amostrada entre o assento e a cabeça apresentaram ajustes muito próximos. _____________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The design of buildings has become increasingly slim in recent years, with greater flexibility, and generally with low structural smoothing factor, causing the natural frequency of structures to decrease and become more susceptible to dynamic loads as they approach the excitation frequencies associated with human activities. Nonetheless, building occupants are not expected to be exposed to vibration levels that cause direct physical damages to the body. Thus, the project of a building requires the quantification of the vibration levels that the occupants will be exposed to. The structures will be dimensioned in order to meet the requirements referent to the state of ruin; however, they could be susceptible to vibrations that provide human discomfort. Therefore, the vibration of a building is regarded as indirect influence on health, for example when causing a decrease in human concentration or an additional environmental stress that could affect mental health, emotional state, etc. In practice, it is difficult to provide a proper predictive model or method to verify and analyze such effects on the human body. The objectives of this study are to conduct an experimental study to establish the transmissibility of head and seat vibrations, as well as head and slab vibrations, in order to verify whether they meet the requirements of comfort associated with the suitability of buildings regarding vibrations, and finally to propose a biodynamic model of the human body. The first stage involved tests on eight individuals on the slab with excitation provided by two, four and six individuals walking and one subject sitting; at the second stage, the individuals jumped on the slab maintaining sitting posture; posteriorly, the monitored subject remains in standing posture, once more carrying out the excitations when walking and jumping. The vibration levels at all stages are progressively applied gradually increasing the number of individuals walking or jumping on the slab to have the effects of vibration on human beings quantified. The measurements are carried out along the ‘z’ axis according to definitions by ISO 2631 (1997) using triaxial accelerometers with signals acquired through ADS 2000, signal amplifier and the equipment Human Vibration Meter (HVM 100 – human vibration meter). A six-degree of freedom linear model was developed to represent the biodynamic behavior of individuals subjected to vibration and adjusted based on the experimental results from vibration transmissibility. The results indicated that the numerical and experimental transmissibility curve for the population sampled between head and seat presented very similar adjustments.