TY - THES A1 - Jirasek, Robert T1 - The linear parameter-varying framework for active vibration control of elastic kinetic structures T1 - Linear parameter-veränderliche Methoden zur aktiven Schwingungskontrolle von elastisch-kinetischen Strukturen N2 - Lightweight design is essential for preserving resources, and in addition, transformability can be beneficial for specific applications where multi-functionality is required. Multi-functionality contributes to saving resources by allowing multiple purposes to be served effectively and by allowing adaptation to changing needs. Elastic kinetics are a recent approach to design transformable lightweight structures with a stable transformation process, realized by elastic bending of structural members. Their lightweight and flexible design comes at the cost of increased sensitivity to static and dynamic disturbances. However, most of the current research concentrates on transformation principles instead of on disturbance mitigation. This research focuses on dynamic disturbance mitigation for transformable lightweight structures based on elastic kinetics using active control. The dynamic behavior of such structures is transformation state dependent due to geometric nonlinearities, which is not easily captured by linear time-invariant methods. For this reason, modeling and control design are performed in the linear parameter-varying (LPV) framework. Thereby, two distinct LPV modeling methodologies are investigated, one based on finite element models and another utilizing experimental system identification techniques. Furthermore, LPV control strategies are introduced, which allow to adapt to the varying structural dynamics encountered in elastic kinetics. To validate the efficacy of the modeling and control approaches, a physical demonstrator resembling a segment of an elastic kinetic roof structure is realized within a laboratory environment. This demonstrator structure is used for experimental studies to assess the accuracy and performance of the introduced methods. Utilizing experimental data from the demonstrator structure, a proposed LPV system identification methodology can be applied to derive separate LPV models for the bending and the torsional dynamics of the demonstrator structure. Based on the derived LPV models, a decoupled active vibration control for bending and torsional dynamics by means of an LPV output-feedback is designed. The designed control is implemented on a real-time environment, and its effectiveness is demonstrated experimentally for fixed and for varying operating conditions on the realized demonstrator structure. N2 - Leichtbaukonzepte sind entscheidend für das Einsparen von Ressourcen. Darüber hinaus können transformierbare Strukturen einen wichtigen Beitrag für spezifische Anwendungen leisten, bei denen Multifunktionalität gefragt ist. Multifunktionalität erlaubt die Anpassung an veränderliche Anforderungen sowie die Erfüllung vielfältiger Einsatzzwecke und trägt damit zur Einsparung von Ressourcen bei. Ein neuer Ansatz zur Gestaltung transformierbarer Leichtbaustrukturen mit einem stabilen Transformationsprozess basiert auf der elastischen Biegung der Elemente der Tragstruktur (engl. elastic kinetics). Diese Bauweise, leicht und nachgiebig, geht jedoch auf Kosten einer erhöhten Sensibilität gegenüber statischen und dynamischen Lasten. Die aktuelle Forschung bezüglich solcher elastisch transformierbaren Leichtbaustrukturen konzentriert sich jedoch primär auf die Prinzipien der Transformation und vernachlässigt dabei zumeist die Sensibilität gegenüber externen Lasten. Diese Arbeit konzentriert sich im Gegensatz dazu auf die dynamische Adaption für elastisch transformierbare Leichtbaustrukturen unter Verwendung aktiver Regelungsalgorithmen. Das dynamische Verhalten solcher Strukturen ist aufgrund geometrischer Nichtlinearitäten abhängig vom aktuellen Transformationszustand. Ein solches Verhalten lässt sich nicht ohne weiteres mit den klassischen linearen zeitinvarianten Modellen beschreiben. Stattdessen werden in dieser Arbeit zur Modellierung und zum Reglerentwurf Methoden der linearen parameter-veränderlichen (LPV) Systeme verwendet. Dabei werden zwei unterschiedliche LPV Modellierungsansätze untersucht, ein erster Ansatz basierend auf Finite-Elemente-Modellen und ein zweiter Ansatz auf Basis experimenteller Systemidentifikation. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit LPV Regelungsansätze vorgestellt, die in der Lage sind, gezielt auf die sich ändernde Dynamik elastisch transformierbarer Strukturen zu reagieren. Zur Bewertung der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Modellierungs- und Regelungsansätze wird ein Demonstrator einer wandelbaren Dachstruktur in einer Laborumgebung realisiert. Auf Basis experimenteller Daten des Demonstrators kann eine vorgeschlagene Methode zur Systemidentifikation von LPV Modellen angewendet und getestet werden. Basierend auf den so abgeleiteten LPV Modellen wird eine entkoppelte aktive Schwingungskontrolle für die Biege- und Torsionseigenformen mittels einer LPV Ausgangsrückführung entworfen. Die entworfenen LPV Regler werden auf einem Echtzeitsystem implementiert, und die Wirksamkeit dieser wird für feste und veränderliche Transformationszustände am Demonstrator experimentell nachgewiesen. T3 - Schriftenreihe Hybride Konstruktionen - Massivbau - 18 KW - Linear parameter-varying systems KW - Experimental system identification KW - Active vibration control KW - Active structures KW - Adaptive structures KW - Lineare Parameter-veränderliche Systeme KW - Experimentelle Systemidentifikation KW - Aktive Schwingungskontrolle KW - Aktive Tragwerke KW - Adaptivität KW - Leichtbau KW - Multifunktionalität KW - Tragwerk KW - Flexibilität KW - Schwingungsbelastung KW - Dynamisches Verhalten KW - Finite-Elemente-Methode KW - Systemidentifikation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67698 SN - 2569-2798 ER - TY - BOOK ED - Bleicher, Achim T1 - Ressourcen- und energieeffiziente Konstruktionen : 28. Brandenburgischer Bauingenieurtag BBIT 2024 T1 - Resource- and energy-efficient structures : 28th Brandenburgische Bauingenieurtag BBIT 2024 N2 - Der 28. Brandenburgische Bauingenieurtag 2024 an der BTU Cottbus-Senftenberg widmet sich den angestrebten Zielen einer Ressourcen- und Klimaneutralität. Möglich wird dies durch innovative Ansätze und interdisziplinäre Planungs-, Bau- und Betriebsprozesse. Die Referenten zeigen Herausforderungen und Lösungen bei der Entwicklung klimaneutraler Baustoffe und Bauteile sowie deren Weiterverwendung und Kreislauffähigkeit. Darüber hinaus werden Erkenntnisse zur Ertüchtigung und Erhaltung vorhandener Bausubstanz sowie zu leichten, hybriden und adaptiven Konstruktionsansätzen vorgestellt. N2 - The 28th "Brandenburgische Bauingenieurtag" 2024 at BTU Cottbus-Senftenberg is dedicated to the goals of resource and climate neutrality. This is made possible by innovative approaches and interdisciplinary planning, construction and operating processes. The speakers will present challenges and solutions in the development of climate-neutral building materials and components as well as their reuse and recyclability. In addition, findings on the upgrading and preservation of existing buildings and on lightweight, hybrid and adaptive design approaches will be presented. T3 - Schriftenreihe Hybride Konstruktionen - Massivbau - 16 KW - Dekarbonisierung KW - Ressourceneffizienz KW - Kreislaufwirtschaft KW - Leichtbau KW - Holzbetonverbunddecken KW - Decarbonization KW - Resource efficiency KW - Circular economy KW - Timber-concrete composite ceilings KW - Lightweight design KW - Bauwerk KW - Baustoff KW - Kreislaufwirtschaft KW - Energiebewußtes Bauen KW - Bauökologie KW - Klimaschutz KW - Verbundbau Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66892 SN - 978-3-940471-77-2 SN - 2569-2798 ER - TY - THES A1 - Zhang, Yangwen T1 - Self-sufficient semi-active vibration control of high-rise buildings under wind excitation by moveable double-skin facades T1 - Autarke semi-aktive Schwingungskontrolle von Hochhäusern unter Windanregung durch bewegliche Doppelfassaden N2 - The accelerated urbanization has led to increasing tension on urban land use. In this context, more and more slender high-rise buildings are being built worldwide in pursuit of better economic benefits. However, these structures are susceptible to wind excitation due to their lower first natural frequency. Different passive, semi-active, and active damping systems have been developed to reduce wind-induced structural vibration. Among them, the tuned mass dampers are widely used and proved as a very effective method in practice. However, this system requires a large additional damping mass. This also causes additional reinforcement, which increases the cost and carbon footprint. A huge space near the top story of the building is needed for the installation. In this research, a novel system named distributed-Multiple Tuned Facade Damping (d-MTFD) system is proposed by using specially designed parallel moveable Double-Skin Facade (DSF) outer skin as damping mass. These moveable facade elements can be installed on the upper stories of the high-rise building. Smooth-running guide rail systems are used to achieve the parallel moveability. Multi-objective optimization based on the Genetic Algorithm (GA) is applied to reduce the maximum top floor acceleration (Objective I) and to reduce the maximum facade relative displacement (Objective II) simultaneously. The optimization results for the passive and semi-active systems are presented in the form of the Pareto front. The trade-off between these selected two competing optimization objectives is observed. This approach was first validated in a simulation using a 306 m tall reference building for a wind speed of 13.5 m/s at 10 m above ground level with a return period of 10 years. Acceptable peak accelerations at the top story for hotel use and a maximum facade relative displacement of less than ±0.5 m could be achieved for the benchmark building with the d-MTFD system. For semi-active control, the variable damping coefficient can be achieved by using stepper motors in generator mode. The electrical damping coefficient can be continuously adjusted by the developed power electronics. In addition, electrical energy can be generated and stored in a battery. A full-scale prototype with one parallel moveable facade element was built. Based on the prototype, the functionality of the semi-active control using a stepper motor and its energy harvesting performance was tested by applying Hardware-in-the-Loop (HiL) simulations. Greybox system identification was used to estimate some parameters (spring stiffness, friction, etc.) in the connection. The accurate system identification results ensure further validation using HiL simulations. The HiL simulations successfully demonstrated the feasibility of a self-powered semi-active d-MTFD system. N2 - In Metropolen ist die Flächennutzung aufgrund der Urbanisierung eingeschränkt, was den Bau von schlanken Hochhäusern weltweit gefördert hat. Jedoch sind sie anfällig für dynamische Windlasten. Um dies zu bekämpfen, wurden passive, semi-aktive und aktive Dämpfungssysteme entwickelt, wobei sich abgestimmte Massendämpfer als sehr wirksam erwiesen haben. Dieses System erfordert jedoch eine große zusätzliche Dämpfungsmasse. Dies führt auch zu einer zusätzlichen Verstärkung des Tragwerks, was die Kosten und den CO2-Fußabdruck erhöht. Für die Installation wird ein großer Raum in den obersten Stockwerken des Gebäudes benötigt. In dieser Arbeit wird ein innovatives System mit der Bezeichnung "distributed-Multiple Tuned Facade Damping (d-MTFD) System" vorgestellt, bei dem eine speziell entwickelte, parallel bewegliche Außenhaut der Doppelfassade (DSF) als Dämpfungsmasse verwendet wird. Diese beweglichen Fassadenelemente können in den oberen Stockwerken des Hochhauses installiert werden. Um die parallele Verschiebbarkeit zu erreichen, werden leichtgängige Führungsschienensysteme eingesetzt. Eine multikriterielle Optimierung mittels des genetischen Algorithmus (GA) wird angewandt, um gleichzeitig die maximale Beschleunigung im obersten Stockwerk (Ziel I) und die maximale Verschiebung zwischen der Primarstruktur und der beweglichen Außenhaut (Ziel II) zu reduzieren. Die Optimierungsergebnisse für die passiven und semiaktiven Systeme werden in Form der Pareto- Front dargestellt. Der Kompromiss zwischen diesen beiden ausgewählten konkurrierenden Optimierungszielen wird beobachtet. Dieser Ansatz wurde zunächst in einer Simulation mit einem 306 m hohen Referenzgebäude für eine Windgeschwindigkeit von 13,5 m/s in 10 m Höhe über Grund mit einer Wiederkehrperiode von 10 Jahren validiert. Mit dem d-MTFD System konnten für das Referenzgebäude akzeptable Spitzenbeschleunigungen im obersten Stockwerk für die Hotelnutzung und eine maximale Fassaden-Relativverschiebung von weniger als ±0, 5 m erreicht werden. Bei der semiaktiven Regelung kann der variable Dämpfungskoeffizient durch den Einsatz von Schrittmotoren im Generatorbetrieb erreicht werden. Der elektrische Dämpfungskoeffizient kann durch die entwickelte Leistungselektronik stufenlos eingestellt werden. Darüber hinaus kann elektrische Energie erzeugt und in einer Batterie gespeichert werden. Ein maßstäblicher Prototyp mit einem parallel beweglichen Fassadenelement wurde gebaut. Anhand des Prototyps wurden die Funktionalität der semiaktiven Regelung unter Verwendung eines Schrittmotors und die Leistung der Energiegewinnung mittels Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulationen getestet. Die Grey-Box-Systemidentifikation wird zur Schätzung der Parameter (Federsteifigkeit, Reibung, usw.) in der Verbindung verwendet. Die genauen Ergebnisse eine weitere Validierung durch HiL-Simulationen. Die HiL-Simulationen haben erfolgreich die Machbarkeit eines autarken semiaktiven d-MTFD Systems demonstriert. T3 - Schriftenreihe Hybride Konstruktionen - Massivbau - 15 KW - Energy harvesting KW - Energiegewinnung KW - Distributed-Multiple Tuned Facade Damping system KW - d-MTFD KW - Hardware-in-the-Loop simulation KW - HiL KW - System identification KW - Systemidentifikation KW - Semi-active vibration control KW - Semi-aktive Schwingungskontrolle KW - Hochhaus KW - Schlankes Bauwerk KW - Doppelte Fassade KW - Schwingungsdämpfung KW - Windlast KW - Mehrkriterielle Optimierung KW - Hardware-in-the-loop KW - Genetischer Algorithmus KW - Energieerzeugung KW - Prototyp Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63811 SN - 2569-2798 ER -