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Self-sufficient semi-active vibration control of high-rise buildings under wind excitation by moveable double-skin facades

Autarke semi-aktive Schwingungskontrolle von Hochhäusern unter Windanregung durch bewegliche Doppelfassaden

  • 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 theThe 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.show moreshow less
  • 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, werdenIn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Yangwen ZhangORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-63811
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6381
ISSN:2569-2798
Series (Serial Number):Schriftenreihe Hybride Konstruktionen - Massivbau (15)
Referee / Advisor:Prof. Dr. Achim Bleicher
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/01/06
Release Date:2023/07/07
Tag:Energiegewinnung; HiL; Semi-aktive Schwingungskontrolle; Systemidentifikation; d-MTFD
Distributed-Multiple Tuned Facade Damping system; Energy harvesting; Hardware-in-the-Loop simulation; Semi-active vibration control; System identification
GND Keyword:Hochhaus; Schlankes Bauwerk; Doppelte Fassade; Schwingungsdämpfung; Windlast; Mehrkriterielle Optimierung; Hardware-in-the-loop; Genetischer Algorithmus; Energieerzeugung; Prototyp
Institutes:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Hybride Konstruktionen - Massivbau
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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