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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.
Hybride PV-Fassaden sind gleichzeitig solarelektrisch und solarthermisch nutzbar (segmentierter Fassadenzwischenraum als Wandkollektor/Doppelfassade). Die Wechselwirkung zwischen der konstruktiven und anlagentechnischen Einbindung solcher Fassaden in das Gebäude und ihrer energetischen und raumklimabeeinflussenden Wirkung wurde in dieser Arbeit untersucht. Im Feldversuch (Umweltzentrum Cottbus) konnte eine beispielhafte Lösung zur Integration einer derartigen Fassade realisiert (Betriebszustände: freie und motorische Hinterlüftung bzw. geschlossene Fassade) und messtechnisch ausgewertet werden. Ein Modell zur Simulation und Bewertung unabhängiger Systemvarianten wurde auf Grundlage des thermischen Simulationsprogrammes TRNSYS erarbeitet. Damit konnten Aussagen zur Optimierung und zu Anwendungsgrenzen aus raumklimatischer und wirtschaftlicher Sicht getroffen werden.
In dieser Arbeit werden Ergebnisse aus experimentellen Untersuchungen der Luftströmung an einer realisierten hinterlüfteten Doppelfassade beschrieben. So dient ein Teil der SSW- bis WSW- orientierten Außenwandfläche durch seine vorgestellte, transluzente Pfosten-Riegelkonstruktion u. a. als Zuluftkollektor für die Lüftungsanlage des Gebäudes. Neben einer umfangreichen Darstellung und Auswertung der meßtechnisch erfaßten Vorgänge in der Doppelfassade erfolgte eine Quantifizierung des für die Lüftungsanlage des Gebäudes erfaßten Energieeintrages über den Meßzeitraum sowie eine Ausarbeitung zu steuerungs- und regelungstechnischen Lösungsansätzen zur Einbindung der Fassade als Zuluftkollektor in die Anlagentechnik und in das damit verbundene Betriebs- und Nutzungsregime des Gebäudes. Des weiteren wurde der Versuch unternommen, die thermodynamischen Vorgänge im Bereich der Doppelfassade anhand eines Modells zweidimensional analytisch zu erfassen und Modell- und Meßergebnisse zu validieren. Die Modellierung und Simulation erfolgte dabei unter Anwendung der kontinuumsmechanischen Erhaltungssätze (Navier-Stokes Gleichungen). Als Berechnungsmethode zur Lösung der algebraischen Differenzengleichungen wurde das Finite-Volumen-Verfahren angewendet, notwendige Randbedingungsvorgaben wurden aus Feldmeßdaten übernommen.