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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.
Im Zuge der voranschreitenden drahtlosen Vernetzung von Systemen wie auch von Systemkomponenten im Bereich der Consumer-Elektronik als auch der Industrie wird die Leistungsversorgung von beweglichen Komponenten immer wichtiger. Die meisten dieser Komponenten sind batteriebetrieben und mit ihrer steigenden Anzahl erhöht sich auch die Nachfrage nach Konzepten für ihre kontaktlose Versorgung mit Energie. Dabei hat sich vor allem die induktive Leistungsübertragung (engl. inductive power transfer (IPT)) als leistungsstarke und weitverbreitete Technologie etabliert. Durch die magnetische Kopplung zweier in geringem Abstand angeordneter Spulen wird kontaktlos, aber höchst effizient Leistung übertragen.
Zusätzlich zur Leistung sollen aber auch Informationen bzw. Steuerungsbefehle zwischen der stationären Ladestation und den mobilen Verbrauchern ausgetauscht werden. Lässt sich über die magnetisch gekoppelten Spulen bereits eine Wechselstromleistung in Form von HF-Signalen übertragen, muss dies auch für modulierte HF-Signale zur Informationsübertragung möglich sein. Diese Arbeit stellt ein Konzept vor, das ein Leistungsübertragungssystem mit induktiv gekoppeltem Spulenpaar um ein Kommunikationsmodul zur bidirektionalen, robusten Übertragung von digitalen Informationen erweitert.
Zunächst werden in dieser Arbeit die Rahmenbedingungen der IPT und die Anforderungen an die Nachrichtenübertragung für ein kombiniertes Daten- und Leistungsübertragungssystem vorgestellt. Hierzu wird unter Nutzung ein und derselben Koppelspulen ein durch Frequenzmultiplexverfahren vom Leistungskanal getrennter Übertragungskanal realisiert. Über diesen Kanal lässt sich die induktive Datenübertragung realisieren. Ein weiterer Teil der Untersuchungen stellt dar, wie einzelne Nachrichtenpakete optimal an die Kanalverhältnisse angepasst und damit unter verbesserten Bedingungen übertragen werden können. Dabei kommen moderne Modulationsverfahren zum Einsatz, deren Grundlagen ebenfalls in dieser Arbeit erläutert werden. Ab- schließend wird die Technologie mit Hilfe eines Prototypen demonstriert und daran messtechnisch die Performanz des Systems belegt. Abgerundet wird die Arbeit mit einer Diskussion der Messergebnisse und einem Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technik. Hierdurch kann die Frage beantwortet werden, ob die Technologie unter industriellen Betriebsbedingungen einsetzbar ist.