Forschungsprojekte

Energiegewinnung an Doppelfassaden aus Wind induzierten Schwingungen zur aktiven Kontrolle von Bauwerksschwingungen

Kurzbeschreibung
Das Potential der Windenergie zur Energiegewinnung an großen Fassadenflächen von Hochhäusern ist bisher ungenutzt. "Superschlanke" und schwingungsanfällige Hochhäuser entstehen aufgrund der Verdichtung in den Metropolen. In diesem Forschungsvorhaben wird ein neuartiges verteiltes System zur Energiegewinnung aus dynamischen Windlasten an Doppelfassaden und zur Schwingungskontrolle von schlanken Hochhäusern entwickelt. Zur simulativen Untersuchung im Vorfeld einer Umsetzung werden analytische Modelle für Windlast, Tragwerk, Doppelfassadensystem, Generator/Aktuator, Leistungselektronik und Energiespeicher entwickelt. Ziel des neuen Systems ist die Maximierung der Energiegewinnung im semi-aktiven Generatorbetrieb und die Minimierung des Energieverbrauchs zur Schwingungsreduktion im Aktuatorbetrieb durch Entwicklung optimaler Regelungskonzepte. Mit der gewonnenen Energie sollen die Gesamtenergiebilanz verbessert und der CO2-Fußabdruck eines Hochhauses reduziert werden. Die Erkenntnisse sollen in die Entwicklung und Fertigung eines adaptiven und Energie-produzierenden Doppelfassadenelements zusammen mit dem Fassadenhersteller Gartner einfließen. Über Testzyklen sollen zum einen die Modelle und Regelungen experimentell verifiziert werden und zum anderen die Energiegewinnung und Schwingungsreduktion unter realen Bedingungen quantifiziert werden.

Projektbearbeiter
Lehrstuhl Hybride Konstruktionen - Massivbau, BTU Cottbus - Senftenberg
Prof. Dr.-Ing. Achim Bleicher
Dipl.-Ing. Wulf Wulff
Yangwen Zhang, M.Sc.

Fachgebiet Regelungssysteme, TU Berlin
Dr. Thomas Schauer
Laurenz Wernicke, M.Sc.

Förderung
- Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung,
  Forschungsinitiative Zukunft Bau, 10.08.18.7-18.22,
- Haushalt

Laufzeit
01.2019 - 12.2020

Partner
Josef Gartner GmbH, Gundelfingen
 

Aktive Schwingungskontrolle einer Spannbandbrücke aus CFK mit pneumatischen Aktuatoren

Kurzbeschreibung
Neue Materialien und Technologien erlauben nicht nur Entwurf und Konstruktion ultraleichter und schlanker, sondern auch nachhaltiger Brücken. Mit dem höchstfesten Material kohlenstoff-faserverstärkter Kunststoff wurde an der TU Berlin eine Spannbandbrücke entworfen und gebaut, die mit nur 1 mm Konstruktionshöhe 13 m weit spannt. Um ihre außergewöhnlich hohe Schwingungsanfälligkeit unter Fußgängerverkehr zu reduzieren, wurde eine aktive Schwingungskontrolle entwickelt und an einem Prototypen getestet. Das Konzept zur aktiven Schwingungskontrolle basiert auf dem geregelten Eintrag von Kräften in die Geländerkonstruktion. Zum Einsatz kommen Sensoren, Regelungskonzepte und biologisch inspirierte Aktuatoren, die als aktives System die ersten drei vertikalen Eigenschwingungen der Brücke kontrollieren. Ein wesentliches Element im Entwicklungsprozess des aktiven Systems ist die analytische Modellbildung der Spannbandbrücke, welche dem Entwurf modellbasierter Regelungen zur Kontrolle der Brückenschwingungen dient. Die Effektivität der aktiven Schwingungskontrolle zeigt sich dann durch eine deutliche Reduktion fußgängerinduzierter Beschleunigungen um bis zu 90 % und bestätigt damit auch das Potenzial aktiver Systeme.


Projektbearbeiter
Lehrstuhl Hybride Konstruktionen - Massivbau, BTU Cottbus - Senftenberg
Prof. Dr.-Ing. Achim Bleicher,
Robert Jirasek, M.Sc.

Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, TU Berlin 
Prof. Dr. sc. techn. Mike Schlaich,
Dr.-Ing. Xiaohan Liu

Fachgebiet Regelungssysteme, TU Berlin
Dr. Thomas Schauer

Förderung
- Deutsches Institut für Bautechnik -DIBt-, Berlin,
  ZP 52-5-19.55-1221/06,
- Haushalt

Laufzeit
seit 2006

Partner
Festo AG & Co. KG, Esslingen

Publikationen (Auswahl)

  • Schlaich, M.; Bleicher, A.: Spannbandbrücke mit Kohlenstofffaser-Lamellen, Bautechnik 84(5): 311-319, 2007. doi.org/10.1002/bate.200710028
  • Bleicher, A.; Schlaich, M.; Fujino, Y.; Schauer, T.: Model-based design and experimental validation of active vibration control for a stress ribbon bridge using pneumatic muscle actuators, Engineering Structures, 33(8): 2237-2247, 2011. doi.org/10.1016/j.engstruct.2011.02.035
  • Bleicher, A.; Schauer, T.; Valtin, M.; Raisch, J.; Schlaich, M.: Active vibration control of a light and flexible stress ribbon footbridge using pneumatic muscles. In Proceedings of the 18th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Milano (Italy), pp. 911-916, 2011. doi.org/10.3182/20110828-6-IT-1002.02781
  • Bleicher, A.: Aktive Schwingungskontrolle einer Spannbandbrücke mit pneumatischen Aktuatoren, Bautechnik, 89(2): 89-101, 2012. doi.org/2012.0.1002/bate.201201539
  • Liu, X.; Schauer, T.; Goldack, A.; Bleicher, A.; Schlaich, M.: Accelerometer-based estimation and modal velocity feedback vibration control of a stress-ribbon bridge with pneumatic muscles. In Proceedings of the 13th International Conference on Motion and Vibration Control (MoViC 2016), Southampton, UK, pp. 1-12, 2016.
  • Schauer, T.; Liu, X.; Jirasek, R.; Bleicher, A.: Acceleration-based active vibration control of a footbridge using grey-box identification. In Proceedings of IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2017. doi.org/10.1109/AIM.2017.8014134
  • Jirasek, R.; Schauer, T.; Bleicher, A.: Model-based active vibration control for next generation bridges using reduced finite element models. In Proceedings of the 6th International Footbridge Conference, Berlin, 2017
Biegetragfähige Holz-Beton-Verbundknoten aus Baubuche zur Aussteifung von Hochbauten

Kurzbeschreibung
Die zunehmende Verdichtung in den Metropolen erfordert Lösungen für das Bauen von morgen mit einem kleinstmöglichen CO2-Fußabdruck. Hybride Konstruktionen aus Holz und Beton zur Aussteifung von Hochbauten und Hochhäusern durch mehrstöckige und mehrfeldrige Rahmensysteme auch in Kombination mit einem Kern können hierzu einen Beitrag leisten. Im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens steht die Entwicklung eines Holz-Beton-Verbundknotens aus hochfestem Furnierschichtholz und die Analyse dessen Trag- und Rotationsfähigkeit. Anhand eines FE-Modells soll der Einfluss verschiedener Knotenparameter auf die Rotations- und Tragfähigkeit untersucht werden. Darauf aufbauend soll ein ingenieurmäßiges Modell zur Berechnung der Tragfähigkeit und Rotationsfähigkeit, nach Vorbild der Komponentenmethode, abgeleitet werden. Zur Verifizierung der numerischen und analytischen Ergebnisse sollen Prüfkörper und Materialproben experimentell untersucht werden. Im Versuchsaufbau soll dazu eine Momentenbeanspruchung im Koten, analog zur wechselnden Biegebeanspruchung in einer Rahmenecke aus Horizontaltlasten und zusätzlicher Normalkraft in der Stütze, generiert werden. Mit den Ergebnissen sollen Einflüsse der Knotenparameter auf das Last-Verformungsverhalten erklärt werden und Empfehlungen hinsichtlich der Ausbildung tragfähiger, duktiler und robuster Holz-Beton-Verbundknoten in Rahmensystemen zur Aussteifung ausgesprochen werden.

Projektbearbeiter
Lehrstuhl Hybride Konstruktionen - Massivbau, BTU Cottbus - Senftenberg
Prof. Dr.-Ing. Achim Bleicher
Tim Höltke, M.Sc.

Förderung
- Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung,
  Forschungsinitiative Zukunft Bau, 10.08.18.7-18.04,
- Haushalt

Laufzeit
01.2019 - 12.2020

Partner
Pollmeier Massivholz GmbH & Co. KG, Creuzburg

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