Im Bauwesen werden Kohlenstofffaser‐Lamellen bisher fast ausschließlich zur Verstärkung bestehender Bauwerke verwendet. Im Einsatz für den Neubau liegt ein großes, derzeit kaum genutztes, wirtschaftliches und konstruktives Potential. In der Versuchshalle des Instituts für Bauingenieurwesen der TU Berlin wurde nun eine Spannbandbrücke gebaut, deren primäres Tragelement aus Kohlenstofffaser‐Lamellen besteht. Spannbandbrücken gehören zu den leichtesten und elegantesten Brückenbauwerken. Die Geh‐ bzw. Fahrbahnplatten liegen direkt auf Bändern auf, die zwischen zwei Widerlagern spannen und dort verankert sind. Üblicherweise werden für die Bänder Stahlbleche oder ‐seile verwendet. Die Verwendung von Kohlenstofffaser‐Lamellen anstelle der Stahlbänder ermöglicht die Weiterentwicklung dieses Brückentyps. Im Vergleich zu gewöhnlichen Baustählen können mit diesem Werkstoff, wegen seiner ca. 10‐mal größeren Zugfestigkeit bei einem Fünftel des Eigengewichts, größere Spannweiten und schlankere Querschnitte realisiert werden.
Zur Bestätigung der modellbasierten Regelungen und der analytischen Modelle wird die aktive Schwingungskontrolle an der entwickelten Spannbandbrücke mit CFK-Lamellen realisiert. Der Vergleich der Ergebnisse aus der Simulation und dem Experiment nach einer definierten Anregung veranschaulicht die Qualität der analytischen Modelle und Regelungen. Unter fußgängerinduzierten Schwingungen bestätigen sich sowohl die Funktionsfähigkeit in der Praxis als auch das Potential aktiver Systeme zur Schwingungskontrolle. Die Beschleunigungsamplituden werden effizient auf ein komfortables Maß reduziert. Letztendlich zeigen die Ergebnisse, dass aktiver Leichtbau der Vision "null" Bauhöhe und "unendliche" Steifigkeit einen Schritt näher kommt.-VI --VII -
AbstractNew materials and technologies allow not only the building of ultra-light and slender bridges, they also enable the construction of sustainable bridges. Aiming at a reduction of their more complex and high vibration sensitivity, a new active vibration control approach was developed and applied to a prototype; both will be presented in this thesis. By using highstrength carbon fibre reinforced plastic (CFRP), a very light and flexible stress ribbon footbridge having a span of 13 m and a structural height of only 1 mm was built in the lab of the Chair of Conceptual and Structural Design of the Berlin Institute of Technology. The highstrength CFRP ribbons are ideally suited for this purely tensioned bridge. However, the extremely low extensional stiffness of the optimally designed and exploited CFRP cross section as well as the bridge's extremely low structural damping, even under ordinary pedestrian traffic, lead to an unusually high vibration sensitivity in several modes.In order to counteract the high level of pedestrian-induced vibrations, an active vibration control concept is developed. This concept includes the embedding of smart actuators into the handrail, which is required anyway. Here, biologically inspired, extremely light and powerful artificial muscles are used. These pulling only actuators generate damping forces during the upward movement of the vibrating bridge. An active vibration control system consists of actuators, sensors and a controller. The multi-variable control concept is based on a cascaded control consisting of subsidiary loops to control the force of the pneumatic muscles and the outer loop to finally control the first three vertical modes of the bridge. The design of both controls is model-based.First, a reduced discretized analytical model for the stress ribbon bridge is developed. To verify the analytical prediction, experiments without control are conducted. They show that a linearized 8-plate-model describes the natural modes and frequencies sufficiently exact. Secondly, the force control of the actuator system is based on a nonlinear analytical model of the pneumatic muscle, the valve characteristic and the pressure build-up. To handle the nonlinearities of the actuator system, a nonlinear force controller is designed based on exact linear...
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