Alleviation of the Response of Slender Bridges to Wind Action Using Different Types of Controlled Actuators

Kirch, Arno

Die theoretische Arbeit beschreibt, wie die dynamischen Eigenschaften schlanker Brücken unter Windeinwirkung durch den Einsatz geregelter Aktuatoren verbessert werden können. Zuerst werden Luftkraftmodelle eingeführt, die auf linearen zeitinvarianten Übertragungsgliedern basieren. Die Approximation der aerodynamischen Übertragungsfunktionen mit rationalen Funktionen ermöglicht eine Darstellung der Kräfte mit Zustandsraummodellen. Zwei matrixbasierte rationale Funktionsansätze werden genutzt, die für Brückenquerschnitte nur bedingt geeignet sind. Zur Bewertung der Approximationsgüte werden verschiedene Parameterstudien durchgeführt. Im nächsten Schritt wird eine Schrägkabelbrücke als Beispiel einer schlanken Brückenstruktur vorgestellt. Zur Modellierung der Brücke kommen zwei unterschiedliche räumliche Diskretisierungen mit elementweisen und globalen Ansatzfunktionen zum Einsatz. Das aeroelastische System als Kombination der Luftkräfte und der Brückenstruktur lässt sich wieder durch ein Zustandsraummodell beschreiben. Stabilität und Übertragungsverhalten, die wichtigsten Eigenschaften des aeroelastischen Systems, werden theoretisch untersucht. Dabei wird die Auswirkung der rationalen Funktionsapproximation auf die Ergebnisgüte hervorgehoben. Reaktionsräder, Stellkreisel und aerodynamisch wirksame Klappen dienen als Aktuatoren. Das Zustandsraummodell des aeroelastischen Systems wird erweitert, um diese Elemente einzubeziehen. Durch eine geregelte Bewegung der Aktuatoren lässt sich die Reaktion des Systems auf Störungen abmindern. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Auffinden von grundsätzlichen Grenzen der Stabilisierbarkeit des aktuatorerweiterten aeroelastischen Systems. Außerdem wird das Verhalten des geregelten Systems in einem turbulenten Windfeld für die unterschiedlichen Aktuatoren verglichen. In den letzten Schritten werden Zustandsraumbeobachter beschrieben, eine Störgrößenaufschaltung wird untersucht, und die Machbarkeit einer I-Regelung wird ausgelotet.

The theoretical work describes how the dynamic characteristics of slender bridges under wind action can be improved through the use of controlled actuators. First, models for the aerodynamic forces are introduced that are based on linear time-invariant transfer elements. Rational function approximations of the aerodynamic transfer functions allow for force representations with state-space models. Two matrix-based rational function approaches are applied. Their suitability is limited for bridge cross sections. For an evaluation of the approximation quality, several parameter studies are conducted. In the next step, a cable-stayed bridge is introduced as an example of a slender bridge structure. Two different spatial discretisations with element-wise and global shape functions are applied for modelling this bridge. The aeroelastic system as the combination of aerodynamic forces and the bridge structure is described in terms of a state-space model. Stability and transfer behaviour, the most important characteristics of the aeroelastic system, are theoretically investigated. Emphasis is laid on the effect of the rational function approximations on the quality of the results. Reaction wheels, control moment gyroscopes, and aerodynamically effective flaps are employed as actuators. The state-space model of the aeroelastic system is extended in order to incorporate these devices. When the actuator motions are controlled in a closed loop, the system response to disturbances can be attenuated. A particular focus of the work is on finding fundamental limits for the stabilisation of the actuator-extended aeroelastic systems. Furthermore, the performance of the controlled system in a turbulent wind field is compared for the different types of actuators. In the last steps, the effect of state observers is investigated, a disturbance feedforward is analysed, and the feasibility of an integral control is explored.

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Kirch, Arno: Alleviation of the Response of Slender Bridges to Wind Action Using Different Types of Controlled Actuators. 2013.

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