Entwicklung einer numerischen Methode zur Identifikation von Bauwerk-Dämpfer-Systemparametern

• Development of a numerical method for the parameter identification of structure-damper systems

Schleiter, Simon; Klinkel, Sven (Thesis advisor); Kaliske, Michael (Thesis advisor); Zabel, Volkmar (Thesis advisor); Altay, Okyay (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Identifikation von Bauwerk-Dämpfer-Systemparametern und thematisiert damit die Forschungsgebiete der Bauwerksüberwachung und Bauwerksregelung. Die Bauwerksüberwachung ist Teil der Systemidentifikation, die auf Basis verrauschter Messsignale dynamische Eigenschaften sowie Schäden an Bauwerken identifizieren kann. Dabei können Kalman-Filter Methoden aufgrund ihrer Rekursivität Systeme in Echtzeit identifizieren. Entsprechende Erweiterungen, wie z.B. das Unscented Kalman Filter (UKF), ermöglichen die Berücksichtigung nichtlinearer Systeme und im Falle des Unscented Minimum Variance Unbiased Estimator (UMVU) auch die Identifikation unbekannter Eingangssignale. Das UKF eignet sich allerdings nur, um kontinuierliche nichtlineare Systemänderungen, z.B. durch Rissbildung, zu identifizieren. Ein Hauptziel dieser Arbeit besteht jedoch in der Identifikation plötzlicher Systemänderungen wie z.B. plötzliches Bauteilversagen infolge Erdbebens. Entsprechend wird ein Adaptationskriterium für das UKF entwickelt, welches plötzliche Systemänderungen in Echtzeit und statistisch unabhängig von Messrauschen identifiziert. Ergänzt durch eine Lokalisierung und Kovarianzadaptation wird es für die Formulierung eines adaptiven UKF (A-UKF) verwendet. Numerische Simulationen infolge Erdbebens, weißen Rauschens und Impulsanregung zeigen hierzu die Identifikation plötzlicher Steifigkeitsänderungen an Mehrfreiheitsgradsystemen mit Schwingungsdämpfern. Aufgrund der zugehörigen hohen Dämpfungsgrade und die dadurch maßgeblich erschwerte Systemidentifikation steht die Identifikation solcher Systeme im Fokus dieser Arbeit. Parameterstudien untersuchen daher den Einfluss der Zustandskovarianz auf die Filtersensitivität sowie die Einflüsse von Systemrauschen und Modelldiskretisierung auf die Genauigkeit des A-UKF. Experimentelle Untersuchungen zeigen außerdem die Anwendung des A-UKF an einem realen Mehrfreiheitsgradmodell mit plötzlicher Steifigkeitsänderung. Das zweite genannte Forschungsgebiet, die Bauwerksregelung, wird verwendet, um maßgebliche Schwingungsgrößen durch zusätzliche Schwingungsdämpfer zu reduzieren. Semi-aktive Schwingungsdämpfer können durch ihre Regelung auf sich ändernde äußere Umstände reagieren und bieten so einen großen Vorteil gegenüber passiven Schwingungsdämpfern. Um auch nichtlineare (plötzliche) Systemänderungen in der Schwingungsregelung zu berücksichtigen, bietet sich eine Kopplung mit der Systemidentifikation an, die eine weitere Motivation dieser Arbeit beschreibt. Hierzu wird das A-UKF mit einem Schwingungsdämpfer mit veränderlicher Steifigkeit kombiniert und ein zugehöriges Regelungsschema, die steifigkeitsvariable Regelung (SVR), entworfen. Dabei wird für die SVR eine Optimierung einer energiebasierten Kostenfunktion mittels Gradientenverfahren verwendet. Neben der Kopplung von A-UKF und SVR wird im Anschluss auch eine Kopplung von UMVU und SVR untersucht, die keine Überwachung der Eingangssignale benötigt und darüber hinaus dennoch plötzliche Systemänderungen berücksichtigt. Für beide Anwendungsvarianten werden numerische Simulationen infolge harmonischer Anregung, weißen Rauschens und Erdbebens durchgeführt. Im Falle von plötzlichen Steifigkeitsänderungen, fehlerhaften Frequenzabstimmungen sowie resonanzartiger Anregung kann die Steifigkeit des Schwingungsdämpfers durch die Systemidentifikation erfolgreich abgestimmt werden und erzielt somit eine hohe Effektivität der semi-aktiven Bauwerksregelung gegenüber einem passiven Schwingungsdämpfer.