Since aircrafts manufacturers intend to produce low consumption and efficient aircrafts, parts become more and more difficult to machine. Some processes like „air machining“ enables a one-step production for complex aluminium alloy shaped parts. Although the assembly offers a large access to cutting tool, the lack of stiffness for large parts, and especially for thin-walled aeronautics parts implies strong vibrations during machining. The aim of the study is to solve these difficulties in order to keep productivity and improve surface quality. Further innovative solutions are considered like modal analysis, in-phase machining, spindle speed variation, 3 flutes end mill and variable helix angle mill. All propositions are tested on DMG 65 machine tool with Siemens 840D controller. Although vibrations are intrinsic to flexible parts, surface quality has been improved with higher cutting continuity and variable helix angle cutting tool.

Die vorliegende Arbeit liefert eine ausführliche systematische Untersuchung der Gestellschwingungen von Rollen- und Bogen-Offsetdruckmaschinen. Sie dient dazu, die modalen Eigenschaften (Eigenfrequenzen, Eigenformen) zu identifizieren und die erzwungenen Schwingungen zu simulieren. An drei Rollen-Offsetdruckmaschinen wurden experimentelle und theoretische Modalanalysen durchgeführt. Es wurden die Einflüsse des Baugrundes, der Aufstellung und der Schraubenverbindung auf die modalen Eigenschaften analysiert. Weiterhin wurde die Standsicherheit bei seismischer Erregung überprüft. Für alle vier untersuchten Offsetdruckmaschinen wurden FE-Modelle unter Berücksichtigung ihrer Besonderheiten gebildet und mittels der Messergebnisse abgesichert. Bei Bogen-Offsetdruckmaschinen wurden erzwungene Schwingungen bei vier verschiedenen Erregungen und bei ungleichmäßiger Aufstellung simuliert. Aus den vorliegenden Resultaten können Schlussfolgerungen für die Weiterentwicklung von Druckmaschinen gezogen werden. / This work provides a detailed systematical research about the frame vibrations of web-offset-printing machines and sheetfed-offset-printing machines. It serves to identify the modal properties (natural frequencies and mode shapes) and to simulate the forced vibrations. The experimental and theoretical modal analysis have been realised at three web-offset-printing machines. The influences of the base, installation and screw connection on the modal properties have been analysed, furthermore the stand security under seismic excitation has been verified. The FE-models of all four investigated offset-printing machines have been built under consideration of their characteristics and have been updated with measurement results. Forced vibrations of sheetfed-offset-printing machines have been simulated on four different excitations and for uneven installation. The results of this work can be used for the further development of printing-machines.

Bei der Fertigung von Siliziumwafern durch Zerteilen eines Siliziumblockes kommt das Drahttrennläppverfahren zur Anwendung. Es wird eine Erregereinheit entwickelt, die den Siliziumblock während des Schneidprozesses zu Schwingungen anregt. Die Verwendung von Piezoaktoren ermöglicht mehrachsige Schwingungen mit variabler Frequenz und Amplitude. Wesentliche Bestandteile der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen an den Aktoren und der gesamten Erregereinheit sowie die Modellierung des Gesamtsystems mit Hilfe linearer Einzelmodelle. Es zeigt sich, dass die Aktoren bei dynamischen Anwendungen linear beschrieben werden können, während das Gesamtmodell besonders in den Resonanzbereichen aufgrund montagebedingter Einflüsse Schwächen aufweist. Abschließend wird der Einfluss der Schwingungsanregung beim Drahtsägen untersucht. Aus den Versuchen geht hervor, dass im getesteten Frequenz- und Amplitudenbereich sowohl hohe Erregerfrequenzen als auch –amplituden geringere Schnittkräfte zur Folge haben.

<div>This body of work examines analytical and numerical models to simulate the response of structures in shock absorption applications. Specifically, the work examines the prediction of cushion curves of polymer foams, and a topological examination of a $\chi$ shape unit cell found in architected mechanical elastomeric metamaterials. The $\chi$ unit cell exhibits the same effective stress-strain relationship as a closed cell polymer foam. Polymer foams are commonly used in the protective packaging of fragile products. Cushion curves are used within the packaging industry to characterize a foam's impact performance. These curves are two-dimensional representations of the deceleration of an impacting mass versus static stress. The main drawback with cushion curves is that they are currently generated from an exhaustive set of experimental test data. This work examines modeling the shock response using a continuous rod approximation with a given impact velocity in order to generate cushion curves without the need of extensive testing. In examining the $\chi$ unit cell, this work focuses on the effects of topological changes on constitutive behavior and shock absorbing performance. Particular emphasis is placed on developing models to predict the onset of regions of quasi-zero-modulus (QZM), the length of the QZM region and the cushion curve produced by impacting the unit cell. The unit cell's topology is reduced to examining a characteristic angle, defining the internal geometry with the cell, and examining the effects of changing this angle.</div><div>However, the characteristic angle cannot be increased without tradeoffs; the cell's effective constitutive behavior evolves from long regions to shortened regions of quasi-zero modulus. Finally, this work shows that the basic $\chi$ unit cell can be tessellated to produce a nearly equivalent force deflection relationship in two directions. The analysis and results in this work can be viewed as new framework in analyzing programmable elastomeric metamaterials that exhibit this type of nonlinear behavior for shock absorption.</div>

La multiplication des projets HVDC de par le monde démontre l'engouement toujours croissant pour cette technologie de transport de l'électricité. La grande majorité de ces transmissions HVDC correspondent à des liaisons point-à-point et se basent sur des convertisseurs AC/DC de type LCC ou VSC à 2 ou 3 niveaux. Les travaux de cette thèse se focalisent sur l'étude, le contrôle et la commande de systèmes HVDC de type multi-terminal (MTDC), avec des convertisseurs de type VSC classique ou modulaire multi-niveaux. La première étape consiste à obtenir les modèles moyens du VSC classique et du MMC. La différence fondamentale entre ces deux convertisseurs, à savoir la possibilité pour le MMC de stocker et de contrôler l'énergie des condensateurs des sous-modules, est détaillée et expliquée. Ces modèles et leurs commandes sont ensuite linéarisés et mis sous forme de représentations d'état, puis validés en comparant leur comportement à ceux de modèles de convertisseurs plus détaillés à l'aide de logiciels de type EMT. Une fois validés, les modèles d'état peuvent être utilisés afin de générer le modèle d'état de tout système de transmissions HVDC, qu'il soit point-à-point ou MTDC. La comparaison d'une liaison HVDC à base de VSCs classiques puis de MMCs est alors réalisée. Leurs valeurs propres sont étudiées et comparées, et les modes ayant un impact sur la tension DC sont identifiés et analysés. Cette étude est ensuite étendue à un système MTDC à 5 terminaux, et son analyse modale permet à la fois d'étudier la stabilité du système, mais aussi de comprendre l'origine de ses valeurs propres ainsi que leur impact sur la dynamique du système. La méthode de décomposition en valeurs singulières permet ensuite d'obtenir un intervalle de valeurs possibles pour le paramètre de"voltage droop", permettant ainsi le contrôle du système MTDC tout en s'assurant qu'il soit conforme à des contraintes bien définies, comme l'écart maximal admissible en tension DC. Enfin, une proposition de "frequency droop" (ou "statisme"), permettant aux convertisseurs de participer au réglage de la fréquence des réseaux AC auxquels ils sont connectés, est étudiée. Le frequency droop est utilisé conjointement avec le voltage droop afn de garantir le bon fonctionnement de la partie AC et de la partie DC. Cependant, l'utilisation des deux droop génère un couplage indésirable entre les deux commandes. Ces interactions sont mathématiquement quantifiées et une correction à apporter au paramètre de frequency droop est proposée. Ces résultats sont ensuite validés par des simulations EMT et par des essais sur la plate-forme MTDC du laboratoire L2EP. / HVDC transmission systems are largely used worldwide, mostly in the form of back-to-back and point-to-point HVDC, using either thyristor-based LCC or IGBT-based VSC. With the recent deployment of the INELFE HVDC link between France and Spain, and the commissioning in China of a three-terminal HVDC transmission system using Modular Multilevel Converters (MMCs), a modular design of voltage source converters, the focus of the scientific community has shifted onto the analysis and control of MMC-based HVDC transmission systems. In this thesis, the average value models of both a standard 2-level VSC and an MMC are proposed and the most interesting difference between the two converter technologies -the control of the stored energy in the MMC- is emphasised and explained. These models are then linearised, expressed in state-space form and validated by comparing their behaviour to more detailed models under EMT programs. Afterwards, these state-space representations are used in the modelling of HVDC transmission systems, either point-to-point or Multi-Terminal HVDC (MTDC). A modal analysis is performed on an HVDC link, for both 2-level VSCs and MMCs. The modes of these two systems are specifed and compared and the independent control of the DC voltage and the DC current in the case of an MMC is illustrated. This analysis is extended to the scope of a 5-terminal HVDC system in order to perform a stability analysis, understand the origin of the system dynamics and identify the dominant DC voltage mode that dictates the DC voltage response time. Using the Singular Value Decomposition method on the MTDC system, the proper design of the voltage-droop gains of the controllers is then achieved so that the system operation is ensured within physical constraints, such as the maximum DC voltage deviation and the maximum admissible current in the power electronics. Finally, a supplementary droop "the frequency-droop control" is proposed so that MTDC systems also participate to the onshore grids frequency regulation. However, this controller interacts with the voltage-droop controller. This interaction is mathematically quantified and a corrected frequency-droop gain is proposed. This control is then illustrated with an application to the physical converters of the Twenties project mock-up.

Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) ist ein System von fünf atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACT) in Namibia. Die H.E.S.S. Teleskope sind empfindlich für sehr energiereiche (VHE) Gammastrahlen zwischen ~30 TeV und 100 TeV. Mit einer Entfernung von 16,5 Mpc ist Messier 87 (M87) eine der nächsten Radiogalaxien und beherbergt eines der massereichsten supermassiven Schwarzen Löcher, das Materie in einen Plasmastrahl relativistischer Teilchen emittiert. Der Strahl wird im Bereich des gesamten elektromagnetischen Spektrums beobachtet und untersucht. M87 befindet sich im Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens, eines kühlen Galaxienhaufens, der von Gas gefüllt ist, das in der Nähe des Zentrums kälter und in den Außenbereichen des Galaxienhaufens heißer ist. Gemäß der Cooling Flow (CF) Theorie kühlt das Plasma in Cool Core (CC) Haufen am Rand des Haufens ab und sinkt nach innen, wodurch die Sternentstehungsrate im Zentrum erhöht wird. Optische Messungen des Virgo Galaxienhaufens scheinen diesem Modell jedoch zu widersprechen. Als Heizmechanismus wird der aktive galaktische Kern Rückkopplungsmechanismus vorgeschlagen, der die Abkühlung des ICM ausgleicht und dessen CF vermeidet. Die kosmische Strahlung des Jets interagiert mit der ICM und erzeugt neutrale Pionen, die in Gammastrahlen zerfallen und ein nicht variables und ausgedehntes Gammastrahlensignal erzeugen. Allerdings konnten keine Gammastrahlen-Beobachtungen mit dem Pionenzerfall in dem Galaxienhaufen in Verbindung gebracht werden. In dieser Studie der H.E.S.S. Beobachtungen des niedrigen Strahl-Aktivitätszustands von M87 haben keine signifikante Ausdehnung der Emissionsregion gezeigt, woraus eine 3σ Obergrenze von 0.016° ≈ 4.6 kpc abgeleitet wurde. Das Verhältnis des Drucks in kosmischer Strahlung zur thermischen Strahlung ist auf <0.36 im Zentralregion beschränkt. Diese abgeleitete Obergrenze nimmt einen Gleichgewichtszustand zwischen den Erwärmungs und den Kühlprozessen an. Die neue Generation von IACTs, das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), wird eine unvergleichbare Empfindlichkeit und Winkelauflösung bieten. Um die langfristige Verfügbarkeit der Teleskope sicherzustellen, wurde ein auf Schwingungsmessungen basierendes Strukturüberwachungssystem entwickelt und zwischen 2019 und 2020 in Berlin am Prototyp des mittelgrossen Teleskopes erfolgreich getestet. CTAO wird in der Lage sein die Gammastrahlung des Virgo Haufens zu untersuchen und sie laut Simulationen und dem Steady-State-Modell innerhalb von ~210 h zu detektieren. / The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) located in Namibia. The H.E.S.S. telescopes are sensitive to Very-High-Energy (VHE) gamma rays between ~30 TeV and ~100 TeV. At a distance of 16.5 Mpc Messier 87 (M87) is one of the closest radio-galaxies, hosting one of the most massive Super-Massive Black Hole, which accretes matter and launches an inclined jet of relativistic particles. The jet is detected and studied by radiation emitted through the entire electromagnetic spectrum. M87 is located at the very center of the Virgo galaxy cluster, a Cool Core (CC) cluster, characterized by an Intra-cluster Medium (ICM) that is colder close to the center and hotter towards the outskirts of the galaxy cluster. According to the Cooling Flow (CF) theory, the plasma in CC clusters cools in the outskirts of the cluster and falls inwards, increasing the star formation ratio in the region. However, optical measurements of the Virgo Cluster seem to contradict this model. The Active Galactic Nucleus (AGN) feedback mechanism is proposed as a heating mechanism, which counterbalances the cooling of the ICM and avoids its CF. The cosmic rays from the jet interact with the ICM producing neutral pions, which decay to gamma rays, forming a non-variable and extended gamma-ray signal. However, no gamma-ray observations could be associated with pion decay in galaxy clusters. In this work, deep H.E.S.S. observations of M87's low state are analyzed, and the results have shown no significant gamma-ray extension leading to a 3σ upper limit of 0.016° ≈ 4.6 kpc. The ratio of cosmic-ray pressure to thermal pressure XCR is constrained to < 0.36 at its maximum position, assuming a steady-state between the heating and the cooling processes. The new generation of IACTs, the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) will offer unprecedented sensitivity and angular resolution. To assure the long-term availability of the telescopes, a structure monitoring system based on vibration measurements was developed and successfully tested at the Medium-sized Telescope (MST) prototype between 2019 and 2020 in Berlin. CTAO should be able to probe the gamma-ray emission from the Virgo Cluster, and, according to simulations and to the steady-state model, significantly detect it after ≈ 210 h.

Classically, wide-area synchronized power system monitoring has been an expensive task requiring significant investment in utility communications infrastructures for the service of relatively few costly sensors. The purpose of this research is to demonstrate the viability of power system monitoring from very low voltage levels (120 V). Challenging the accepted norms in power system monitoring, the document will present the use of inexpensive GPS time synchronized sensors in mass numbers at the distribution level. In the past, such low level monitoring has been overlooked due to a perceived imbalance between the required investment and the usefulness of the resulting deluge of information. However, distribution level monitoring offers several advantages over bulk transmission system monitoring. First, practically everyone with access to electricity also has a measurement port into the electric power system. Second, internet access and GPS availability have become pedestrian commodities providing a communications and synchronization infrastructure for the transmission of low-voltage measurements. Third, these ubiquitous measurement points exist in an interconnected fashion irrespective of utility boundaries. This work offers insight into which parameters are meaningful to monitor at the distribution level and provides applications that add unprecedented value to the data extracted from this level. System models comprising the entire Eastern Interconnection are exploited in conjunction with a bounty of distribution level measurement data for the development of wide-area disturbance detection, classification, analysis, and location routines. The main contributions of this work are fivefold: the introduction of a novel power system disturbance detection algorithm; the development of a power system oscillation damping analysis methodology; the development of several parametric and non-parametric power system disturbance location methods, new methods of power system phenomena visualization, and the proposal and mapping of an online power system event reporting scheme. / Ph. D.

This thesis tackles issues of particular interest regarding analysis and design of passive components at the mm-wave and Terahertz (THz) bands. Innovative analysis techniques and modeling of complex structures, design procedures, and practical implementation of advanced passive devices are presented. The first part of the thesis is dedicated to THz passive components. These days, THz technology suffers from the lack of suitable waveguiding structures since both, metals and dielectric, are lossy at THz frequencies. This implies that neither conventional closed metallic structures used at microwave frequencies, nor dielectric waveguides used in the optical regime, are adequate solutions. Among a variety of new proposals, the Single Wire Waveguide (SWW) stands out due to its low attenuation and dispersion. However, this surface waveguide presents difficult excitation and strong radiation on bends. A Dielectric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW) can be used to alleviate these problems, but advantages of the SWW are lost and new problems arise. Until now, literature has not given proper solution to radiation on bends and, on the other hand, rigorous characterization of these waveguides lacks these days. This thesis provides, for the first time, a complete modal analysis of both waveguides, appropriated for THz frequencies. This analysis is later applied to solve the problem of radiation on bends. Several structures and design procedures to alleviate radiation losses are presented and experimentally validated. The second part of the thesis is dedicated to mm-wave passive components. These days, when implementing passive components to operate at such small, millimetric wavelengths, to ensure proper metallic contact and alignment between parts results challenging. In addition, dielectric absorption becomes significant at mm-wave frequencies. Consequently, conventional hollow metallic waveguides and planar transmission lines present high attenuation so that new topologies are being considered. Gap Waveguides (GWs), based on a periodic structure introducing an Electromagnetic Bandgap effect, result very suitable since they do not require metallic contacts and avoid dielectric losses. However, although GWs have great potential, several issues prevent GW technology from becoming consolidated and universally used. On the one hand, the topological complexity of GWs difficulties the design process since full-wave simulations are time-costly and there is a lack of appropriate analysis methods and suitable synthesis procedures. On the other hand, benefits of using GWs instead of conventional structures are required to be more clearly evidenced with high-performance GW components and proper comparatives with conventional structures. This thesis introduces several efficient analysis methods, models, and synthesis techniques that will allow engineers without significant background in GWs to straightforwardly implement GW devices. In addition, several high-performance narrow-band filters operating at Ka-band and V-band, as well as a rigorous comparative with rectangular waveguide topology, are presented. / Esta tesis aborda problemas actuales en el análisis y diseño de componentes pasivos en las bandas de onda milimétrica y Terahercios (THz). Se presentan nuevas técnicas de análisis y modelado de estructuras complejas, procedimientos de diseño, e implementación práctica de dispositivos pasivos avanzados. La primera parte de la tesis se dedica a componentes pasivos de THz. Actualmente no se disponen de guías de onda adecuadas a THz debido a que ambos, metales y dieléctricos, introducen grandes pérdidas. En consecuencia, no es adecuado escalar las estructuras metálicas cerradas usadas en microondas, ni las guías dieléctricas usadas a frecuencias ópticas. Entre un gran número de recientes propuestas, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca por su baja atenuación y casi nula dispersión. No obstante, como guía superficial, la SWW presenta difícil excitación y radiación en curvas. El uso de un recubrimiento dieléctrico, creando la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alivia estos inconvenientes, pero las ventajas anteriores se pierden y nuevos problemas aparecen. Hasta la fecha, no se han encontrado soluciones adecuadas para la radiación en curvas de la SWW. Además, se echa en falta una caracterización rigurosa de ambas guías. Esta tesis presenta, por primera vez, un análisis modal completo de SWW y DCSWW, adecuado a la banda de THz. Este análisis es aplicado posteriormente para evitar el problema de la radiación en curvas. Se presentan y validan experimentalmente diversas estructuras y procedimientos de diseño. La segunda parte de la tesis abarca componentes pasivos de ondas milimétricas. Actualmente, estos componentes sufren una importante degradación de su respuesta debido a que resulta difícil asegurar contacto metálico y alineamiento adecuados para la operación a longitudes de onda tan pequeñas. Además, la absorción dieléctrica incrementa notablemente a estas frecuencias. En consecuencia, tanto guías metálicas huecas como líneas de transmisión planares convencionales presentan gran atenuación, siendo necesario considerar topologías alternativas. Las Gap Waveguides (GWs), basadas en una estructura periódica que introduce un efecto de Electromagnetic Bandgap, resultan muy adecuadas puesto que no requieren contacto entre partes metálicas y evitan las pérdidas en dieléctricos. No obstante, a pesar del potencial de las GWs, varias barreras impiden la consolidación y uso universal de esta tecnología. Por una parte, la compleja topología de las GWs dificulta el proceso de diseño dado que las simulaciones de onda completa consumen mucho tiempo y no existen actualmente métodos de análisis y diseño apropiados. Por otra parte, es necesario evidenciar el beneficio de usar GWs mediante dispositivos GW de altas prestaciones y comparativas adecuadas con estructuras convencionales. Esta tesis presenta diversos métodos de análisis eficientes, modelos, y técnicas de diseño que permitirán la síntesis de dispositivos GW sin necesidad de un conocimiento profundo de esta tecnología. Asimismo, se presentan varios filtros de banda estrecha operando en las bandas Ka y V con altas prestaciones, así como una comparativa rigurosa con la guía rectangular. / Aquesta tesi aborda problemes actuals en relació a l'anàlisi i disseny de components passius en les bandes d'ona mil·limètrica i Terahercis. Es presenten noves tècniques d'anàlisi i modelatge d'estructures complexes, procediments de disseny, i implementació pràctica de dispositius passius avançats. La primera part de la tesi es focalitza en components passius de THz. Actualment no es disposen de guies d'ona adequades a THz causa que tots dos, metalls i dielèctrics, introdueixen grans pèrdues. En conseqüència, no és adequat escalar les estructures metál·liques tancades usades en microones, ni les guies dielèctriques usades a freqüències òptiques. Entre un gran nombre de propostes recents, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca per la seua baixa atenuació i quasi nul·la dispersió. No obstant això, com a guia superficial, la SWW presenta difícil excitació i radiació en corbes. L'ús d'un recobriment dielèctric, creant la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alleuja aquests inconvenients, però els avantatges anteriors es perden i nous problemes apareixen. Fins a la data, no s'han trobat solucions adequades per a la radiació en corbes de la SWW. A més, es troba a faltar una caracterització rigorosa d'ambdues guies. Aquesta tesi presenta, per primera vegada, un anàlisi modal complet de SWW i DCSWW, adequat a la banda de THz. Aquest anàlisi és aplicat posteriorment per evitar el problema de la radiació en corbes. Es presenten i validen experimentalment diverses estructures i procediments de disseny. La segona part de la tesi es centra en components passius d'ones mil·limètriques. Actualment, aquests components pateixen una important degradació de la seua resposta a causa de que resulta difícil assegurar contacte metàl·lic i alineament adequats per a l'operació a longituds d'ona tan menudes. A més, l'absorció dielèctrica incrementa notablement a aquestes freqüències. En conseqüència, tant guies metàl·liques buides com línies de transmissió planars convencionals presenten gran atenuació, sent necessari considerar topologies alternatives. Les Gap Waveguides (GWs), basades en una estructura periòdica que introdueix un efecte de Electromagnetic Bandgap, resulten molt adequades ja que no requereixen contacte entre parts metàl·liques i eviten les pèrdues en dielèctrics. No obstant, tot i el potencial de les GWs, diverses barreres impedixen la consolidació i ús universal d'aquesta tecnologia. D'una banda, la complexa topologia de les GWs dificulta el procés de disseny atés que les simulacions d'ona completa consumeixen molt de temps i no existeixen actualment mètodes d'anàlisi i disseny apropiats. D'altra banda, és necessari evidenciar el benefici d'utilitzar GWs mitjançant dispositius GW d'altes prestacions i comparatives adequades amb estructures convencionals. Aquesta tesi presenta diversos mètodes d'anàlisi eficients, models, i tècniques de disseny que permetran la síntesi de dispositius GW sense necessitat d'un coneixement profund d'aquesta tecnologia. Així mateix, es presenten diversos filtres de banda estreta operant en les bandes Ka i V amb altes prestacions, així com una comparativa rigorosa amb la guia rectangular. / Berenguer Verdú, AJ. (2017). Analysis and design of efficient passive components for the millimeter-wave and THz bands [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84004 / TESIS

Climate change and densification of cities are two major global challenges. Inthe building and construction industry, there are great expectations that tall timberbuildings will constitute one of the most sustainable solutions. First, verticalurban growth is energy and resource-efficient. Second, forest-based productsstore carbon and have one of the highest mechanical strength to density ratios.If the structural substitution of concrete and steel with wood in high-rise buildingsawakens fears of fire safety issues, engineers and researchers are particularlyworried about the dynamic response of the trendy tall timber buildings.Indeed, due to the low density of wood, they are lighter, and for the same height,they might be more sensitive to wind-induced vibrations than traditional buildings.To satisfy people’s comfort on the top floors, the serviceability design oftall timber buildings must consider wind-induced vibrations carefully. Architectsand structural engineers need accurate and verified calculation methods,useful numerical models and good knowledge of the dynamical properties oftall timber buildings. Firstly, the research work presented hereby attempts to increase the understandingof the dynamical phenomena of wind-induced vibration in tall buildings andevaluate the accuracy of the semi-empirical models available to estimate alongwindaccelerations in buildings. Secondly, it aims at, experimentally and numerically,studying the impact of structural parameters – masses, stiffnesses anddamping – on the dynamics of timber structures. Finally, it suggests how talltimber buildings can be modeled to correctly predict modal properties and windinducedresponses. This research thesis confirms the concerns that timber buildings above 15-20stories are more sensitive to wind excitation than traditional buildings with concreteand steel structures, and solutions are proposed to mitigate this vibrationissue. Regarding the comparison of models from different standards to estimatewind-induced accelerations, the spread of the results is found to be very large.From vibration tests on a large glulam truss, the connection stiffnesses are foundto be valuable for predicting modal properties, and numerical reductions withsimple spring models yield fair results. Concerning the structural models of conceptualand real tall timber buildings, numerical case studies emphasize the importanceof accurately distributed masses and stiffnesses of structural elements,connections and non-structural building parts, and the need for accurate dampingvalues. / Klimatförändringar och förtätning av städer är två stora globala utmaningar. Inom bygg- och anläggningsbranschen finns det stora förväntningar på att höga trähus ska utgöra en av de mest hållbara lösningarna. Dels är vertikal förtätning i städer energi- och resurseffektiv, dels lagrar skogsbaserade produkter kol och har dessutom ett av de högsta förhållanden mellan mekanisk styrka och densitet. Om den strukturella ersättningen av stål och betong med trä i höghus väcker farhågor ur brandsäkerhetssynpunkt, är ingenjörer och forskare särskilt oroliga för den dynamiska responsen i de trendiga högre trähusen. På grund av träets låga densitet blir de lättare, och för samma höjd kan de vara känsligare för vindinducerade vibrationer än traditionella byggnader. För att tillfredsställa människors komfort på de översta våningarna måste projektören av höga trähus noga överväga vindinducerade vibrationer i bruksgränstillstånd. Arkitekter och byggnadsingenjörer behöver noggranna och verifierade beräkningsmetoder, användbara numeriska modeller och goda kunskaper om höga träbyggnaders dynamiska egenskaper. För det första avser detta forskningsarbete att öka förståelsen för den dynamiska effekten av vindinducerade vibrationer i höga byggnader och utvärdera noggrannheten hos de semi-empiriska modeller som finns tillgängliga för att uppskatta byggnadens accelerationer i vindriktningen. För det andra syftar det till att, experimentellt och numeriskt, studera effekterna av strukturella parametrar – massor, styvheter och dämpning – på träkonstruktioners dynamik. Slutligen undersöks hur höga träbyggnader kan modelleras för att korrekt förutsäga modala egenskaper och vindinducerade respons. Denna forskningsuppsats bekräftar farhågorna om att träbyggnader över 15-20 våningar är mer känsliga för vindexcitation än vanliga byggnader med betong- och stålstomme. Några lösningar föreslås för att mildra detta vibrationsproblem. När det gäller jämförelsen av modeller från olika standarder för att beräkna vindinducerade accelerationer visar sig spridningen av resultaten vara mycket stor. Från tester på ett stort limträfackverk visar sig förbandsstyvheterna vara viktiga för att förutsäga modala egenskaper och numeriska reduktioner med enkla fjädermodeller ger rättvisande resultat. När det gäller de strukturella modellerna av konceptuella och verkliga höga träbyggnader, betonar numeriska fallstudier vikten av exakt fördelade massor och styvheter hos byggnadselement, förband och icke-strukturella byggnadsdelar, samt behovet av exakta dämpningsvärden. / Le changement climatique et la densification des villes sont deux défis mondiaux majeurs. Dans le domaine de la construction, les bâtiments en bois de grande hauteur sont perçus comme l'une des solutions les plus durables. D'une part la croissance urbaine verticale est économe en énergie et en ressources, d'autre part les produits forestiers stockent le carbone et ont l'un des rapports résistance mécanique/densité les plus élevés. Si la substitution structurelle du bois au béton ou à l’acier dans les immeubles de grande hauteur suscite des craintes pour les problèmes de sécurité incendie, les ingénieurs et les chercheurs s'inquiètent particulièrement de la réponse dynamique des immeubles en bois de grande hauteur à la mode. En effet, du fait de la faible densité du bois, ils sont plus légers, et à hauteur égale, ils pourraient être plus sensibles aux vibrations induites par le vent que les immeubles traditionnels. Pour satisfaire le confort des personnes aux étages supérieurs, la conception des bâtiments en bois de grande hauteur doit tenir compte judicieusement des vibrations induites par le vent. Les architectes et les ingénieurs en structure ont besoin de méthodes de calcul précises et vérifiées, de modèles numériques utiles et d'une bonne connaissance des propriétés dynamiques des bâtiments en bois de grande hauteur. Premièrement, les travaux de recherche présentés ici tentent d’approfondir la compréhension des phénomènes dynamiques des vibrations induites par le vent dans les immeubles de grande hauteur et d'évaluer la précision des modèles semi-empiriques disponibles pour calculer les accélérations dans la direction du vent. Deuxièmement, ils visent à étudier expérimentalement et numériquement les impacts des paramètres structuraux – masses, rigidités et amortissements – sur la dynamique des structures bois. Finalement, ils suggèrent comment modéliser les bâtiments en bois de grande hauteur pour prédire correctement les propriétés modales et les réponses induites par le vent. Cette thèse de recherche confirme les inquiétudes selon lesquelles les bâtiments en bois de plus de 15-20 étages sont plus sensibles à l'excitation du vent que les bâtiments traditionnels en béton armé ou en acier, et des solutions sont proposés pour atténuer ce problème vibratoire. Concernant la comparaison de différentes méthodes normalisées pour estimer les accélérations induites par le vent, la grande dispersion des résultats n'est pas négligeable. À partir d'essais expérimentaux sur un grand poteau-treillis en lamellé-collé, les rigidités de connexion s’avèrent importantes pour prédire les propriétés modales et les réductions numériques avec de simples modèles à ressort donnent des résultats acceptables. Concernant la précision des modèles structuraux de bâtiments en bois de grande hauteur conceptuels ou réels, des études de cas numériques soulignent l'importance des répartitions exactes des masses et des rigidités des éléments structuraux, des connexions et des éléments de construction non structuraux, ainsi que la nécessité de valeurs d'amortissement précises.

The presentation describes partial results from an industrial project in which a transmission test bench from ZF Prüfsysteme was decoupled from the foundation in terms of vibration using commercial PU foam material ('Sylomer' SR220 from Getzner). The presentation shows how this material was extensively tested by the manufacturer and characterized in numerous data sheets in order to enable the engineer to perform a simple, operating point-dependent dynamic design using clear diagrams and the classic equation for a single-mass oscillator. However, if a more complex analysis is to be carried out using the finite element method, e.g. to determine all 6 rigid body shapes and natural frequencies of the dynamically decoupled test rig and not just the purely vertical natural shape/frequency, the apparent elasticity and shear moduli specified in the manufacturer's data sheets must be converted into true values for the corresponding operating points, which can then be used in a linear FE calculation. For this purpose, FEM models of the elastomer test specimens are generated for different shape factors. The conversion of the apparent to the true characteristic values is then carried out using the optimizer available in the PTC software “Creo Simulate” in a so-called 'feasibility study' and the results are discussed. It can be seen that the true moduli of elasticity and transverse strain coefficients are only slightly or no longer dependent on the form factor. Depending on the density of the PU foam, the transverse strain coefficient is also significantly lower than 0.5. The true shear modulus is practically identical to the measured shear modulus, as a pure biaxial stress and strain state occurs in the shear specimens, in which strain restraints due to transverse strain plays no role - quite unlike in the specimens loaded in the normal (compression) direction, in which triaxial compression stress states occur due to transverse strain restraints. Finally, the true material properties determined in this way are used for an exemplary modal analysis of the entire, idealized test rig on the strip foundation using the finite element method. The error is evaluated if the apparent modulus of elasticity and a Poisson ratio of zero is used instead, so that a simple evaluation and error estimation of analysis results is possible in practical applications. / Der Vortrag beschreibt Teilergebnisse aus einem industriellen Projekt, in dem ein Getriebeprüfstand der ZF Prüfsysteme schwingungstechnisch über kommerzielles PU- Schaummaterial („Sylomer“ SR220 der Firma Getzner) vom Fundament abgekoppelt wurde. Der Vortrag stellt dar, wie dieser Werkstoff vom Hersteller umfangreich getestet und in zahlreichen Datenblättern charakterisiert wurde, um dem Ingenieur schließlich eine einfache, betriebspunktabhängige dynamische Auslegung mittels übersichtlicher Diagramme und der klassischen Gleichung für einen Einmassenschwinger zu ermöglichen. Soll jedoch eine aufwendigere Analyse mittels der Methode der Finiten Elemente durchgeführt werden, z.B. um alle 6 Starrkörperformen und Eigenfrequenzen des dynamisch abgekoppelten Prüfstandes zu bestimmen und nicht nur die rein vertikale Eigenform/Eigenfrequenz, müssen die in den Herstellerdatenblättern angegeben formzahlabhängigen scheinbaren Elastizitäts- und Schubmoduli in wahre Werte für die entsprechenden Betriebspunkte umgerechnet werden, die dann in einer linearen FE-Rechnung verwendet werden können. Dafür werden FEM-Modelle der Elastomer-Probekörper für verschiedene Formfaktoren erzeugt. Die Umrechnung der scheinbaren in die wahren Kennwerte wird anschließend mittels des in der PTC-Software „Creo Simulate“ vorhandenen Optimierers in einer sogenannten „Machbarkeitsstudie“ durchgeführt und die Ergebnisse diskutiert. Es zeigt sich, dass die wahren E-Moduli und Querdehnzahlen nur noch gering bzw. nicht mehr vom Formfaktor abhängen. Je nach Dichte des PU-Schaums stellt sich auch eine Querdehnzahl von deutlich kleiner als 0,5 ein. Der wahre Schubmodul ist praktisch identisch wie der gemessene Schubmodul, da in den Schubproben ein reiner zweiachsiger Spannungs- und Dehnungszustand auftritt, in dem Dehnungsbehinderung durch Querdehnung keine Rolle spielt – ganz anders als in den in Normalenrichtung (Druck-) belasteten Proben, in denen durch die Querdehnungs- behinderung dreiachsige Spannungszustände auftreten. Schließlich werden die so bestimmten wahren Werkstoffkennwerte für eine exemplarische Modalanalyse des gesamten, idealisierten Prüfstandes auf den Streifenfundamenten mittels der Methode der Finiten Elemente verwendet. Der Fehler wird bewertet, wenn man stattdessen den scheinbaren E-Modul und eine Querdehnzahl von Null verwendet, so dass in der Anwendungspraxis eine einfache Bewertung und Fehlerabschätzung von Analyseergebnissen möglich ist.